DE2817334A1 - Fluoreszenz-polarimeter - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft die Fluoreszenz-Polarisation, und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Messung der Größe der Polarisation der Fluoreszenz von Lösungen.

Die Polarisation des Lichtes, das durch eine entsprechend angeregte, floureszierende Lösung emittiert wird, kann durch die Intensität von zwei linear polarisierten Komponenten definiert werden, von denen eine längs einer Achse schwingt, die senkrecht zu der durch die Achsen des Anregungslichtes und des emittierten Lichtes definierten Ebene verläuft, während die andere längs einer Achse in dieser Ebene und senkrecht zu der ersten Komponente schwingt. Wenn die Intensitäten der ersten bzw. zweiten Komponente jeweils mit Ij^ und I^ bezeichnet werden, so ist die Polarisation der Fluoreszenz-Emission gegeben durch

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Die Messung der Polarisation der Fluoreszenz kann bei der Untersuchung von Immunreaktionen sowie auch bei biologischen Untersuchungen bzw. Proben eingesetzt werden. Allgemein läßt

der

sich die Messung Polarisation der Fluoreszenz für die Molekularanalyse verwenden. So ist die Polarisation der Fluoreszenz beispielsweise von Interesse für die Feststellung von Änderungen der Molekülarform, beispielsweise für die Denaturierung von Proteinen bzw. Eiweißstoffen, bei der Untersuchung der Polymerisation, bei der überwachung der Krack-Reaktionen von öl und bei der Überwachung der Nahrungsmittelverarbeitung.

Bei einem herkömmlichen System zur Messung der Polarisiation von Fluoreszenzen wird ein Polarisator, insbesondere ein Polarisationsprisma, zunächst längs einer Achse, die parallel zu der Polarisationsachse des Anregungslichtes verläuft, und als nächstes längs einer Achse ausgerichtet, die senkrecht zu der Polarisationsachse des Anregungslichtes sowie senkrecht zu

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der ersten Achse verläuft. Dabei wird für jede Stellung des Polarisators eine Messung der Intensität des emittierten, fluoreszierenden Lichtes durchgeführt. Dann wird eine Berechnung der Summe- und Differenz-Bestandteile sowie das Verhältnis zwischen ihnen gemäß der oben angegebenen Gleichung gemacht.

Dabei kann ein Polarisator verwendet werden, der zwischen zwei zueinander rechtwinkligen Stellungen bewegt wird oder kontinuierlich gedreht wird. Als Alternative hierzu sind auch mehrere optische Kanäle verwendet worden, wobei jeder Kanal jeweils polarisiertes Licht aufweist, das in einer der beiden rechtwinkligen Stellungen polarisiert ist. Das vertikal und horizontal polarisierte Licht wird entweder durch eine einzige Sekundärelektronenvervielfacherröhre bzw. eine einzige Photomultiplierröhre oder durch eine getrennte Sekundärelektronenvervielfacherröhre für jeden Kanal empfangen. Oft wird ein zusätzlicher Sekundärelektronenvervielfacher verwendet, um die Intensität der Anregungsquelle zu überwachen, so daß eine Steuerschaltung mit automatischer Verstärkungsregelung eingesetzt werden kann.

Die bisher verwendeten Ausführungsformen dieses Systems sind jedoch relativ komplex, und zwar sowohl in Bezug auf den verwendeten optischen Aufbau als auch in Bezug auf die elektrischen Schaltungen für die Berechnung der Polarisation. Die Berechnung der Polarisationsgleichung erfolgte bisher im allgemeinen durch einen Analog- oder Digital-Rechner oder durch eine speziell auf die Bestimmung eines Verhältnisses ausgelegte Einrichtung, wie beispielsweise ein Verhält nisaufzeichnungsgerät (ratio recorder).

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. ein System der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.

Kurz zusammengefaßt schafft die vorliegende Erfindung ein System

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und ein Verfahren zur Messung der Polarisation von Fluoreszenzen, mit denen zuverlässig,wiederholbar bzw. reproduzierbar und exakt Messungen der extrem kleinen Polarisation von äußerst schwachen Fluoreszenzen, also Fluoreszenzen mit niedrigem Pegel, durchgeführt werden können. Dabei wird eine relativ kleine Zahl von optischen Bauelementen verwendet, um die Streu- bzw. Neben-Fluoreszenz, die Nebenpolarisation und die Streuung relativ gering zu halten, die oft bei den meisten optischen Materialien auftreten können^ dabei wird ein kontinuierlicher bzw. Dauerstrich-Laser als Quelle für kollimiertes bzw. paralleles und linear polarisiertes Licht verwendet, so daß sich ein Eingangsstrahl· mit kleinem Querschnitt und relativ hoher Intensität ergibt. Auf der Anregungsseite einer Probe müssen keine Linsen, getrennte Polarisatoren oder Kollimatoren einge-^ setzt werden, so daß keine entsprechenden, optischen Bauelemente erforderlich sind, die sonst die Polarisation und die Untergrund-Fluoreszenz beeinflussen könnten. Nur ein einziger Strahlengang wird für die beiden Polarisations-Komponenten verwendet, so daß die beiden Komponenten in gleicher Weise durch den gemeinsamen Strahlenverlauf beeinflußt werden^ dies führt wiederum dazu, daß etwaige Auswirkungen des Strahlengangs durch die Signalverarbeitung ausgeglichen bzw. kompensiert werden können.

Eine relativ einfache, eine exakte Messung des Ausgangssignals ermöglichende Schaltungsanordnung verarbeitet das elektrische Signal, das in Abhängigkeit von der Polarisation der Fluoreszenz des von einer Probe emittierten Lichtes geliefert wird und ein Maß für diese Polarisation darstellt. Die Signalverarbeitungsschaltung erzeugt direkt erste und zweite Signale, welche die Differenz- und Summenbestandteile der Polarisationsgleichung darstellen; das Verhältnis dieser Bestandteile wird geliefert, ohne daß tatsächlich die Division durchgeführt wird, um auch die Berechnungsseite der Signalverarbeitung zu vereinfachen.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden/ schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht eines Fluoreszenz-Polarimeters nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Signalverarbeitungsschaltung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Diagramm der Signalverarbeitungsschaltung nach Figur 2,

Fig. 3A ein Diagramm der automatischen "Null-Logik" (autozero logic) von Figur 3,.

Fig. 4A-4G Wellenformen zur Erläuterung des Betriebs der Synchronisationsimpuls-Logik nach Figur 3,

Fig. 5 eine"teilweise weggeschnittene Ansicht eines rotierenden Polarisators, wie er für die vorliegende Erfindung verwendet wird,

Fig. 6 eine Ansicht einer alternativen Anordnung der Probenzelle,

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer alternativen Signalverarbeitungsschaltung ,

Fig. 8 im stark vergrößerten Maßstab eine Ansicht eines Anregungsfilters, wie es für die vorliegende Erfindung verwendet wird,

Fig. 9 im stark vergrößerten Maßstab eine Darstellung eines Emissionsfilters, wie es für die vorliegende Erfindung verwendet wird,

Fig. 10 eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform von Figur 1, bei der ein Depolarisator verwendet wird, 009843/0933

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Fig. 11 eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform von Figur 1, bei der eine Halbwellenplatte oder ein anderer, rotierender Analysator auf der Emissionsseite der Probenzelle verwendet wird, und

Fig. 12 eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform nach Figur 1, bei der ein rotierender Analysator auf der Anregungsseite der Probenzelle verwendet wird.

In Figur 1 ist ein Dauerstrichlaser (CW Laser) 10 dargestellt, der als Quelle für kollimiertes, paralleles, linear polarisiertes, monochromatisches Licht dient; dieses Licht verläuft durch ein Filter 12 mit einem optischen Durchlaßbereich, der um die Grundfrequenz des Lasers 10 zentriert ist und dazu dient, Licht überhalb und unterhalb des interessierenden Frequenzbandes auszuschließen. Vor dem Laser 10 kann ein Verschluß 11 vorgesehen sein, se daß der Strahl nur während eines Meßdurchlaufes austreten kann. Das Licht von dem Filter 12 wird zu einer Probenzelle 14 gerichtet, die eine flüssige Probe enthält, deren Fluoreszenzpolarisation gemessen werden soll. Die Fluoreszenz-Strahlung wird von der Probe längs einer Achse emittiert, die senkrecht zu der Achse des auf die Probe fallenden Lichtes ist. Die Fluoreszenz-Strahlung von der Probenzelle 14 wird durch einen kontinuierlich rotierenden, linearen Polarisator 16 und von dort durch ein Filter 18 mit einem Durchlaßbereich gerichtet, der auf die Emissionsfrequenz zentriert ist.

Das durch das Filter 18 durchgelassene Licht wird durch einen Photodetektor 20, im allgemeinen eine Photomultiplier- bz.w. Sekundärelektronenvervielfacher-Röhre, empfangen, deren elektrisches Ausgangssignal einer Signalverarbeitungsschaltung 22 zugeführt wird. Die Drehlage und die Geschwindigkeit des Polarisators 16 wird durch einen Fühler 24 festgestellt, welcher der Schaltungsanordnung 20 ein elektrisches Signal zuführt, das die Drehstellung und die Geschwindigkeit

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des Polarisators 16 darstellt! wie im folgenden erläutert werden soll, wird dieses elektrische Signal als Synchronisiersignal eingesetzt. Bei einer typischen Ausführungsfonti enthält der Fühler 24 einen magnetischen oder optischen Fühler, der magnetische oder optische Elemente 17 feststellen kann, die um den Umfang des Polarisators 16 angeordnet sind. Dieser magnetische öder optische Fühler liefert elektrische Impulse, die ein Maß für die Drehstellung und die Geschwindigkeit des Polarisators 16 darstellen. Das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 22 wird an eine Anzeigeeinrichtung 26 angelegt, wie beispielsweise eine Ziffernanzeige, welche die Polarisation der Fluoreszenz der gerade untersuchten Probe darstellt. Das Ausgangssignal kann auch einem Drucker, einem Rechner oder einer anderen Ausgabeeinrichtung zur Speicherung oder zur weiteren Verwendung zugeführt werden.

Die Probenzelle 14 hat den herkömmlichen Aufbau und wird durch eine temperaturstabilisierte Kammer gebildet, die eine bestimmte Menge der Probenflüssigkeit enthält. Da der für die vorliegende Erfindung verwendete Laserstrahl nur eine kleine Querschnittsfläche hat, kann die Probenmenge äußerst gering sein, im allgemeinen in der Größenordnung von ca. 3 Mikrolitern liegen. Die Analysezeit kann sich in Abhängigkeit von der Art der Probe, der Intensität des Laserstrahls und der erforderlichen Genauigkeit ändern. Diese Zeit kann von Bruchteilen einer Sekunde bis zu mehreren 10 Sekunden schwanken. Die Analyse erfolgt "zerstörungsfrei", das heißt, daß mehrere, wiederholte Messungen an einer Probe durchgeführt werden können, ohne daß die Probe zerstört wird oder ihre Eigenschaften ändert.

