DE2751010A1

DE2751010A1 - Verfahren und vorrichtung zur korrektur von hintergrundsstrahlung bei spektrochemischen analysen biologischer proben

Info

Publication number: DE2751010A1
Application number: DE19772751010
Authority: DE
Inventors: Michael Leon Franklin
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 1976-11-15
Filing date: 1977-11-15
Publication date: 1978-05-24
Also published as: JPS5391790A; NL7712140A; FR2370964A1

Description

I)II. IN·;. Γ. WITKSTIIOKK SOOO MfIN(MIKX ίΙΟ

I)H. H. ν. Ι'ΓΛΊΙΜΛΝΝ .mmmvkmiki.nthassi: a

im. inc;, η. iikiiiikns ^m"^H™ ^(0HI" """^0SI

ι.ιι·ι..ιλ._;.ιι.(;<)κτ/, ™'"^l5MDfl1

TKI.KHHAM MR t

I¹ATENTANU'Al-TΛ · ι·ΐΗ»τΐ:υτι·ΛΤi:nt mCnciikn

1A-50 035

Anmelder: F. Hoffmann-La Roche & Co.

Aktiengesellschaft CH-4002 Basel, Schweiz Grenzacher Straße 84

Titel: "Verfahren und Vorrichtung zur

Korrektur von Hintergrundsstrahlung bei spektrochemisehen Analysen biologischer Proben"

809821/0819

ΐ>κ. inc;, ι . λ\ uKsinoi r

I)H. K ν. 1'ΚΠΙΜΛΝΝ I)II. 1Ν<;. 1). HKl)KKNS DU·!,, in«;, η. <;οκτ/, ΡΑΤΕΝΤΛ N U' Λ 1.TK

*<><>(> MlIN(HIKN" OO

SClIW KI(JM(STItASKE 2 Tm.ikon (oh») ensosi

ΤΚΙ.Κ1 η 24 070

Tl-:!.KM HAM MK ι

-30055

Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur von Hintergrundsstrahlunft bei spektrochemischen Analysen biologischer Proben

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Korrektur von Hintergrundsstrahlung bei spektrochemiseihen Analysen biologischer Proben.

Im Zusammenhang mit Gesundheitsvorsorgeprogrammen und bei der Gesundheitsfürsorge wird es immer wichtiger, die Konzentrationen biologisch wichtiger Elemente in normalen bzw. an sich gesunden Personen, der medizinischen Untersuchung unterworfenen Stoffen usw. zu kennen und eine genaue Messung kleinster Abweichungen, die für bestimmte Krankheiten signifikant sind, durchzuführen. Dies ist insbesondere für derartige Elemente und Substanzen von Bedeutung, die als toxisch bekannt sind. Es bestanden und es bestehen immer noch zahlreiche Probleme

809821/0819

^ 275101Q

" s"

im Zusammenhang mit der Spurenanalyse. Die wichtigsten Schwierigkeiten bestehen darin, (a) Spurenanalysen mit mehreren Elementen, beispielsweise mit Substanzen in der Grössenordnung von Nanogramm, genau durchführen zu können, (b) dass keine Systeme und Verfahren vorhanden sind, mit denen Spurenmetallanalysen schnell und wirtschaftlich durchgeführt werden können, (c) dass Proben mit kleinen Abmessungen bzw. Miniproben nicht gehandhabt werden können, (d) dass Probenverluste und Probenverunreinigungen auftreten, und (e) dass spektrale Hintergrundsstrahlungen auftreten, wenn spektrochemische Verfahren angewandt werden. Viele dieser Schwierigkeiten konnten dadurch überwunden werden, dass Verfahren mit induktiv gekoppeltem bzw. aufgeheiztem Plasma verwendet wurden , wie dies beispielsweise in den Aufsätzen von Knisely et al., Clinical Chemistry, Band 19, 8, Seiten 807 bis 812 (1973) und von Hassel et al., Analytical Chemistry, Band 46, 1j>, Seiten 1110A bis 1120A (1974) beschrieben wurde. Hie Schwierigkeiten von Störungen oder Beeinträchtigungen der Messung auf Grund von Hintergrundsstrahlung sind jedoch weiterhin vorhanden, die auf Streulichtquelleri, beispielsweise auf Plasma-Kontinuura-Emissionsstrahlung, molekulare Oxidband-Emissionsstrahlung, unelastische und elastische Streuung (near and far scatter), auf die sogenannten Rowland Geisterlinien (Rowland ghosts) usw. zurückgehen (vgl. G.F. Larson et al., Applied Spectroscopy, ^O, 384 (1976).

Es wurden bereits zahlreiche Möglichkeiten zur Korrektur der Hintergrundsstrahlung vorgeschlagen bzw. verwendet. Folgende Möglichkeiten wurden bereits verwendet: (a) es wurde die von einer Blind- bzw. Vergleichsprobe emittierte Hiritergrundsstrahlung bei der jeweiligen analytischen Spektrallinie gemessen und dieser Wert zur Korrektur verwendet; (b) es wurde die Ausricht- bzw. Abgleich-Brechungsplatte hinter der Eintrittsblende eines Emissionsspektrometers verschoben bzw. bewegt, um die Hintergrundsstrahlung direkt in der Nähe bzw. direkt vor der jeweiligen analytischen Spektralwelleulänge bei den tatsächlichen Proben messen zu können; (c) es wurde ein spezieller ilachweiskanal an einem Spektrometer an der Seite bzw. seitlich eingestellt bzw. vorgesehen, um die Hintergrundsstrahlung bei

809821/0819

2751 ΟΊΟ

-2 -

no

einer ausgewählten Wellenlänge zu messen; und (d) es wurden photoelektrische Verfahren verwendet, um die Hintergrundsstrahlung und die analytische Spektrallinie einschliesslich der Hintergrundsstrnhlung gleichzeitig zu messen.

