DE19819873A1 - Kombinierte Absorptions- und Reflektanzspektroskopie zur synchronen Ermittlung der Absorption, Fluoreszenz, Streuung und Brechung von Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern - Google Patents

Kombinierte Absorptions- und Reflektanzspektroskopie zur synchronen Ermittlung der Absorption, Fluoreszenz, Streuung und Brechung von Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern

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DE19819873A1 DE1998119873 DE19819873A DE19819873A1 DE 19819873 A1 DE19819873 A1 DE 19819873A1 DE 1998119873 DE1998119873 DE 1998119873 DE 19819873 A DE19819873 A DE 19819873A DE 19819873 A1 DE19819873 A1 DE 19819873A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft die synchrone Ermittlung der Absorption, Fluoreszenz, Streuung und Brechung von Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern (Meßvolumen) mit hoher Empfindlichkeit. Dabei wird Strahlung definierter Wellenlänge in eine Mehrfachreflexionsvorrichtung eingekoppelt. Es werden mit einem unmittelbar hinter einem Spiegel, der teildurchlässig ist, lokalisierten Empfänger die transmittierte Einkoppelstrahlung und mit einem auf das Meßvolumen gerichteten und am Einkoppelspiegel lokalisierten Empfänger die entgegen der Einfallsrichtung gerichtete Remission sowie die an der Grenzfläche zum Meßvolmen specular reflektierte Strahlung gemessen. Die Absorptionsfähigkeit wird aus dem Kehrwert der transmittierten Einkoppelstrahlung und die Streu- und Fluoreszenzfähigkeit indirekt aus der Kombination aus Remission und transmittierter Strahlung sowie die Brechung aus der Kombination aus specular reflektierter Strahlung und transmittierter Strahlung ermittelt. Die Erfindung beschreibt eine einfache und robuste, sowie modular aufgebaute Vorrichtung. Einsatzgebiete sind die Analyse, Qualitätskontrolle und Überwachung in Industrie, Umwelt und Medizin.

Description

Technisches Gebiet
Analytik, Umwelt-, Qualitäts- und Prozeßüberwachung, Spektroskopie, Absorption, Remission, Streuung, Fluoreszenz, Brechung .
Stand der Technik Absorptionsspektroskopie
Konventionelle Absorptionsmethoden werden zum Nachweis absorbierender Substanzen in Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern (Meßvolumen) verwendet. Dabei wird Strahlung definierter Wellenlänge in das Meßvolumen eingekoppelt. Auf ihrem Weg durch das Meßvolu­ men wird die eingekoppelte Strahlung durch absorbierende Substanzen geschwächt. Nach einer definierten Wegstrecke wird die Einkoppelstrahlung wieder ausgekoppelt und auf einen optoelektronischen Empfänger gerichtet, der die geschwächte Intensität I registriert. Der Quotient aus geschwächter und ungeschwächter Intensität I0 ist die Transmission T:
T = I/I0 = exp (-αTx) (1)
Dieses Gesetz von Bouguer-Beer-Lambert beschreibt den Zusammenhang zwischen Trans­ mission und dem totalen Absorptionskoeffizienten aT (der Einfachheit halber ist hier die Streuung vernachlässigt worden). Der Term x ist der Weg, den die Einkoppelstrahlung im Meßvolumen zurücklegt [1], [2].
Eine spezielle Absorptionsmethode beruht auf dem Prinzip der evaneszenten Wellenfelder bzw. der attenuated total reflection (ATR). Hierbei wird Strahlung in einen lichtleitenden Festkörper, z. B. ATR-Kristall oder Lichtwellenleiter, eingekoppelt und nach Durchlaufen einer definier­ ten Wegstrecke wieder ausgekoppelt. Der Lichtwellenleiter steht mit dem zu untersuchenden Meßvolumen in Kontakt. Im Lichtwellenleiter wird die Einkoppelstrahlung an der Grenzfläche zum Meßvolumen total reflektiert, wobei ein geringer Teil der Strahlung in das Meßvolumen eindringt (evaneszente Welle) und mit diesem wechselwirkt. Dadurch wird die Einkoppel­ strahlung geschwächt. Diese Abschwächung wird gemessen. Es gilt der klassische Zusammen­ hang in Formel (1) [1].
