DE2136634A1 - Optische Anordnung fur ein Gerat zum Analysieren einer Probe durch Atomspek troskopie - Google Patents

Description

Pcrfentanwälie Dr.-Inö. Wilhelm Eeicliel Dipl-Ing. Woligang Eeichel 6713

6 Frankfurt a. M. 1 Parksiiaße 13

TECHNICON INSTRUMENTS CORPORATION, Tarrytown, VStA

Optische Anordnimg für ein Gerät zum Analysieren einer Probe durch Atomspektroskopie

Die Erfindung "bezieht sich auf eine optische Anordnung für ein Gerät zum Analysieren einer Probe durch Atomspektroskopie mit einer Anzahl von Strahlungsquellen, die zur Bestrahlung einer Probenflamme Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge aussenden.

Optische Anordnungen für Geräte zur gleichzeitigen Mehrelementanalyse einer Probe durch Atomspektroskopie sind bekannt. Die herkömmlichen optischen Anordnungen erfüllen jedoch nicht alle Anforderungen, die bei der gleichzeitigen Mehrelementanalyse an sie gestellt werden.

So benötigen die meisten optischen Anordnungen, die in Geräten mit mehreren Strahlungsquellen in Form von Hohlkatodenlampen zur gleichzeitigen Mehrelementanalyse durch Atomspektroskopie verwendet werden, mehrere Kollektivlinsen, die alle unzulässige Änderungen der Bildlage und damit der Koliimation hervorrufen, wenn auf eine andere Strahlungsquelle oder Hohlkatodenlampe umgeschaltet wird. Dies ist

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auf die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge zurückzuführen. Weiterhin benötigt man zur Probenanalyse durch Atomfluoreszenzspektroskopie äußerst genau angefertigte und daher kostspielige Quarzlinsen, damit im Ultraviolettbereich eine hohe Durchlässigkeit erreicht wird. Dadurch sind die Gesamtkosten der herkömmlichen optischen Anordnungen ziemlich hoch. Weiterhin benötigen viele optische Anordnungen mit Linsen ein zusätzliches optisches Element, beispielsweise einen großen Parabolspiegel, der nicht nur die Gesamtkosten der Anordnung erhöht, sondern auch zu einem komplizierten Aufbau führt. Darüberhinaus beansprucht eine aus Linsen aufgebaute optische Anordnung, die die Strahlung von mehreren Strahlungsquellen in einer Probenbrennerflamme fokussieren soll, einen außergewöhnlich hohen Platzbedarf. Ferner rufen die Linsen eine beträchtliche Vergrößerung der als Strahlungsquellen dienenden Hohlkatodenlampen hervor, so daß die Strahlungsempfängeroptik mit außergewöhnlich großen und damit kostspieligen schmalbandigen Filtern ausgerüstet sein muß. Außerdem ist es bei optischen Anordnungen, die zur Strahlungsfokussierung Linsen verwenden, schwierig, die Strahlungsempfangseinrichtung vollkommen von den Hohlkatodenlampen abzuschirmen und zu trennen. Dadurch besteht die Gefahr, daß die Strahlung der Hohlkatodenlampen direkt auf der Strahlungsempfangseinrichtung auftrifft. Diese direkte Strahlung verfälscht die von der Flamme kommende interessierende Strahlung und führt dazu, daß der Strahlungsdetektor ein vollkommen unbrauchbares, jedoch mindestens ungenaues Signal abgibt.

Die in Verbindung mit einer aus Linsen aufgebauten Strahlungsquellenoptik beschriebenen Nachteile gelten auch für eine aus Linsen bestehende Strahlungsempfangsoptik, allerdings in einem etwas geringeren Maß. So macht es die bei Linsen in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung auftretende Bildverschiebung äußerst schwierig, die einen großen Wellenlängenbereich überstreichende, von der Flam-

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me kommende Strahlung bei dem Strahlungsdetektor zu fokussieren. Weiterhin ist es bei der Verwendung von Linsen in der Strahlungsempfängeroptik außergewöhnlich schwierig, Trennwände oder sonstige Abschirmungen zu benutzen, die verhindern sollen, daß Streustrahlung direkt auf den Strahlungsdetektor auftrifft» Darüberhinaus führt die Verwendung von Linsen in der Strahlungsempfängeroptik bei einem Gerät zur gleichzeitigen Mehrelementanalyse durch Atomspektroskopie zu einem erhöhten Platzbedarf der Strahlungsempf angseinr.ichtung.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung für ein Gerät zur gleichzeitigen Mehrelementanalyse durch Atomspektroskopie zu schaffen, die von der unterschiedlichen Wellenlänge der. von den einzelnen Strahlungsquellen ausgesandten und zu fokussierenden Strahlung unabhängig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs beschriebene optische Anordnung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquellenoptik die von den einzelnen Strahlungsquellen ausgesandte Strahlung reflektiert und in demselben Volumen der Probenflamme fokussiert.

Außer der Unempfindlichkeit gegenüber Wellenlängenverschiebungen bietet die optische Anordnung nach der Erfindung die Vorteile, daß sie bei geringen Kosten äußerst kompakt aufgebaut werden kann, also nur einen geringen Platzbedarf hat. Weiterhin kann man die Strahlungsquelleneinrichtung vollkommen entfernt von der Strahlungsempfangseinrichtung anordnen, um die Möglichkeit auszuschließen, daß die Strahlung der Strahlungsquellen direkt auf die Strahlungsempfangseinrichtung auftrifft. Darüberhinaus sind die Strahlungsquelleneinrichtung und die Strahlungsquellenoptik leicht zugänglich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die nach der Erfindung aufgebaute optische Anordnung äußerst

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flexibel ist und dadurch den verschiedensten optischen Anforderungen bei der Verwendung in einem Analysengerät zur Atomspektroskopie angepaßt werden kann. Ferner kann man die optische Anordnung aus leicht erhältlichen und zuverlässigen Bauelementen aufbauen, so daß die Anordnung bei einer hohen Lebensdauer wartungsfrei arbeitet. Da die' optische Anordnung weiterhin in der Lage ist, dem Strahlungsdetektor einen sehr hohen Strahlungsenergiepegel zuzuführen, erreicht man.bei der Verwendung in einem Gerät zur Probenanalyse durch Atomspektroskopie eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit.