Die Signalverarbeitungsschaltung 22 ist in Figur 2 in Blockform dargestellt. Das Signal von dem Fotodetektor 20 wird Filtern 30 und 32 zugeführt. Bei dem Filter 30 handelt es sich um ein Bandpaßfilter mit einer Mittenfrequenz, die

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doppelt so groß wie die Soll-Drehfrequenz des rotierenden Polarisators ist; dieses Bandpaßfilter liefert ein Ausgangssignal/ das ein direktes Maß für den Differenz-Bestandteil der Fluoreszenz-Polarisation ist. Dieses Signal wird einem Wechselstromverstärker 34 und von dort einem phasenempfindlichen Detektor 36 zugeführt. Bei dem Filter 32 handelt es sich um ein Tiefpaßfilter, welches ein Ausgangssignal liefert, das ein direktes Maß für den Summenbestandteil der Fluoreszenzpolarisation ist. Dieses Signal wird einem Integrator 38 zugeführt, der ein integriertes Ausgangssignal liefert^ dieses Signal wird auf einen Eingang eines Komparators 40 gegeben, dessen zweites Eingangssignal ein von einer entsprechenden Bezugsquelle 42 abgeleitetes Bezugssignal ist. Das Ausgangssignal von dem Komparator 40 wird zu einer logischen Schaltung 44 geführt, die ein Sperrsignal für den phasenempfindlichen Detektor 36 liefert. Außerdem bildet die logische Schaltung 44 Signale für einen Zähler 48 mit einer zugeordneten Taktquelle 50, der die Anzeigeeinrichtung 26 speist bzw. treibt. Die Filter 30 und 32 sollen auch gegen 60 Hz und 120 Hz-Rauschen diskriminieren, das durch die (Stark)Stromleitung erzeugt wird. Das Filter 30 verhindert, daß ungeradzahlige Harmonische der Trägerfrequenz durch den phasenempfindlichen Detektor festgestellt werden können', außerdem verhindert es eine Sättigung des Verstärkers 34. Die Bandbreite des Filters 30 reicht aus, um das angestrebte, flache Ansprechverhalten zu ergeben, in dem die Drehzahlregelung des rotierenden Polarisators erreicht werden kann.

Der Fühler 24 (sh. Figur 1) führt dem phasenempfindlichen Detektor 36 ein Frequenzbezugssignal zu. Das Ausgangssignal des Detektors 36 wird auf einen Integrator 54 gekoppelt, dessen Ausgangssignal einem Komparator 56 mit einer entsprechenden Bezugsquelle 55 zugeführt wird. Eine Umsetzerstrom- bzw. Mischstromquelle 46 (converter current source) ist durch ein Verknüpfungsglied 52 in Abhängigkeit von einem Steuersignal von der logischen Schaltung 44 mit dem Integrator 54 ge-

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koppelt. Das Ausgangssignal von dem Komparator 56 wird einem Verknüpfungsglied 57 zugeführt, das auch das Ausgangssignal von dem Komparator 40 empfängt und dessen Ausgangssignal auf die logische Schaltung 44 gegeben wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind Schaltungen für die automatische Einstellung bzw. Regelung des Nullpunktes in Verbindung mit den Integratoren 38 und 54 vorgesehen, um etwa vorhandene, variierende Abweichungen bzw. Fehlanpassungen bzw. "Offset-Effekte" zu kompensieren. Das Ausgangssignal des Integrators 38 wird einer logischen Schaltung 97 für die automatische Konstanthaltung des Nullpunktes zugeführt, die im folgenden als "Autozero-Logik" bezeichnet werden soll. Das Ausgangssignal dieser Autozero-Logik 97 wird dem Integrator 38 als Kompensationssignal zugeführt. Die Logik 97 dient während eines Zyklus für die automatische Einstellung des Nullpunktes dazu, ein Kompensationssignal abzuleiten, das die gemessene Versetzung im wesentlichen ausgleicht, wie im folgenden noch beschrieben werden soll. In ähnlicher Weise dient eine weitere Logik 99 zur automatischen Regelung des Nullpunktes des Integrators 54.

Von dem Photodetektorsignal werden jeweils ein Gleichstrombestandteil und ein Wechselstrombestandteil abgeleitet', die Gleichstromkomponente stellt den Summenterm der Polarisationsgleichung dar, während die Wechselstromkomponente den Differenzterm darstellt. Die Gleichstromkomponente wird nach der Filterung durch das Filter 32 in dem Integrator 38 integriert. Die Wechselstromkomponente wird durch gleichzeitige Detektion bzw. Gleichrichtung in dem Detektor 36 in ein Gleichstromsignal umgewandelt, das dann durch den Integrator 54 integriert ist. Wenn das Ausgangssignal von dem Integrator 38 den Wert der Bezugsspannung von der Quelle 42 erreicht, der durch den Komparator 40 bestimmt wird, wird durch den Komparator dem Zähler 48 über die logische Schaltung 44 ein Startsignal zugeführt, so daß der Zähler 48 die Impulse von der Taktquelle 50 sammelt bzw. akkumuliert bzw. addiert und speichert. Dieses Signal von dem Komparator

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40 bewirkt auch, daß die logische Schaltung 44 dem Verknüpfungsglied 52 ein Steuersignal zuführt^ dadurch wird von der Quelle 46 dem Integrator 54 statt des vorher zugeführten Ausgangssignals von dem phasenempfindlichen Detektor 36 ein Konstantstromsignal zugeführt. Das Konstantstromsignal hat die entgegengesetzte Polarität in bezug auf das Signal von dem Detektor 36, das vorher dem Integrator 54 zugeführt worden ist, so daß sich der Integrator 54 mit gleichmäßiger Geschwindigkeit entlädt. Die Entladung des Integrators setzt sich so lange fort, bis eine Bezugsspannung, im allgemeinen Null, erreicht wird, die durch den Komparator 56 festgestellt wirdj dieser liefert daraufhin ein Stopsignal über die logische Schaltung 44 zu dem Zähler 48, so daß dieser die Zählung beendet. Der durch den Zähler 48 akkumulierte Zählwert stellt ein Maß für die Entladungszeit des Integrators 54 dar, die wiederum ein Maß für die Polarisation ist. Der gespeicherte Zählwert wird einer Anzeigeeinrichtung 26 für die numerische Darstellung der Polarisationsmessung zugeführt.

Der Integrator 54 arbeitet also in Verbindung mit dem Zähler 48 als Dual Slope bzw. Doppelneigung-Analog/Digital-Wandler, bei dem der Integrator auf einen Wert aufgeladen wird, der eine zu messende Eingangsgröße darstellt, sowie mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit entladen wirdJ die Dauer der Entladung ist ein Maß für die Eingangsgröße; während des Entladungszeitraums läuft ein Zähler, wodurch sich eine digitale Anzeige dieser Größe ergibt. In diesem Fall wird der Integrator 54 auf einen Wert aufgeladen, der durch den Integrator 38 festgelegt wird, wobei der Entladungszeitraum ein Maß für das Verhältnis des Wechselstromsignals, welches den Differenzterm der Polarisationsgleichung darstellt, zu dem den Summenterm darstellenden Gleichstromsignal ist. Das Verknüpfungsglied 57 sperrt den Betrieb des Komparators 56, um beim Vorhandensein von sehr niedrigen Signalpegeln in dem Differenzkanal das versehentliche "Streuschalten" des Komparators zu verhindern. Der Komparator 56 wird dadurch gesperrt, daß sein Ausgang durch das Ver-

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knüpfungsglied 57 an Erde bzw. Masse gelegt wird, wenn der Integrator 38 aufgeladen wird und der Komparator 40 ungetriggert ist.

Die Polarisation ist definiert als die Differenzkomponente, geteilt durch die Summenkomponente', für jede Messung der Differenzkomponente wird eine Messung für eine feste Zahl von Summenkomponente-Photonen durchgeführt. Der Nenner der Gleichung ist immer der gleiche, so daß die Division nicht tatsächlich durchgeführt werden muß, sondern automatisch ein Verhältnis angegeben wird, das proportional zu der Polarisation ist. Der Zähler 48 wird durch das Signal von dem Komparator 40 gestartet, während der Zähler durch das Signal von dem Komparator 56 angehalten wird. Eine Zählung ist für den normierten Nennerwert vorgesehen, um der Anzeigeeinrichtung 26 ein Zählersignal zuzuführen, das ein direktes Maß für die Polarisation ist, ohne daß die Division zwischen dem Differenzterm und dem Summenterm der Gleichung tatsächlich durchgeführt werden muß.

Die Signalverarbeitungsschaltung ist im einzelnen in Figur dargestellt. Das Signal von dem Photodetektor wird an ein Eingangsfilter angelegt, das Kondensatoren C1, C2, C3, C4, C5, C7 und C7:' sowie Widerstände R1 , R2, R3, R4, R5, R7 und R7' enthält, die auf die dargestellte Weise geschaltet sind. Das Eingangsfilter enthält die Filter 30 und 32 nach Figur 2, jedoch nicht notwendigerweise als getrennte Filterbauteile, Die Kondensatoren C1 und C2 dienen in Verbindung mit den Widerständen R1 und R2 als Tiefpaßfilter. Dies gilt auch für den Kondensator C4 und den Widerstand R4, während eine weitere Tiefpaßfilterung durch den Kondensator C5 und den Widerstand R5 erfolgt. Eine Hochpaßfilterung wird durch den Kondensator C2 und den Widerstand R2, durch den Kondensator C3 und den Widerstand R3 sowie die durch die Kondensatoren C7 und C7' und die Widerstände R7 und R7' durchgeführt. Die Kombination aus dem Kondensator C6 und dem Widerstand R6', die im Nebenschluß zu dem Operationsverstärker 64 liegt, dient im wesentlichen zur Verbesserung der Stabilität des Operationsverstärkers.

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Die Wechselstromkomponente des Eingangssignals wird über den Kondensator C 2 zu dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers 60 gekoppelt, der einen Rückkopplungswiderstand R4 und einen Rückkopplungskondensator C4, die zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 60 und seinem invertierenden Eingang liegen, sowie einen Widerstand R3 und einen Kondensator C3 enthält, die in Reihe von dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 60 zu Erde bzw. Masse liegen. Diese Wechselstrom-Verstärkerstufe 34 dient als Spannungsfolger mit Verstärkung bei den interessierenden Frequenzen und mit dem Verstärkungsfaktor 1 bei anderen Frequenzen oberhalb und unterhalb des interessierenden Bandes. Der Verstärker 60 ist mit einem Eingang eines Komparators 61 gekoppelt, dessen anderer Eingang mit einer Bezugsquelle V1 verbunden ist. Der Komparator 61 erzeugt eine Ausgangsanzeige einer überlastung, die durch ein Eingangssignal verursacht wird, das ausreichend groß ist, um den Verstärker 60 zu sättigen.Das Überlastungssignal wird im allgemeinen an eine visuelle oder eine andere, geeignete Anzeigeeinrichtung angelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 60 ist über einen Reihenwiderstand R5 und einen Parallelkondensator C5 mit dem phasenempfindlichen Detektor 36 gekoppelt, der einen ersten und einen invertierenden Kanal enthält. Der erste Kanal besteht aus einem Kondensator C7 und einem Widerstand R7, die in Reihe zu zwei Schaltern S3 und S4 liegen', der invertierende Kanal besteht aus einem Operationsverstärker-Inverter 62, einem Kondensator C7' und einem Widerstand R7', die in Reihe zwischen dem Inverter 62 und zwei Schaltern S5 und S6 liegen. Der Inverter 62 enthält einen Operationsverstärker 64 sowie ein Rückkopplungs netzwerk, das aus einem Widerstand R6' und einem Kondensator C6 besteht; der positive Eingang des Operationsverstärkers ist mit Erde bzw. Masse gekoppelt, während sein negativer Eingang über den Widerstand R6 mit dem Eingangssignal an der Verbindungsstelle des Widerstandes R5 und des Kondensators C5 gekoppelt ist. Ein Anschluß der Schalter S3 und S5 ist mit Masse gekoppelt, während der zweite Anschluß der Schalter S3 und S5 mit den jeweiligen Anschlüssen der Schal-