Bei Meßvolumina mit sehr geringen optischen Dichten (z. B. Gase) wird die Wegstrecke der eingekoppelten Strahlung im Meßvolumen erhöht, um auswertbare Signale zu erhalten. Lange Wege können beispielsweise mit Hilfe von reflektierenden Elementen realisiert werden [3]. In [4] wird eine innen verspiegelte Kugelküvette vorgestellt, in welcher die eingekoppelte Strahlung mehrfach hin und her reflektiert und dann wieder ausgekoppelt und auf einen Empfänger gerichtet wird. In [5] wird eine Gasabsorptionszelle beschrieben.
In [6] bis [8] wird eine Methode zur Ermittlung der totalen Absorption vorgeschlagen, bei der nicht die nach Durchlaufen einer definierten Wegstrecke geschwächte Einkoppelstrahlung gemessen wird, sondern die durch die Einkoppelstrahlung erzeugte Wechselwirkungsstrahlung (Fluoreszenz und Streuung). Das besondere Merkmal dabei ist, daß die eingekoppelte Strah­ lung infolge langer Wege vom Meßvolumen nahezu vollständig absorbiert wird.
Reflektanzspektroskopie
Die Reflektanz setzt sich aus der diffusen Remission und der specularen bzw. gerichteten Reflexion zusammen.
(a) Remission
Die Remission R ist die diffuse Reflexion von Strahlung an Materie (Meßvolumen). Sie ist ein Maß für die Intensität der entgegen der Einfallsrichtung reflektierten Photonen. Das sind im klassischen Sinne gestreute Photonen. Die Remission wird durch die Streufähigkeit (Streukoef­ fizient β) und Absorptionsfähigkeit (totaler Absorptionskoeffizient αT,) des Meßvolumens bestimmt. Der Einfachheit halber soll im folgenden die Absorption dominieren. Zur ma­ thematischen Beschreibung der Remission dient die Theorie von Kubelka und Munk. Bei einem unendlich ausgedehnten Meßvolumen (z. B. ein tiefes Gewässer) ist die Remission proportional dem Quotienten aus Streukoeffizient und Absorptionskoeffizient,
RS ~ β/αT (2).
Wird durch die in das Meßvolumen einfallende Strahlung auch Fluoreszenz erzeugt, dann wird die Remission im weiteren Sinne nicht nur durch die Streuung sondern auch durch die Fluoreszenzfähigkeit bestimmt, die durch das Produkt aus Fluoreszenzquantenausbeute QF und Absorptionskoeffizient der Fluorophore αF des Meßvolumens (QFαF) charakterisiert wird. Der Fluoreszenzbeitrag zur Remission ausgedehnter Meßvolumina wird dabei maßgeblich durch den Quotienten
RF ~ QFαF(λE)/[αT(λE)+(αT(λF] (3)
gesteuert, wobei λE und λF die Wellenlängen der einfallenden Strahlung und der Fluoreszenz sind. In vielen Fällen transmittierender Meßvolumina ist die Absorption bei der Wellenlänge der einfallenden Strahlung größer als die Absorption bei der Fluoreszenzwellenlänge (z. B. bei eutrophierten Oberflächengewässern). Dann geht (3) in (4) über:
RF ~ QFαF(λE)/αT(λE) (4)
Die Formeln (2) und (4) sind durch dieselbe mathematische Struktur gekennzeichnet. Die Remission ist in beiden Fällen einmal proportional zur Streu- bzw. Fluoreszenzfähigkeit und zum anderen umgekehrt proportional zur totalen Absorption.
Die Remissionsspektroskopie ist z.B. grundlegend für die Fernerkundung und wird sowohl bei optisch sehr dichten als auch bei transmittierenden Meßvolumina angewendet. Beispiele für den ersten Fall sind Remissionsmessungen an Vegetation (Blätter oder Nadeln), um den physiologischen Zustand festzustellen oder Messungen an Böden zur Ermittlung von beispiels­ weise Feuchte und Struktur.
Zum zweiten Fall der transmittierenden Meßvolumina zählen Atmosphäre, Gewässer und Ozeane. Vergleichsweise einfache Verhältnisse sind dann gegeben, wenn sich die einfallende Strahlung (Globalstrahlung, Lidar) im Meßvolumen totlaufen kann, d. h. daß im Beispiel der Gewässer die einfallende Strahlung nicht den Gewässerboden erreicht [9], [10].
