DE2901738C2

DE2901738C2 - Spektralphotometer

Info

Publication number: DE2901738C2
Application number: DE2901738A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Genf Farkas; Michel Lausanne Moulin; Georges Onex Revillet
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 1978-01-20
Filing date: 1979-01-17
Publication date: 1985-02-21
Also published as: NL181301C; US4241998A; IT1110038B; JPS6116010B2; NL181301B; IT7919457A0; NL7900381A; DE2901738A1; FR2415291B1; FR2415291A1; GB2013362B; CA1115545A; JPS54110886A; GB2013362A

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektralphotometer, insbesondere eines optischen Schnellanalysator vom Drehküvettentyp, mit einer Blitzlampe, insbes. mit kleinerem Abstand der Zündelektrode zur Kathode als zur Anode, einem Monochromator, einem diesem nachgeordneten optischen Strahlenteiler, insbes. eine dünne Quarzplatte, von dem ein erster Lichtstrahl durch eine Meßprobe auf einen ersten Lichtempfänger und ein zweiter Lichtstrahl unmittelbar auf einen zweiten Lichtempfänger geleitet wird, und mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Extinktion der Meßprobe aus den Ausgangssignalen der beiden Lichtempfänger.

Es sind Zweistrahl-Spektralphotometer bekannt, bei denen die Verdopplung des Strahls durch Aufteilen eines von einem Monochromator gelieferten Strahls erhalten wird (H. Moenke und L. Moenke-Blankenburg, »Optische Bestimmungsverfahren und Geräte für Mineralogen und Chemiker«, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G., Leipzig 1965, S. 185-307; The Review of Scientific Instruments, 37 (1966) H.7, S. 900-906). Diese Teilung in zwei Strahlen hat zum Zweck, die Intensitätsänderungen der Lichtquelle des Spektralphotometers auf das Meßergebnis zu beseitigen. Einer der beiden Strahlen dieni als Intcnsitiitsvcrgleichsgröße, der andere durchsetzt die Meßprobe.

Es werden für Spektralphotometer verschiedene Bauelemente eingesetzt. Als Lichtquelle werden kontinuierlich emittierende Halogen-, Deuterium-. Quecksilber-Lichtbogen oder/und Xenon-Lampen verwendet. Als Monochromatoren finden u.a. Dispcrsionsgcräie mit Prisma, Dispersionsgeräte mi! Gitter und nicht dispergierende Filter Verwendung. Lichtempfänger sind im allgemeinen Photoverviclfachcr oder Pholoröhren und, bei bestimmten jüngeren Photomelcrn, Silicium-Photodioden. Die Vielfall der verfügbaren Bauelemente führt zu einer Vielzahl unterschiedlich aufgebauter Spektralpholometer.

to Die Nachteile der bekannten Speklralpholometer gehen hauptsächlich auf die verwendete Lichtquelle und den verwendeten Monochromator zurück.

Die im sichtbaren Spektrum am häufigsten verwendete Lichtquelle ist die Wolfram-Halogen-Lampe. Ihre Nachteile sind jedoch allgemein bekannt:

— sehr schwache Emission im Ultravioletten,

— sehr starke Lichtintensitätsänderungen im nutzbaren Spektrum: die Lichtintensität bei 290 nm ist um etwa den Faktor 900 schwächer als bei 700 nm,

— hoher Slreulichtanteil, daher Notwendigkeit zu Verwendung teurer Sperrfilter,

— das System zum Ausgleichen der wellciiiängcnabhängigen Lichtiniensitälsändcrung muß eine große Dynamik besitzen,

— verhältnismäßig kurze Lebensdauer,

— schlechte Lichtausbeutc von 8 Ini/W,

— hohe Verlustleistung und

— verhältnismäßig schweres und sperriges clektrijo schcs Speisegeräl für die Lampe.

Um die sich mit diesem Lampentyp im Ultravioletten ergebenden Schwierigkeiten zu mildern, benutzen einige Spcktral-Photometer eine zweite Lichtquelle, die im

η allgemeinen von einer Deuterium-Lampe gebildet ist. ledoch sind bei dieser Lösung ein hoher Preis und ein großer Raumbedarf zusätzliche Nachteile.