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ter S4 und S6 verbunden ist. Die zweiten Anschlüsse der Schalter S4 und S6 sind gemeinsam mit dem Integrator 54 gekoppelt, der. durch den Operationsverstärker 66 und den in Rückkopplungsverbindung damit liegenden Kondensator C8 gebildet wird. Ein Schalter S2 liegt parallel zu dem Kondensator C8 und wird dazu verwendet/ den Kondensator vor und nach einem Signalverarbeitungszyklus zu entladen, so daß vor einem Meßdurchlauf die Restladungen entfernt werden können. Die Schalter S7 und S8 verbinden abwechselnd eine geeichte Stromquelle 46 mit dem Integrator 66 oder mit Masse. Die Schalter S7 und S8 dienen als das in Figur 2 gezeigte Verknüpfungsglied 52. Der gemeinsame Anschluß der Schalter S3 und S4 ist über einen Widerstand R13 mit dem beweglichen Kontakt eines Potentiometers R14 verbunden. In ähnlicher Weise verbindet ein Widerstand R13' den gemeinsamen Anschluß der Schalter S5 und S6 mit dem beweglichen Kontakt des Potentiometers. Das Potentiometer R14 liegt zwischen den jeweiligen Spannungsquellen +V und -V und dient zur Handsteuerung für die Nullkorrektur, um konstante Abweichungen bzw. Versetzungen der elektronischen Schaltungsanordnungen zu kompensieren, wie beispielsweise Abweichungen aufgrund der Schaltspannungsstöße der Schalter S3 bis S6 und der Offset-Spannung und des Offset-Stroms des Integrators 54. Die Widerstände R13 und R13' haben den gleichen Wert. Das Potentiometer R14 wird so eingestellt, daß sich ein Kompensationsstrom mit einer Größe und einem Sinn bzw. einer Polarität ergibt, um die jeweiligen, speziellen, vorhandenen Verschiebungen jeweils im wesentlichen auf Null zu bringen.

Als Alternative hierzu kann die automatische Nullstellung des Offset-Fehlers auch durch herkömmliche Verfahren zur automatischen Einregelung des Nullpunktes gebildet werden.

Der phasenempfindliche Detektor 36 dient dazu, eine Gleichstromversion des Wechselstrom-Eingangssignals zu liefern. Der Ausgang des Detektors, der mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 66 gekoppelt ist, wird durch die Rückkopplungswirkuncr Meses Doexationsverstärkers

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auf virtueller Masse gehalten. Wenn die Schalter S4 und S5 geschlossen und die Schalter S3 und S6 offen sind, wird das Eingangssignal über den Kondensator C7 und den Widerstand R7 an den Eingang des Integrators 54 angelegt, während das Signal von dem Inverter 62 geerdet wird. Wenn die Schalter S3 und S6 geschlossen und die Schalter S4 und S5 offen sind, wird das invertierte Eingangssignal über den Kondensator C7' und den Widerstand R7' dem Eingang des Integrators 54 zugeführt, während das nicht invertierte Eingangssignal an Masse gelegt wird. Die Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand jedes Strompfades des Detektors 36 dient als Hochpaßfilter, um den Durchgang des Gleichstroms und damit jede Offset-Spannung zu blockieren und Frequenzen unterhalb der Grenzfreguenz des Filters zu dämpfen. Der Integrator integriert die Ausgangsspannung des Detektors, um eine theoretisch optimale Tiefpaßfilterung zu erreichen.

Das Signal des Fotodetektors wird auch über den Widerstand R1 an den Gleichstromkanal angelegt, der den aus dem Operationsverstärker 68 und dem Rückkopplungskondensator C8' bestehenden Integrator 38 enthält. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 68 wird über Reihenwiderstände R8 und R9 an eine Spannungsquelle +V, gekoppelt. Ein Schalter S1 liegt zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände R8 und R9 und dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 68. Vor und nach einem Signalverarbeitungszyklus wird der Schalter S1 geschlossen, um eine negative Spannung an dem Kondensator C8⁷ zu erzeugen, so daß der Pegel des Ausgangssignals des Komparators auf einem hohen logischen Wert liegt. Wenn der Schalter S1 offen ist, so daß der Kondensator C8' in Abhängigkeit von einem empfangenen Signal von dem Fotodetektor positiv aufgeladen werden kann, schaltet der Komparator 70 zu einem niedrigen logischen Pegel um, wenn das Ausgangssignal von dem Integrator 38 gleich dem Bezugswert an dem positiven Eingang des Komparators 70 ist. Die Schalter S1 und S2 der jeweiligen Integratoren 38 und 54 arbeiten gemeinsam in Abhängigkeit von

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Steuersignalen von der Steuerlogik 44, wie im folgenden noch beschrieben werden soll. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 68 wird an den negativen Eingang des !Comparators 70 angelegt, der als Komparator 40 mit Hysterese dient, wobei sein Rückkopplungswiderstand R10 und der Widerstand R11 zwischen den positiven Komparatoranschluß und Masse gekoppelt sind.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 66 wird dem negativen Eingang des Komparators 56 zugeführt, dessen positives Eingangssignal als Nullbezugsgröße an Masse gelegt wird. Der Ausgang des Komparators 56 ist mit dem Emitter eines als Verknüpfungsglied 57 dienenden Transistors verbunden, dessen Basis an den Ausgang des Komparators 40 angeschlossen ist. Der Kollektor dieses Verknüpfungs-Transistors, und nicht sein Emitter, ist geerdet, um eine bessere Schaltcharakteristik zu erreichen. Ein Eingangssignal mit relativ hohem Wert, das durch den Komparator 40 der Basis zugeführt wird, bewirkt eine Kopplung des Ausgangs des Komparators 56 mit Masse. Bei relativ geringem Basistreiberstrom ist der Transistor nicht leitend, und der Komparator 56 ist mit dem Zähler 48 über die Bedienungslogik gekoppelt, die noch beschrieben werden soll.

Die Steuerlogik 44 empfängt Ausgangssignale von den Komperatoren 40 und 56 und dient zur Erzeugung von Steuersignalen für die Einstellung der Schalter S1 bis S8, um eine Polarisationsmessung zu liefern, die numerisch auf der Anzeigeeinrichtung 26 dargestellt wird. Bei den Schaltern S1 bis S8 handelt es sich in einer praktischen Ausführung um Festkörperschalter, die in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal zwischen leitenden und nicht leitenden Zuständen umschalten. Solche Schalter werden bereits eingesetzt, so daß sie nicht näher beschrieben werden sollen. Bei der dargestellten Ausführungsform bewirkt ein niedriger logischer Pegel das Schließen eines Schalters, während ein hoher logischer Pegel das Öffnen eines Schalters bewirkt.

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Die Steuerlogik enthält einen Flip-Flop 72, dessen Rücksetz-Anschluß mit dem Ausgang des !Comparators 40 gekoppelt ist, während sein Ausgang Q mit einem Eingang von NAND-Gliedern

74 und 76 verbunden ist. Der Setzanschluß des Flip-Flops 72 ist mit einer Startlogik gekoppelt, die eine Startsteuerung 80 enthält, wie beispielsweise einen mit einer Multivibratorschaltung 82 gekoppelten Schalter. Der Ausgang der Multivibratorschaltung 82 ist mit einem Inverter 83, dem Rücksetzanschluß eines Flip-Flops 84 und einem Eingang eines ODER-Gliedes 94 verbunden. Das Ausgangssignal des Inverters 83 wird einem Eingang eines ODER-Gliedes 85 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Netzanschluß des Flip-Flops 84 verbunden ist. Der Q Ausgang dieses Flip-Flops liefert Steuersignale für die Schalter S1 und S2. Der Ausgang des Inverters 83 ist auch mit dem Löscheingang des Zählers 48, dem Setzanschluß des Flip-Flops 72 und dem Rücksetzanschluß des Flip-Flops 79 verbunden. Der Ausgang des Komparators 56 ist mit einem Inverter 77 gekoppelt, dessen Ausgang mit einem Eingang eines ODER-Gliedes 85 und einem Eingang eines ODER-Gliedes 94 verbunden ist. Der Ausgang des Inverters 77 ist auch mit einem Eingang eines NAND-Gliedes 78 gekoppelt, dessen Ausgang mit dem Setzanschluß des Flip-Flops 79 verbunden ist. Der andere Eingang des NAND-Gliedes 78 ist mit dem Ausgang eines Inverters

75 verbunden, dessen Eingang mit der Basis des Verknüpfungs-Transistors 57 und dem Ausgang des Komparators 40 gekoppelt ist.

Ein Flip-Flop 86 liefert Ausgangssignale Q und Q zu den jeweiligen Eingängen der NAND-Glieder 74 und 76. Die Ausgänge dieser Verknüpfungsglieder 74 und 76 sind jeweils mit einem Eingang der Inverter 88 und 90 gekoppelt. Die Ausgangssignale von dem Verknüpfungsglied 74 und 76 werden an die Steueranschlüsse der jeweiligen Schalter S4 und S6 angelegt, während die Ausgangssignale von den Invertern 88 und 90 den Steueranschlüssen der jeweiligen Schalter S3 und S5 zugeführt werden. Die Ausgangssignale Q und Q des Flip-Flops 79 werden an die jeweiligen Steueranschlüsse der Schalter S8 uns S7 angelegt. Das Ausgangssignal von dem ODER-Glied 94

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wird einem Verknüpfungsglied 95 zugeführt, um die übertragung des Zählwertes des Zählers 48 zu der Anzeigeeinrichtung 26 zu ermöglichen. Die Taktquelle 50 ist mit dem Zähler über ein NAND-Glied 92 gekoppelt, das auch ein Eingangssignal von dem Q Ausgang des Flip-Flops 79 empfängt und dadurch angesteuert wird, um dem Zähler Taktimpulse zuzuführen. Die Taktquelle bleibt bei eingeschaltetem System immer erregt, um die erforderliche Stabilität aufrecht zu erhalten und die Einschwingzustände bzw. die Einschalteffekte möglichst gering zu halten.

Die Autozero-Logik 97 ist in Figur 3A im einzelnen dargestellt und arbeitet als digitaler Servomechanismus, wobei während der aufeinanderfolgenden Zyklen ein positiver und ein negativer Schritt bzw. ein Inkrement zugeführt wird, bis der Nullzustand erreicht ist. Diese Schaltung empfängt ein Eingangssignal von dem Ausgang des Integrators 38 und liefert ein Ausgangssignal zu dem negativen Eingang des Integrators, um variable Verschiebungen bzw. Offset-Effekte einzustellen, wie beispielsweise den Dunkelstrom des Photodetektors und die Vorspannung und die Offset-Spaniiüng des Operationsverstärkers. Diese Autozero-Schaltung enthält einen Komperator 125, der mit dem Ausgang des Integrators 38 über einen Widerstand R103 und mit der Spannungsquelle +V über einen Widerstand R102 verbunden ist. Der Komparator 125 liefert erste und zweite Ausgangssignale zu einem Vorwärts/Rückwärts-Zähler 127, dessen Ausgangssignal an einem Digital/Analog-Wandler 129 angelegt wird. Dessen analoges Ausgangssignal wird auf den negativen Eingang des Integrators 38 gekoppelt. Die Ausgänge des Komparators sind auch über ein ODER-Glied 131 mit einem Multivibrator 133 verbunden, dessen Ausgangssignal einem Zeit- bzw. Taktgeber 135 zugeführt wird. Der Ausgang des Taktgebers 135 liefert ein Sperrbzw. Verriegelungs- bzw. Haltesignal zu dem Zähler 127. Das Ausgangssignal von dem Multivibrator 133 dient auch als Steuersignal für den Schalter S1 des Integrators 38.

