DE102022124375B3 - Device and method for Raman spectroscopy - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Raman-Spektroskopie, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur hochauflösenden Raman-Spektroskopie mit einer durch ein Modulationssignal spektral modulierten, abstimmbaren monochromatischen Laserquelle zur Anregung einer Probe und einer Lock-In-Vorrichtung zur Verbesserung eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses eines innerhalb der spektralen Filterbreite eines schmalbandigen spektralen Filterelements auftretenden, mit dem Modulationssignal modulierten Raman-Signals der Probe in einem zugehörigen Messsignal.Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Raman-Spektroskopie umfasst eine spektral abstimmbare, mit einem Modulationssignal (Smod1) modulierbare Laserquelle (10); ein spektrales Filterelement (20); einen Detektor (30) zur Messung der Intensität einer von einer Probe (P) gestreuten und vom spektralen Filterelement (20) gefilterten Anregungsstrahlung (L1) der Laserquelle (10); ein Mittel zum Abstimmen der Laserquelle (50); und eine Lock-in-Vorrichtung (40), dazu eingerichtet, mit dem Modulationssignal (Smod1) als Referenzsignal ein innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilterdes spektralen Filterelements (20) auftretendes, mit dem Modulationssignal (Smod1) moduliertes Raman-Signal (R) der Probe (P) aus dem Messsignal (I) herauszufiltern.The present invention relates to a device and a method for Raman spectroscopy, in particular a device and a method for high-resolution Raman spectroscopy with a tunable monochromatic laser source that is spectrally modulated by a modulation signal for exciting a sample and a lock-in device for improving a Signal-to-noise ratio of a Raman signal of the sample occurring within the spectral filter width of a narrow-band spectral filter element and modulated with the modulation signal in an associated measurement signal. A device according to the invention for Raman spectroscopy comprises a spectrally tunable, with a modulation signal (Smod1) modulable laser source (10); a spectral filter element (20); a detector (30) for measuring the intensity of an excitation radiation (L1) of the laser source (10) scattered by a sample (P) and filtered by the spectral filter element (20); a means for tuning the laser source (50); and a lock-in device (40), designed to use the modulation signal (Smod1) as a reference signal to generate a Raman signal (R) of the sample that occurs within the spectral filter width ΔvFilter of the spectral filter element (20) and is modulated with the modulation signal (Smod1). (P) from the measurement signal (I).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Raman-Spektroskopie, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur hochauflösenden Raman-Spektroskopie mit einer durch ein Modulationssignal spektral modulierten, spektral abstimmbaren monochromatischen Laserquelle zur Anregung einer Probe und einer Lock-In-Vorrichtung zur Verbesserung eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses eines innerhalb der spektralen Filterbreite eines schmalbandigen spektralen Filterelements auftretenden Raman-Signals der Probe in einem zugehörigen Messsignal.The present invention relates to a device and a method for Raman spectroscopy, in particular a device and a method for high-resolution Raman spectroscopy with a spectrally modulated, spectrally tunable monochromatic laser source for exciting a sample and a lock-in device for improvement a signal-to-noise ratio of a Raman signal of the sample occurring within the spectral filter width of a narrow-band spectral filter element in an associated measurement signal.
Stand der TechnikState of the art
Die Raman-Spektroskopie wird aufgrund ihrer Eignung zur In-situ- und Online-Analytik zunehmend in der industriellen Prozess- und Umweltmesstechnik eingesetzt. Ein Nachteil hierbei ist jedoch, dass einige Proben in der Praxis infolge Fluoreszenz und/oder aufgrund ihrer Streueigenschaften Spektren liefern, deren Qualität durch einen hohen Untergrund beeinträchtigt wird, insbesondere, wenn mit Messzeiten unterhalb 1 s, ohne aufwendige Probenvorbereitung und/oder mit kleinbauenden Apparaturen gearbeitet wird.Raman spectroscopy is increasingly being used in industrial process and environmental measurement technology due to its suitability for in-situ and online analysis. A disadvantage here, however, is that in practice some samples, due to fluorescence and/or due to their scattering properties, deliver spectra whose quality is impaired by a high background, especially when with measurement times of less than 1 s, without complex sample preparation and/or with small-sized apparatus is being worked on.
Typischerweise wird zur Raman-Spektroskopie Anregungsstrahlung einer festen, jedoch spektral weitgehend frei wählbaren Anregungswellenlänge auf eine zu untersuchende Probe eingestrahlt. Anschließend wird die von der Probe inelastisch gestreute Anregungsstrahlung mittels einer geeigneten Spektroskopieanordnung vom Probenort eingesammelt und spektral untersucht. In Abhängigkeit von den spezifischen Materialeigenschaften der Probe zeigen sich dabei im aufgenommenen Spektrum einzelne Raman-Linien, welche einen genau bestimmten und für die jeweils untersuchte Probe charakteristischen spektralen Abstand (dieser wird üblicherweise als Wellenzahlabstand bezeichnet) von der Anregungswellenlänge der Anregungsstrahlung aufweisen.Typically, for Raman spectroscopy, excitation radiation of a fixed, but spectrally largely freely selectable excitation wavelength is irradiated onto a sample to be examined. The excitation radiation scattered inelastically by the sample is then collected from the sample location using a suitable spectroscopy arrangement and examined spectrally. Depending on the specific material properties of the sample, individual Raman lines appear in the recorded spectrum, which have a precisely determined spectral distance that is characteristic of the sample being examined (this is usually referred to as the wavenumber distance) from the excitation wavelength of the excitation radiation.
Die zur Aufnahme eines Raman-Spektrums verwendeten Spektrometer müssen neben einer hohen spektralen Auflösung auch eine zur Aufnahme von Streuspektren ausreichend hohe Lichtempfindlichkeit aufweisen. Typischerweise weist ein solches Spektrometer als wellenlängenselektives Element ein hochauflösendes Gitter und einen entsprechend rauscharmen Vielkanaldetektor, beispielsweise eine elektronisch oder mittels flüssigem Stickstoff gekühlte CCD-Kamera, zur Detektion auf. Entsprechende Spektrometer sind oft teuer und eignen sich nicht für den Aufbau besonders kleiner, kompakter und robuster Spektroskopieanordnungen. The spectrometers used to record a Raman spectrum must not only have a high spectral resolution but also have a sufficiently high light sensitivity to record scattering spectra. Typically, such a spectrometer has a high-resolution grating as a wavelength-selective element and a correspondingly low-noise multi-channel detector, for example a CCD camera cooled electronically or using liquid nitrogen, for detection. Corresponding spectrometers are often expensive and are not suitable for setting up particularly small, compact and robust spectroscopy arrangements.