Unter den bereits vorgeschlagenen Lösungswegen zur Korrektur der Hintergrundsstrahlung befinden sich auch verschiedene Verfahren mit optischer Abtastung, beispielsweise Verfahren, bei denen die Eintritts- oder Austrittsblenden · bzw.-schlitze oder das Beugungsgitter oder irgendwelche Anordnungen oder Einrichtungen im Lichtstrahl selbst, beispielsweise die zuvor erwähnte Ausricht- bzw. Abgleich-Brechungsplatte verschoben bzw. bewegt werden bzw. v/ird. Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in dem Artikel von Snelleman et al., Ji¹Iame Emission Spectrometry with Repetitive Optical Scanning in the Derivative Mode, Analytical Chemistry, Band 42, Uv. 3, März 1970, Seiten 394 bis 398, beschrieben. Bei diesem Verfahren wird eine in der Nähe einer Eintrittsblende oder einer Austrittsblende angeordnete Bre chungsplatte sinusförmig betätigt bzw. bev/egt. Es wird ein synchronisierter Verstärker bzw. ein Lock-in-Verstärker verwendet, um das gewünschte Linien-Ernissionssignal aus dem unerwünschten, sich ändernden Hintergrund des Spektrums auszusondern. Wenn die Wellenlängenabtastung sinusförmig vor sich geht und auf der interessiernden Emissionsslinie zentriert ist, so bleibt nur etwa 10 bis 20 /Ό der Abtastzeit für die Signal messung übrig. Diese Art der Wellenlängenmodulation verschwendet die gewünschte Signalintegrationszeit. Andere ähnliche Techniken sind im Aufsatz von Visser et al., A Device for Repetitive Scanning of a Spectral Line, Applial Spectroscopy, Band 30, Nr. 1, 1976, Seiten 72 bis 73 beschrieben. Über diese bereits vorgeschlagenen Anordnungen kann allgemein gesagt werden, dass dabei sinusförmige optische Abtastungen verwendet werden, die alle den Nachteil aufweisen, dass nur ein geringer Zeitraum für die Beobachtung (d. h. die grösste Abtastgeschwindigkeit) an der Stelle des grösstes Interesses, d. h. bei oder in der Nähe der Wellenlänge vorliegt bzw. auftritt, die einer interessierenden Spektrallinie für eine bestimmte Spurensubstanz

809821 /0819

angehört. Bei einer sinusförmigen Abtastung kann also nur 10 bis 20 % der gesamten Abtastzeit für den interessierenden Spektralteil verwendet werden, wogegen die übrige Abtastzeit zur Beobachtung oder Messung der Hintergrundsstrahlung auf beiden Seiten der interessierenden Wellenlänge und relativ weit von dieser interessierten Wellenlänge entfernt benötigt wird, da es erforderlich ist, eine genaue Korrektur der Hintergrundsstrahlung bei der Analyse komplexer Substanzen vorzunehmen.

Eine weitere Möglichkeit, das Problem von Störungen oder Beeinträchtigungen der Messung auf Grund von Hintergrundsstrahlung zu lösen, wird in dem Buch von Gordon et al., Applications of Newer Techniques of Analysis, Seiten 39 bis ^L\2 (Plenum, Hew York, 1973) beschrieben. Dabei wird eine zwei Stellungen aufweisende, sich drehende Brechungsplatte verwendeten, die sich immer im Lichtstrahlweg befindet. Durch stufenweise Drehung der Brechungsplatte zwischen den beiden Stellungen, können die Emissionslinie und die Hintergrundsstrahlung auf einer Seite der Emissionslinie abwechselnd gemessen werden. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass man die Information über die Hintergrundsstrahlung unter anderem nur für eine Seite der Spektrallinie erhält und die "Abtastung" diskontinuierlich vor sich geht, so dass man nicht die wirkliche Intensität bei und in der Nähe der interessierenden Wellenlänge erhält. Ein weiteres ähnliches Verfahren ist von Skogerboe et al., Applied Spectroscopy, Band 30, Nr. 5 (1976),Seiten 495 bis 500 vorgeschlagen worden. Dabei wird eine auf einer Stimmgabel angebrachte Brechungsplatte für die optische Abtastung verwendet, so dass die Brechungsplatte in einem "fiechteckwellen"-Verfahren in den Lichtweg gebracht und aus dem Lichtweg herausbewegt werden kann. Ein prinzipieller Nachteil dieses Vorschlags besteht wieder darin, dass auf Grund des Hinein- und Herausbewegens der Brechungsplatte in bzw. aus dem Lichtweg nur ein Teil der Hintergrundsstrahlung beobachtet bzw. überwacht, d. h. nur eine Seite der Spektrallinie geprüft werden kann. Es ist also erforderlich, die auf Grund von Reflexion und Streuung verursachten Verluste bei Durchgang des Lichts durch die Brechungs-

809821/0819

platte zu korrigieren, wenn sich die Bi'echungsplatte im Lichtweg befindet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzuheben bzw. zu .schaffen, mit dem bzw. mit der die spektrale Hinter"grundr>r;trahlung bei der spektroroetrischen Analyse korrigiert werden kann, ohne dass dabei die zuvor beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Anspruch 1 angegebene Emissionrnpektrometer-Anordnung bzw. durch das in Anspruch 19 angegebene Verfahren gelost.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung betrifft also ein Verfahren und eine Vorrichtung für klinische Laboruntersuchungen, und für die analytische Chemie und ermöglicht bei spektrometrisehen Analysen eine Korrektur hinsichtlich der Hintergrundsstrahlung. Dieses erfindungsgemässe Verfahren und diese erfindungsgemässe Vorrichtung zur Korrektur der Hintergrundsstrahlung ist von grösster Bedeutung insbesondere im Zusammenhang mit der Spurenanalyse toxischer Metalle und wichtiger Spurenelemente.