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Zu Beginn ist der Schalter S1 geschlossen und der Verschluß 11 wird geschlossen, um die Beleuchtungsquelle abzuschirmen. Für einen Autozero-Zyklus wird durch eine geeignete Steuerung ein ZERO Befehl geliefert, so daß der Multivibrator 133 ein Ausgangssignal mit hohem logischen Pegel erzeugt und von dem Inverter 134, der den Schalter S1 schließt, ein niedriger logischer Pegel verursacht ist. Am Ende des Zeit- bzw. Taktintervalls des Multivibrators liefert der Multivibrator 133 ein Ausgangssignal mit niedrigem logischen Pegel, wodurch sich der Schalter S1 öffnet und der Taktgeber 135 getriggert wird. Der Komparator 125 erzeugt ein Ausgangssignal mit positivem Pegel als erstes Ausgangssignal, wenn das Eingangssignal e. , welches das Ausgangssignal des Integrators ist, größer als eine positive Bezugsschwelle ist, und ein Ausgangssignal mit negativem Pegel als zweites Ausgangssignal, wenn das Eingangssignal kleiner als eine negative Bezugsschwelle ist. Das positive Ausgangssignal von dem Komparator 125 bewirkt die schrittweise Weiterschaltung des Zählers 127 um einen Zählwert, während der Zähler in Abhängigkeit von einem negativen Ausgangssignal von dem Komparator 125 um einen Zählwert nach unten geschaltet wird, also sein Zählwert um einen Wert verringert. Der durch den Zähler- 127 gespeicherte Zählwert wird durch den Digital/Analog-Wandler 129 in einen Strom umgesetzt, der dem Eingang des Integrators 38 zugeführt wird. Der Zähler wird anschließend jeweils einen Schritt vorwärts oder rückwärts gezählt, bis das Signal e. innerhalb des Toleranzbereiches des Komparators 125 liegt. Zu diesem Zeitpunkt wird kein Ausgangssignal des Komparators mehr erzeugt. Der dann in dem Zähler 127 gespeicherte Zählwert wird in einen entsprechenden Strom umgewandelt, um die Ausgangsspannung des Integrators auf einem Pegel zu halten, der die Kompensation etwaiger Offset-Effekte ermöglicht. Der Taktgeber 135 wird bei jedem Empfang eines Signals von dem Multivibrator 133 erneut getriggert. Dieser Autozero-Zyklus setzt sich so lange fort, bis ein Kompensationsstrom erzeugt wird, der ein Integratorausgangssignal innerhalb des Tolaranzbereiches des Komperators 125 liefert. Wenn die Nullbedingung erreicht worden ist, läuft der Taktgeber 135 für

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sein vorher bestimmtes Intervall ab', an dem Ende dieses Intervalls wird ein Sperrsignal an den Zähler 127 angelegt, um den dann vorliegenden Zählwert beizubehalten, aus dem der Kompensationsstrom abgeleitet wird. Der Taktgeber definiert das Taktintervall, für das der Integrator 38 innerhalb der Toleranz bleiben muß.

Signale von dem Fühler 24 werden an eine Impulsschaltung 100, wie beispielsweise einen Schmidt-Trigger, angelegt, deren Ausgangssignal auf eine Multivibratorschaltung 102 geführt wird, die wiederum mit einer Multivibratorschaltung 104 gekoppelt ist. Der Ausgang des Multivibrators 104 ist mit einem Inverter 106 verbunden, dessen Ausgangssignal einem Eingang eines NAND-Gliedes 108 zugeführt wird, dessen zweites Eingangssignal von dem Ausgang der Triggerschaltung 100 empfangen wird. Das Signal von der Schaltung 100 wird auch als ein Eingangssignal eines NAND-Gliedes 110 angelegt, dessen zweites Eingangssignal das Ausgangssignal von dem Multivibrator 104 ist. Das Ausgangssignal des Verknüpfungsgliedes 108 wird dem Taktanschluß des Flip-Flops 86 zugeführt, während der Ausgang des Verknüpfungsgliedes 110 mit dem Setzanschluß des Flip-Flops 86 verbunden ist. Das Ausgangssignal von dem Multivibrator 104 wird auch als Rückkopplungssignal einem Regulier- bzw. Drossel-Ventil der pneumatischen Drehzahlsteuerung für den rotierenden Polarisator zugeführt, die im einzelnen noch beschrieben werden soll. Die Triggerschaltung 100 hat im allgemeinen eine Verzögerung von 1 Mikrosekunde, während die Multivibratoren 102 und 104 Verzögerungszeiten von 50 Mikrosekunden bzw. 3 Millisekunden haben. Diese logische Schaltungsanordnung für die Lieferung von Synchronisationsimpulsen ist einem rotierenden Polarisator mit sechs magnetischen Elementen bzw. Teilen zugeordnet, die rund um den umfang des Polarisators angeordnet sind, wie man Figur 5 entnehmen kann. Vier dieser blockförmigen Elemente 17 sind im gleichen Abstand jeweils in einem Winkel von 90° zueinander und um den Umfang angeordnet, während zwei der blockförmigen Elemente sich auf einem Durchmesser befinden, und zwar jeweils in der Mitte zwischen einem benachbarten Paar von

Elementen. 8098 43/0933

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Die Funktionsweise der Synchronisationslogik soll im folgenden unter Bezugnahme auf die in den Figuren 4A bis 4G gezeigten Wellenformen beschrieben werden. Die Wellenformen sind durch zugeordnete Buchstabenbezeichnungen in Figur 3 markiert. Die durch den Fühler 24 erzeugten Impulse sind in Figur 4A dargestellt; die Signale, die in Abhängigkeit von den Fühlersignalen durch die Schmidt-Triggerschaltung 100 geliefert werden, sind scharfe bzw. spitze Impulse, wie man Figur 4B entnehmen kann. Jeder dieser Impulse wird erzeugt, wenn der Durchlauf eines magnetisierbaren, blockförmigen Elementes in dem rotierenden Polarisator festgestellt wird. Jeder der durch die Schaltung 100 gelieferten Impulse bewirkt die Triggerung des Multivibrators 102, so daß die in Figur 4C dargestellten Impulse entstehen. Die Hinterflanke der durch den Multivibrator 102 erzeugten Impulse bewirken die Triggerung des Multivibrators 104; bei diesem Multivibrator handelt es sich um einen Typ, der nicht erneut getriggert werden kann, so daß der einmal getriggerte Multivibrator für die vorher gegebene Zeitspanne arbeitet. Die Ausgangsimpulse des Multivibrators 104 haben also die in Figur 4D gezeigte Form. Das Ausgangssignal von dem Multivibrator 104 dient dazu, die Lieferung eines Taktimpulses zu dem Flip-Flop 86 zu sperren. Pro Umdrehung des rotierenden Polarisators werden vier Synchronisierimpulse erzeugt, wobei zwei zusätzliche Signale pro Umdrehung geliefert werden, um die angestrebte Phasenbeziehung zu erhalten. Normalerweise werden die Impulse (Figur 4E) von dem Verknüpfungsglied 108 in regelmäßigen Abständen zu dem Takt-Flip-Flop 86 erzeugt, der das Q Signal (Figur 4G) für den Antrieb bzw. die Betätigung der Schalter des phasenempfindlichen Detektors 36 erzeugt. Wenn die Synchronisation verloren geht oder noch nicht erreicht worden ist, wie es während des Anlaufens des Systems oder als Ergebnis eines Defektes oder einer Störung der Fall sein kann, wird nur eine halbe Umdrehung des Polarisators benötigt, um die Synchronisation wieder herzustellen. Durch die oben beschriebene, logische Schaltung erhalten die Impulse nach den Figuren 4E und 4F in Abhängigkeit von den Impulsen nach Figur 4B die geeignete Phasenbeziehung, um den Flip-Flop 86 taktzusteuern.

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Beim Betrieb des Systems sollten der Laser 10, der Photodetektor 20, der rotierende Polarisator 16 und die Signalverarbeitungsschaltung 22 immer eingeschaltet bleiben, das heißt, diesen Teilen sollte immer Energie zugeführt werden, um die Einschwingvorgänge möglichst gering zu halten. Der vor dem Laser 10 vorgesehene Verschluß 11 wird geschlossen, um den Lichtstrahl gegen die Probenzelle 14 abzuschirmen, so daß dieser Lichtstrahl nur während eines Meßdurchlaufes auf die Zelle trifft; dadurch wird eine Erwärmung oder eine unter Lichteinwirkung erfolgende Zersetzung der Probe vermieden. Um die Lebensdauer des Lasers zu verlängern, kann dem Laser nur während eines Betriebszyklus die volle Energie zugeführt werden, während er sonst mit minimaler Energie betrieben wird. Vor einem Meßdurchlauf kann ein Autozero-Zyklus durchgeführt werden, wie er oben beschrieben wurde. Als nächstes werden die Schalter S1 und S2 geschlossen, um die Integratoren 38 und 54 zu Beginn in den Zustand für das Aufladungsintervall eines Meßzyklus zu bringen· Während eines Meßzyklus sind die Schalter S1 und S2 offen, um die Aufladung der zugeordneten Kondensatoren zu ermöglichen. Nach der Anzeige eines Meßergebnisses werden diese Schalter wieder geschlossen, um die zugeordneten Kondensatoren in den. Zustand für den folgenden Meßdurchlauf zu bringen. Vor und nach einem Meßdurchlauf werden die Schalter S3 und S5 des phasenempfindlichen Detektors 36 geschlossen, während die Schalter S4 und S6 offen sind. Der Eingang des Integrators 54 liegt deshalb in einem offenen Stromkreis bzw. einer "Leerlaufschaltung", während der Ausgang des Detektors 36 in den Nebenschluß zu Masse geschaltet wird, um zu verhindern, daß etwaige Streu- bzw. Störsignale dem Integrator 54 zugeführt werden.

Zu Beginn befindet sich der Ausgang des Komparators 40 auf einem hohen logischen Pegel, so daß das Verknüpfungsglied 57 das Ausgangssignal des Komparators 56 unabhängig von dem Eingangssignalen des Komparators 56 an Masse legt. Die Ausgänge der Komperatoren 40 und 56 sind über Inverter 75 und 77 sowie das NAND-Glied 78 mit dem Flip-Flop 79 verbunden,

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der Q und Q Ausgangssignale für die jeweilige Steuerung der Schalter S8 und S7 liefert. Der Schalter S7 ist offen und der Schalter S8 zu Beginn geschlossen vor und nach einem Meßdurchlauf und während eines Integrationsintervalls. Zu Beginn liefert der Flip-Flop 72 ein Ausgangssignal mit niedrigem logischen Pegel zu den Verknüpfungsgliedern 74 und 76, so daß diese Verknüpfungsglieder unabhängig von dem logischen Pegel der Signale von dem Flip-Flop 86 Ausgangssignale mit hohem logischen Pegel erzeugen. Die durch die Verknüpfungsglieder 74 und 76 den Schaltern S4 und S6 zugeführten Signale liegen also auf einem hohen logischen Pegel, so daß diese Schalter offen bleiben, während die Signale von den Invertern 88 und 90 auf einem niedrigen logischen Pegel liegen, so daß die Schalter S3 und S5 geschlossen werden.