Ein weiterer Nachteil konventioneller Spektroskopieanordnungen ist deren relativ geringe Empfindlichkeit, da aufgrund der schmalbandigen Filterung durch das wellenlängenselektive Element in jedem damit erfassten Wellenlängenbereich immer nur eine geringe Intensität erfasst werden kann und somit die gemessenen Raman-Signale einen geringes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (engl. „signal-to-noise ratio“, SNR) aufweisen. Das SNR kann zwar durch eine Erhöhung der Intensität der Anregungsstrahlung oder eine Verlängerung der jeweiligen Integrationszeit erhöht werden, je nach Anwendungsfall sind solchen Maßnahmen jedoch enge Grenzen gesetzt. Während eine zu hohe Anregungsleistung die Probe beeinflussen oder gar zerstören kann, sind insbesondere zur Überwachung chemischer Prozesse oder zum Gefahrstoffnachweis besonders kurze Messzeiten erforderlich.Another disadvantage of conventional spectroscopy arrangements is their relatively low sensitivity, since due to the narrow-band filtering by the wavelength-selective element only a low intensity can be recorded in each wavelength range recorded with it and thus the measured Raman signals have a low signal-to-noise ratio ( English “signal-to-noise ratio”, SNR). Although the SNR can be increased by increasing the intensity of the excitation radiation or extending the respective integration time, such measures have strict limits depending on the application. While excessive excitation power can influence or even destroy the sample, particularly short measurement times are required, especially for monitoring chemical processes or detecting hazardous substances.
Weiterhin sind aus
Aus
In
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur hochauflösenden Raman-Spektroskopie bereitzustellen, welches eine Erhöhung des SNR gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht und somit zu einer Verkürzung der erforderlichen Integrationszeiten bei gleichzeitiger Erhöhung der Empfindlichkeit der Spektroskopieanordnung führt.It is therefore an object of the present invention to provide a device and a method for high-resolution Raman spectroscopy, which enables an increase in the SNR compared to the prior art and thus leads to a shortening of the required integration times while simultaneously increasing the sensitivity of the spectroscopy arrangement.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 8 und 9 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.These tasks are achieved according to the invention by the features of patent claims 1, 8 and 9. Appropriate embodiments of the invention are contained in the dependent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically sensible manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and/or details from the figures, with further embodiment variants of the invention being shown.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Raman-Spektroskopie, umfassend eine spektral abstimmbare Laserquelle, eingerichtet zur Emission einer monochromatischen ersten Anregungsstrahlung einer ersten Wellenlänge λ1 aus einem ersten Wellenlängenbereich Δλ1 zur Anregung einer Probe; ein spektrales Filterelement bei einer Filterwellenlänge vFilter und mit einer spektralen Filterbreite ΔvFilter, wobei der erste Wellenlängenbereich Δλ1 und die spektralen Filterbreite ΔvFilter disjunkte Spektralbereiche betreffen; einen Detektor zur Messung der Intensität der von der Probe gestreuten und vom spektralen Filterelement gefilterten Anregungsstrahlung als Messsignal; ein Mittel zum Abstimmen der Laserquelle, wobei zum Abstimmen der ersten Wellenlänge λ1 der Laserquelle mit einem ersten Modulationssignal der Frequenz fmod1 (innerhalb des zugehörigen ersten Wellenlängenbereichs Δλ1) moduliert wird; und einer Lock-in-Vorrichtung, dazu eingerichtet, mit dem ersten Modulationssignal als Referenzsignal ein innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftretendes, mit dem ersten Modulationssignal moduliertes Raman-Signal der Probe aus dem Messsignal herauszufiltern. Die Lock-in-Vorrichtung kann somit mit dem ersten Modulationssignal als Referenzsignal ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftretenden, mit dem ersten Modulationssignal modulierten Raman-Signals der Probe im Messsignal verbessern.A first aspect of the invention relates to a device for Raman spectroscopy, comprising a spectrally tunable laser source, set up to emit a monochromatic first excitation radiation of a first wavelength λ 1 from a first wavelength range Δλ 1 for exciting a sample; a spectral filter element at a filter wavelength v filter and with a spectral filter width Δv filter , the first wavelength range Δλ 1 and the spectral filter width Δv filter relating to disjoint spectral ranges; a detector for measuring the intensity of the excitation radiation scattered by the sample and filtered by the spectral filter element as a measurement signal; a means for tuning the laser source, wherein for tuning the first wavelength λ 1 of the laser source is modulated with a first modulation signal of frequency f mod1 (within the associated first wavelength range Δλ 1 ); and a lock-in device, designed to use the first modulation signal as a reference signal to filter out from the measurement signal a Raman signal of the sample occurring within the spectral filter width Δ vFilter of the spectral filter element and modulated with the first modulation signal. The lock-in device can thus use the first modulation signal as a reference signal to improve a signal-to-noise ratio of a Raman signal of the sample occurring within the spectral filter width Δv filter of the spectral filter element and modulated with the first modulation signal in the measurement signal.
Bei der Raman-Spektroskopie wird das Auftreten mindestens einer spezifischen Raman-Linie bei einer Anregung einer Probe mit einer Anregungsstrahlung spektroskopisch untersucht. Insbesondere wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung darunter eine spektroskopische Untersuchung einer Probe bei mindestens einer vorausgewählten Raman-Linie der Probe verstanden. Dabei kann jedoch auch lediglich auf das Vorhandensein der entsprechenden Raman-Linie in einer unbekannten Probe hin untersucht werden.In Raman spectroscopy, the appearance of at least one specific Raman line when a sample is excited with an excitation radiation is examined spectroscopically. In particular, in the context of the present invention, this is understood to mean a spectroscopic examination of a sample with at least one preselected Raman line of the sample. However, it is also possible to simply examine the presence of the corresponding Raman line in an unknown sample.
Als monochromatische Anregungsstrahlung wird eine Strahlung geringer spektraler Breite bei einer bestimmten Zentralwellenlänge als Anregungswellenlänge verstanden. Eine solche Anregungsstrahlung kann typischerweise von Diodenlasern bzw. Laserdioden im Einmoden-Betrieb emittiert werden. Die spektrale Breite sollte passend zur spektralen Auflösung des Messsystems und zur spektralen Breite der zu untersuchenden Raman-Linie gewählt sein. Besonders bevorzugt sind dabei insbesondere Zentralwellenlängen um 785 nm mit einer spektralen Halbwertsbreite (engl. „full width at half maximum“, FWHM) von unter 1 nm.Monochromatic excitation radiation is understood to be radiation with a small spectral width at a specific central wavelength as the excitation wavelength. Such excitation radiation can typically be emitted by diode lasers or laser diodes in single-mode operation. The spectral width should be chosen to match the spectral resolution of the measuring system and the spectral width of the Raman line to be examined. Central wavelengths around 785 nm with a spectral full width at half maximum (FWHM) of less than 1 nm are particularly preferred.