Biologische Proben, die sehr häufig analysiert werden müssen, sind beispielsweise Körpergewebe, Blutseren oder Blutplar.nia, Urin, Speichel oder Haare. Diese Iroben werden normalerweise analysiert, um das Vorhandensein kleiner Mengen von Mangan, Chrom, Blei, Quecksilber, Natrium, Kalium und Calcium festzustellen. Die genannte Auflistung dieser Metalle ist natürlich in keiner Weise vollständig. Der Fachmann kennt vielmehr eine grosse Anzahl vo>. Metallen, im Zusammenhang mit denen die vorliegende Erfindung angewandt werden kann.

Wenn die zu analysierenden Proben nicht bereits im flüssiger Form vorliegen, wie dies beispielsweise bei Geweben oder bei Haaret)

809821 /0819

usw. der Fall ist, können sie mit den üblichen analytischen Verfahren gelöst werden. Diese Probenlösungen werden dann in geeignete Gefässe gebracht, aus denen dann eine bestimmte Menge entnommen werden und die dann in feine, kleine Tröpfchen zerstäubt wird. Diese zerstäubten Tröpfchen werden dann in einem Argon-Gasstrom mitgerissen und in eine elektrische flamraenförmige Gasentladung gebracht. Dabei wird ein Plasma gebildet und es entsteht eine spektrochemische Anregung. Das Argonplasma wird durch induktive Kopplung oder durch induktive Erregung einer Hochfrequenzentladung erzeugt und aufrechterhalten, die mit einer Leistung in der Grössenordnung von 1 Kilowatt erzeugt wird. Die dabei verv/endete Hochfrequenz kann üblicherweise etwa 25 bis 45 NHz und vorzugsweise etwa 350 TiHz bei einer Generator-Eingangsleitung von 2 bis 5 &W betragen.

Der Probennebel wird auf diese Weise durch die hohe Temperatur des induktiv gekoppelten Plasmas gelöst, verdampft und zur Atomemission zur strahlung angeregt. Die Temperaturen des induktiv gekoppelten Plasmas betragen im Mittel etwa 9000 bis 10 000° Kelvin. Auf Grund dieser hohen Temperaturen wird eine thermische Energieübertragung auf die Probe bewirkt, die ihrerseits dann eine Atomemissionsstrahlung emittiert. Diese Atomstrahlung oder Atomemission liegt im Ultraviolett- und im sichtbaren Bereich. Die Atomemission weist spezielle Spektraleigenschaften auf, die für die interessierenden Spurenmetalle typisch sind.

Die Lichtstrahlung wird mit einem optischen System, beispielsweise mit einer oder mehreren Linsen oder mit einem oder mehreren Spiegeln (oder einer Kombination daraus) gebündelt und auf die Eintrittsblende eines Atomeciissionsspektrometers gerichtet. Das Licht geht dann durch die erfindungsgemässe Anordnung zur Korrektur der Hintergrundsstrahlung hindurch und trifft auf ein Beugungsgitter auf, mit dem die Analyse vorgenommen wird.

Die Analyse kann dadurch durchgeführt werden, dass das gebeugte Licht durch eine Austrittsblende hindurchgeht. Hinter der Aus trittsblende befindet sich eine Photodetektoranordnung, die üblicherweise aus einem oder mehreren Photovervielfachern besteht.

809821/0819

Der Photodetektor setzt das Licht in einen elektrischen Strom um und verstärkt diesen Strom, so dass das Licht dann in Form eines geeigneten elektrischen Signals zur weiteren Verarbeitung vorliegt. Das elektrische Ausgangssignal des Detektors gelangt zu einer Verarbeitungseinrichtung, vorzugsweise zu einem Kleinrechner und wird dort verarbeitet. Die Spektraldaten, die in Form von Schwingungen vorliegen, können graphisch auf einem IVernsehschirm, einer Kathodenstrahlröhre usw. aufgezeichnet werden. Gegebenenfalls können Photographien der Aufzeichnung hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Emissionsspektrometer-Anordnung zur Bestimmung der Menge wenigstens einer interessierenden Spurensubstanz in einer biologischen Probe, mit Einrichtungen, die eine dynamische Hiiitergrundsstrahlungs-Korrektur im Zusammenhang mit jeder interessierenden Wellenlänge des elektromagnetischen Strahlungsspektrums vornehmen. Diese Emissionsspektrometer-Anordnung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass veränderbar bewegliche Ausricht-Brechungseinrichtungen vorgesehen sind, die so angeordnet sind, dass auf sie die elektromagnetischen Emissionsstrahlungen der Probe während wenigstens eines Teils des Bewegungszeitraums in vorgegebener Weise fallen, um die Messung der Emissionsstrahlungsintensität, die wenigstens einer einer interessierenden Spurensubstanz entsprechenden analytischen Wellenlänge Aq zugehört, über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich &X auf jeder Seite der Wellenlänge Aq mittels einer optischen Abtastung über diesem Wellenlängenbereich hinweg vorzunehmen.

Gemäss bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Abtastgeschwindigkeit bei ^₀ am kleinsten. Darüberhinaus wird die optische Abtastung wiederholt durchgeführt und ist zu ,Aq symmetrisch. Die optische Abtastung ist über den interessierenden Wellenlängenbereich hinweg vorzugsweise nicht-linear, obwohl eine lineare Abtastung auch möglich ist.

809821/0819

- sr-

Das ei'findungsgemässe Emissionsspektrometer zur vorgebbaren veränderlichen Brechung elektromagnetischer Strahlung weist erfindungsgemäss ein Brechungsmedium, auf das die elektromagnetische Strahlung fällt, sowie Einrichtungen auf, die mit dem Brechungsmedium wirkungsmässig verbunden sind und d-is Brechungsraedium steuern, um eine im wesentlichen kontinuierliche, nichtlineare, nicht-sinusförmige Änderung der Brechung der einfallenden Strahlung über eine vorgegebene Zeitperiode hinweg zu schaffen, bei der die Änderungsgeschwindigkeit der Brechung in der Mitte der Periode ein Minimum aufweist.