Bei einem Startsignal von der Quelle 80 geht der Multivibrator 82 auf einen hohen Pegel, so daß ein niedriges Ausgangssignal von dem Inverter 83 erzeugt wird, das den Flip-Flop 72 setzt und den Flip-Flop 79 zurücksetzt. Der Flip-Flop 72 führt den NAND-Gliedern 74 und 76 ein Ausgangssignal mit hohem logischen Pegel zu', diese NAND-Glieder 74 und 76 erzeugen jeweils Ausgangssignale mit logischem Pegel, der entgegengesetzt zu dem der jeweiligen Signale von dem Flip-Flop 86 ist. Die Verknüpfungsglieder 74 und 76 und die zugeordneten Inverter 88 und 90 bewirken also die gemeinsame Betätigung der Schalter S3 und S6 sowie die gemeinsame Betätigung der Schalter S4 und S5J die Schalter S4 und S5 werden dabei geschlossen, wenn die Schalter S3 und S6 offen sind, und umgekehrt. Nach einem durch den Multivibrator 82 gelieferten Verzögerungsxntervall, das für die Entladung der Kondensatoren C8 und C8' sowie die Eliminierung der Umschalt-Einschwingvorgänge ausreicht, wird der Flip-Flop 84 gesetzt, um ein Ausgangs signal mit hohem logischen Pegel zu liefern', dadurch werden die Schalter S1 und S2 geöffnet. Das Startsignal löscht auch den Zähler 48.

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Die Integratoren 38 und 54 integrieren die jeweiligen, ihnen zugeführten Eingangssignale während eines Integrationsintervalls, das durch die festgestellte Fluoreszenz-Emission, die Kapazität des Integrators und die Bezugsspannung ,V, bestimmt wird. Wenn der Integrator 38 auf einen hohen Wert geht, geht der Komparator 40 auf einen niedrigen Wert, so daß der Flip-Flop 72 zurückgesetzt wird, der über die Verknüpfungsglieder 74, 76, 88 und 90 die Schalter S4 und S6 öffnet und die Schalters S3 und S5 schließt. Wenn der Komparator 40 auf einen niedrigen Wert geht, geht das Verknüpfungsglied 75 auf einen hohen Wert, so daß das Verknüpfungsglied 78 als Inverter arbeitet. Der Transistors 57 leitet nicht, so daß das Ausgangssignal des Komparators 56 dem Verknüpfungsglied 77 zugeführt werden kann. Wenn der Komparator 56 auf einem niedrigen Wert ist, ist das Verknüpfungsglied 77 auf einem hohen Wert, und das Verknüpfungsglied 78 geht auf einen niedrigen Wert^ wodurch der Flip-Flop 79 gesetzt wird. Der Schalter S7 wird geschlossen, und der Schalter S8 ist offen. Wenn der Komparator 56 auf einen hohen Wert geht, geht das Verknüpfungsglied 77 auf einen niedrigen Wert. Dadurch wird der dann in dem Zähler 48 vorliegende Zählwert zu der Anzeigeeinrichtung 26 oder einer anderen Ausgabeeinrichtung mittels eines ÜbertragungsSignaIs übermittelt, das durch das Verknüpfungsglied 94 dem Verknüpfungsglied 95 zugeführt wird. Der Flip-Flop 84 wird gesetzt, so daß die Schalter S1 und S2 geschlossen werden.

Wenn der Transistor 57 nicht leitend wird, könnte der Komparator 56 sofort auf einen hohen Wert gehen, wenn kein Signal durch den Integrator 54 akkumuliert worden istj in diesem Fall weist der Zähler 48 den Zählwert Null auf, da keine Zeitspanne verstrichen ist, in der der Zähler einen Zählwert speichern konnte. Dieser Zählwert Null wird zu der Anzeigeeinrichtung übertragen, um darzustellen, daß eine Messung mit dem Wert Null durchgeführt worden ist.

Wenn der Integrator 38 den Bezugswert des Komparators erreicht, schaltet der Komparator 40 um, um ein Ausgangssignal mit niedrigem logischen Pegel zu liefern, so daß der Flip-Flop 79 um-

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schaltet, um den Schalter S7 zu schließen und den Schalter S8 zu öffnen', damit wird ein Entladungsintervall begonnen. Wenn das Ausgangssignal von dem Integrator 54 den Bezugswert Null erreicht, schaltet der Komparator 56 um, um ein Ausgangssignal mit entgegengesetztem (hohem) logischen Pegel zu dem Flip-Flop 84 zu liefern, so daß die Schalter S1 und S2 geschlossen werden. Das Schalten des Komparators 56 bewirkt auch, daß dem Verknüpfungsglied 95 durch das Verknüpfungsglied 94 ein Übertragungssignal zugeführt wird, um den dann vorliegenden Zählwert zu der Anzeigeeinrichtung 26 zu übertragen. Dieses Übertragungssignal kann auch dazu verwendet werden, einsi Drucker oder eine andere Ausgabeeinrichtung für den Empfang von Daten des Zählers 48 zu erregen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform läuft der Zähler 48 weiter und wird zeitweilig zu der Anzeigeeinrichtung 26 oder einer anderen Ausgabeeinrichtung umgesteuert, wenn die ermittelten Werte ausgelesen werden sollen. Der laufende Zähler kann dann dazu verwendet werden, visuell die Anzeigeeinrichtung 26 zu testen, um den einwandfreien Betrieb der numerischen Anzeigeelemente, bei denen es sich im allgemeinen um Anzeigeelemente mit mehreren Segmenten handelt, sowie den einwandfreien Betrieb der Decodierer für die Anzeige zu überprüfen.

Zur Durchführung einer solchen überprüfung wird ein durch eine geeignete Steuerung geliefertes Anzeigetestsignal durch das Verknüpfungsglied 94 angelegt, um den Ausgang des Zählers mit der Anzeigeeinrichtung 26 zu koppeln', dabei bewirken die übertragenen Daten von dem Zähler eine Erregung der Anzeigeelemente der Anzeigeeinrichtung.

Eine bevorzugte Ausführungsform des rotierenden Polarisators 16 ist in Figur 5 dargestellt und enthält ein Gas- bzw. Luftlager mit einem stationären Gehäuse 200 und einem Rotor bzw. Läufer 202, der drehbar mit minimaler Reibung und Vibration darin angeordnet ist. Eine echte, optimale, konzentrische

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Drehung ist wesentlich, um die Lichtstrahlenmodulation zu verringern, die durch eine exzentrische Bewegung des Rotors verursacht werden könnte, und um die mechanische! Schwingungen zu reduzieren, die ebenfalls eine Modulation bewirken könnten. Darüber hinaus verläuft der Lichtstrahl kontinuierlich während der Drehung durch das gleiche optische Material, so daß die Modulationen äußerst gering werden, die durch Veränderungen in dem Material selbst auftreten könnten. Das Gehäuse 200 besteht aus einem Mantel bzw. einer Umhüllung 204 mit einem Kern 206 aus porösem Material und mit einer zylindrischen Oberfläche 208, die der zylindrischen Oberfläche 210 des Rotors 202 gegenüberliegt.

Rund um den äußeren Bereich des Kerns 206 ist eine ringförmige Kammer 212 vorgesehen, die mit einem Lufteinlaß 214 in Verbindung steht, die mit einer Quelle für Luft oder ein anderes Betriebsgas verbunden ist. Flansche 216 und 218 sind rund um die jeweiligen Enden des Rotors 202 angeordnet, um den Rotor 202 in dem Gehäuse zu halten bzw. zu fixieren. Eine randrierte bzw. gerändelte Oberfläche 220 ist um den Umfang des Flansches 216 vorgesehen ^ eine Luftdüse 222 ist in bezug auf die Oberfläche 220 so angeordnet, daß sie einen Strahl aus Luft oder einem anderen Betriebsgas auf die randrierte Oberfläche richtet, um den Rotor 202 zu drehen. Die Luftdüse ist mit einem Regulator 224 verbunden, der wiederum Luft von einer geeigneten Quelle empfängt. Der Regulator kann beispielsweise als Drossel- bzw. Dosierventil ausgebildet sein, und stellt in Abhängigkeit von einem Steuersignal die Luftströmung zu dem Rotor 202 so ein, daß dieser sich mit konstanter Drehzahl dreht.

Das Steuersignal wird von der in Figur 3 dargestellten Synchronisierschaltung abgeleitet, die wiederum von dem Fühler 24 abgeleitete Impulse erzeugt, so daß sich eine Drehzahlregelung mit geschlossener Schleife für den rotierenden Polarisator ergibt. Dabei erfolgt die Regulierung der Drehzahl des Polarisators innerhalb eines vorher bestimmten Toleranzbereiches. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die exakte

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Regelung keine kritische Größe ist, da die Signalverarbeitung des Ausgangssignals der Sekundärelektronenvervielfacherröhre synchron mit der Pulsrate bzw. Pulsgeschwindigkeit der Impulse ist, die von dem rotierenden Polarisator abgeleitet werden, so daß etwaige Variationen innerhalb der Bandbreite der Signalkanäle toleriert werden können.

In die Kammer 212 eingeführte Luft wird durch den porösen Kern 206 verteilt, so daß sich eine Luftschicht zwischen den Oberflächen 208 und 210 und damit ein Luftlager für den Rotor ausbildet. Die aus dem Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ausströmende Luft trägt im allgemeinen dazu bei, den Rotor in einer stationären, axialen Lage in dem Gehäuse 200 zu halten. Solche Luftlager werden bereits ein-

sie/
gesetzt, so daß hier nicht näher beschrieben werden sollen, sie enthalten einander gegenüberliegende Oberflächen, die eine Luftschicht mit sehr engen Toleranzen aufweisen. Der Rotor 202 enthält eine axial durchlaufende Öffnung 226, die im allgemeinen einen Durchmesser von ungefähr 1 cm hat, während eine Polarisatorplatte 228 an einem Ende des Rotors angebracht ist. Als Polarisatorelement kann als Alternative zu der hier beschriebenen Ausführungsform auch ein Prisma verwendet werden, das in dem Durchgang 226 des Rotors angebracht ist. Der Lichtstrahl verläuft durch die Mitte des Polarisators, so daß während der Drehung das gleiche optische Material vorhanden ist. Dies stellt im Vergleich mit einem rotierenden Polarisator, bei dem der Lichtstrahl durch einen ümfangsbereich des Polarisators verläuft, eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung dar, da sich hierbei keine Änderungen der optischen Eigenschaften ergeben.

Die magnetischen, blockförmigen Elemente 230 sind in öffnungen angebracht, die in dem Flansch 218 vorgesehen sind; in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Elemente gezeigt; dabei sind vier Elemente in gleichen Abständen um den Umfang des Flansches angeordnet, während zwei Elemente diametral zwischen den jeweiligen Elementenpaaren vorgesehen sind. Der Fühler 24, in diesem Fall ein magnetischer Fühler, ist in der Nähe des Flansches 218 vor-

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gesehen, um in Abhängigkeit von dem Durchgang eines jeden Elementes 230 durch den Fühler ein elektrisches Signal und damit Synchronisierimpulse zu liefern. Selbstverständlich besteht der Rotor 202 aus unmagnetischem Material, wenn .. magnetische, blockförmige Elemente als Erregerelemente für den Fühler verwendet werden. Die Winkelstellung des Fühlers 24 um den Umfang des Rotors 202 läßt sich einstellen, um die Phase der Synchronisierimpulse in bezug auf die zu verarbeitenden Photodetektorsignale zu justieren.