Die Laserquelle ist spektral über eine ersten Wellenlängenbereich Δλ1 abstimmbar, wobei die jeweilige Emissionswellenlänge (d. h. die ersten Wellenlänge λ1) der Laserquelle mit einem ersten Modulationssignal der Frequenz fmod1 innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs Δλ1 moduliert wird. Als Abstimmen wird dabei ein Verstimmen einer bestimmten Emissionswellenlänge λ innerhalb eines zugehörigen Wellenlängenbereichs Δλ verstanden. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine kontinuierliches oder diskontinuierliches Durchstimmen (z. B. ein quasi-kontinuierliches Durchstimmen mit mindestens einem spektralen Sprungbereich) einer bestimmten Emissionswellenlänge λ innerhalb eines zugehörigen Wellenlängenbereichs Δλ handeln. Ein binäres Abstimmen zwischen einer Wellenlänge λ und einer dazu verstimmten Wellenlänge λ + δλ innerhalb eines zur Wellenlänge λ zugehörigen Wellenlängenbereichs Δλ wird auch als Umschalten („digitale“ Modulation) bezeichnet. Eine typische Modulationsbreite beträgt etwa 5 nm bis 10 nm. Der zugängliche Wellenlängenbereiche Δλ kann entsprechend breit ausgebildet sein. Die maximale Frequenz fmod1 mit der die jeweilige Emissionswellenlänge der Anregungsstrahlung moduliert werden kann, hängt im Wesentlichen von den Modulationseigenschaften des Modulators, der Laserquelle und der möglichen Auslesegeschwindigkeit eines zugehörigen Detektors ab. Eine bevorzugte Modulationsfrequenz fmod liegt bei etwa 0,01 Hz, bevorzugter bei 0,1 Hz, bevorzugter bei 1 Hz, bevorzugter bei 10 Hz, bevorzugter bei 100 Hz, und noch bevorzugter bei 1 kHz. Bei einer angenommen Emissionswellenlänge von 785 nm entspricht ein für eine Modulation zur Verfügung stehender Wellenlängenbereich Δλ von 10 nm (Modulationsbreite) einem Wellenzahlbereich von etwa 160 cm-1.The laser source is spectrally tunable over a first wavelength range Δλ 1 , with the respective emission wavelength (ie the first wavelength λ 1 ) of the laser source being modulated with a first modulation signal of frequency f mod1 within the first wavelength range Δλ 1 . Tuning is understood to mean detuning a specific emission wavelength λ within an associated wavelength range Δλ. This can, for example, be a continuous or discontinuous tuning (e.g. a quasi-continuous tuning with at least one spectral jump range) of a specific emission wavelength λ within an associated wavelength range Δλ. A binary tuning between a wavelength λ and a detuned wavelength λ + δλ within a wavelength range Δλ associated with the wavelength λ is also referred to as switching (“digital” modulation). A typical modulation width is about 5 nm to 10 nm. The accessible wavelength ranges Δλ can be appropriately broad. The maximum frequency f mod1 with which the respective emission wavelength of the excitation radiation can be modulated essentially depends on the modulation properties of the modulator, the laser source and the possible readout speed of an associated detector. A preferred modulation frequency f mod is about 0.01 Hz, more preferably 0.1 Hz, more preferably 1 Hz, more preferably 10 Hz, more preferably 100 Hz, and even more preferably 1 kHz. Assuming an emission wavelength of 785 nm, a wavelength range Δλ available for modulation of 10 nm (modulation width) corresponds to a wave number range of approximately 160 cm -1 .
Die von der Probe gestreute Anregungsstrahlung wird mittels eines spektralen Filterelements bei einer bestimmten Filterwellenlänge vFilter (das Zeichen v bezieht sich dabei auf die im Bereich Raman-Spektroskopie üblicherweise verwendete Wellenzahl, deren Angabe zur Angabe der Wellenlänge äquivalent ist) spektral gefiltert. Dabei kann es sich bei dem spektralen Filterelement bevorzugt um ein passives Filterelement, insbesondere einen dichroitischen Filter, einen Bragg-Filter (z. B. Bragg-Gitter, VBG, FBG) oder einen Fabry-Perot-Filter, handeln. Ebenfalls bevorzugt ist die Verwendung eines diffraktiven Gitters, eines Etalons oder eines Mach-Zehnder-Interferometers. Dabei bedeutet passiv, dass zur Aufnahme eines Raman-Spektrums keine aktive Veränderung der Filtereigenschaften des Filterelements erfolgt, insbesondere, dass die Filterwellenlänge vFilter des spektralen Filterelements zeitinvariant ist.The excitation radiation scattered by the sample is spectrally filtered using a spectral filter element at a specific filter wavelength v filter (the symbol v refers to the wave number commonly used in the field of Raman spectroscopy, the specification of which is equivalent to the specification of the wavelength). The spectral filter element can preferably be a passive filter element, in particular a dichroic filter, a Bragg filter (e.g. Bragg grating, VBG, FBG) or a Fabry-Perot filter. The use of a diffractive grating, an etalon or a Mach-Zehnder interferometer is also preferred. Passive means that there is no active change in the filter properties of the filter element in order to record a Raman spectrum, in particular that the filter wavelength v filter of the spectral filter element is time-invariant.
Als spektrale Filterung wird hierbei insbesondere eine Filterung verstanden, bei der eine monochromatische Strahlung mit der Filterwellenlänge vFilter vom Filterelement mit einer maximalen Intensität transmittiert wird und die an die Filterwellenlänge vFilter angrenzenden Spektralbereiche unterdrückt bzw. geblockt werden. Bei einem spektralem Filterelement kann es sich auch um ein entsprechend ausgebildetes reflektives Filterelement handeln. Als Filterwellenlänge vFilter wird die Zentralwellenlänge des Durchlassbereichs (auch als Transmissionsbereich oder Pass-Band bezeichnet) des Filterelements bezeichnet. Bei symmetrischen Bandpässen ergibt sich dieser aus der spektralen Position der Mitte des Bandpasses. Auch kann eine alternative Bestimmung der Zentralwellenlänge eines Filterelements über das Transmissionsverhalten im Durchlassbereich erfolgen.Spectral filtering is here understood to mean, in particular, filtering in which monochromatic radiation with the filter wavelength v filter is transmitted by the filter element with a maximum intensity and the spectral ranges adjacent to the filter wavelength v filter are suppressed or blocked. A spectral filter element can also be a correspondingly designed reflective filter element. The filter wavelength v filter is the central wavelength of the pass band (also referred to as the transmission band or pass band) of the filter element. For symmetrical bandpasses, this results from the spectral position of the center of the bandpass. An alternative determination of the central wavelength of a filter element can also be carried out via the transmission behavior in the pass band.