Vorzugsweise findet die optische Anordnung in einem automatisch arbeitenden Gerät zur gleichzeitigen Mehrelementanalyse durch Atomspektroskopie Verwendung. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Gerät zur Blutprobenanalyse mit mehreren Kanälen handeln, wie es beispielsweise in den US-PS 3 134 363 und 3 241 432 beschrieben ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die Strahlungsquellenoptik eine Anzahl einzelner Toroidspiegel, von denen ^eder mit einer anderen der Strahlungsquellen derart optisch ausgerichtet ist, daß nahezu die gesamte Strahlung f der zugeordneten Strahlungsquelle auf dem Spiegel auftrifft und infolge der Reflexionswirkung des Spiegels in dem Probenfallenvolumen fokussiert wird.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Strahlungsempfängeroptik lediglich den bestrahlten Teil des Probenflammenvolumens erfaßt und die davon ausgehende Strahlung auf dem Strahlungsdetektor fokussiert, daß die Strahlungsempfängeroptik einen Primärspiegel und in einem Abstand davon einen Sekundärspiegel enthält, daß der Primärspiegel eine zentrale Durchgangsöffnung aufweist, auf die der Sekundärspiegel ausgerichtet ist, daß der Primärspiegel auf das bestrahlte Flammenvolu-

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men gerichtet ist und die davon ausgehende Strahlung auf die Reflexionsoberfläche des Sekundärspiegeis reflektiert, daß der Sekundärspiegel die von dem Primärspiegel kommende Strahlung durch die Öffnung in dem Primärspiegel hindurch reflektiert und auf dem Strahlungsdetektor fokussiert.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand von Figuren beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt teilweise geschnitten eine sohematische

Seitenansicht einer Strahlungsquellenoptik eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene schematische

Ansicht von oben auf die Strahlungsquellen- und Strahlungsempfängeroptik.

Die Fig. 3 ist eine Vorderansicht einer in der Anordnung nach der Fig. 2 benutzten Filterscheibe.

Die Fig. 4 zeigt den zeitlichen Ablauf eines Zyklus der gepulsten Strahlungsquelleneinrichtung.

Ein in den Figuren dargestelltes automatisch arbeitendes Gerät 10 zur gleichzeitigen Mehrelementanalyse einer Probe durch Atomspektroskopie enthält eine Strahlungsquelleneinrichtung 12, eine Strahlungsquellenoptik 14, einen Probenbrenner 16, eine Strahlungsempfangseinrichtung 18 und eine Strahlungsempfängeroptik 20. Ferner sind für die Strahlungsquelleneinrichtung eine Steuer- und Modulationseinrichtung 21 und für das empfangene Signal eine Demodulations- und Verarbeitungseinrichtung 23 vorgesehen.

Zur gleichzeitigen Mehrelementanalyse durch Atomfluoreszenzspektroskopie einer Probe auf sechs verschiedene Elemente

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enthält die Stranlungsquelleneinriehtung 12 beispielsweise mehrere einzelne Fluoreszenzstrahlungsquellen, bei denen es sich um Katodenlampen 22, 24, 26, 28, 30 und 32 handeln kann, die jeweils um 60° versetzt längs eines Kreisumfangs angeordnet sind, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Die Hohlkatodenlampen sind in einem Gehäuse 34 mit einer Tragwand 36 aus einem wärmeisolierenden Material und mit einem durchsichtigen Fenster 38 angeordnet, das aus Hartfeuerporzellan bestehen karnio Vorzugsweise ist das durchsichtige Fenster 38 mit einem nicht reflektierenden Belag überzogen, beispielsweise mit MgF₂, um die sonst an einer Grenzfläche zwischen Luft und einem nicht entspiegelten Glas auftretende h%ige Strahlungsreflexion 2u vermeiden und die Strahlungsstreuung so gering wie möglich zu halten.

Für die Hohlkatodenlampen sind Stützen vorgesehen, beispielsweise die in der Fig. 2 gezeigten Stützen 40 und 42 für die Lampen 22 und 28. Die Stützen sind an der Tragwand 36 befestigt und halten die Hohlkatodenlampen in einer festen Stellung. Obwohl es nicht gezeigt ist, sind in den Stützen Lampeneinstelleinrichtungen vorgesehen, mit denen die Hohlkatodenlampen genau ausgerichtet werden können. Die Innenseiten der Wände des Gehäuses 34 sind mit einem nicht reflektierenden Material überzogen, beispielsweise mit einem samtartigen oder mattenrauhen Lack, um die Reflexion der Streustrahlung innerhalb des Gehäuses 34 so klein wie möglich zu halten.

Jede Hohlkatodenlampe enthält eine hohlraumartige Katode, v/ie es für die Hohlkatodenlampen 22 und 28 mit den Katoden 44 und 46 in der Fig. 2 gezeigt ist. Jede Lampe liefert eine Strahlung mit einer Reihe von diskreten Spektralemissionslinien, die jeweils für ein besonderes interessierendes Probenelement charakteristisch sind. Jede Hohlkatode stellt ein Objekt dar, das im Mittelpunkt der Probenbrennerflamme abgebildet wird. Bei der herkömmlichen Probenanalyse liegen

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die spektralen Emissionslinien im allgemeinen in einem Spektralbereich von 2000 bis 3000 £.