(b) Reflexion
Die Reflexionsspektroskopie wird vorzugsweise zur Untersuchung von festen Oberflächen verwendet. Dabei wird die von einer Oberfläche direkt reflektierte bzw. gerichtete Strahlung analysiert (Reflexionsgesetz), die Auskunft über das spektrale Reflexionsvermögen liefert. Bei der Analyse der diffusen Remission R von transmittierenden festen, flüssigen und gasför­ migen Meßvolumina (siehe (a)) ist die an der Grenzfläche zum Meßvolumen auftretende speculare Reflexion i.d.R. eine Störgröße, die durch geeignete Meßanordnungen ausgeblendet wird.
Die speculare oder gerichtete Reflexion RG ist u. a. von der Brechzahl n des Meßvolumens abhängig. Da in vielen Fällen das Meßvolumen absorbiert, wird die für die Reflexion maßge­ bliche Brechzahl neben der Brechkraft auch von dem Absorptionsvermögen des Meßvolumens bestimmt. Die Brechzahl setzt sich aus einem Realteil und einem Imaginärteil zusammen (komplexe Zahl):
RG = ((n-1)/(n+1))2 (5)
mit n = nReal + nImaginär. Die Formel (5) ist eine vereinfachte Darstellung für die Grenzfläche Luft/Meßvolumen bei senkrechter Einstrahlung. Die Brechzahl wird praktisch als Realteil goniometrisch oder interferometrisch ermittelt [1], [2].
Problem/Aufgabe
In der Anmeldung [11] wird ein Verfahren vorgeschlagen, das die Absorption und Remission auf der Basis der vollständigen Absorption der Einkoppelstrahlung im Meßvolumen kom­ biniert. Dabei wird Strahlung definierter Wellenlänge in das zu untersuchende Meßvolumen, das vorzugsweise transmittierend ist, eingekoppelt. Das Meßvolumen befindet sich dabei zwischen zwei sich gegenüberstehenden Spiegeln. Die Spiegel sind derart ausgelegt, daß durch eine ausreichend hohe Anzahl an Reflexionen der Weg der über den Einkoppelspiegel eingekoppelten Strahlung so lang ist, so daß diese im Meßvolumen vollständig absorbiert werden kann. Die vollständige Absorption ist Voraussetzung für das Entstehen einer Remission gemäß den oben angegebenen Formeln (Bezeichnung hier: gesättigte Langweg-Remission). Die gesättigte Langweg-Remission wird mit einem am Einkoppelspiegel angeordneten und auf das Meßvolumen ausgerichteten photoelektronischen Empfänger in üblicher Remissionsmeßgeome­ trie, also rückwärtig, gemessen. Das Meßsignal wird nach Formel (2) im Falle der Streuung und im Falle der Fluoreszenz nach Formel (4) beschrieben.
Synchron dazu erfolgt ein zweiter wesentlicher Meßvorgang. Der Einkoppelspiegel (oder auch der Gegenspiegel) ist teildurchlässig, z. B. 5% Transmission und 95% Reflektivität. Folglich tritt nach jeder Reflexion bzw. nach jedem Umlauf ein Teil der vom Meßvolumen transmit­ tierten Einkoppelstrahlung durch den Einkoppelspiegel und gelangt auf einen zweiten unmittel­ bar hinter dem Einkoppelspiegel angeordneten Empfänger. Bei Vernachlässigung der durch den teildurchlässigen Spiegel hindurchtretenden Fluoreszenz- und Streuphotonen wird die Intensität ITr der transmittierten Strahlung durch folgende Formel in Näherung beschrieben:
ITr ~ m/αT (6)
Der Term m ist eine für die Durchlässigkeit des Einkoppelspiegels charakteristische und bekannte Konstante. Der totale Absorptionskoeffizient αT kann somit direkt aus (6) ermittelt werden. Im Vergleich zur klassischen Absorptionsspektrometrie (Lambert-Beer Exponential- Gesetz) ist (6) durch eine höhere Empfindlichkeit charakterisiert, was zu tieferen Nachweis­ grenzen und höheren Genauigkeiten führt. Mit zunehmendem αT sinkt ITr. Das leuchtet ein, da mit zunehmendem αT die mittlere Weglänge der eingekoppelten Strahlung bis zu ihrer nahezu vollständigen Absorption im Meßvolumen abnimmt und somit die Anzahl der Reflexionen bzw. Umläufe sinkt. Damit sinkt auch die Intensität ITr der durch den teildurchlässigen Spiegel tretenden Einkoppelstrahlung. Darüberhinaus wird die Intensität ITr auch von der Spiegelkon­ stanten m festgelegt. Je größer m, d. h. je kleiner die Reflektivität bzw. größer die Durch­ lässigkeit des Einkoppelspiegels ist, umso höher ist ITr.