Eine zweckmäße Bestimmung einer Zentralwellenlänge kann über die Mitte des spektralen Bereiches erfolgen, indem das Filterelement eine relative Transmission von mindestens 0,9 gegenüber seiner maximalen Transmission im Durchlassbereich aufweist. Diese Definition eignet sich insbesondere zur Bestimmung der Zentralwellenlänge von spektralen Filterelementen mit nicht-symmetrischen Filterbereichskanten. Auch die Definition der Breite des Durchlassbereiches des spektralen Filterelements (d. h. seiner spektralen Filterbreite ΔvFilter) kann über das Transmissionsverhalten erfolgen. Dabei kann ein Durchlassbereich des spektralen Filterelements als der zusammenhängende spektrale Bereich festgelegt werden, innerhalb dessen die relative Transmission bevorzugt mindestens 0,95 gegenüber einer maximalen Transmission im Durchlassbereich beträgt. Weiterhin bevorzugt sind zusammenhängende spektrale Bereiche, in denen die relative Transmission mindestens 0,7; mindestens 0,8; mindestens 0,9; oder mindestens 0,99 beträgt. Eine entsprechende Definition des Sperrbereichs eines Filterelements kann ebenfalls über die Transmissionseigenschaften des spektralen Filterelements innerhalb dieses Sperrbereichs erfolgen. Ein spektrales Filterelement kann dabei als für eine Wellenlänge sperrend angesehen werden, wenn es für diese Wellenlänge eine relative Transmission von weniger als 0,3; weniger als 0,2; weniger als 0,1; weniger als 0,5; oder weniger als 0,01 in Bezug zur maximalen Transmission des spektralen Filterelements im Durchlassbereich seiner Filterwellenlänge vFilter aufweist.An appropriate determination of a central wavelength can be made over the middle of the spectral range by the filter element having a relative transmission of at least 0.9 compared to its maximum transmission in the pass band. This definition is particularly suitable for determining the central wavelength of spectral filter elements with non-symmetrical filter area edges. The definition of the width of the passband of the spectral filter element (ie its spectral filter width Δv filter ) can also be done via the transmission behavior. A passband of the spectral filter element can be defined as the coherent spectral range within which the relative transmission is preferably at least 0.95 compared to a maximum transmission in the passband. Contiguous spectral ranges in which the relative transmission is at least 0.7; at least 0.8; at least 0.9; or at least 0.99. A corresponding definition of the blocking area of a filter element can also be done via the transmission properties of the spectral filter element within this blocking area. A spectral filter element can be viewed as blocking a wavelength if it has a relative transmission of less than 0.3 for this wavelength; less than 0.2; less than 0.1; less than 0.5; or less than 0.01 in relation to the maximum transmission of the spectral filter element in the passband of its filter wavelength v filter .
Vorzugsweise ist das spektrale Filterelement spektral schmalbandig ausgebildet. Spektral schmalbandig bedeutet dabei, dass sich die spektralen Filterbreite ΔvFilter auf nur einen eingeschränkten spektralen Bereich im für die Vorrichtung relevanten Wellenlängen- bzw. Wellenzahlbereich bezieht. Besonders bevorzugte Passbandbreiten (FWHM) liegen hier bei unter 10 nm, unter 5 nm, unter 1 nm und unter 0,1 nm. Je nach Wellenlängenbereich entspricht dies Frequenzbreiten im unteren THz-Bereich bis hinunter in den MHz-Bereich.The spectral filter element is preferably designed to have a spectrally narrow band. Spectrally narrowband means that the spectral filter width Δv filter refers to only a limited spectral range in the wavelength or wavenumber range relevant to the device. Particularly preferred passband widths (FWHM) are below 10 nm, below 5 nm, below 1 nm and below 0.1 nm. Depending on the wavelength range, this corresponds to frequency widths in the lower THz range down to the MHz range.
Der erste Wellenlängenbereich Δλ1 und die spektrale Filterbreite ΔvFilter betreffen disjunkte Spektralbereiche. Dies bedeutet, dass unmittelbar von der Probe gestreutes Anregungslicht mit der ersten Wellenlänge λ1 aus dem ersten Wellenlängenbereich Δλ1 vom spektralen Filterelement gefiltert wird. Das Anregungslicht kann somit nur dann durch das spektrale Filterelement transmittiert bzw. reflektiert werden, wenn zuvor eine entsprechende Frequenzverschiebung beim Anregungslicht durch inelastische Streuung (z. B. mittels auftretender Stokes- oder Anti-Stokes-Verschiebung in der Probe) stattgefunden hat. Daher wird direktes bzw. elastisch gestreutes Anregungslicht (z. B. durch Rayleigh-Streuung bzw. Mie-Streuung an der Probe) vom spektralen Filterelement herausgefiltert, wodurch es nicht zu einer dadurch bedingten Verringerung des SNR kommen kann.The first wavelength range Δλ 1 and the spectral filter width Δv filter relate to disjoint spectral ranges. This means that excitation light with the first wavelength λ 1 scattered directly by the sample is filtered from the first wavelength range Δλ 1 by the spectral filter element. The excitation light can therefore only be transmitted or reflected through the spectral filter element if a corresponding frequency shift in the excitation light has previously taken place due to inelastic scattering (e.g. by means of a Stokes or anti-Stokes shift occurring in the sample). Therefore, direct or elastically scattered excitation light (e.g. due to Rayleigh scattering or Mie scattering on the sample) is filtered out by the spectral filter element, which means that no resulting reduction in the SNR can occur.
Bei dem Detektor handelt es um einen Einkanaldetektor. Hierbei kann es sich sowohl um einen einzelnen Einkanaldetektor oder einen als entsprechender Einkanaldetektor individuell auslesbaren Mehrkanaldetektor handeln. Dies hat den Vorteil, dass hierbei besonders preisgünstige, kompakte und robuste Detektoreinrichtungen eingesetzt werden können. Die Verwendung einer hochauflösenden, rauscharmen und empfindlichen CCD-Kamera ist nicht erforderlich. Wird ein Mehrkanaldetektor mit einzelnen Kanälen als Einkanaldetektor betrieben, so können auch mehrere Kanäle des Mehrkanaldetektors zu einem einzelnen Einkanaldetektor zusammengefasst werden.The detector is a single-channel detector. This can be either a single single-channel detector or a multi-channel detector that can be read individually as a corresponding single-channel detector. This has the advantage that particularly inexpensive, compact and robust detector devices can be used. The use of a high-resolution, low-noise and sensitive CCD camera is not necessary. If a multi-channel detector with individual channels is operated as a single-channel detector, several channels of the multi-channel detector can also be combined into a single single-channel detector.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Lock-in-Vorrichtung über den mit dem ersten Modulationssignal als Referenzsignal ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftretenden, mit dem ersten Modulationssignal modulierten Raman-Signals der Probe im detektierten Messsignal durch ein entsprechendes frequenzselektives elektronisches Herausfiltern des Ramans-Signals verbessert werden kann. Das SNR wird somit messtechnisch dadurch verbessert, dass das zu untersuchende Raman-Signal von einem zugehörigen Mittel zum Abstimmen der Laserquelle ebenfalls mit dem ersten Modulationssignal der Frequenz fmod1 moduliert wird, so dass die Lock-in-Vorrichtung auf das entsprechende Referenzsignal eingestellt werden kann. Dadurch können durch Umgebungs- und Reststreulicht sowie durch andere die Spektroskopie störende Faktoren auftretende zusätzliche Rauschanteile im Messsignal effektiv unterdrückt werden, so dass trotz einer Detektion über einen Einkanaldetektor dennoch das Raman-Signal als entsprechendes Auswertesignal rauscharm selektiv erfasst werden kann. The device according to the invention comprises a lock-in device via the Raman signal of the sample detected, which occurs within the spectral filter width Δv filter of the spectral filter element and is modulated with the first modulation signal as a reference signal Measurement signal can be improved by appropriate frequency-selective electronic filtering out of the Raman signal. The SNR is thus improved in terms of measurement technology in that the Raman signal to be examined is also modulated with the first modulation signal of frequency f mod1 by an associated means for tuning the laser source, so that the lock-in device can be set to the corresponding reference signal . As a result, additional noise components occurring in the measurement signal due to ambient and residual scattered light as well as other factors that disrupt spectroscopy can be effectively suppressed, so that despite detection via a single-channel detector, the Raman signal can still be selectively recorded as a corresponding evaluation signal with low noise.