Um die Intensität des auf die Probe fallenden Anregungslichtes zu erhöhen , kann als Alternative zu der bisher beschriebenen Ausführungsform auch die Anordnung einer Probenzelle verwendet werden, wie sie in Figur 6 dargestellt ist', dadurch läßt sich gleichzeitig auch die Intensität der emittierten, polarisierten Fluoreszenz erhöhen, die durch den Photodetektor empfangen wird. In Figur 6 ist eine Probenzelle 300 dargestellt, die eine zu messende Probe enthält', dabei ist ein Spiegel 302 so angeordnet, daß er den Anregungsstrahl reflektiert, während ein zweiter Spiegel 304 so angeordnet ist, daß er die emittierte ■.'Fluoreszenz reflektiert. Der Anregungstrahl wird durch die Probenzelle durchgelassen und nach der Reflexion an dem Spiegel 302 wieder zurück durch die Probenzelle geschickt, um dadurch die durch die Probe absorbierte Anregungsenergie zu erhöhen', außerdem ergibt sich dadurch eine gleichmäßigere Verteilung der Energieabsorption über das gesamte Probenvolumen. Das Anregungslicht wird auf diese Weise näherungsweise um den Faktor zwei gesteigert. Die emittierte, zu dem Spiegel 304 hin durchgelassene Fluoreszenz wird zusammen mit der emittierten Fluoreszenz, die zu Beginn zu dem Photodetektor gerichtet wurde, zu dem Photodetektor zurückübermittelt, wodurch sich eine weitere Erhöhung der meßbaren Fluoreszenz ergibt. Der Spiegel 304 kann so ausgelegt werden, daß er bei der Emissionswellenlänge reflektiert und bei anderen Wellenlängen, die für den Empfang durch den Photodetektor nicht von Wichtigkeit sind, im wesentlichen nicht reflektiert. Der Spiegel 302 kann auch so ausgelegt werden, daß er nur bei der Anregungswellenlänge reflektiert, insbe-

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sondere dann, wenn eine breitbandige Lichtquelle verwendet wird, um Streueffekte zu verringern. Solche selektiv reflektierenden Spiegel werden bereits eingesetzt und können unter Verwendung der herkömmlichen Interferenzfiltertechniken gefertigt werden. Soll kein Spiegel 302 verwendet werden, so wird nach einer bevorzugten Ausführungsform eine herkömmliche Lichtschleuse bzw. Lichtfalle verwendet, um die Anregungsstreuung zu vermeiden.

Als Alternative kann die in Figur 7 gezeigte Schaltungsanordnung verwendet werden, um die Auswirkungen von Änderungen der Drehzahl des Polarisators möglichst gering zu machen. Wie oben beschrieben wurde, sollte die Änderung der Drehzahl des rotierenden Polarisators innerhalb der Bandbreitegrenzen des Signalkanals liegen, um eine präzise Signalverarbeitung zu ermöglichen. Durch die alternative Ausführungsform, wie sie hier beschrieben werden soll, können weitere Drehzahländerungen durch die Verwendung eines lokalen bzw. örtlichen Bezugssignals toleriert werden, das aus den Synchronisationsimpulsen von dem rotierenden Polarisator, jedoch unabhängig von darin etwa vorhandenen Schwankungen abgeleitet wird. Wie sich aus Figur 7 ergibt, wird das Signal von dem Verstärker 16 (sh. Figur 3) über ein Tiefpaßfilter, das aus einem Widerstand R5 und einem Kondensator C5 besteht, einer Mischstufe 320 zugeführt, deren Ausgangssignal an einen Verstärker 322 und ein Bandpaßfilter 324 angelegt wirdj das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 324 wird dem phasenempfindlichen Detektor bzw. Gleichrichter 36 der in Figur 3 gezeigten Schaltungsanordnung zugeführt. Ein Oszillator 326 liefert ein Sinus-Wellensignal der Frequenz f einer Phase Lock Schleife 328, also einer Schaltung zur Zwangssynchronisierung des Oszillators auf die Signalfrequenz', das Ausgangssignal mit der Frequenz f wird der Mischstufe 320 zugeführt.

Die Phase Lock Schleife empfängt auch ein Bezugssignal f von dem Q Ausgang des Flip-Flops 86 (sh. Figur 3). Der Oszillator 326 liefert außerdem ein Rechteckwellensignal

aem NAND-Glied 7i

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der Frequenz f zu einem NAND-Glied 76 und über einen

Inverter 330 zu dem NAND-Glied 74. Bei den NAND-Gliedern 74 und 76 handelt es sich um die bereits in Figur 3 dargestellten Verknüpfungsglieder. Diese NAND-Glieder führen den Schaltern S3 - S6 des phasenempfindlichen Detektors 36 auf die oben beschriebene Weise Signale zu. Die durch die Phase-Lock Schleife 328 gelieferte Signalfrequenz f ist gleich der Summe der Signalfrequenzen f von dem Oszillator 326 und f von dem Flip-Flop 86. Das Ausgangssignal von der Mischstufe 320 enthält Summen- und Differenz-Komponenten der Frequenz f und f . Die Signalfrequenz f ist gleich der

S ν S

Frequenz f , da beide Signale von dem rotierenden Polarisator abgeleitet werden', das Ausgangs signal des Mischers enthält deshalb Signalkomponenten-Frequenzen f und 2f . Das Bandpaßfilter 324 hat einen hohen Q- bzw. Güte-Faktor, der bei f zentriert ist, und liefert also ein Signal der Frequenz f zu dem phasenempfindlichen Detektor 36. Der bei dieser Ausführungsform die Eingangssignalfrequenz f liefernder

Verstärker 60 kann eine breitere Bandbreite als bei der Ausführungsform nach Figur 3 haben. Die Schaltungsanordnung nach Figur 7 arbeitet als überlagerter bzw. interferenzerzeugter Einfang- bzw. synchronisierter bzw. Lock-in-Verstärker, wie er bereits auf vielen Gebieten eingesetzt wird. Als Teil dieses Lock-in-Verstärkers ist eine Einrichtung zur Phaseneichung vorgesehen. Bei der Verwendung für die vorliegende Erfindung wird dem phasenempfindlichen Detektor ein Signal zugeführt, wobei der Oszillator 326 einen entsprechenden Bezugswert liefert. Dadurch läßt sich die Signalverarbeitung ohne Beeinflussung durch eine etwaige Drehzahländerung des rotierenden Polarisators durchführen.

Das Anregungsfilter 11 und das Emissionsfilter 8 sind so aufgebaut, daß unerwünschte Fluoreszenz vermieden wirdj um dies zu erreichen, verwenden diese Filter statt der herkömmlichen, absorbierenden Gläser reflektierende Filterschichten für die Blockierung der oberen und unteren Bandbreite. Das Anregungsfilter 11 arbeitet als Spitzenfilter,

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um nur die Anregungswellenlänge von dem Laser 10 durchzulassen und durch Reflexion alle Stör- bzw. Streuwellenlängen zu kopieren, die einerseits durch den Laser, wie beispielsweise durch das Gasplasma, emittiert werden und andererseits von lichtdurchlässigen Stellen in der Umgebung, also von dem Lichteinfall von außen, herrühren. Das Emissionsfilter 18 soll das Emissionsband durchlassen und durch Reflexion das gestreute Licht bei der Anregungswellenlänge sowie Licht bei der Raman Wellenlänge der Probenlösung sowie andere, etwa vorhandene Stör- bzw. Streuwellenlängen blockieren.

Das Anregungsfilter ist in Fig. 8 im stark vergrößeren Maßstab dargestellt und enthält ein Substrat 340 aus nicht-fluoreszierendem Quarz. Auf der Oberfläche des Substrates ist eine Schicht 342 angeordnet, bei der es sich um ein Interferenzfilter handelt, das nur die Anregungswellenlänge, beispielsweise Licht mit der Wellenlänge von 488 Nanometer, durchläßt. Eine weitere Schicht 344 reflektiert längere Wellenlängen, während eine Schicht 346 dazu dient, die kürzeren Wellenlängen des Lasers zu reflektieren. Die Reflexion wird durch Interferenzeffekte der Filterstruktur . erreicht. Selbstverständlich können die Schichten 342, 344 und 346 in der Praxis Teil einer übereinander angebrachten Mehrfachbeschichtung einer optischen Filterstruktur, sein; als Alternative hierzu können den jeweiligen Substraten auch verschiedene Interferenzkombinationen zugeordnet werden.

Das Emissionsfilter ist in Fig. 9 im vergrößerten Maßstab dargestellt und enthält ein Substrat 348 aus nicht-fluoreszierendem Quarz, auf «fem^chichten 350, 352, 354 und 356 befinden. Die Schicht 350 bildet den Durchlaßbereich bei der Emissionswellenlänge. Es handelt sich dabei um ein Interferenzfilter, dessen Durchlaßbereich dem Spektrum des speziellen, verwendenten, fluoreszierenden Farbstoffs bzw. Materials angepaßt ist. Für Fluoreszein liegt das Emissionsband ungefähr zwischen 514 und 530 Nanometer. Die Schicht 352 soll die Änregungswellenlänge reflektieren, während die Schicht 354 die Raman Wellenlänge reflektieren soll. Die Schicht 356 dient zur breitbandi-

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gen Reflexion, um andere, unerwünschte Wellenlängen zu reflektieren. Auch in diesem Fall können die verschiedenen, beschriebenen Filterschichten in der Praxis einen Teil einer aus mehreren Schichten bestehenden Filterstruktur bilden.

Ein wesentliches Merkmal der oben beschriebenen, optischen Filter ist die Verwendung von reflektierenden Mehrfachschichten für die Filterung, so daß zu Filterzwecken keine absorbierenden Gläser eingesetzt werden müssen. Denn solche absorbierenden Gläser selbst können auch im gewissen Maße fluoreszieren, so daß sie in gewissem Maße in dem interessierenden Band fluoreszierende Streuemissionen erzeugen. Als letzte Schicht des Filters kann jedoch eine Glasschicht eingesetzt werden, die zur Dämpfung dient und in bestimmten Fällen unerwünschte Wellenlängen absorbiert, die größer sind als die Streuemission in dem interessierenden Band. In Fig. 10 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein Depolarisator 19 vor dem Photodetektor 20 angeordnet ist, um etwaige Fehler bzw. Störungen zu verringern, die durch die Polarisationempfindlichkeit der Sekundärelektronenvervielfacherröhre verursacht werden könnten. Bei diesem Depolarisator 19 handelt es sich nach einer bevorzugten Ausführungsform um einen Lyot-Depolarisator bzw. ein Polarisationsinterferenzfilter oder einen Opalglas-Diffuser bzw. Streukörper. Alle Photomultiplier-Röhren zeigen im gewissen Maße eine Polarisationsempfindlichkeit, so daß der Depolarisator 19 die Polarisation des von ihm durchgelassenen Lichtes in der Weise "kodiert" bzw. verändert, daß der Photodetektor nicht polarisiertes Licht empfängt.