Durch Einsetzen von αT in die Formeln (2) bzw. (4) können somit auch die Streu- und Fluo­ reszenzfähigkeit β und QFαF indirekt bestimmt werden. Die Mehrdeutigkeit der klassischen Remissionsspektroskopie wird durch die Kombination mit der oben vorgestellten Absorptions­ spektroskopie eliminiert.
Des weiteren wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Diese Vorrichtung weist grundsätzliche Merkmale auf.
Die vorgestellte Erfindung ist auf bestimmte Meßgeometrien und Anwendungen begrenzt. Für die Erhöhung der Anwendungsbreite werden günstige Modifikationen vorgeschlagen.
Lösung
Gemäß Anspruch 1 erfolgt eine Mehrfachreflexion der von einem im Meßkopf (6) befindli­ chen Lichtwellenleiter (1) ausgehenden Einkoppelstrahlung zwischen teildurchlässigem Ein­ koppelspiegel (2), dem System Meßvolumen/Träger (7) und dem justierbaren Gegenspiegel (z. B. Hohlspiegel) (8) (siehe Abb. 1). Der Empfänger (4) registriert die durch den teildurch­ lässigen Einkoppelspiegel (z. B. Planspiegel) (2) transmittierte Einkoppelstrahlung, deren Intensität durch die von (7) specular reflektierte Intensität und durch die von (7) diffus remittierte Intensität (Remission) bestimmt wird. Der konische Reflektor (3) dient dabei als Querschnittswandler. Der Empfänger (5) registriert die Remission. Aus der Kombination von transmittierter Einkoppelstrahlung und Remission können in einfacher Weise specular reflek­ tierte und diffus remittierte Anteile separat und mit hoher Empfindlichkeit ermittelt werden. Auf Abb. 1 erfolgt die Mehrfachreflexion in der Reihenfolge der reflektierenden Elemente (7)- (8)-(7)-(2)-(7)-(8)-(2) usw., wobei grundsätzlich auch die Folgen (7)-(8)-(2)-(7) usw. oder (7)- (2)-(8)-(2)-(7) usw. oder (8)-(7)-(2)-(8) usw. möglich sind.
Das System (7) kann ausschließlich das Meßvolumen sein, das durchsichtig oder undurch­ sichtig ist (offene Flüssigkeiten, durchsichtige und undurchsichtige Festkörper, dünne Platten etc.). Die Einkoppelstrahlung tritt direkt mit dem Meßvolumen in Wechselwirkung und wird von diesem specular reflektiert und diffus remittiert. Das Meßvolumen nimmt direkt an der Mehrfachreflexion teil. Wegen der Mehrfachreflexion ist die Wechselwirkung zwischen der Einkoppelstrahlung und dem Meßvolumen intensiv, was große Signal-Rausch-Verhältnisse liefert. Das Meßvolumen kann auch hinter einem Schutzfenster lokalisiert sein.
Das Meßvolumen kann auch auf einem Träger lokalisiert und als dünner Film ausgebildet sein. Der dünne Film kann dabei auf der dem Meßkopf und dem Gegenspiegel zugewandten (Vor­ derseite) oder/und auf der abgewandten Seite (Rückseite) aufgebracht sein.
Gemäß Anspruch 2 befindet sich ein dünner Film auf der Vorderseite des Trägers, der rückseitig voll oder teildurchlässig verspiegelt ist. Im Fall einer teildurchlässigen Spiegel­ schicht ist ein Empfänger zur Messung transmittierter Einkoppelstrahlung nachgeordnet.