Lock-In-Techniken und Lock-In-Vorrichtungen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und allgemein dafür genutzt, ein bestimmtes frequenzmoduliertes Signal auf Basis eines entsprechenden Referenzsignals aus einem Messsignal herauszufiltern.Lock-in techniques and lock-in devices are well known in the prior art and are generally used to filter out a specific frequency-modulated signal from a measurement signal based on a corresponding reference signal.
Bei einer Lock-In-Vorrichtung kann es sich insbesondere um einen Lock-In-Verstärker handeln, bei dem das herausgefilterte Signal zusätzlich verstärkt wird. Der Verstärkungsfaktor kann dabei jedoch beliebige reelle Werte annehmen, insbesondere kann der Verstärkungsfaktor eines Lock-In-Verstärkers auch 0, 1 oder -1 betragen. Ein Verstärkungsfaktor von 0 bedeutet, dass das mit dem Lock-In-Verstärker herausgefilterte Signal vollständig gedämpft wird.A lock-in device can in particular be a lock-in amplifier in which the filtered out signal is additionally amplified. However, the gain factor can assume any real values; in particular, the gain factor of a lock-in amplifier can also be 0, 1 or -1. A gain of 0 means that the signal filtered out by the lock-in amplifier is completely attenuated.
Die Hauptidee der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, durch die Verwendung von Lock-in-Techniken eine deutliche Verbesserung des SNR gegenüber dem Stand der Technik zu erreichen, wodurch kürzere Integrationszeiten und einer erhöhte Empfindlichkeit gegenüber vergleichbaren Spektroskopieanordnungen ermöglicht werden. Dabei kann das Raman-Signal weitgehend rauschfrei über einen einzelnen Einkanaldetektor erfasst und ausgewertet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dadurch sehr kompakt, einfach und kostengünstig ohne jegliche mechanisch bewegliche Komponenten realisieren werden. Aufgrund des einfachen Strahlengangs kann, abhängig von den zu untersuchenden Proben, die Anregungsleistung ohne zusätzliche Maßnahmen variiert werden.The main idea of the present invention is therefore to achieve a significant improvement in SNR compared to the prior art through the use of lock-in techniques, thereby enabling shorter integration times and increased sensitivity compared to comparable spectroscopy arrangements. The Raman signal can be recorded and evaluated largely noise-free using a single single-channel detector. The device according to the invention can therefore be implemented in a very compact, simple and cost-effective manner without any mechanically movable components. Due to the simple beam path, the excitation power can be varied without additional measures, depending on the samples to be examined.
Die spektral abstimmbare Laserquelle ist zur Emission einer monochromatischen zweiten Anregungsstrahlung einer zweiten Wellenlänge λ2 aus einem zweiten Wellenlängenbereich Δλ2 zur Anregung der Probe eingerichtet, wobei die zweite Wellenlänge λ2 der Laserquelle vom Mittel zum Abstimmen der Laserquelle zum Abstimmen mit einem zweiten Modulationssignal der Frequenz fmod2 (innerhalb des zugehörigen zweiten Wellenlängenbereichs Δλ2) moduliert wird, und wobei die Lock-in-Vorrichtung dazu eingerichtet ist, mit dem zweiten Modulationssignal als Referenzsignal ein innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftretendes, mit dem zweiten Modulationssignal moduliertes Raman-Signal der Probe aus dem Messsignal herauszufiltern. Die Lock-in-Vorrichtung kann somit mit dem zweiten Modulationssignal ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftretenden, mit dem zweiten Modulationssignal modulierten Raman-Signals der Probe im Messsignal verbessern.The spectrally tunable laser source is set up to emit a monochromatic second excitation radiation of a second wavelength λ 2 from a second wavelength range Δλ 2 for exciting the sample, the second wavelength λ 2 of the laser source being controlled by the means for tuning the laser source for tuning with a second modulation signal of the frequency f mod2 (within the associated second wavelength range Δλ 2 ) is modulated, and wherein the lock-in device is set up to, with the second modulation signal as a reference signal, a Raman occurring within the spectral filter width Δ vFilter of the spectral filter element and modulated with the second modulation signal -Filter out the signal of the sample from the measurement signal. The lock-in device can thus use the second modulation signal to improve a signal-to-noise ratio of a Raman signal of the sample occurring within the spectral filter width Δv filter of the spectral filter element and modulated with the second modulation signal in the measurement signal.
Vorzugsweise ist die spektral abstimmbare Laserquelle zur Emission mindestens einer monochromatischen weiteren Anregungsstrahlung einer weiteren Wellenlänge λ3 aus einem weiteren Wellenlängenbereich Δλ3 zur Anregung der Probe eingerichtet, wobei die mindestens eine weitere Wellenlänge λ3 der Laserquelle vom Mittel zum Abstimmen der Laserquelle zum Abstimmen mit mindestens einem weiteren Modulationssignal der Frequenz fmod3 (innerhalb des mindestens einen zugehörigen weiteren Wellenlängenbereichs Δλ3) moduliert wird, und wobei die Lock-in-Vorrichtung dazu eingerichtet ist, mit dem mindestens einem weiteren Modulationssignal als Referenzsignal ein innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftretendes, mit dem mindestens einem weiteren Modulationssignal moduliertes Raman-Signal der Probe aus dem Messsignal herauszufiltern. Die Lock-in-Vorrichtung kann somit mit dem mindestens einem weiteren Modulationssignal ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftretenden, mit dem mindestens einem weiteren Modulationssignal modulierten Raman-Signals der Probe im Messsignal verbessern.Preferably, the spectrally tunable laser source is set up to emit at least one monochromatic further excitation radiation of a further wavelength λ 3 from a further wavelength range Δλ 3 for exciting the sample, the at least one further wavelength λ 3 of the laser source being controlled by the means for tuning the laser source for tuning with at least a further modulation signal of the frequency f mod3 (within the at least one associated further wavelength range Δλ 3 ), and wherein the lock-in device is set up to use the at least one further modulation signal as a reference signal within the spectral filter width Δ vFilter of the spectral Filter element occurring, modulated with the at least one further modulation signal Raman signal of the sample from the measurement signal. The lock-in device can thus use the at least one further modulation signal to achieve a signal-to-noise ratio of a filter of the spectral filter within the spectral filter width Δv terelements occurring, with the at least one further modulation signal modulated Raman signal of the sample in the measurement signal.