Geraäss einer bevorzugten Ausführungßforin ist eine Brechungsplatte vorgesehen, die so angebracht ist, dnsr. sie immer wieder in den Strahl hinein und aus dem Strahl heraus gedreht wird, d. h. die Achse der Brechungsplatte befindet sich ausserhalb des Lichtwegs. Die Drehachse dieser Brechungsplatte ist im wesentlichen senkrecht zur Achse der Eintrittsblende und zum Lichtstrahl angeordnet und befindet sich in der Nähe des Lichtstrahls. Der Lichtstrahl fällt während einer Drehung der Brechungsplatte vorzugsweise in einem Drehbereich von etwa 120 bis 140° auf die Brechungsplatte auf. Es können natürlich auch ein grösserer oder ein kleinerer Drehbereich verwendet werden. Der Drehbereich, während dem der Strahl auf die Brechungsplatte auffällt, ist jedoch durch das noch tolerierbare Hasr, der Lichtverluste durch Reflexion begrenzt.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Emissionsepektrometer-Anordnung zur Bestimmung der Menge von wenigstens einer interessierenden Spurensubstanζ in einer biologischen Probe ist gekennzeichnet durch eine Eintrittsblende, auf die ein gebündelter Strahl der von der Probe kommenden elektromagnetischen Strahlung fällt, ein Beugungsgitter, auf das der von der Eintrittsblende kommende Strahl fällt, sowie wenigstens eine in vorgegebener Weise angeordnete Austrittsblende, auf die wenigstens ein Teil der vom Beugungsgitter kommenden elektromagnetischen Strahlung auffällt, die einem bestimmten Wellenlängenbepeich im elektromagnetischen Spektrum zugehört, wobei

809821/0819

die Strahlung dann durch die Austritsblende hindurchgeht. Zwischen der Eintrittsblende und der Austrittsblende ist eine Einrichtung angeordnet, auf die die elektromagnetische Strahlung periodisch auffällt, um während jeder Periode eine im wesentlichen kontinuierliche, optische Abtastung durchzuführen, die eine entsprechende Verschiebung des elektromagnetischen Spektrums relativ zur Austrittsblende über diesem Wellenlängenbereich hinweg zur Folge hat, indem eine einer bestimmten, interessierenden Spuren wirksam zugehörige Wellenlänge ^q liegt.

Die Brechungsplatte, deren Drehachse sich ausserhalb des Strahls befindet, ist so angeordnet, dass diese während der Drehung sich immer wieder in den Lichtstrahl hinein und aus dem Lichtstrahl heraus bewegt, der sich durch Bündelung der atomaren spektrochemischen Emissionsstrahlung der Probe ergibt, und der durch die Spektrometer-Eintrittsblende hindurchgeht. Die Brechungsplatte ist vorzugsweise aus Quarz hergestellt, denn Quarz ist sowohl für den ultravioletten als auch für den sichtbaren Lichtbereich am besten geeignet. Die Brechungsplatte befindet sich ausserhalb der optischen Achse des Spektrometers. Die optische Achse des Spektrometers ist durch den Lichtweg zwischen der Eintrittsblende und dem Beugungsgitter festgelegt.

Die Einrichtungen, mit denen die Drehbewegung vorgenommen wird, können in Form einer herkömmlichen Vorrichtung ausgebildet sein, die erfindungsgeraäss eine wirkungsmässig damit verbundene und entsprechend angebrachte Quarzbrechungsplatte üreht. Durch die Drehung der Brechungsplatte wird eine waagerechte Verschiebung des Bildes der Eintrittsblende senkrecht zur Blendenbildebene hervorgerufen. Wenn sich die Quarzplatte dreht, fällt der gebündelte Lichtstrahl in unterschiedlichen Winkeln auf die Quarzplatte auf, so dass dadurch das Bild der Eintrittsblende in unterschiedlicher Weise verschoben wird. Die zuvor beschriebene Verschiebung tritt auf Grund der Lichtbrechung auf. Das Mass der Lichtbrechung hängt von der Dicke der Brechungsplatte, dem Brechungsindex des Materials der Brechungsplatte und dem augenblicklichen Winkel ab, unter dem der Lichtstrahl auf die Brechungsplatte auffällt. Diese Verschiebung kann mit folgender

809821/0819

Gleichung ausgedrückt werden:

D = t

1 -

cos o η*- sin ²Q

0/2

sin 9

In dieser Gleichung ist D das Mass der Verschiebung des Bildes der Eintrittsblende, t die Dicke der Brechungsplatte, O der Winkel zwischen der Richtung des auf die Brechungsplatte fallenden Strahls und der Senkrechten auf der Ebene der Brechungsplatte und "2 der Brechungsindex der Brechungsplatte.

Das erfindungsgemässe System zur Korrektur der Hintergrundsstrahlung liegt im Bereich zwischen etwa +£ bis -^ oder zwischen

+80° und -80°. Diese Werte können in die zuvor angegebene Formel eingesetzt werden, um die Verschiebung des Bildes der Eintrittsblende zu bestimmen. Das Mass der Verschiebung des Bildes der Eintrittsblende kann in eine Wellenlangenanderung (in eine Änderung von Λ ) umgesetzt werden, indem die Beugungsgleichung eines bestimmten Spektrometers verwendet wird. Diese Gleichung kann durch die Beziehung N "λ ■ B (sin I - sin R) ausgedrückt werden. Hierbei ist

N eine ganze Zahl O, 1, 2, ... (die die jeweilige Ordnungszahl der Beugung oder das Mass der durch die Beugung verursachten Abstände der Maxima wiedergibt),

λ - Wellenlänge

B ■ die Spaltbreite

I - der Einfallwinkel bei der Beugung R - der Austrittswinkel bei der Beugung.

Eine andere Möglichkeit, die Wellenlangenanderung zu approxi-

•09821/081!

mieren, besteht darin, das Produkt aus der Verschiebung und der reziproken linearen Verbreiterung bzw. Streuung (Dispersion) des speziellen, verwendeten Spektrometers zu bestimmen.

Das Nass der Lichtbeugung ist auch eine Funktion der Geräteparameter, d. h. des bestimmten, verwendeten Atomeinissionsspektrometers und der Brennweite dieses Geräts.