Die Strahlungsquellenoptik 14 enthält sechs Toroidspiegel 50, 52, 54, 56, 58 und 60, die um jeweils 60° versetzt auf einem Kreis angeordnet sind. Jeder Toroidspiegel ist mit einer Hohlkatodenlampe optisch ausgerichtet,, wie es in den Figuren gezeigt ist. Die Reflexionsoberflächen der Toroidspiegel, beispielsweise die in der Fig. 2 dargestellten Reflexionsoberflächen 51 und 57 der Toroidspiegel 50 und 56, sind mit einem dicken Aluminiumfilm überzogen, um einen möglichst hohen direkten Reflexionsgrad zu erzielen. Der Aluminiumfilm ist wiederum vorzugsweise mit einer Magnesiumfluoridschicht überzogen, um den Aluminiumfilm zu schützen und den Reflexionsgrad zu erhöhen.

Die Toroidspiegel wirken wie eine einfache Linse. Ein Toroid ist eine Näherung an einen Rotationsellipsoid, der sich um seine Hauptachse dreht. Ein Toroid weist zwei rechtwinklig zueinander verlaufende Krümmungen auf, deren Radien den Schmiegungskugeln am Scheitelpunkt eines äquivalenten Ellipsoids entsprechen. Die Toroidspiegel enthalten Oberflächen von bogenförmigem Querschnitt, die man wesentlich einfacher und billiger herstellen kann als die im allgemeinen nicht sphärischen Oberflächen, die man beispielsweise bei einem achsenentfernten Ellipsoid findet.

Die Toroidspiegel 50, 52, 54, 56, 58 und 60 sind an einem etwa kegelstumpfförmigen Spiegelhalter 62 befestigt, der wiederum an einem abnehmbaren Gehäusedeckel 64 angebracht ist, so daß man die gesamte Strahlungsquellenoptik 14 sehr leicht aus dem Gehäuse 34 herausnehmen kann. Für die einzelnen Toroidspiegel sind Einstellschrauben vorgesehen. So dienen, wie es aus der Fig. 2 hervorgeht, Einstellschrauben 66 und 68 zum genauen Justieren des Toroidspiegels 50 und Einstellschrauben 70 und 72 zum genauen Justieren des

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Spiegels 56. Die Einstellschrauben erstrecken sich durch den Spiegelhalter 62.

Jeder der Toroidspiegel 50, 52, 54, 56, 58 und 60 ist mit einer anderen Hohlkatodenlampe optisch ausgerichtet. Auf diese Weise werden mehrere jeweils aus einer Hohlkatodenlampe und einem Toroidspiegel bestehende Paare gebildet. Jedes Lampenspiegelpaar, beispielsweise das aus der Hohlkatodenlampe 22 und dem ,Toroidspiegel 50 und das aus der Hohlkatodenlampe 28 und dem Toroidspiegel 56 bestehende Paar ist in einer solchen Weise innerhalb des Gehäuses 34 angeordnet, daß die von einer Hohlkatodenlampe ausgesandte Strahlung lediglich auf den zugeordneten Toroidspiegel fällt und dort unter einem Winkel von etwa 90° reflektiert wird.

Der Probenbrenner 16 enthält einen Brennerkörper 74, durch dessen Mitte sich ein nicht gezeigter Probentropfenkanal erstreckt. An der Unterseite des Brennerkörpers ist eine Tropfenerzeugungseinrichtung 76 angebracht, die auf den Probentropfenkanal ausgerichtet ist. Die Tropfenerzeugungseinrichtung liefert etwa gleich große, voneinander getrennte Probentropfen, die durch den Tropfenkanal nach oben in einen Brennerrahmen 78 steigen. In der Brennerflamme werden die Probenelementmoleküle teilweise in Atome umgesetzt, so daß eine ein Probenvolumen 80 darstellende konzentrierte Atomwolke gebildet wird. Dieses in der Brennerflamme erzeugte Probenvolumen wird zur Probenanalyse durch Atomspektroskopie ausgenutzt. Eine aus Gas und Luft bestehende Laminarströmung im Mittelpunkt der Brennerflamme und in dem Raum zwischen der Brennerflamme und der Strahlungsempfangseinrichtung stellt sicher, daß die das Probenvolumen 80 darstellende Atomwolke innerhalb der Brennerflamme an einer festen Stelle bleibt.

Anstelle des beschriebenen Probenbrenners kann man auch andere Brennereinrichtungen benutzen. Der beschriebene Proben-

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brenner weist jedoch gewisse Vorteile auf.

Dem Probenbrenner 16 ist eine Lichtauffangeinrichtung 81 derart zugeordnet, daß sie die von den Hohlkatodenlampen kommende und durch die Brennerflamme 78 hindurchgehende Strahlung absorbiert. Da es sehr wichtig ist, daß die Strahlungsempfangseinrichtung 18 weder direkte, noch reflektierte oder gestreute Strahlung von den Hohlkatodenlampen aufnimmt, muß die Lichtauffangeinrichtung die gesamte durch die Brennerflamme hindurchgehende Strahlung absorbieren, ohne daß damit eine einfache Strahlungsstreuung verbunden ist. Zu diesem Zweck ist die durch die Brennerflamme hindurchgegangene direkte Strahlung mindestens vier Reflexionen an hochabsorbierenden Oberflächen mit einer Strahlungsabsorptionsfähigkeit von mindestens 98% unterworfen. Dadurch wird die Intensität der direkten Strahlung mindestens auf 0,00016 vermindert.

Die Strahlungsempfangseinrichtung 18 enthält ein Gehäuse 82 mit einer durchlässigen Stirnwand 84, die ebenfalls aus Hartfeuerporzellan oder gebrannter Kieselerde bestehen kann und zur Verminderung der Strahlungsreflexion mit einem Belag aus MgF₂ überzogen ist. Die Strahlungsempfangseinrichtung enthält einen Strahlungsdetektor 86, bei dem es sich beispielsweise um eine abgeschirmte, hochempfindliche Fotozelle oder um eine Fotoelektronenvervielfacherröhre handeln kann, was von der Art der durchzuführenden Probenanalyse abhängt.