Die unterschiedlichen Anregungsstrahlungen werden erfindungsgemäß zeitgleich emittiert, es kann jedoch auch eine zeitversetzte Emission der einzelnen Anregungsstrahlungen erfolgen. Die Anregungsstrahlungen können beispielsweise durch die Verwendung mehrerer, bei unterschiedlichen Emissionswellenlängen emittierender Laserdioden innerhalb der Laserquelle bereitgestellt werden. Weiterhin können unterschiedliche Anregungsstrahlungen bei verschiedenen Anregungswellenlängen auch durch eine einzelne, in ihrer Emissionswellenlänge veränderbare Laserdiode bzw. durch einen entsprechend spektral abstimmbaren Diodenlaser erzeugt werden. Dabei kann neben der diskreten Bereitstellung einzelner voneinander beabstandeten Emissionswellenlängen (beispielsweise in einem Abstand von 10 nm oder 20 nm) auch eine entsprechende Auswahl einzelner Emissionswellenlängen aus einem breiten verfügbaren Spektralbereich der Laserquelle erfolgen.According to the invention, the different excitation radiations are emitted at the same time, but the individual excitation radiations can also be emitted with a time delay. The excitation radiation can be provided, for example, by using multiple laser diodes within the laser source that emit at different emission wavelengths. Furthermore, different excitation radiations at different excitation wavelengths can also be generated by a single laser diode whose emission wavelength can be changed or by a correspondingly spectrally tunable diode laser. In addition to the discrete provision of individual emission wavelengths spaced apart from one another (for example at a distance of 10 nm or 20 nm), a corresponding selection of individual emission wavelengths from a broad available spectral range of the laser source can also take place.
Bevorzugt ist eine Verwendung von Laserdioden, bei denen unterschiedliche Moden angeregt werden können, so dass beispielsweise größere, zumindest diskret zu erreichende Wellenlängenbereiche im Abstand mehrerer 10 nm erreicht werden können. Weiterhin bevorzugt sind direkt frequenzmodulierte Laserdioden, bei denen eine Wellenlängenveränderung mittels intrinsischer Diodenparameter, beispielsweise über eine Temperatur oder einen Strom, eingestellt werden kann.The use of laser diodes in which different modes can be excited is preferred, so that, for example, larger wavelength ranges that can be achieved at least discretely can be achieved at a distance of several 10 nm. Directly frequency-modulated laser diodes are also preferred, in which a wavelength change can be adjusted using intrinsic diode parameters, for example via a temperature or a current.
Vorzugsweise können sogenannte Zwei- oder Mehrwellenlängenlaser, beispielsweise ein Y-verzweigter Zweiwellenlängen-DBR-Diodenlaser (z. B.
Vorzugsweise sind die den mindestens zwei Anregungsstrahlungen zugeordneten Wellenlängenbereiche, d. h. alle den jeweiligen Anregungsstrahlungen zugeordneten Wellenlängenbereiche, einander disjunkt. Dies bedeutet, dass die jeweiligen Anregungsstahlungen auch mit der Modulation keine gegenseitigen spektralen Überschneidungen aufweisen und die einstellbaren Anregungsstrahlungen somit eindeutig einzelnen Wellenlängenbereichen zugeordnet werden können. In Verbindung mit einem spektralen Filterelement mit vorgegebener Filterwellenlänge vFiiter bedeutet dies, dass auch die jeweils spektroskopisch durch die Modulation aufgelösten Wellenzahlbereiche einander disjunkt sind.Preferably, the wavelength ranges assigned to the at least two excitation radiations, ie all wavelength ranges assigned to the respective excitation radiations, are mutually disjoint. This means that the respective excitation radiations do not have any mutual spectral overlaps even with the modulation and the adjustable excitation radiations can therefore be clearly assigned to individual wavelength ranges. In conjunction with a spectral filter element with a predetermined filter wavelength v Fiiter , this means that the wave number ranges resolved spectroscopically by the modulation are also disjoint with one another.
Vorzugsweise sind für eine vorbestimmte zu spektroskopierende Probe mindestens zwei der Anregungsstrahlungen derart ausgewählt, dass verschiedene Raman-Signale innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftreten. Diese Ausführungsform kann insbesondere auf Proben angewendet werden, welche eine unterschiedliche Zusammensetzung (z. B. verschiedene Moleküle, chemische Gruppen etc.) aufweisen. In diesen Fällen können die verschiedenen Anregungsstrahlungen zur Messung jeweils unterschiedlicher Raman-Linien der einzelnen Komponenten der Zusammensetzung eingerichtet werden. Aus dem Verhältnis der Intensität der gemessenen Raman-Signale kann dann beispielsweise ein Mischungsverhältnis der Zusammensetzung der Probe bestimmt werden. Die verschiedenen innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftreten Raman-Signale können jedoch auch von unterschiedliche Raman-Linien eines einzelnen Probenbestandteils ausgebildet werden. Durch eine Auswertung mehrerer Raman-Linien eines einzelnen Probenbestandteils kann die Zuverlässigkeit einer Probenbestimmung erhöht werden.Preferably, for a predetermined sample to be spectroscopiced, at least two of the excitation radiations are selected such that different Raman signals occur within the spectral filter width Δv filter of the spectral filter element. This embodiment can be applied in particular to samples that have a different composition (e.g. different molecules, chemical groups, etc.). In these cases, the different excitation radiations can be set up to measure different Raman lines of the individual components of the composition. For example, a mixing ratio of the composition of the sample can then be determined from the ratio of the intensity of the measured Raman signals. However, the different Raman signals that occur within the spectral filter width Δv filter of the spectral filter element can also be formed by different Raman lines of an individual sample component. By evaluating several Raman lines of a single sample component, the reliability of a sample determination can be increased.
Vorzugsweise werden mindestens zwei der Anregungsstrahlungen über die jeweiligen Modulationssignale mit einheitlicher Frequenz und Phasenlage moduliert. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei beispielsweise zwei von den beiden Anregungsstrahlungen über das spektrale Filterelement gefilterte Raman-Signale von zwei unterschiedlichen (d. h. zu unterschiedlichen Wellenzahlabständen gehörenden) Raman-Linien durch die Lock-In-Vorrichtung bei der gemeinsamen Modulationsfrequenz als Summensignal erfasst werden. Der über die Lock-In-Vorrichtung gemessene Signalpegel stellt dann eine Überlagerung zweier verschiedener Raman-Signale eines einzelnen Probenbestandteils dar. Das SNR kann somit gegenüber der Erfassung nur eines spezifischen Raman-Signals durch die parallele Messung mehrerer Raman-Signale noch einmal deutlich erhöht werden.Preferably, at least two of the excitation radiations are modulated via the respective modulation signals with a uniform frequency and phase position. Such an embodiment has the advantage that, for example, with two Raman signals filtered by the two excitation radiations via the spectral filter element, two different Raman lines (i.e. belonging to different wave number spacings) are detected by the lock-in device at the common modulation frequency as a sum signal become. The signal level measured via the lock-in device then represents a superposition of two different Raman signals from a single sample component. The SNR can thus be significantly increased compared to the detection of only one specific Raman signal by measuring several Raman signals in parallel .