Die Ansprüche 3-4 beschreiben vorteilhafte Ausbildungen bezüglich verschiedener Einstrahl­ winkel:
Die Erläuterungen erfolgen anhand einer Konfiguration, bei der der Träger an seiner Rückseite mit dem zu untersuchenden Meßvolumen (dünner Film oder ausgedehnt) in Kontakt ist. Die Brechzahl des Meßvolumens soll kleiner als die Brechzahl des durchsichtigen Trägers sein. Anspruch 3 beschreibt drei verschiedene Situationen:
(a) Einstrahlwinkel ausreichend klein, so daß keine Totalreflexion an der Grenzfläche Träger/- Meßvolumen stattfindet, (b) Einstrahlwinkel ausreichend groß, so daß Totalreflexion an der Grenzfläche Träger/Meßvolumen stattfindet, und (c) Einstrahlwinkel liegt im Bereich des Grenzwinkels der Totalreflexion (kritischer Winkel). Im Fall (a) erfolgt beispielsweise bei Meßvolumina mit kleinen Reflektivitäten (dünne und durchsichtige Filme) eine Mehrfachrefle­ xion, wobei die Intensität der Einkoppelstrahlung schon nach einigen wenigen Umläufen sehr stark infolge der geringen Reflektivität des Meßvolumens abgesunken ist. Bei Meßvolumina mit hohen Reflektivitäten ist dagegen die Anzahl der Strahlungsumläufe und damit die Intensität der transmittierten Einkoppelstrahlung größer. Die mit dem Empfänger (4) gemesse­ ne Intensität der Einkoppelstrahlung ist ein Maß für die Brechzahl des Meßvolumens. Im Fall (b) findet eine Totalreflexion an der Grenzfläche Träger/Meßvolumen statt. Die Reflektivität dieser Grenzfläche ist hoch und damit auch die Anzahl der Umläufe bzw. die Intensität der transmittierten Einkoppelstrahlung, die Auskunft über die Brechzahl des Meßvolumens gibt. Ein Spezialfall von (b) ist (Anspruch 4, siehe Abb. 2), wenn die Strahlung vom Meßkopf (6) direkt in die eine Stirnseite des als Lichtwellenleiter (11) ausgebildeten Träger eingekoppelt wird und die Mehrfachreflexion über den an der gegenüberliegenden Stirnseite des Trägers lokalisierten Spiegels (10) (z. B. Planspiegel) und dem teildurchlässigen Spiegel des Meßkopfes im Träger selbst erfolgt. Über den Effekt der evaneszenten Wellenfelder gibt die Intensität der transmittierten Einkoppelstrahlung Auskunft zur Absorption des am Träger anliegenden Meßvolumens (9). Zusätzlich dazu sind eine Strahlungsquelle (12) und ein Empfänger (13) derart angeordnet, das mittels einer abbildenden Optik (14) der Empfänger (13) die an der Grenzfläche Träger/Meßvolumen specular reflektierte Intensität registriert, die durch die Brech­ zahl des Meßvolumens bestimmt ist. Der Einkoppelwinkel liegt außerhalb des Winkelbereiches der Totalreflexion. Diese Anordnung ist somit für die synchrone Ermittlung von Absorption und Brechzahl geeignet. Der Fall (c) nutzt die Tatsache, daß Messung im Bereich des kriti­ schen Winkels durch eine hohe Empfindlichkeit charakterisiert ist.
Die Ansprüche 5-6 beschreiben vorteilhafte Ausbildungen für die Realisierung einer genau definierten Anzahl an Reflexionen:
Anspruch 5 wird auf der Abb. 3 illustriert. Der Meßkopf (6) ist in der Weise schräg zum Meßvolumen (9) oder zum System Meßvolumen/Träger angeordnet, so daß die vom Meßvolu­ men specular reflektierte Einkoppelstrahlung ausschließlich auf den im Meßkopf (6) befindli­ chen teildurchlässigen Einkoppelspiegel (2) fällt. Anstelle dieses teildurchlässigen Spiegels kann auch ein durchsichtiges Schutzfenster oder Filter angeordnet sein, so daß der Empfänger (4) die speculare Intensität ohne Mehrfachreflexion registriert. Mit dieser Anordnung wird genau eine einzige Reflexion am Meßvolumen realisiert. Der Empfänger (5) registriert die diffuse Remission.