Mit den sechs Hohlkatodenlampen und den zugeordneten sechs Toroidspiegeln arbeitet eine Filterscheibe 88 mit sechs Filtern 90, 92, 94, 96, 98 und 100 zusammen, die ebenfalls jeweils um etwa 60° versetzt sind, wie es in der Fig. 3 gezeigt ist. Jedes Filter besteht vorzugsweise aus einem schmalbandigen dielektrischen Filter, dessen Durchlaßwellenlänge auf das gerade interessierende Probenelenient der spektroskopisch zu analysierenden Probe abgestimmt ist. Ein Mo-

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tor 102 treibt die Filterscheibe 88 mit konstanter Drehzahl an, so daß die einzelnen Filter aufeinanderfolgend in den Strahlengang vor dem Strahlungsdetektor 86 gebracht werden.

Die Strahlungsempfängeroptik 20 enthält einen konkaven sphärischen Primärspiegel 104, der am Gehäuse 82 befestigt ist, und einen konvexen sphärischen Sekundärspiegel 106, der etwa in der Mitte an der durchsichtigen Stirnwand 84 des Gehäuses angebracht ist. Der konkave sphärische Primärspiegel 104 weist in seiner Mitte eine Durchgangsöffnung 108 auf.

Die Reflexionsoberfläche 109 des Primärspiegels 104 und die Reflexionsoberfläche 110 des Sekundärspiegels 106 sind vorzugsweise mit einer Aluminiumschicht überzogen, die wiederum mit einem Magnesiumfluoridfilm belegt ist, wie es bereits bei den Toroidspiegeln der Fall ist. Die Rückseite der Reflexionsoberfläche 110 des Sekundärspiegels 106 arbeitet wie eine Feldblende, so daß die von der Brennerflamme 78 kommende Strahlung nicht direkt durch den Spiegel 106 hindurch zur Öffnung 108 in dem Primärspiegel 104 gelangen kann. Eine etwa kegelstumpfförmig ausgebildete, messerscharfe Trennwand 111 läuft um die Öffnung 108 in dem Primär spiegel 104 herum und ist auf diese Öffnung derart ausgerichtet, daß lediglich die ) von der Reflexionsfläche 110 des Sekundärspiegels 106 re- · flektierte Strahlung durch die Öffnung 108 des Primärspiegels 104 zu einem Filter und von dort zu dem Strahlungsdetektor 86 gelangen kann. In ähnlicher Weise ist dem Sekundärspiegel 106 eine ringförmige Trennwand 112 zugeordnet, die den Sekundärspiegel 106 umgibt und verhindert, daß auf die Reflexionsoberfläche 110 des Sekundärspiegels irgendeine andere als die von der Reflexionsoberfläche des Primärspiegels 104 reflektierte Strahlung auftreffen kann. Der zylindrische Abschnitt der Umfangswand des Sekundärspiegels 106 ist mit einem undurchsichtigen Belag 114 überzogen, so daß durch die Umfangswand des Sekundärspiegels kein Licht hindurchtreten kann.

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Die Strahlungsempfängeroptik 20 entspricht daher grundsätzlich einem umgekehrten Cassegrain- oder Inca-Aufbau, dessen Hauptfunktion darin besteht, die Strahlung des als Atomwolke konzentriert vorliegenden Probenvolumens 80 von der Brennerflamme 78 auf einen kleinen Bereich A auf dem schmalbandigen Filter abzubilden und von dort zum Strahlungsdetektor 86 zu übertragen. Eine besonders informative Analyse über die theoretische Rechtfertigung der Verwendung eines Inca-Aufbaus gibt Dr. Seymour Rosin in einem Aufsatz in "Applied Optics" August 1968, Band 7, Nr. 8.

Wenn man die beschriebene Anordnung beispielsweise zur gleichzeitigen Mehrelementanalyse einer Reihe von Blutproben verwendet, kann die Strahlungsempfängeroptik 20 bei einer endlichen Konjugierten verwendet werden, bei der die Vergrößerung etwa 2,7 beträgt und die sphärische Aberration, das Koma und der Astigmatismus der dritten Ordnung korrigiert sind. Die Optik kann beispielsweise bei einer numerischen Apparatur von 0,5 (F/1,O) verwendet werden, und die Lichtstärke kann man erhöhen, wenn man zum Betrieb des Strahlungsdetektors 86 zusätzliche Strahlungsenergie benötigt. Die durchsichtige Stirnwand 84 aus Hartfeuerporzellan, die den Sekundärspiegel 106 trägt, beeinträchtigt die optischen Eigenschaften der Strahlungsempfängeroptik 20 nicht, sondern schützt vielmehr die Optik vor Staub und korrodierenden Gasen und dgl. aus dem Bereich der Brennerflamme 78, Die Abdeckung der Strahlungsempfängeroptik 20 in der Mitte beträgt etwa 18#. Dies ist für eine Optik mit F/1,0 ein vernünftiger Wert.