Insbesondere kann anhand eines entsprechend hohen maximalen Signalpegels (z. B. oberhalb eines bestimmten Schwellenwert) auf das gleichzeitige Auftreten verschiedener Raman-Linien einer bestimmten Probenkomponente (bzw. eines bestimmten Probenmaterials) geschlossen werden. Durch eine solche Summen-Raman-Spektroskopie kann bei kürzesten Integrationszeiten eine hohe Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Spektroskopieanordnung insbesondere zur spezifischen Einzelprobenbestimmung realisiert werden.In particular, the simultaneous occurrence of different Raman lines of a specific sample component (or a specific sample material) can be concluded based on a correspondingly high maximum signal level (e.g. above a specific threshold value). Through such a sum Raman spectroscopy With the shortest integration times, a high sensitivity and reliability of the spectroscopy arrangement according to the invention can be achieved, in particular for specific individual sample determination.
Vorzugsweise basieren die auftretenden Raman-Signale sowohl auf Stokes-Verschiebung als auch auf Anti-Stokes-Verschiebung. Der Ausdruck „auftretendes Raman-Signal“ bezieht sich dabei auf das tatsächliche Vorhandensein eines innerhalb der spektralen Filterbreite ΔvFilter des spektralen Filterelements auftretenden, mit dem ersten Modulationssignal modulierten Raman-Signals der Probe im Messsignal. Der Ausdruck setzt somit einen vorzeichenbehafteten spektralen Abstand (Wellenzahlabstand) zwischen der Wellenlänge der im zugehörigen Wellenlängenbereich modulierten Anregungsstrahlung und der Filterwellenlänge vFilter des verwendeten spektralen Filterelements voraus.Preferably, the Raman signals that occur are based on both Stokes shift and anti-Stokes shift. The expression “occurring Raman signal” refers to the actual presence in the measurement signal of a Raman signal of the sample occurring within the spectral filter width Δv filter of the spectral filter element and modulated with the first modulation signal. The expression therefore presupposes a signed spectral distance (wavenumber distance) between the wavelength of the excitation radiation modulated in the associated wavelength range and the filter wavelength v filter of the spectral filter element used.
Bei der Stokes-Verschiebung findet eine Energieübertragung von Photonen der Anregungsstrahlung auf die streuende Probe statt. Die Moleküle o. ä. der Probe befindet sich nach dem Streuvorgang auf einem höheren Energieniveau als zuvor, die Energie und die Frequenz der gestreuten Photonen sind geringer als die der anregenden Photonen. Bei der Anti-Stokes-Verschiebung findet eine Energieübertragung von der streuenden Probe auf die Photonen der Anregungsstrahlung statt. Die Moleküle o. ä. der Probe befinden sich nach dem Anregungsvorgang auf einem niedrigeren Energieniveau als zuvor, die gestreuten Photonen besitzen eine höhere Energie und eine höhere Frequenz als die anregenden Photonen.During the Stokes shift, energy is transferred from photons of the excitation radiation to the scattering sample. After the scattering process, the molecules or similar in the sample are at a higher energy level than before; the energy and frequency of the scattered photons are lower than those of the exciting photons. During the anti-Stokes shift, energy is transferred from the scattering sample to the photons of the excitation radiation. After the excitation process, the molecules or similar in the sample are at a lower energy level than before; the scattered photons have a higher energy and a higher frequency than the exciting photons.
Bei der bevorzugten Ausführungsform werden somit sowohl Stokes- als auch Anti-Stokes-Verschiebungen als Raman-Signale erfasst. Das Verhältnis der Intensitäten der jeweiligen Stokes- und Anti-Stokes-Verschiebungen der Raman-Signale kann insbesondere dazu genutzt werden, eine Temperaturmessung an der Probe durchzuführen. Bei einer räumlich ausgedehnten Probe, welche unterschiedliche Komponenten umfasst, kann somit auch eine hochgradig orts- und materialspezifische Temperaturmessung einer einzelnen Komponente der Zusammensetzung der Probe vorgenommen werden. Ebenfalls möglich ist eine zustandsspezifische Temperaturmessung, beispielsweise eines einzelnen Rotations- und Schwingungszustands eines Moleküls im thermischen Nicht-Gleichgewicht.In the preferred embodiment, both Stokes and anti-Stokes shifts are thus detected as Raman signals. The ratio of the intensities of the respective Stokes and anti-Stokes shifts of the Raman signals can be used in particular to carry out a temperature measurement on the sample. In the case of a spatially extensive sample that includes different components, a highly location- and material-specific temperature measurement of an individual component of the sample's composition can also be carried out. A state-specific temperature measurement is also possible, for example of an individual rotation and vibration state of a molecule in thermal non-equilibrium.
Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens ein Anzeigegerät zur Anzeige des mit der Lock-In-Vorrichtung gefilterten Messsignals. Bei einem Anzeigegerät kann es sich bevorzugt um ein einfaches analoges oder digitales Zeigerelement oder ein binäres Anzeigeelement (z. B. Leuchtsignal bei Überschreiten eines bestimmten Schwellenwerts) handeln. Weiterhin kann es sich bei einem Anzeigegerät bevorzugt um einen analogen oder digitalen y-t-Schreiber zur Darstellung des Raman-Signals als zeitlicher Verlauf in einem entsprechenden Diagramm handeln. Bevorzugt werden unterschiedliche Raman-Signale auf jeweils einem zugeordneten Anzeigegerät dargestellt.A device according to the invention preferably comprises at least one display device for displaying the measurement signal filtered with the lock-in device. A display device can preferably be a simple analog or digital pointer element or a binary display element (e.g. light signal when a certain threshold value is exceeded). Furthermore, a display device can preferably be an analog or digital y-t recorder for displaying the Raman signal as a time course in a corresponding diagram. Different Raman signals are preferably displayed on an assigned display device.