Bei der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform wird als Lichtquelle ein Dauerstrichlaser verwendet. Bei der praktischen Ausführung des Systems nach der vorliegenden Erfindung können jedoch auch andere Lichtquellen eingesetzt werden. Die Lichtquelle selbst kann einen kollimierten bzw. parallelen Strahl erzeugen oder es kann auf andere Weise ein Strahl mit minimaler Querschnittsgröße und maximaler Bandgrenzweite auf

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übliche Weise gebildet werden. So kann beispielsweise in Verbindung mit einem linearen Polarisator eine Glühlampe oder eine andere, geeignete Lichtquelle vorgesehen sein, um einen linear polarisierten Anregungstrahl zu erzeugen, der dann durch ein Anregungsfilter gefiltert wird, das die bestimmten, für die spezielle Lichtquelle vorhandenen Störungs- bzw. Streu-Wellenlängen ausschließt. Die Lichtquelle kann entweder polarisiertes oder nicht-polarisiertes Licht liefern. Im allgemeinen wird die Verwendung von linear polarisiertem Anregungslicht bevorzugt, um die sich ergebende Polarisation der durch die Probe emittierten Fluoreszenz zu verbessern. Solche Messungen können jedoch auch durchgeführt werden, wenn als Anregungsquelle nicht polarisiertes Licht verwendet wird.

Statt des oben beschriebenen, linearen Polarisators kann auch ein kontinuierlich rotierender Analysator entweder auf der Anregungsseite der Probenzelle oder auf ihrer Emissionsseite verwendet werden. Wie sich aus der Ausführungsform nach Fig. 11 ergibt, ist eine nahezu achromatische Halbwellen-Verzögerungsplatte 21, also eine Platte, die einen Gangunterschied von einer halben Wellenlänge liefert, auf der Emissionsseite der Probenzelle 14 angeordnet, um die Fluoreszenz-Strahlung von ihr zu empfangen. Diese Platte kann kontinuierlich gedreht werden, beispielsweise durch die oben beschriebene, pneumatische Turbine oder durch eine andere Vorrichtung. Die Halbwellen-Verzögerungsplatte kann den herkömmlichen Aufbau haben und zeigt über das hier interessierende Band ein achromatisches Verhalten. Ein stationärer, linearer Polarisator 23 ist zwischen der Platte 21 und dem Filter 18 angeordnet und so orientiert, daß seine Polarisationsachse längs einer bestimmten Bezugsachse verläuft. Eine weitere alternative Ausführungsform ist in Fig. 12 dargestellt, bei der eine Halbwellen-Verzögerungsplatte 25 auf der Anregungsseite der Probenzelle 14 angeordnet ist und kontinuierlich gedreht werden kann. Ein stationärer, linearer Polarisator 27 ist zwischen der Probenzelle 14 und dem Filter 18 vorgesehen. Die Halbwellen-Verzögerungsplatte 25 muß ihre Funktion nur bei der Laserwellenlänge erfüllen, da die

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Laserwelle monochromatisch ist. Die rotierenden Analysatoren, wie sie in den Figuren 11 und 12 dargestellt sind, können auch elektrooptische Rotatoren sein, wie beispielsweise Rotatoren zur Erzeugung der Faraday oder Kerr-Drehung, die in Abhängigkeit von einem angelegten Erregungssignal auf übliche Weise eine optische Drehung bewirken. Solche elektrooptischen Rotatoren können so aufgebaut sein, daß sie als Halbwellen-Verzögerungsplatte oder linearer Polarisator dienen. Die Laserquelle oder der Photodetektor könnten auch selbst gedreht werden. In Anbetracht der Größe und der Empfindlichkeit der Quelle und des Detektors und wegen ihrer elektrischen Verbindungen dürfte diese Ausführungsform jedoch in der Praxis zu Schwierigkeiten führen.

Wenn eine unpolarisierte Anregungsquelle verwendet wird, muß ein stationärer linearer Polarisator vorgesehen sein, wenn eine Halbwellen-Verzögerungsplatte für die Drehung auf der Anregungsseite eingesetzt werden soll. Wenn eine Halbwellen-Verzögerungsplatte gebraucht wird, wird darüberhinaus ein Zyklus der mechanischen Drehung vier Zyklen der Drehung des Polarisationsvektors liefern. Die Fühlelemente, die um den Umfang der rotierenden Struktur vorgesehen sind und aus denen die Positions- und Drehzahlsignale abgeleitet werden, sollten für jeden optischen Zyklus ausgelegt werden, statt zwei Gruppen von drei magnetischen, blockförmigen Elementen oder anderen Fühlelementen für jede Umfangshälfte des oben beschriebenen, rotierenden Polarisators zu verwenden. Eine Gruppe von drei Fühlelementen befindet sich in jedem Quadranten der rotierenden Halbwellen-Verzögerungsplatte, um Phasensignale für jeden Zyklus der optischen Drehung zu liefern.

Der rotierende Analysator kann auch durch eine andere Einrichtung als die oben beschriebene, pneumatische Turbine kontinuierlich angetrieben werden. Als Alternative hierzu kann die Drehung auch durch einen Elektromotor, wie beispielsweise einem Synchronmotor mit präziser Konstruktion, erreicht werden, so daß sich eine glatte, stoßfreie Drehung mit minimalen Schwingungen ergibt. Ein solcher Synchronmotorantrieb kann eine hohle Rotor-

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welle enthalten, an welcher der Analysator zur Durchführung seiner Drehung angebracht ist. Wenn ein elektrisch angetriebener Analysator verwendet wird, muß mit großer Sorgfalt gearbeitet werden, um die Wirkung der Streufelder auf den Photodetektor möglichst gering zu halten. Die Anordnung des elektrischen Antriebs auf der Anregungsseite der Probe wird im allgemeinen bevorzugt, um den Abstand von dem Photodetektor zu erhöhen.

Selbstverständlich sind auch verschiedene Ausführungsformen der SignalVerarbeitungseinrichtung möglich. Die Erfindung benötigt nicht die Verwendung der oben beschriebenen Doppelneigung-Ingetrationsverfahren, sondern es können auch andere Schaltungsanordnungen eingesetzt werden, um ein Augangssignal für die Messung der Polarisation der Fluoreszenz zu liefern. Beispielsweise kann der Integrator 54, der auf einen durch den' Integrator 38 bestimmten Wert aufgeladen wird, mit einer durch den Komparator 40 getriggerten Sample- und HoId-Schaltung bzw. einem Momentanwertspeicher gekoppelt sein, um ein Ausgangssignal mit einer Größe abzuleiten, die ein Maß für die Polarisation der Fluoreszenz ist. Dieses Ausgangssignal kann dann zur Lieferung des ausgegebenen Anzeigewertes verarbeitet werden.

Die vorliegende Erfindung kann auch zur Spektralanalyse der emittierten Fluoreszenz eingesetzt werden. Für diesen Einsatzzweck wird statt des Emissionsfilters ein Streu- bzw. Dispersionselement, wie beispielsweise ein Beugungs-Gitter oder -Prisma verwendet, um das Spektrum für die Analyse zu erzeugen. Wenn ein Laser als Lichtquelle eingesetzt wird, sollte die Quelle auf die ausgewählte Wellenlänge abgestimmt werden. Diese Abstimmung kann für die Selektion ausgewählter Resonanzwellenlängen des Lasers sein. Wenn ein Farbstofflaser verwendet wird, kann auch eine kontinuierliche Abstimmung durchgeführt werden. Zusätzlich zu der Abstimmung der Laserquelle selbst kann ein Dispersionselement noch auf der Anregungsseite der Probe eingesetzt werden. Anregungsspektren können durch Abstimmung auf der Anregungsseite geliefert werden. Emissions-

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Spektren können durch Abstimmung auf der Emissionsseite geliefert werden.Wenn das Dispersionselement für die Anregung abgetastet wird, wird die beobachtete Emissionswellenlänge fixiert. Wenn als Alternative hierzu das Emissions-Dispersionselement abgetastet wird, wird die anregende Wellenlänge fixiert. Die Signalverarbeitung des Ausgangssignals des Photodetektors kann durchgeführt werden, wie es oben beschrieben wurde. Bei dieser Ausführungsform erfolgt jedoch die Signalverarbeitung für jedes Paar von Anregungs- und Emissions-Wellenlängen, um Messungen für die Ableitung eines Spektrums zu liefern.

In Anbetracht der vielen, verschiedenen optischen Ausgestaltungen bzw. Konstruktionen, die gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind in der folgenden Tabelle nochmals die verschiedenen Ausführungsformen zusammengestellt.

Quelle

Anregungsseite der Probe

Emissionsseite der Probe

unpolarisiert

unpolarisiert +
Depolarisator

Filter

Filter + rotierender linearer Polarisator

rotierender linearer Polarisator + Depolarisator + Filter oder Dispersionselement

linearer Polarisator + Filter oder Dxspersionselement

polarisiert

Filter oder Dxspersionselement

rotierender linearer Polarisator + Depolarisator + Filter oder Dxspersionselement

polarisiert

Filter oder Dxspersionselement

rotierende Halbwellen-Verzögerungsplatte + Polarisator + Filter oder Dxspersionselement

polarisiert

Filter oder

Dxspersionselement + rotierende Halbwellen-Verzögerungs platte

Polarisator + Filter oder Dxspersionselement

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Ein Depolarisator muß eingesetzt werden, wenn ein Dispersionselement verwendet wird und die betrachtete Komponente sich dreht, sonst jedoch beliebig ist. Der Depolaristator auf der Anregungsseite oder auf der Emissionsseite sollte bei Bedarf eine idealere Nichtpolarisation erreichen. Der rotierende lineare Polarisator kann alternativ ein elektrooptischer Rotator und ein stationärer linearer Polarisator sein. Die rotierende Halbwellen-Verzögerungsplatte kann alternativ ein elektrooptischer Rotator sein.

Die Verwendung eines rotierenden Elementes auf der Änregungsseite einer Probe hat verschiedene Vorteile. Da der Durchmesser des Änregungsstrahls üblicherweise kleiner als der des Emissionsstrahls ist, insbesondere bei Verwendung einer Laserquelle, kann das rotierende Element auf der Anregungsseite klein sein. Die Kollimierung bzw. Kollimation des Änregungsstrahls führt auch dazu, daß die Weglänge des rotierenden Elementes, das üblicherweise das Element mit dem größten Strahlengang ist, keine so kritische Größe mehr darstellt. Darüberhinaus ermöglicht die Anordnung- des Photodetektors näher bei der Probe eine bessere Sammlung des Lichtes.

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Leerseite

Claims (16)

1. MÜLLER-BORE · DEUFEL ■ SCHÖN · IIERTEI.

   PATEiSTTANWÄLTE

   DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWAUTVON 1927-1975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL.- CH EM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER «ERTEL, DIPL.-PHYS.