Die Aufgabe der Toroidspiegel 50, 52, 54, 56, 58 und 60 der Strahlungsquellenoptik 14 besteht darin, die Strahlungsenergie der jeweils zugeordneten Hohlkatodenlampe zur Brennerflamme 78 zu befördern und die Strahlung bei dem konzentrierten Probenvolumen 80 zu fokussieren. Die Strahlungsquellenoptik 14 arbeitet daher in ähnlicher Weise wie eine Kondensoroptik. Da die Toroidspiegel kein genaues Abbild erzeugen

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müssen, können sie eine gewisse Restabweichung zeigen. Trotz dieser restlichen Aberrationen muß allerding gewährleistet sein, daß ein beträchtlicher Teil der Strahlungsenergie jeder Hohlkatodenlampe zu dem in der Brennerflamme konzentrierten Probenvolumen übertragen wird. Bei Verwendung einer Brennerflamme 78 mit einem konzentrierten Probenvolumen von ■ beispielsweise 8 mm Breite werden die Hohlkatodenlampen, die Toroidspiegel und der Probenbrenner vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, daß die Strahlung der Hohlkatodenlampe etwa die mittleren 4 mm des eine Atomwolke darstellenden Probenvolumens der Brennerflamme anregt.

In ähnlicher Weise soll die Strahlungsempfängeroptik 20 lediglich den bestrahlten Abschnitt des konzentrierten Probenvolumens 80 im Mittelpunkt der Brennerflamme 78 beobachten und daraus die interessierende Strahlung aufsammeln und optisch durch das schmalbandige dielektrische Filter zum Strahlungsdetektor 86 weiterleiten. Zu diesem Zweck ist die Strahlungsempfängeroptik in der Lage, bei einem optischen System mit F/1,0 über das gesamte Gesichtsfeld einen Brennfleck von 0,025 mm auf dem Strahlungsdetektor 86 zu erzeugen. Dies bedeutet eine ausgezeichnete Abbildungsqualität. Durch eine überspitzte Strahlengangtechnik könnte man die Lichtstärke der Strahlungsempfängeroptik 20 weiter verbessern. Der Strahlungsanteil, den die Strahlungsempfängeroptik 20 im Strahlungsgesichtsfeld dem konzentrierten Probenvolumen 80 in der Brennerflamme 78 entnimmt, wird durch die Größe der schmalbandigen dielektrischen Filter 90 bis 100*bestimmt.

Wenn man das beschriebene Gerät beispielsweise zur automatischen 6-Kanal-Blutprobenanalyse verwenden will, wie es in den US-PS 3 241 432 und 3 134 263 beschrieben ist, wird ein Strom aus einer Reihe von behandelten Blutproben über die Tropfenerzeugungseinrichtung 76 der Brennerflamme 78 des Probenbrenners 16 zugeleitet. Dort findet eine Teilumsetzung der Probe in Atome statt, die dann das Probenvolumen 80 in

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Form einer konzentrierten Atomwolke bilden. Wenn jede der Blutproben gleichzeitig durch Atomfluoreszenzspektroskopie auf sechs verschiedene Blutprobenelemente untersucht werden soll, gibt jede Hohlkatodenlampe eine Strahlung mit einer solchen Wellenlänge ab, die jeweils zur Analyse eines anderen Elements geeignet ist. Dabei haben die schmalbandigen dielektrischen Filter der Filterscheibe 88 jeweils eine solche Bandbreite, daß sie eine Atomfluoreszenzstrahlung mit einer solchen Wellenlänge durchlassen, die auf das gerade interessierende Blutprobenelement abgestimmt ist.

Die Steuer- und Modulationseinrichtung 21 enthält einen Oszillator 120, eine Lampenspeiseeinrichtung 122 und eine Schaltereinrichtung 124. Jede Hohlkatodenlampe ist an die Lampenspeiseeinrichtung 122 angeschlossen, wie es in der Fig. 2 für die Hohlkatodenlampen 22 und 28 dargestellt ist.

Ein die Winkelstellung der Filterscheibe 88 abtastender Fühler 127 ist in dem Strahlungsempfangsgehäuse 82 untergebracht und mit der Schaltereinrichtung 124 verbunden. Der Fühler 127 betätigt die Schaltereinrichtung 124 in Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelstellung der drehbaren Filterscheibe 88.

Die Demodulations- und Verarbeitungseinrichtung 23 enthält einen Vorverstärker 128, eine Toreinrichtung 130 und Demodulatoren 132a bis 132f. Eine Registriereinrichtung 134 für sechs Kanäle kann sechs einzelne Schreiber 136, 138, 140, 142, 144 und 146 enthalten. Bei den Schreibern kann es sich beispielsweise um gleichspannungsbetriebene Streifenblatt- · schreiber mit Nullabgleich handeln. In der Fig. 2 ist lediglich der Schreiber 136 mit mehr Einzelheiten dargestellt. Der Schreiber enthält ein angetriebenes Streifenblatt 148 und einen Schreibstift 150, der die Blutprobenanalysenergebnisse'des betreffenden Kanals in Form eines Linienzugs 152 auf dem Streifenblatt darstellt. Derartige Streif©nblatt-

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schreiber sind bekannt und beispielsweise in der US-PS 3 241 432 beschrieben.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des beschriebenen Geräts erläutert. Wenn die relevanten Moleküle jeder Blutprobe teilweise in Atome umgewandelt werden, um in der Brennerflamme 78 eine das Probenvolumen 80 darstellende konzentrierte Atomwolke zu bilden, werden die Hohlkatodenlampen aufeinanderfolgend erregt und die Filterscheibe 88 mit einer entsprechend zugeordneten konstanten Drehzahl gedreht, _fc um gleichzeitig eine Mehrelementanalyse der Blutprobe auf " sechs verschiedene Blutprobenelemente durch Atomfluoreszenzspektroskopie vorzunehmen. Im folgenden wird auch auf den in der Fig. 4 dargestellten zeitlichen Verlauf der Lampenerregung Bezug genommen. Wenn die sich drehende Filterscheibe 88 gerade eine Stellung durchläuft, in der sich das Filter 90 vor dem Strahlungsdetektor 86 befindet, wird dies von dem Fühler 127 festgestellt und der Schaltereinrichtung 124 mitgeteilt. Die Schalt er einrichtung 124 veranlaßt, daß für eine Zeitspanne, während der das Filter 90 vor dem Strahlungsdetektor 86 vorbeiläuft, die Lampenspeiseeinrichtung 122 die Hohlkatodenlampe 22 erregt. Dabei wird die Erreger spannung moduliert, und zwar mit dem Ausgangssignal des Oszillators k 120, bei dem es sich um eine Rechteckschwingung mit einer Frequenz von 1000 Hz handeln kann. Die gepulste Strahlungsenergie der Hohlkatodenlampe 22 trifft auf den dieser Lampe zugeordneten Toroidspiegel 50 auf und wird in dem konzentrierten Probenvolumen 80 der Brennerflamme 78 fokussiert, um die Probenatomwolke zur Strahlung anzuregen. Dadurch geben die Atome des Blutprobenelements 1 eine isotrope oder nach allen Seiten gleichmäßige Strahlung ab. Der relevante Anteil dieser Fluoreszenzstrahlung, der, wie es gezeigt ist, auf das durchlässige Fenster 84 der Strahlungsempfangseinrichtung 18 gerichtet ist, tritt in das Gehäuse der Strahlungsempfangseinrichtung ein und trifft auf die Reflexionsoberfläche 109 des Primär spiegeis 104 auf. Von dort werden die Strahlen auf