Die genannten Ausführungsformen können mit Vorteil ganz oder teilweise miteinander kombiniert werden.The embodiments mentioned can advantageously be combined with one another in whole or in part.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Raman-Spektroskopie unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der spektrale Abstand zwischen der Wellenlänge (λ1, λ2, λ3) mindestens einer Anregungsstrahlung (L1, L2, L3) und einer Filterwellenlänge vFilter des spektralen Filterelements dem Wellenzahlabstand Δṽ eines Raman-Signals einer vorbestimmten Probe entspricht. Bei der Raman-Spektroskopie wird das Auftreten mindestens einer spezifischen Raman-Linie bei einer Anregung einer Probe mit einer Anregungsstrahlung spektroskopisch untersucht. Um daher eine Raman-Spektroskopie einer vorbestimmten Probe mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vornehmen zu können, muss mindestens ein spektraler Abstand zwischen der Wellenlänge λ der im zugehörigen Wellenlängenbereich Δλ modulierten monochromatischen Anregungsstrahlung und einer Filterwellenlänge vFilter des spektralen Filterelements auf den Wellenzahlabstand Δṽ eines Raman-Signals einer vorbestimmten Probe vorgegeben sein. Daher kann aus einem Nicht-Auftreten eines entsprechenden Raman-Signals bei der Spektroskopie einer konkreten Probe zumindest auf die Abwesenheit der für eine entsprechende Prüfung vorbestimmten Probe geschlossen werden.A further aspect of the invention relates to a method for Raman spectroscopy using a device according to the invention, wherein the spectral distance between the wavelength (λ 1 , λ 2 , λ 3 ) of at least one excitation radiation (L 1 , L 2 , L 3 ) and one Filter wavelength v filter of the spectral filter element corresponds to the wavenumber spacing Δṽ of a Raman signal of a predetermined sample. In Raman spectroscopy, the appearance of at least one specific Raman line when a sample is excited with an excitation radiation is examined spectroscopically. In order to be able to carry out Raman spectroscopy of a predetermined sample with a device according to the invention, at least a spectral distance between the wavelength λ of the monochromatic excitation radiation modulated in the associated wavelength range Δλ and a filter wavelength v filter of the spectral filter element must be equal to the wavenumber distance Δṽ of a Raman signal a predetermined sample. Therefore, if a corresponding Raman signal does not appear during the spectroscopy of a specific sample, it can at least be concluded that the sample predetermined for a corresponding test is absent.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung einer Temperatur einer Probe oder eines Mischungsverhältnisses einer Probe. Die Temperatur einer Probe kann insbesondere über das Verhältnis der Intensitäten der jeweiligen Stokes- und Anti-Stokes-Verschiebungen der Raman-Signale gemessen werden. Das Mischungsverhältnis einer Probe, welche eine unterschiedliche Zusammensetzung (z. B. verschiedene Moleküle, chemische Gruppen etc.) aufweisen, kann durch das Verhältnis der Intensitäten einzelner Raman-Linien der unterschiedlichen Komponenten gemessen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann entsprechend auch zur Aufnahme des zeitlichen Verlaufs eines Mischungsverhältnisses (z. B. für eine In-situ-Überwachung chemischer Reaktionen innerhalb von Reaktoren) verwendet werden. Das Mischungsverhältnis einer Probe kann beispielsweise zur Bestimmung des Sättigungsgrades einer Lösung oder zur Bestimmung eines Polymerisationsgrades in einer polymerisierbaren Monomerlösung eingesetzt werden.A further aspect of the invention relates to the use of a method according to the invention for measuring a temperature of a sample or a mixing ratio of a sample. The temperature of a sample can be measured in particular via the ratio of the intensities of the respective Stokes and anti-Stokes shifts of the Raman signals. The mixing ratio of a sample that has a different composition (e.g. different molecules, chemical groups, etc.) can be measured by the ratio of the intensities of individual Raman lines of the different components. The method according to the invention can also be used to record the time course of a mixing ratio (e.g. for in-situ monitoring of chemical reactions within reactors). The mixing ratio of a sample can, for example, be used to determine measurement of the degree of saturation of a solution or to determine a degree of polymerization in a polymerizable monomer solution.
Im Übrigen ergeben sich weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar aus den zur erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Beschreibung genannten Merkmalen.Furthermore, further preferred embodiments of the method according to the invention result directly from the features mentioned in the description of the device according to the invention.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den jeweiligen Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention result from the features mentioned in the respective subclaims.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in individual cases.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Raman-Spektroskopie mit zugehörigen Spektren; -
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Raman-Spektroskopie mit zugehörigen Spektren; -
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Raman-Spektroskopie mit zugehörigen Spektren; und -
4 eine exemplarische Darstellung der Spektren der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach3 .
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1 a schematic representation of a first embodiment of a device according to the invention for Raman spectroscopy with associated spectra; -
2 a schematic representation of a second embodiment of a device according to the invention for Raman spectroscopy with associated spectra; -
3 a schematic representation of a third embodiment of a device according to the invention for Raman spectroscopy with associated spectra; and -
4 an exemplary representation of the spectra of the third embodiment of a device according to the invention3 .
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die unter b) und c) gezeigten Spektren zeigen die spektralen Zusammenhänge bei der Modulation. In den Spektren sind die Intensitäten sowohl der Anregungsstrahlung (vL1) als auch der einzelnen Raman-Linien v1L1 - v4L1 (das Zeichen v bezieht sich dabei auf die im Bereich Raman-Spektroskopie üblicherweise verwendete Wellenzahl, deren Angabe der Angabe der Wellenlänge entspricht und der besseren Darstellbarkeit wegen gewählt wurde) einer bestimmten Probe über dem jeweiligen Wellenzahlabstand Δṽ gegenüber der Anregungsstrahlung (vL1) aufgetragen. Weiterhin ist der Filterbereich eines spektralen Filterelements 20 bei einer Filterwellenlänge vFilter und mit einer spektralen Filterbreite ΔvFilter eingezeichnet. Der Wellenzahlabstand zwischen einer Ausgangswellenlänge λ der Anregungsstrahlung (vL1) und der Filterwellenlänge vFilter des spektralen Filterelements 20 beträgt in diesem Beispiel 1500 cm-1. Unter Abbildung b) sind die Verhältnisse für eine Anregungsstrahlung (vL1) einer bestimmten Ausgangswellenlänge λ ohne eine Modulationsverschiebung gezeigt. Die
Die unter b) und c) gezeigten Spektren zeigen die spektralen Zusammenhänge bei der Modulation der einzelnen Anregungsstrahlungen entsprechend den unter
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- spektral abstimmbare Laserquellespectrally tunable laser source
- 2020
- spektrales Filterelementspectral filter element
- 3030
- Detektordetector
- 4040
- Lock-In-VorrichtungLock-in device
- 5050
- Mittel zum Abstimmen der LaserquelleMeans for tuning the laser source
- 60, 60'60, 60'
- Anzeigegeräte Display devices
- L1L1
- erste Anregungsstrahlungfirst excitation radiation
- L1'L1'
- von der Probe gestreute AnregungsstrahlungExcitation radiation scattered by the sample
- L1''L1''
- von der Probe gestreute und vom spektralen Filterelement gefilterte AnregungsstrahlungExcitation radiation scattered by the sample and filtered by the spectral filter element
- L2L2
- zweite Anregungsstrahlungsecond excitation radiation
- L2'L2'
- von der Probe gestreute zweite Anregungsstrahlungsecond excitation radiation scattered by the sample
- L2''L2''
- von der Probe gestreute und vom spektralen Filterelement gefilterte zweite Anregungsstrahlungsecond excitation radiation scattered by the sample and filtered by the spectral filter element
- L3L3
- weitere Anregungsstrahlungfurther excitation radiation
- L3'L3'
- von der Probe gestreute weitere Anregungsstrahlungfurther excitation radiation scattered by the sample
- L3''L3''
- von der Probe gestreute und vom spektralen Filterelement gefilterte weitere Anregungsstrahlung further excitation radiation scattered by the sample and filtered by the spectral filter element
- PP
- Probesample
- II
- Messsignalmeasurement signal
- RR
- Raman-SignalRaman signal
- Smod1Smod1
- erstes Modulationssignalfirst modulation signal
- Smod2Smod2
- zweites Modulationssignalsecond modulation signal
- Smod3Smod3
- drittes Modulationssignalthird modulation signal
Claims (9)
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Also Published As
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