   Hl/Ma - B 1365

   Nathan Schiff Bromberg

   461 Conant Road
   Weston, Massachusetts 02193
   USA

   Fluoreszenz-Polarimeter

   Patentansprüche

   j Fluoreszenz-Polarimeter, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (10) , die einen definierten,
   schmalbandigen Lichtstrahl liefert, durch eine Probenzelle
   (14) für die Aufnahme einer Probenlösung, die so angeordnet ist, daß sie Licht von der Lichtquelle (10) empfängt und die Emission von Fluoreszenstrahlung aus der Probenlösung ermöglicht, durch einen Analysator, durch eine Einrichtung zur
   kontinuierlichen Drehung des Analysators, durch ein optisches Filter (18), das die Fluoreszenzstrahlung von der Probenzelle (14) empfängt und einen Durchlaßbereich hat, der bei der Emissionsfrequenz der Fluoreszenzstrahlung zentriert ist, weiterhin durch einen in Abhängigkeit von der Strahlung, die durch das optische Filter (18) durchgelassen wird, betätigten Photodetektor (20) zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals,

   S Q 9 8 /> 3/0933

   MÜNCHEN 80 · SIEBERTSIR. 4'POSTFACH 800730 · KABEL: ItDEBOPAX · TEL. (0S9) 4740 05-TEtEX 0-2*283

   welches die Strahlungsintensität darstellt, und durch eine in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Photodetektors (20) betätigte Signalverarbeitungseinrichtung (22) mit einer Einrichtung zur Erzeugung von ersten und zweiten Signalen, die jeweils den Differenzterm . bzw. den Summenterm der Fluoreszenz-Polarisation darstellen, mit einer Einrichtung zur Bildung eines Zeitintervalls, welches das Verhältnis des ersten Signals zu dem zweiten Signal darstellt, und mit einer in Abhängigkeit von dem Zeitintervall betätigten Einrichtung zur Erzeugung eines Signals, das ein Maß für die Polarisation der Fluoreszenz ist.
2. 2. Fluoreszenz-Polarimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) einen linear polarisierten Lichtstrahl liefert, und daß der Analysator eine zwischen der Lichtquelle (10) und der Probenzelle (14) angeordnete Halbwellenverzögerungsplatte und einen stationären linearen Polarisator (16) hat, der die Fluoreszenz-Strahlung von der Probe empfängt und dessen Polarisationsachse längs einer vorher bestimmten Bezugsachse orientiert ist.
3. 3. Floureszenz-Polarimeter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen Dauerstrichlaser (10), der einen kollimierten bzw. parallel, monochromatischen, linear polarisierten Lichtstrahl liefert, und ein zweites optisches Filter enthält, das den Lichtstrahl von dem Laser (10) empfängt und einen Durchlassbereich hat, der um die Grundschwingungsfrequenz des Lasers (10) zentriert ist, wobei das zweite optische Filter Licht oberhalb und unterhalb eines vorher bestimmten Frequenzbandes ausschließen soll und wahlweise eine Interferenzfilterstruktur, die nur die Anregungswellenlänge der Lichtquelle (10), eine Interferenzfilterstruktur, die Wellenlängen, die länger als die Anregungswellenlängen sind, reflektiert, oder eine Interferenzfilterstruktur aufweist, die Wellenlängen reflektiert, die kürzer als die Anregungswellenlängen sind.

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4. 4. Fluoreszenz-Polarimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator einen kontinuierlich rotierenden, linearen Polarisator (16) oder eine achromatische Halbwellen-Verzögerungsplatte/ die so angeordnet ist, daß sie Fluoreszenzstrahlung von der Probe empfängt, und einen stationären linearen Polarisator aufweist, der Fluoreszenz-Strahlung von der Probe empfängt und dessen Polarisationsachse längs einer vorher bestimmten Bezugsachse orientiert ist.
5. 5. Fluoreszenz-Polarimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator einen elektrooptischen, entweder zwischen der Lichtquelle (10) und der Probenzelle (14) oder zwischen der Probenzelle (14) und dem Photodetektor (20) angeordneten Rotor und einen stationären, linearen Polarisator aufweist, der die Fluoreszenzstrahlung von der Probe empfängt und dessen Polarisationsachse längs einer vorher bestimmten Bezugsachse orientiert ist.
6. 6.Fluoreszenz-Polarimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filter eine Interferenzfilterstruktur, die einen dem Spektrum der empfangenen Fluoreszenz-Emission angepaßten Durchlaßbereich liefert, eine Interferenzfilter-Struktur, die Streulicht bei der Anregungswellenlänge reflektiert, eine Interferenzfilterstruktur, die Licht bei der Raman-Wellenlänge der Probenlösung reflektiert, und eine Interferenzfilterstruktur aufweist, die andere Streuwellenlängen des empfangenen Lichtes reflektiert.
7. 7. Fluoreszenz-Polarimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen vor dem Photodetektor (20) angeordneten Depolarisator für die Depolarisation des dadurch empfangenen Lichtes.
8. 8. Fluoreszenz-Polarimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch wenigstens ein in dem Strahlengang zwischen der Quelle (10) und dem Photodetektor (20) angeordnetes Streubzw. Dispersionselement zur Lieferung eines Spektrums.

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9. 9. Fluoreszenz-Polarimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (22) eine Einrichtung zur Lieferung eines Wechselstromsignals, das ein direktes Maß für den Differenzterm der Fluoreszenz-Polarisation ist, weiterhin eine Einrichtung für die Lieferung eines Gleichstromsignals, das ein direktes Maß für den Summenterm der Fluoreszenz-Polarisation ist, weiterhin einen Zähler (48) , eine in Abhängigkeit von dem Gleichstromsignal betätigbare Einrichtung für den Start des Zählers (48) und eine in Abhängigkeit von dem Wechselstromsignal betätigbare Einrichtung für das Anhalten des Zählers (48) aufweist, wobei der Zähler (48) einen die Polarisation der Fluoreszenz · darstellenden Zählerwert liefert, der während des Zeitintervalls zwischen dem Startsignal und dem Endsignal akkumuliert wurde.
10. 10. Fluoreszenz-Polarimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die SignalVerarbeitungseinrichtung (22) ein Bandpaßfilter, das ein erstes, direkt den Differenzterm der Fluoreszenzpolarisation darstellendes Signal liefert, ein Tiefpaßfilter, das ein zweites, direkt den Summenterm der Fluoreszenz-Polarisation, darstellendes Signal liefert, einen mit dem Bandpaßfilter gekoppelten Verstärker, der eine verstärkte Version des ersten Signals liefert, einen phasenempfindlichen Detektor, der das verstärkte erste Signal empfängt und ein Ausgangssignal liefert, einen ersten Integrator, der zur Lieferung eines ersten, integrierten Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem zweiten Signal betätigt wird, einen zweiten Integrator, der zur Lieferung eines zweiten, integrierten Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal betätigt wird, einen ersten Komparator, der ein erstes Komparatorausgangssignal erzeugt, wenn das erste, integrierte Ausgangssignal einen Bezugsschwellenwert übersteigt, einen zweiten Komparator, der ein zweites Komparatorausgangssignal erzeugt, wenn das zweite integrierte Ausgangssignal einen Bezugsschwellenwert übersteigt, einein Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des ersten Komparators betätigte Einrichtung zur Ansteuerung des phasenempfindlichen Detektors, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des

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    zweiten Komparators den phasenempfindlichen Detektor außer Betrieb setzt, einen in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des ersten Komparators angesteuerten und in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des zweiten Komparators gesperrten Zähler und eine in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des ersten Komparators betätigte Einrichtung für die Einleitung der gesteuerten Entladung des zweiten Integrators aufweist.
11. 11. Fluoreszenz-Polarimeter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Integrator eine Operationsverstärker-Integrator schaltung, einen ersten, im Nebenschluß zu dem ersten Integrator liegenden Schalter, der nur während eines Meßdurchlaufs geöffnet und sonst geschlossen ist, aufweist, daß der erste Komparator eine Operationsverstärker-Komparatorschaltung enthält, die mit dem Ausgang des ersten Integrators verbunden ist und ein Ausgangssignal des ersten Komparators mit einem ersten logischen Pegel, wenn der erste Schalter geschlossen ist, und mit einem zweiten logischen Pegel erzeugt, wenn der erste Schalter offen und das Ausgangssignal von dem Integrator gleich dem Bezugspegel des ersten Komparators ist, daß der zweite Integrator eine Operationsverstärker-Integratorschaltung und einen zweiten, im Nebenschluß zu dem zweiten Integrator liegenden Schalter aufweist, der während eines Meßdurchlaufs offen und sonst geschlossen ist, um die Restladungen des zweiten Integrators zu entfernen, daß der zweite Komparator eine Operationsverstärker-Komparatorschaltung enthält, die mit dem Ausgang des zweiten Integrators verbunden ist und ein Ausgangssignal des zweiten Komparators mit einem ersten logischen Pegel, wenn der zweite Schalter geschlossen ist, und mit einem zweiten logischen Pegel liefert, wenn der zweite Schalter offen und das Signal von dem zweiten Integrator gleich dem Bezugswert des zweiten Komparators ist, daß die Einrichtung zur Durchführung der gesteuerten Entladung eine Stromquelle und ein in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des ersten Komparators betätigte Einrichtung enthält, um die Stromquelle mit dem zweiten Integrator zu verbinden, wobei die Stromquelle einen Strom mit einer Polarität liefert, welche

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    die Entladung des zweiten Integrators bewirkt, und daß der phasenempfindliche Detektor eine Eichschaltung enthält, die Offset-Effekte der Schaltungsanordnung kompensieren soll.
12. 12. Fluoreszenz-Polarimeter nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der phasenempfindliche Detektor einen ersten und zweiten Schalter, die vor und nach einem Meßdurchlauf geschlossen werden, um den Ausgang des Detektors im Nebenschluß an Masse zu legen, wodurch die Anlegung von etwaigen Störsignalen an den zweiten Integrator verhindert wird, weiterhin einen dritten und vierten Schalter, der vor und nach einem Meßdurchlauf geöffnet wird, um den Eingang des zweiten Integrators in einen offenen Stromkreis zu legen, wobei während eines Meßdurchlaufs der erste und vierte Schalter synchron geöffnet und geschlossen und der zweite und dritte Schalter synchron geöffnet und geschlossen werden, um die phasenempfindliche Gleichrichtung durchzuführen, weiterhin ein Filter für die Verringerung der Frequenzen der Stromleitung und des harmonischen Rauschens und eine Schaltanordnung aufweist, die den Ausgang des Detektors mit Ausnahme der Zeitspannen während eines Meßdurchlaufs im Nebenschluß an Masse und den Eingang zu dem zweiten Integrator mit Ausnahme der Zeitspannen während eines Meßdurchlaufs in einen offenen Stromkreis legt.
13. 13. Fluoreszenz-Polarimater nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Integrator eine Schaltungsanordnung für die automatische Einstellung des Nullpunktes zur Kompensation von Offset-Effekten vorgesehen ist.
14. 14. Fluoreszenz-Polarimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung des Zeitintervalls einen auf einen vorher bestimmten Wert aufgeladenen und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit entladenen Integrator enthält, wobei die Dauer der Entladung das Zeitintervall definiert.

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15. 15. Fluoreszenz-Polarimeter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator eine erste Integratoranordnung,
    die das zweite Signal empfängt und ein erstes, integriertes
    Ausgangssignal liefert, und eine zweite Integratoreinrichtung enthält, die ein von dem ersten Signal abgeleitetes Signal empfängt und ein zweites, integriertes Ausgangssignal mit maximalem Wert liefert, der durch den maximalen Wert des ersten,
    integrierten Ausgangssignals bestimmt wird.
16. 16. Fluoreszenz-Polarimeter mit einer Lichtquelle für die Anregung einer Probenlösung, mit einem kontinuierlich rotierenden Analysator, und mit einem Photodetektor, der in Abhängigkeit von der Fluoreszenz-Strahlung, die von der Probenlösung
    empfangen wird, ein Ausgangssignal liefert, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Signalverarbeitungseinrichtung (22) mit einer Anordnung zur Bildung von ersten und zweiten Signalen, welche jeweils den Differenzterm und den Summenterm der Fluoreszenz-Polarisation darstellen, mit einer Einrichtung zur Bildung eines Zeitintervalls,
    welches das Verhältnis des ersten Signals zu dem zweiten Signal darstellt, und mit einer in Abhängigkeit von dem Zeitintervall betätigten Anordnung zur Lieferung eines Signals, welches die Polarisation der Fluoreszenz darstellt.

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