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die Reflexionsoberfläche 110 des Sekundärspiegels 106 fokussiert. Die Reflexionsoberfläche des Sekundärspiegels reflektiert die Fluoreszenzstrahlung in einem Brennfleck im Bereich A auf dem schmalbandigen dielektrischen Filter 90. Das Filter 90 läßt lediglich die Strahlung mit der gerade interessierenden Wellenlänge durch, die dann auf den Strahlungsdetektor 86 auftrifft.

Das sich ergebende elektrische Ausgangssignal des Strahlungsdetektors, dessen Amplitude der Intensität der interessierenden Fluoreszenzstrahlung proportional ist, wird dem Vorverstärker 128 zugeführt. Das verstärkte Signal gelangt zur Toreinrichtung 130. Die von dem Fühler 127 angesteuerte Schaltereinrichtung 124 betätigt die Toreinrichtung 130 derart, daß das verstärkte Signal dem zugeordneten Demodulator 132A zugeführt wird. Dort wird das Signal demoduliert und dem Streifenblattsehreiber 136 zugeführt. Das Signal betätigt die gleichspannungsbetriebene Abgleichschaltung, so daß der Schreibstift 150 eine Bewegung ausführt und den Pegel der interessierenden Fluoreszenzstrahlung des Blutprobenelements 1 aufzeichnet.

Sobald das Filter 90 an dem Strahlungsdetektor 86 vorbeigelaufen ist, schaltet die Schaltereinrichtung 124 unter der Steuerung des Fühlers 127 die Erregung von der Hohlkatodenlampe 22 ab und schaltet die Erregung der Hohlkatodenlampe ein. Jetzt wird die Hohlkatodenlampe 24 für eine Zeitperiode gepulst, während der das nächste schmalbandige Filter 92 vor dem Strahlungsdetektor 86 vorbeiläuft. Die von der Hohlkatodenlampe 24 kommende Strahlungsenergie regt jetzt in dem Probenvolumen 80 die Atome des interessierenden Blutprobenelements 2 zur Fluoreszenzstrahlung an. Diese Strahlung wird etwa auf das Filter 92 fokussiert, von ihm gefiltert und trifft auf den Strahlungsdetektor 86 auf. Gleichzeitig hat die Schaltereinrichtung 124 die Toreinrichtung 130 derart betätigt, daß das sich ergebende Ausgangssignal des Strah-

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lungsdetektors 86 für das Probenelement 2 dem zugeordneten Demodulator 132B zugeführt wird. Dort wird das Signal demoduliert und gelangt zu dem Streifenblattschreiber 138, von dem es aufgezeichnet wird.

Auf diese Weise werden die Hohlkatodenlampen 22, 24, 26, 28, 30 und 32 aufeinanderfolgend durch fortlaufende Betriebszyklen gepulst, und zwar synchron mit der Drehbewegung der schmalbandigen Filter 90, 92, 92, 96, 98 und 100 in bezug auf den Strahlungsdetektor 86. Diese Arbeitsweise wird so lange fortgesetzt, bis eine hinreichende Anzahl von Hohlkatodenlampenerregungszyklen durchlaufen ist, die für die gleichzeitige Mehrelementanalyse der interessierenden Blutprobe in bezug auf sechs verschiedene Probenelemente ein ausreichendes Ergebnis sicherstellen. Da die Intensität der interessierenden Fluoreszenzstrahlung von jedem der sechs Blutprobenelemente gering ist, muß man für jede Blutprobe im allgemeinen eine große Anzahl der beschriebenen Hohlkatodenlampenerregungszyklen durchlaufen, um auf den Streifenblattschreibern ein deutliches Ergebnis aufzuzeichnen.

Anschließend wird die nächste Blutprobe des Blutprobenstroms der Tropfenerzeugungseinrichtung 76 zugeführt, um eine gleichzeitige Mehrelementanalyse bezüglich derselben sechs verschiedenen Blutprobenelemente durch Atomfluoreszenzspektroskopie vorzunehmen.