Diese Verschiebung der Bildes der Eintrittsblende bewirkt eine Änderung des Winkels des Eintrittsstrahls, bevor dieser auf das Beugungsgitter bzw. den Beugungsspalt auffällt. Gerade diese Winkeländerung des Lichtstrahles verursacht eine Wellenlängenverschiebung am Austrittsspalt nach der Verbreiterung oder Streuung (Dispersion) am Beugungsgitter bzw. -spalt. Auf Grund der zuvor beschriebenen winkelmässigen Änderung des Lichts kann die in der Nähe (auf beiden Seiten) der interessierenden Spektrallinie liegende spektrale Hintergrundsstrahlung auch durch die Austrittsblende hindurchgehen und auf den Photovervielfacher fallen, um von diesem detektiert und bestimmt zu werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. Ί schematisch den Analysevorgang bei der Spurenmetall-Analyse einer bestimmten Probe,

Fig. 2 schematisch die Verschiebung einer interessierenden Spektrallinie und die in der Nähe der interessierenden Spektrallinie liegenden Hintergrundsstrahlung, wobei eine erfindungsgemässe Anordnung zur Korrektur der Hintergrundsstrahlung verwendet wird,

Fig. 3 bis 6 graphische Darstellungen der weilenlängen-abhängigen Abtastungen der Proben, die mit Geräten analysiert werden, bei denen die erfindungsgemässen Verfahren zur Korrektur der Hintergrundsstrahlung verwendet werden, wobei insbesondere Fig. 4 die verschiedenen Drehwinkellagen der Quarzplatte innerhalb und ausserhalb des Lichtstrahls, sowie die Abtastung wiedergibt, die dabei er^indungsgemäsB auftritt.

Eine in geeigneter Weise vorbereitete Probe wird in einem revolverartigen Behälter 10 zur Aufnahme mehrerer Proben gebracht. Mit einem Eintauchröhrchen 10a wird eine Probe ausgewählt und ein Teil der Probe wird mit diesem Eintauchröhrchen 10a in den Zerstäuber 11 gezogen. Die Probe wird in feine, kleine Tröpfchen zerstäubt, die in Argon, welches von einer Argonquelle 13 bereitgestellt wird, mitgerissen wird und in einen Quarzbrenner (quartz-torch) 14- gebracht. Dieser Quarzbrenner 14 ist von einer Spule 14a umgeben, durch die ein hochfrequenter Strom mit einer Hochfrequenz in der zuvor erwähnten Grössenordnung fliesst.

Die Hochfrequenz verursacht eine induktive Energieübertragung auf die im Argongas mitgerissene Probe. Die induktive Kopplung oder Übertragung des Atomplasmas tritt hauptsächlich an der heissesten Stelle des Quarzbrenners auf (wie dies durch den Pfeil angedeutet ist). Im Quarzbrenner wird der Probennebel gelöst, verdampft und bei Temperaturen von etwa 9000 bis 10 000° Kelvin zur Atomeraission angeregt. Die Atomemission bzw. das Atomemissionsspektrum wird von dem induktiv gekoppelten Plasma abgestrahlt, in einem optischen System (vgl. 21 in Fig. 2) gesammelt bzw. fokussiert und geht durch die Eintrittsblende 15 eines Atomemissions-Spektrometers hindurch. Das Blendenbild wird mit Quarzbrechungsplatte 23 oder der zugehörigen Einrichtung 22 verschoben bzw. versetzt. Das Licht geht durch die Brechungsplatte hindurch und trifft auf ein Beugungsgitter 16 auf, an dem das Licht entlang einer Spektralkurve zerlegt bzw. aufgelöst wird, wobei die Wellenlängen, auf die sich das Interesse konzentriert, mit Austrittsblenden 25 abgetrennt bzw. ausgeblendet werden. Hinter den Austrittsblenden 25 befinden sich Photovervielfächer-Detektoren 17. Der von dem jeweiligen Photovervielfachern-Detektor erzeugte Photostrom gelangt an einen Rechner 18, wird dort verarbeitet bzw. ausgewertet und an ein Ausgabegerät 19 ausgelesen.

Wie insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist, geht das von der Spektralquelle 20 abgegebene Atomemissionsspektrum durch ein optisches Sammel- bzw. Fokussierungssystem 21 hindurch (das

809821/0819

beispielsweise in Form einer oder mehrerer Jjinsen oder eines oder mehrerer Spiegel oder aber auch in Form einer Kombination aus Linsen und Spiegeln vorliegen kann), und tritt dann nach Durchgang durch die Eintrittsblende 15 in das Spektrometer ein. Hinter dem Eintrittsschlitz 15 ist eine Anordnung angeordnet, die zur spektralen Ilintergrundsst.'jhlungskorrektur geraäss der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Diese Anordnung weist eine Antriebseinrichtung 22a auf, die eine an einer Welle 22(b) angebrachte Quarzplatte 23 mit bis zu 400 U/Sekunde drehen kann. Wenn sich die Brechungsplatte dreht, unterbricht sie den von der Spektralquelle emittierten Lichtstrahl (das Atomemissionsspektrum) immer wieder. Diese Unterbrechung des Lichtstrahls führt zu einer Lichtbrechung in der Brechungsplatte, wie dies beschrieben wurde. Das Bild der Eintrittsblende wird in Abhängigkeit von dem Auffang- bzw. Unterbrechungswinkel (angle of interception) des einfallenden Strahls 24 in waagerechter Hichtung zu beiden Seiten der tatsächlichen Blendenlage abwechselnd verschoben bzw. versetzt. Diese geringe Versetzung des Bildes der Eintrittsblende bewirkt, dass sich der Winkel des auftreffenden Strahls 24 etwas ändert (24¹), bevor er auf das Beugungsgitter 16 auffällt. Die getrennten Wellenlängen werden mit dem Beugungsgitter 16 zerlegt bzw. aufgelöst und mit der Austrittsblende ausgeblendet bzw. ausgeschnitten. Die Wirkung dieser Versetzung (vgl. den Strahl 24') besteht schliesslich dai-in, dass die spektrale Hintergrundsstrahlung nahe einer Spektrallinie, auf das sich das Interesse konzentriert, jetzt durch die Austrittsblende 25 (wie dargestellt) hindurchgeht und in einem i-'hotodetektor 17 getrennt detektiert und ausgelesen (18-19) werden kann.