Abb. 4 zeigt (Anspruch 6), wie nach Reflexion der Einkoppelstrahlung am Meßvolumen (9) und am Gegenspiegel (8) die specular reflektierte Einkoppelstrahlung auf den im Meßkopf (6) lokalisierten Empfänger (4) geleitet wird. Der teildurchlässige Spiegel (2) im Meßkopf kann auch hier durch ein Fenster oder Filter ersetzt sein. Mit dieser Anordnung wird genau eine einzige Reflexion am Meßvolumen realisiert. Der Empfänger (5) registriert die diffuse Remission.
Die Ansprüche 7-10 beschreiben vorteilhafte Ausbildungen für die definierte Beeinflußung des Strahlenganges durch brechende Flächen und Polarisationselementen:
Gemäß Anspruch 7 werden brechende Flächen in den Strahlengang gebracht. Das können Linsen oder/und Blöcke sein. Diese Flächen verändern die optischen Schnittweiten und dienen einer definierten Beeinflußung des Strahlenganges derart, daß damit beispielsweise die Größe der bestrahlten Fläche auf dem Meßvolumen in Abhängigkeit von der Applikation variiert werden kann. Das ist beispielsweise bei der Erkennung von Strukturen auf festen Oberflächen nützlich. Hierbei besteht eine günstige Ausbildung (Anspruch 8) darin, daß z. B. zwei Meß­ köpfe (6) gekoppelt werden und synchron messen, wobei der eine Meßkopf eine vergleichs­ weise große Fläche (Integral) auf dem Meßvolumen und der andere eine vergleichsweise kleine Fläche (Differential) analysiert. Des weiteren kann in der Ebene des Lichtwellenleiters (2) eine Reihe von Lichtwellenleitern (z. B. 5) als Zeile angeordnet sein, die das Meßvolumen mit Einkoppelstrahlung beaufschlagen. Durch geeignete brechende Flächen werden die strahlenden Lichtwellenleiterendflächen auf das zu untersuchende Meßvolumen z. B. wieder als Zeile abgebildet, so daß hiermit eine ortsaufgelöste Analyse ermöglicht wird (Anspruch 9).
Gemäß Anspruch 10 durchläuft die Einkoppelstrahlung einen Polarisator (z. B. Polarisations­ folie), der diese polarisiert. Der Polarisator kann dabei unmittelbar vor dem Meßkopf (6) angeordnet sein. Die polarisierte Einkoppelstrahlung gelangt auf das Meßvolumen, das in Ab­ hängigkeit seiner optischen Eigenschaften die polarisierte Strahlung depolarisiert oder/und die Schwingungsebene dreht. Der Polarisator dient gleichzeitig als Analysator. Der Empfänger (4) registriert (neben einer diffus Remission) die Intensität der transmittierten Einkoppelstrahlung, die ein Maß für die Drehung der Schwingungsebene ist. Der Empfänger (5) registriert die diffuse Remission, die ein Maß für die Depolarisation des polarisierten Lichtes durch das Meßvolumen ist. Der Polarisator/Analysator ist einmal vollständig vor dem Lichtwellenleiter (1), dem Remissionsempfänger (5) und dem teildurchlässigen Spiegel (2) mit dem nachgeord­ neten Empfänger (4) angeordnet. Zum anderen wird entweder der Remissionsempfänger oder der teildurchlässige Spiegel mit nachgeschaltetem Empfänger freigelassen. Das ist dann wichtig, wenn das Meßvolumen eine merkliche Absorption aufweist, die zu ermitteln ist und als Korrektur für die Polarisationsmessung benutzt wird.