Mit dem beschriebenen Gerät kann man auch eine gleichzeitige Mehrelementanalyse einer Blutprobe durch Atomemissionsspektroskopie und durch Atomfluoreszenzspektroskopie vornehmen. Zu diesem Zweck werden lediglich eine oder mehrere der Hohlkatodenlampen abgeschaltet". Wenn man beispielsweise eine gleichzeitige Mehrelementanalyse einer Blutprobe vornehmen will, und zwar in bezug auf die Substanzen Calcium, Eisen und Jod durch Atomfluoreszenzspektroskopie und in bezug auf die Substanzen Natrium, Calium und Lithium

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durch Atomemissionsspektroskopie, kann man die Hohlkatodenlampen 28, 30 und 32 von der Lampenspeiseeinrichtung 122 trennen, die Demodulatoren 132D, 132E und 132F von der Toreinrichtung 130 abschalten und die zugeordneten Ausgänge an der Toreinrichtung 130 direkt mit den Streifenblattschreibern 142, 144 und 146 verbinden. Das Ergebnis davon ist, daß die Hohlkatodenlampen 22, 24 und 26 nach wie vor aufeinanderfolgend erregt werden, um in der oben beschriebenen Weise die Blutprobe durch Atomfluoreszenzspektroskopie auf ihren Calcium-, Eisen- und Jodgehalt zu untersuchen. Die nicht ausgefüllten Perioden jedes Lampenerregungszyklus, der in der Fig. 4 dargestellt ist, ermöglichen die Analyse der Blutprobe durch Atomemissionsspektroskopie in bezug auf die Substanzen Natrium, Calium und Lithium. Obwohl die Hohlkatodenlampen 28, 30 und 32 während eines Lampenerregungszyklus nicht mehr erregt werden, führen die Filterscheibe 88, die Toreinrichtung 130 und die von dem Fühler 127 angesteuerte Schaltereinrichtung 124 ihre ursprüngliche Arbeitsweise fort. Dadurch gelangt nur die jeweils interessierende Atomesmissionsstrahlung zu dem Strahlungsdetektor 86. Durch entsprechende Schaltmaßnahmen der Toreinrichtung 130 gelangen die Ausgangssignale des Strahlungsdetektors direkt zu den zugeordneten Streifenblattschreibern 142, 144 und 146.

Die in der Strahlungsquellenoptik 14 verwendeten Toroidspiegel haben gegenüber den allgemein üblichen Linsen einen beachtlichen Vorteil. So wirken sich Verschiebungen in der Wellenlänge oder Farbe der zu reflektierenden und fokussierenden Strahlung überhaupt nicht aus. Dies steht vollkommen im Gegensatz zu einer Linsenanordnung, bei der in Abhängigkeit von der Wellenlänge eine Verschiebung der Abbildung auftritt, so daß eine Linsenanordnung zum Fokussieren einer Strahlung mit einer großen Wellenlängenbreite unbraucbar ist. Weiterhin wird durch die Verwendung der Toroidspiegel eine gedrängtere Bauweise ermöglicht, so daß das Gehäuse 34 kleine Abmessungen aufweisen kann. Dadurch

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kann man die Strahlungsquelleneinrichtung und die Strahlungsquellenoptik leichter zu einer Einheit zusammenfassen und mit geringerem Aufwand herstellen.

Die Toroidspiegel haben gegenüber von Linsen den weiteren Vorteil, daß sie die Strahlung gleichzeitig reflektieren und fokussieren. Weiterhin kann man die beschriebenen Toroidspiegel, die Kombinationen aus etwa kreisförmigen Querschnitten aufweisen, wirtschaftlicher herstellen als Linsen mit vergleichbaren optischen Fähigkeiten. Ferner kann man die Toroidspiegel durch einfaches Beobachten der Form des W erzeugten Strahlungsbilds viel leichter genau ausrichten. Darüberhinaus sind die Toroidspiegel wesentlich einfacher zu handhaben, da ihre Lage und Winkelstellung in bezug auf die Hohlkatodenlampe und das konzentrierte. Probenvolumen in der Brennerflamme über größere Bereiche geändert werden können, so daß die Toroidspiegel eine wesentlich größere Anpassungsfähigkeit an verschiedene optische Anordnungen zqgen. Ferner kann man die Strahlungsquelleneinrichtung und die Strahlungsquellenoptik 14 sehr einfach auf mehr oder weniger Probenanalysenkanäle umrüsten.

Die beschriebene Anordnung mit den in dem Gehäuse 34 un-. tergebrachten Hohlkatodenlampen und Toroidspiegeln ermöglicht es, daß das Gehäuse 34 von der Strahlungsempfangseinrichtung 18 entfernt angeordnet werden kann, so daß die Möglichkeit ausgeschaltet wird, daß Strahlungsenergie von den Hohlkatodenlampen direkt auf der Strahlungsempfangseinrichtung auftrifft. Dies würde nämlich eine Verfälschung des Ausgangssignals des Strahlungsdetektors zur Folge haben. Darüberhinaus ist die beschriebene Anordnung von allen Seiten leicht zugänglich. Weiterhin haben die Toroidspiegel im ultravioletten Strahlungsbereich eine wesentlich höhere Reflexionsfähigkeit als Linsen, es sei denn, es handelt sich um eine teure und aufwendige Kristalloptik. Der mit den Toroidspiegeln erreichte Reflexionswinkel von etwa 90° für die von den Hohlkatodenlampen kommende Strahlung ermöglicht

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einen kompakteren Aufbau der Strahlungsquelleneinrichtung und zugeordneten Strahlungsquellenoptik. Darüberhinaus entfällt ein zusätzliches optisches Bauelement, das bei typischen äquivalenten Linsenanordnungen vorhanden ist.

Die Gesamtkosten von Toroidspiegeln, die zum Herstellen einer glatten Spiegeloberfläche geschliffen und poliert sind, beträgt etwa 10% oder weniger der Kosten von äquivalenten Linsen. Wenn man die Toroidspiegel preßt und feuerpoliert betragen ihre Kosten nur 30% im Vergleich zu denjenigen von äquivalenten Linsen.