Es ist also ersichtlich, dass einige der grössten bei der Spektroskopie auftretenden Schwierigkeiten, d. h. das spektrale Hintergrundrauschen bzw. die spektrale Hintergrundsstrahlung und die Spektrallinien- Überlagerung gelöst bzw. ausgeschaltet werden kann, wenn die erfindungsgemässe Hint ergrundsstrahlungs-Korrektur verwendet wird.

809821/0819

In Fig. 3 ist ein Spektrum bzw. eine Abtastung des Mangan-Triplets dargestellt, wobei die Signalstärke über der Wellenlänge aufgetragen ist. Die mittlere Spektrallinie sei beispielsweise die interessierende Eraissionslinie. Die übrigen Linien stellen entweder spektrale Hintergrundnstrahlung oder eine Spektrallinien-Überlagerung dar. Dos in Fig. 3 dargestellte Spektrum ist typisch für solche Spektren, die mit den herkömmlichen Monochromatoren erhalten werden.

In den Fig. 4a, 4b und 4c, sind gcmäns einer bevorzugten erfindungsgemässen Ausführungsform jeweils die Wellenlängenspektrera dargestellt, die durch Unterbrechen bzw. Auffringen des Lichtstrahls erzeugt werden, was mit der sich drehenden Brechungsplatte hervorgerufen wird. Fig. 4a zeigt die Winkellage der von oben gesehenen Brechungsplatte bezüglich des Eintrittstrahls als Funktion der Zeit. Daraus ist zu ersehen, dass sich die Brechungsplatte etwa während der Hälfte der Umdrehung der Brechungsplatte im Lichtstrahl befindet. Es ist aus Fig. 4a weiterhin ersichtlich, dass an den Stellen, an denen das Licht gebrochen wird, was von der Winkellage der Brechungsplatte abhängt, die auf Grund der Hintergrundsstrahlung auftretenden Wellenlängen abgetrennt bzw. separiert und zu unterschiedlichen Zeitpunkten als getrennten Wellenlängen detektiert werden. Wie in Fig. 4b ist das Mass der Versetzung in Wellenlängen über die Zeit aufgetragen. Die Wellenlängenversetzung ist insofern vorteilhaft, als die Spektral auflösung vergrössert wird, wenn sich die interessierende Spektrallinie nähert, weil sich die Abtastung bzw. das Spektrum signifikant verzögert. Oder anders ausgedrückt, durch Verzögerung der Abtastung bzw. der Spektrallinie wird der Beobachtungszeitraum eines spektralen Auflösungselements vergrössert. Dies steht im direkten Gegensatz zur sinusförmigen Wellenlängenabtastung. Fig. 4c gibt das Aurgangssignal wieder, wenn die Hintergrundsstrahlungs-Korrekturvorrichtung während eines Zyklus arbeitet. Daraus wird ersichtlich, dass zwischen der spektralen Hintergrundsstrahlung und der interessierten Spektrallinie, d. h. der mittleren Spektrallinie eine sichere Trennung vorliegt. Wie bereits beschrieben, kann dieses Signal aufgenommen, gespeichert und mit einem Rechner verarbeitet werden.

809821/0819

Die Fig. 5 und 6 zeigen vom Oszillographen aufgenommene Bilder und geben die Ausgangssignale der in Fig. 2 dargestellten Hintergrundsstrahlungs-Korrekturvorrichtung wieder, wobei die Spektrallinien von einer Chrom-Hohlkathode herrühren. Fig. 5a zeigt die Wiederholungsfolge mehrerer Abtastzyklen und gibt die Kontinuität dieser Wellenlängen-Modulation wieder. Fig. 5b zeigt nur eine Abtastung in grosseren Einzelheiten. Die kurzen Schwingungen bzw. das Zittern der Linien ist kein Hinweis auf das tatsächliche Schrotrauschen im Spektrometer-Systera. Die Zeitbasis des Oszillographen von 5 Millisekunden sowohl in Fig. 5a als auch in 5b zeigt, dass das System bei zwei unterschiedlichen Abtastfrequenzen, nämlich bei 45 Hz in Fig. 5a und bei 25 Hz in Fig. 5b arbeitet. Dies zeigt die Arbeitsweise bei verschiedenen Abtastfrequenzen.

Fig. 6 zeigt die Spektrum-Abgleich- bzw. Ausrichtdaten, die man aus den Wellenlängen-Abtastfiguren erhält. Wenn die Abtastspur in der Mitte des Bildschirms liegt, so ist die mittlere Spitze genau in der Mitte der Fig. 6a und 6b. Diese Eigenschaft kann bei der Korrektur bzw. Reduzierung der Daten verwendet werden, um das Mass der Spektral-Fehlausrichtung zu bestimmen, um eine geeignete Korrektur dafür durch Rekalibrierung oder durch ein erneutes Eichen im Computer zu erhalten. Im dargestellten Falle ist die mittlere Spitze die zu untersuchende bzw. interessierende Spitze. Es sei darauf hingewiesen, dass die mittlere Spitze symmetrisch in der Mitte der Abtastspur liegt, wenn das System die richtige spektrale Ausrichtung bzw. Abgleichung aufweist. Wenn die erfindungsgemässe Abtastung zur Korrektur der Hintergrundsstrahlung ein oder mehrere Male wiederholt wird, ergeben sich mehrere Vorteile. Beispielsweise kann durch die Abtastung,die die spektrale Hintergrundsstrahlung auf beiden Seiten der Spektrallinie für mehrere Angström der Wellenlänge gemessen werden. Dadurch kann eine sich änderude Hintergrundsstrahlung auskorrigiert werden. Zeitens wird durch die Abtastung das interessierende Signal in etwa der Hälfte der Beobachtungszeit erzeugt. Dadurch ergibt sich eine sehr genaue Integration. Drittens ist die nicht-sinusförmige Abtastfrequenz bzw. -rate von Vorteil, weil der Bereich, der am