Bezugszeichenliste Abb. 1
1
Lichtwellenleiter mit Strahlungsquelle zur Einkopplung von Strahlung
2
teildurchlässiger Einkoppelspiegel (z. B. Planspiegel)
3
konischer Reflektor
4
Empfänger für transmittierte Strahlung
5
Empfänger für Remission
6
Gehäuse Meßkopf
7
System Meßvolumen/Träger
8
justierbarer Gegenspiegel (z. B. Hohlspiegel)
9
Meßvolumen
10
Planspiegel
11
Träger als Lichtwellenleiter ausgebildet (z. B. ATR-Kristall)
12
Strahlungsquelle
13
Empfänger
14
abbildende Optik
Abb. 2
6
Gehäuse Meßkopf
9
Meßvolumen
10
Planspiegel
11
Träger als Lichtwellenleiter ausgebildet (z. B. ATR-Kristall)
12
Strahlungsquelle
13
Empfänger
14
abbildende Optik
Abb. 3
2
teildurchlässiger Einkoppelspiegel (z. B. Planspiegel)
4
Empfänger für transmittierte Strahlung
5
Empfänger für Remission
6
Gehäuse Meßkopf
9
Meßvolumen
Abb. 4
2
teildurchlässiger Einkoppelspiegel (z. B. Planspiegel)
4
Empfänger für transmittierte Strahlung
5
Empfänger für Remission
6
Gehäuse Meßkopf
8
justierbarer Gegenspiegel (z. B. Hohlspiegel)
9
Meßvolumen
Literatur
[1] BERGMANN und SCHAEFER: Lehrbuch der Experimentalphysik. Optik. Berlin-New York, Walter de Gruyter, 1993.
[2] SCHMIDT, W.: Optische Spektroskopie. Weinheim-New York-Basel-Cambridge-Tokyo, VCH Verlagsgesellschaft, 1994.
[3] BAUMBACH, G.: Luftreinhaltung. Berlin-Heidelberg-New York, Springer Verlag, 1992.
[4] DE 41 04 316 A1
[5] DE 41 24 545 A1
[6] DD 301 863 A7
[7] MITTENZWEY, K.-H., J. RAUCHFUß, G. SINN, H.-D. KRONFELDT: A new fluo­ rescence technique to measure the total absorption coeflicient in fluids. Fres. J. Anal. Chem., 354 (1996) 159-162.
[8] DE 43 37 227 A1
[9] KORTÜM, G.: Reflexionsspektroskopie. Berlin-Heidelberg-New York, Springer Verlag, 1969
[10] COLWELL, R. N.: Manual of remote sensing. Falls Church, The Sheridan Press, 1983.
[11] Patentanmeldung 196 47 222.9-52, 15.11.1996. Optosens GmbH.

Claims (10)

1. Vorrichtung für die synchrone Ermittlung der Absorption, Streuung, Fluoreszenz und Bre­ chung von Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern (Meßvolumen), indem Strahlung definierter Wellenlänge in eine Mehrfachreflexionsvorrichtung mit Einkoppel- und Gegenspiegel über den Einkoppelspiegel eingekoppelt wird, diese Einkoppelstrahlung infolge langer Wege im Meßvolumen nahezu vollständig absorbiert wird, mit einem unmittelbar hinter einem der beiden Spiegel, der teildurchlässig ist, lokalisierten Empfänger die transmittierte Einkoppel­ strahlung und mit einem auf das Meßvolumen ausgerichteten und am Einkoppelspiegel lokalisierten Empfänger die entgegen der Einfallsrichtung gerichtete Remission (gesättigte Langweg-Remission) gemessen werden, wobei die Absorptionsfähigkeit aus dem Kehrwert der transmittierten Einkoppelstrahlung und die Streu- und Fluoreszenzfähigkeit indirekt aus der Kombination aus gesättigter Langweg-Remission und transmittierter Einkoppelstrahlung ermittelt werden, gekennzeichnet dadurch, daß der im Meßkopf lokalisierte teildurchlässige Einkoppelspiegel, der Gegenspiegel und das Meßvolumen in der Weise zueinander angeordnet sind, daß die Mehrfachreflexion zwischen Meßvolumen, Gegenspiegel und teildurchlässigem Spiegel erfolgt und das Meßvolumen direkt als reflektierendes Element wirkt sowie mit oder ohne Träger angeordnet sein kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Meßvolumen auf der Vorderseite des Trägers angeordnet ist, der rückseitig voll oder teildurchlässig verspiegelt ist und dem im Fall einer teildurchlässigen Spiegelschicht ein Empfänger zur Messung transmittierter Einkoppelstrahlung nachgeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Meßkopf, der Gegenspiegel und das Meßvolumen mit Träger in der Weise angeordnet sind, daß die Einkopplung von Strahlung unter einem solchen Winkel zur Normalen des Meßvolumens erfolgt, der im Bereich der Totalreflexion der Einkoppelstrahlung an der Grenz­ fläche Träger/Meßvolumen oder außerhalb des Bereiches der Totalreflexion oder im Grenzbe­ reich der Totalreflexion liegt.