Die beschriebene Strahlungsempfängeroptik 20, die grundsätzlich einen Inca-Aufbau zeigt, macht es nahezu unmöglich, daß direkte Strahlen von der Brennerflamme auf dem Strahlungsdetektor 86 auftreffen können. Der damit verbundene Vorteil wird nur mit einem geringen Strahlungsenergieverlust erzielt. Auf diese Weise gewährleistet die Strahlungsempfangsoptik eine maximale Trennung des Strahlungsdetektors gegenüber der direkten Brennerflammenstrahlung bei einer maximalen StrahlungSammlung von dem eine Atomwolke darstellenden Probenvolumen 80 in der Brennerflamme. Mit einer herkömmlichen Einspiegelanordnung wäre dies nicht möglich. Ferner würde eine solche herkömmliche Anordnung · einen geringeren Rauschabstand als ein Inca-Aufbau haben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der sphärische Primär- und Sekundärspiegel 104 und 106 mit hohen Qualitätseigenschaften sehr leicht und einfach hergestellt werden können.

Die erwähnte Modulation bei der Erregung der Hohlkatodeniampen und die entsprechende Demodulation bei den sich ergebenden modulierten elektrischen Ausgangssignalen des Strahlungsdetektors kommt die Aufgabe zu, die Auswirkungen des Brennerflammenrauschens und von Strahlungsschwankungen bei der Zufuhr der Probentropfen und dgl. auf das Analysen-

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ergebnis so gering wie möglich zu halten. Dadurch wird der Rauschabstand In der gesamten Anordnung erhöht, und die Genauigkeit und Empfindlichkeit des beschriebenen Geräts verbessert. Es können auch andere als die beschriebenen Modulationsverfahren angewendet werden, beispielsweise Probenbrennerflammenmodulationen. Man kann aber auch auf jegliche Modulation verzichten.

Obwohl bei der beschriebenen Anordnung sechs Toroidspiegel in Verbindung mit sechs Hohlkatodenlampen verwendet werden, kann man auch eine geringere oder größere Anzahl von Toroidspiegeln in Verbindung mit einer Strahlungsquelleneinrichtung benutzen, die eine kleinere oder größere Anzahl von Hohlkatodenlampen aufweist.

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Claims (12)

1. Patentansprüche

   Λ J Optische Anordnung für ein Gerät zum Analysieren einer Probe durch Atomspektroskopie mit einer Anzahl von Strahlungsquellen, die zur Bestrahlung einer Probenflamme Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge aussenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquellenoptik (14) die von den einzelnen Strahlungsquellen (22,24,26,28,30,32) ausgesandte Strahlung reflektiert und in demselben Volumen (80) der Probenflamme (78) fokussiert.
2. 2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadur.ch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellenoptik (1.4) zur Reflexion und Fokussierung der Strahlung der einzelnen Strahlungsquellen eine Spiegeloptik enthält.
3. 3. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeloptik eine Anzahl einzelner Spiegel (50,52, 54,56,58,60) aufweist und daß jeder Spiegel mit jeweils einer der Strahlungsquellen derart optisch ausgerichtet ist, daß nahezu die gesamte Strahlung der zugeordneten Strahlungsquelle auf den Spiegel auftrifft und infolge der Reflexionswirkung des Spiegels in dem Probenflammenvolumen (80) fokussiert wird.
4. 4. Optische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch, gekennzeichnet, daß jeder Spiegel (50) die Strahlung der zugeordneten Strahlungsquelle (22) um einen Winkel von etwa 90° zur Fokussierung in dem Probenflammenvolumen (80) reflektiert.

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5. 5. Optische Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (22,24,26,28,30,32) auf einem Kreis angeordnet sind und daß die Spiegel (50,52,54,56, 58,60) ebenfalls auf einem Kreis angeordnet sind, der etwa zentral innerhalb des Kreises liegt, auf dem sich die Strahlungsquellen befinden.
6. 6. Optische Anordnung,nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein etwa kegelstumpfförmig ausgebildeter Spiegelhalter (62) die Spiegel trägt und daß die Spiegel längs des Umfangs des Spiegelhalters in etwa gleichen Abständen voneinander befestigt sind.
7. 7. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeloptik Toroidspiegel enthält.
8. 8. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Spiegel ein Toroidspiegel (50,52,54,56,58, 60) ist.
9. 9. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsempfänger optik (20) etwa nur das bestrahlte Probenflammenvoiumen (80) erfaßt und die von dort ausge-* hende Strahlung auf einen Strahlungsdetektor (86) fokussiert, daß die Strahlungsempfängeroptik einen Primärspiegel (104) und in einem Abstand davon einen Sekundärspiegel (106) enthält, daß der Primärspiegel eine zentrale Durchgangsöffnung (108) aufweist, auf die der Sekundärspiegel ausgerichtet ist, daß der Primärspiegel (104) die von dem bestrahlten Probenflammenvoiumen (80) ausgehende Strahlung erfaßt und sie auf die Reflexionsoberfläche (110) des Sekundärspiegels (106) reflektiert und daß der Sekundärspiegel die von dem

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   Primärspiegel empfangene Strahlung durch die Öffnung (108) im Primärspiegel hindurch reflektiert und auf dem Strahlungsdetektor (86) fokussiert.
10. 10. Optische Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärspiegel (104) einen konkaven sphärischen Sgiegel enthält und daß der Sekundärspiegel (106) einen konvexen sphärischen Spiegel enthält.
11. 11. Optische Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärspiegel (106) derart zwischen dem Probenflammenvo lumen (80) und dem Primärspiegel (104) angeordnet ist, daß die von dem Probenflammenvolumen (80) kommende Strahlung nicht direkt durch die öffnung (108) im Primärspiegel hindurch auf den Strahlungsdetektor (86) fällt.
12. 12. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11„ dadurch gekennzeichnet,, daß um die Öffnung (108) im Primärspiegel (104) eine ringförmige Trennwand (111) angeordnet ist, die verhindert, daß außer der von dem Sekundärspiegel (106) kommenden Strahlung keine andere Strahlung durch die öffnung (108) zum Strahlungsdetektor (86) gelangt.

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