Θ0982Ί /0819

meisten interessiert, am langsamsten abgetastet und damit am längsten beobachtet wird. Viertens kann die Lage der Spektrallinie während der Abtastung als empfindliche Überwachung der spektralen Abgleichung bzw. Ausrichtung des Spektrometers verwendet werden. Fünftens ist es mit den aufgezeiclmeten Daten möglich, die Spektrallinienidentität und -intensität durch Ausnützung der speziellen Spektralkennung bzw. -form einer zu untersuchenden Spurensubstanz abzusichern bzw. zu bestätigen. Schliesslich ist das gesamte System bei einem Mehrkanal-Gerät anwendbar, weil sich die Brechungsplatte hinter der Eintrittsblende befindet.

809821/0819

L e e r s e i t e

Claims

I atentansprüche

Lmissionspektrometer-Anordnung ^ur bestimmung der Le::f';e wenigstens einer interessierenden opurensubst'ur,. in einer biologischen irobe, mit Lini'icli tungen , die eine dynamische Hintergrundsslrahlungs-korrektur im Zusammenhang; mit jeder interessierenden Wellenlänge der. e.l ekL romagnetischen ijtrahlungcspektrums vornehmen, d a d u r c h [^:; e kennzeichnet, dass veränderbar bewegliche Ausricht-brechungseinrichtungen (2'2, P?a, ??.b, ?.y) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, dass auf si.. t;Le elektromagnetischen Lmissionsstrahlungen der i/robe vjährend wenigstens eines Teils des ß-wegungszeitraums in vorgegebener Weise fallen, um die Messung eier bmissionsstrahlungsintensitat, die wenigstens einer einer interessierenden iipurensubstanz entsprechenden anal.yt L sehen Wellenlänge λ, zugehört, über einen vorgegebenen 'Wel.lenlängebereich Δλ auf jeder .jeite der Wellenlänge λ r. nil Ltöls einer optii-.chen Abtastung über diesem \-l· 1 1-.i. I ^:;;;f;f,-nboreich hinweg vorzunehmen.

Anordnung tiach Anrpructi 1, dadurch gekei.n;,(.lohnet;, dass die optische abtastung wiederlio.lt durc;hgerührt wird.

/vnordnung nach Anspruch 1 oder I.¹, dadurch gekennzeichnet, driss die optische Abtastung über den Upektr-ilbereich hiiiv/eg nicht-L Lnear ist, und die Abt'if.tgeschw.i iiiiigkc·;. t bei der WcLlealäiige λ, ein lii.vimum riufvjeist.

809821 /0819

BAD ORIGINAL

- ■' - 2 7 S I Ü I Q

Anordnung ii;i ch einem der Ar. spräche 1 bis ;.', dadurch gekenii^eichtiet, dass die optische Abtastung an einem Ende der; opektraLbereichs beginnt und nicht sinusförmig sowie iii kontinuierlicher Weise über den gesamten Spektra!bereich eg derart i'u rt schreu t ο t, dass die Ab tas tgeschwindigkei t

bei der WoI 1 en I äuge JX . a:n kLeinsten ist.

5· Anordnung nach einem der Ansprüche Ί bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Abtastung des Upektralbereichs um die We 1.1 er. Läti^e ^. ,, herum rr/nme trisch ist.

6. /Vn irdnun^ nach, cineiii der Ansprüche 1 bis ^₁ dadurch ^ek fciiuzc ichno t, dar.r. K i nr ichtun^en vorgesehen sind, die die hi.-r.nun^ mehrerer interessierendei¹ opureusubstaiizen gleichzeitig durchfühi'en.

7- Anordnung riach ei inert: der A;i r-p riiclie 1 M s G, dadurch r_sckennzeichnet . d'irr die optische Abtastung für melirere ;jpok tral be-re i ehe p; L eichzei t ig durchgerührt v/ird, und dass v/etiigstens einer dieser Jpektralbereiche der jeweiligen i ηteressierenden ^purensubstanzen zug'eordnet ist.

ti. Anordnung nach einem dei¹ Ansprüche 1 his V₁ dadurch gekennzeichnet, dass sich auf Urund der gewählten, interessierenden »;[)Urene 1 einen te wenig-stenr; einige der »jpektralb(: i'i.'iclie überlappen können.

⁽). IiL₁IVUIiUU^] nach Anspruch \, dadurch cjekt nn'zeicluiet, dass di-o üi-tclüiiigseiürichLuiigeii (22, 22ίϊ, 22h, c' · ) ein Jir-t ciHiiigc;Hifiiliu!i'i {Γ¹,⁷) aufweisen, um; so angeordnet ist, dass die i'L'oben-l'.mi ss ionss trah Lungen auf dieses Brechungsmedium (?3) auffallen und das Brechungs;nediurn (23) um eine Achse drehbar ist, die ausserhalb des Strahls der au f treffenden Lrii.i ssionsst rahlungen L ieg t.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch qa -keiiuzoichiie t, dass die breite des vorgegebenen ti reichs der optischen Abtastung durch den Abstand zwischen der

809821 /08 19

BAjD CMiGiNAL

- 5 - 2 7 b 1 ü 1 O

Drehachse des Brechungsrnediumr,(23) und dem -huJTaI londen Strahl festgelegt ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet

durch Einrichtungen (22, 22a, 22b), die mit dem Brcohungsraedium (23) wirkungsmässig verbunden sind und das Brecliungsmedium (23) steuern, um eine im wesentlichen kontinuierliche, nicht-lineare, nicht-sinusJ"örinige -Änderung der Brechung der einfallenden Strahlung über eine vorgegebene Zeitperiode hinweg zu schaffen, bei der die Anderungsgeschwindigkeit der Brechung in der hi L Lc d< r i'eriode ein I'iinirnum aufweist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung um diese Periodeninitte herum symmetrisch ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet

durch Einrichtungen (21) zur Bündelung der elektromagnetischen Strahlung zu einem Strahl, der entlang einer optischen Achse verläuft, und durch eine Brechungsplatte (23), die in den Strahl hinein und aus dem Strahl heraus gedreht wird.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Platte (23) um eine Drehachse dreht, die im wesentlichen senkrecht zum Strahl und in der Mhe des Strahls liegt, so dass der Strahl während einer Umdrehung der Platte (23) über einen Drehbereich von etwa 120 bis 140° auf die Platte (23) auffällt.

15· Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsplatte C23) so angeordnet ist, dass ein gebündelter Strahl der von der Probe kommenden elektromagnetischen Strahlung auf die Brechungsplatte (23) periodisch auffällt, um das elektromagnetische Spektrum bezüglich wenigstens einer Austrittsblende (25) des Spektrometer um eine bestimmte Wellenlänge Aq zu verschieben, wobei diese Verschiebung durch die Gleichung

809821/081« — _0RiaiNAL

^{11 :} 1 ι - ί . . ] sin o

Π ' - SiH²O

gegeben ist, in der U die Verschiebung des Bildes der VA ntrittsbl ende (13), t die Dicke der Brechungsplatte (23), <°7 der Brechungsi ndex der Brechungsplatte (23) und Q dor Winkel zwischen der Jiiohtung des auf die Brechungsplatte (? 3) auffall enden Strahls und der Senkrechten aui' der Lbene der Brechungsplatte (23) ist.

16. AnordiiUng nacii Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung über die Periode des Auftreffens hinweg im wesentlichen kontinuierlich und nicht-sinusfömig ist, und dass die Geschwindigkeit der Verschiebung ein Mi η im um bei und in der Nähe von A„ aufweist.

17· Anordnung nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, dass die optische Abtastung wiederholt durchgeführt wird und die Verschiebegeschwindigkeit über die Periode hinweg im wesentlichen linear ist.

18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebegeschwindigkeit über die i-eriode hinweg nicht-linear und im wesentlichen symmetrisch zu ^o ist.

19· Verfahren auφ Korrigieren spektraler Hintergrundsstrahlung im Zusammenhang mit der Durchführung eines Spektralanalyse einer Probe, beispielsweise einer biologischen Probe, zur Bestimmung von opurenmengen bestimmter Substanzen, beispielsweise toxischer Meta]Ie, dadurch gekennzeichnet, dass die in geeigneter Weise vorbereitete Probe in eine spektro-

809821 /0819

chemische,elektromagnetische Eraissionsstrahlung erzeugende Anordnung eingebracht wird, dass wenigstens ein Teil der erzeugten Strahlung mit einem optischen System gebündelt wird, dass die gebündelte Strahlung durch eine in vorgegebener Weise veränderbare Brechungseinrichtung gelenkt wird und der Brechungsvorgang bei der Strahlung eine entsprechende spektrale Verschiebung verursacht, die ein Minimum bei und in der Nähe von denjenigen Wellenlängen aufweist, die den jeweiligen Spektrallinien der interessierenden Spurensubstanzen angehören, dass der Ausgangsstrahl der ßrechungseinrichtung in einem Emissionsspektrometer analysiert v/ird und mehrere Ausgangswerte in Form elektrischer Signale bereitgestellt werden, die jeweils eine bestimmte, interessierende, in der Probe enthaltene Spurensubstanz wiedergibt, und dass die elektrischen Signale synchron mit den veränderbaren Brechungseinrichtungen verarbeitet werden, um die Menge jeder der interessierenden Spurensubstanzen zu bestimmen.

20. Verfahren nach Anspruch 19i dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Brechung periodisch ist und einer im wesentlichen kontinuierlichen, sich nicht-sinusförmig ändernden Verschiebung der gebündelten Emissionsstrahlungen als Funktion der Zeit während jeder Periode entspricht, und dass die Verschiebungsgeschwindigkeit relativ zum Spektrometer bezüglich der derjenigen Wellenlängen ein Minimum aufweist, die den jeweiligen Spektrallinien der interessierenden Spurerßib.stanzen zugeordnet sind.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe zur Ausstrahlung von spektrochemischer atomarer Emissionstrahlung angeregt wird, wenigstens ein Teil der Eraissionsstrahlung zu einem Strahl elektromagnetischer Strahlung gebündelt wird, die einem Spektrometer mit einer Eintrittsblende, einem Brechungsgitter und wenigstens einer Austrittsblende zugeführt wird, und dass die Austrittsblende in vorgegebener W>ise so angeordnet ist, dass die durch sie hindurchgehende elektromagnetische Strahlung einem

809821 /0819

- ό - 2751Ü10

bestimmten begrenzten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der die der opektrallinie einer interessierenden Substanz, entsprechende Wellenlänge "X^ umfasst, zugehört, wobei d durch die Austrittsblende hindurchgehende elektromagnetische Strahlung detektiert, in ein elektrisches Signal umgesetzt und das elektrische Signal dann verarbeitet wird, um die He;,ge der interessierenden Substanz in der Probe zu bestimmen, und wobei eine Verschiebung des Spektrums relativ zur Ausgangsblende periodisch derart durchgeführt wird, dass die Spektralverschiebung innerhalb einer i'eriode im wesentlichen kontinuierlich ist und ein Kiniinum bei und in der Nähe von X q aufweist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung bezüglich der Blende als Funktion der Zeit nicht-sinusförmig ist.

23· Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung nicht-linear und zu ^₀ symmetrisch ist.

24. Verfahren nach Anspruch 21, daß

eine korrekte Ausrichtung der SpektiOmeteranordnung dadurch überwacht wird, dass festgestellt wird, dass die kleinste Wellenlängeriverschiebung Δ/l f(t) genau bei der Wellenlänge X_n auftritt.

809821 /0819