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß im Falle der Totalreflexion Meßkopf, Gegenspiegel und Träger in der Weise angeordnet sind, daß der Meßkopf zum Zwecke der Einkopplung und Mehrfachreflexion an der einen Endfläche des als Lichtwellenleiter ausgebildeten Trägers und der Gegenspiegel zum Zwecke der Mehrfachreflexion an der gegenüberliegenden Endfläche angeordnet sind, wobei der Kehrwert der Intensität der transmittierten Einkoppelstrahlung als Maß für die Absorption des außen am Träger lokalisierten Meßvolumens benutzt wird sowie zum Zweck der Erfassung des Anteiles der an der Grenzfläche Träger/Meßvolumen specular reflektierten Intensität eine weitere Strahlungsquelle und Empfänger mit einer abbildenden Optik so angeordnet sind, daß der Einkoppelwinkel außerhalb des Winkelbereiches der Totalreflexion liegt, wobei diese speculare Intensität als Maß für die Brechzahl des Meßvolumens benutzt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Meßkopf ohne Gegenspiegel in der Weise schräg zum Meßvolumen/Träger angeordnet ist, so daß der teildurchlässige Einkoppelspiegel mit nachgeordnetem Empfänger mit vom Meßvolumen specular reflektierter Einkoppelstrahlung plus diffus remittierter Strahlung und der am Einkoppelspiegel lokalisierte Remissionsempfänger dagegen ausschließlich mit diffus remittierter Strahlung beaufschlagt werden, wobei anstelle des teildurchlässigen Einkoppel­ spiegels auch ein Schutzfenster oder Filter angeordnet sein kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Meßkopf, das Meßvolumen und der Gegenspiegel in der Weise angeordnet sind, daß die vom Meßkopf ausgehende Einkoppelstrahlung auf das Meßvolumen trifft und der Gegen­ spiegel zum Meßvolumen und Meßkopf so ausgerichtet ist, daß der teildurchlässige Einkoppel­ spiegel mit nachgeordnetem Empfänger mit vom Meßvolumen specular reflektierter Einkoppel­ strahlung zuzüglich diffus remittierter Strahlung und der am Einkoppelspiegel lokalisierte Remissionsempfänger dagegen ausschließlich mit diffus remittierter Strahlung beaufschlagt werden, wobei anstelle des teildurchlässigen Einkoppelspiegels auch ein Schutzfenster oder Filter angeordnet sein kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur definierten Beeinflußung des Strahlenganges zwischen Meßkopf, Meßvolumen und Gegenspiegel brechende Flächen angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens 2 Meßköpfe für eine synchrone Messung gekoppelt angeordnet sind, wobei der eine Meßkopf mit Strahlung beaufschlagt wird, die von einer großen Fläche des Meßvolumens stammt und der andere Meßkopf mit Strahlung beaufschlagt wird, die von einer kleinen Fläche des Meßvolumens stammt.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß für eine ortsaufgelöste Analyse von Strukturen zwischen als Zeile ausgerichteten Licht­ wellenleiterendflächen, die im Meßkopf lokalisiert sind, und Meßvolumen brechende Flächen angeordnet sind, die die Lichtwellenleiterendflächen auf das Meßvolumen abbilden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Meßkopf und Meßvolumen ein Polarisator lokalisiert ist, der einmal vollständig­ vor dem Lichtwellenleiter, dem Remissionsempfänger und dem teildurchlässigen Einkoppel­ spiegel mit dem nachgeordneten Empfänger angeordnet ist zum anderen entweder der Remis­ sionsempfänger oder der teildurchlässige Spiegel mit nachgeschaltetem Empfänger vom Polarisator freigelassen ist.
DE1998119873 1996-11-15 1998-04-27 Kombinierte Absorptions- und Reflektanzspektroskopie zur synchronen Ermittlung der Absorption, Fluoreszenz, Streuung und Brechung von Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern Ceased DE19819873A1 (de)

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WO2002029387A1 (en) * 2000-10-03 2002-04-11 Varian Australia Pty Ltd Fluorescence probe and device for attachment thereto

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