Als andere Lichtquelle werden Lampen mit verschiedenen Arten elektrischer Entladung benutzt, bcispiclsweise Xenon-, Quecksilber- oder Argon-Lampen. Die Xenon-Lampen weisen im benutzten Spektralbercich das gleichmäßigste Spektrum auf, und ihre Lichtausbeute ist im übrigen mit beispielsweise 21 Im/W bei einer Lampe von 150 W sehr viel besser als die einer WoIfram-Lampc. Diese Lampen werden im allgemeinen für höhere Leistungen als 100 W angeboten, und ihre Verwendung macht hinsichtlich der Kühlung ernsthafte Schwierigkeiten. Das Speise- bzw. Versorgungsgerät und die Halterung für diesen Lampentyp benötigen viel

so Raum und sind sehr teuer.

Der Gitter-Monochromator bildet für eine kontinuierliche Änderung der Wellenlänge die zweckdienlichste Lösung. Jedoch muß der Streulicht- bzw. Falschlichtanteil, der sich aus der Kombination der Lampe mit dem Monochromator ergibt, sehr gering, in der Praxis kleiner als ΙΟ-⁴ sein, wenn Messungen mit einem l.inearitätsfchler unter 1,5% bis zur 1000-fachen Absehwachung durchgeführt werden sollen, was einer dekadischen Extinktion bzw. einem dekadischen llxiinktions-

bo faktor von 3 entspricht. Für diese Leistungen werden Doppcl-Gitlcr-Monochromatorcn eingesetzt, da die Monochromatoren mit einem einzelnen Gilter einen /ii hohen Slreulichianlcil aufweisen. Diese Doppel-Giltcr-Monochromalorcn sind jedoch teuer, nehmen viel

b5 Raum ein und erfordern einen relativ großen /.eiiaufwand für ihre Ausrichtung.

In der US-PS J8 10 696 ist bereits ein Spcklralphotometer beschrieben, das eine Blii/.lampc und einen Mn

29 Ol 738

-iochromalor oder ein Interferenzfilter aufweist, um iwei Liehlslrahlen zu erzeugen, von denen der erste L'inc Meßprobe durchdringt und der zweite an einem ersten Lichtempfänger vorbei unmittelbar zu einem zweiten Lichtempfänger geleilet wird. Dabei ist die Anordnung von Lichtleitern zwischen Blitzlampe und Empfängern vorgesehen. Diese Lichtleiter haben jedoch keinen Einfluß auf die räumliche Verteilung der Blitzenergic am Hinlritlsspalt des Monochromator, da sie zwischen dem Monochromator und den Empfängern eingeschaltet sind. Diese Patentschrift enthält keinerlei Hinweis auf Schwierigkeiten, die durch die Schwankungen der Position des Lichtbogens der Blitzlampe zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blitzen bedingt sein können.

Bei allen Spektralphotometern, insbes. bei den eingangs genannten Blitzpholomelern, beobachtet man, dall nicht immer eine ausreichende Reproduzierbarkeit der Meßwerte erreicht wird.

Der Erfindung lieg! die Aufgabe zugrunde, bei einem Spcktralpholomeler der eingangs angegebenen Bauart die Repioduzierbarkeit zu erhöhen, wobei insbes. die Anforderungen in der klinischen Chemie nach Anwendbarkeit unterschiedlicher Meßwcllenlängen berücksichtigt bleiben sollen. Dabei soll diese auch mit einem Spektralphotometer eines optischen Schnellanalysator vom Drehküvetlentyp erreichbar sein, dessen Rotor sich mit etwa 1000 UpM dreht und volumenmäßig kleine Meßproben trägt.

Ein die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe lösendes .Spcklralphotonieter der eingangs angegebenen Bauart ist dadurch gekennzeichnet, daß der Monochromator als Gitter-Monochromaior ausgebildet ist und daß zwischen Blitzlampe und Gitter-Monochromator ein optisches Element zur Konstanthaltung der räumlichen Verteilung der Lichtintensität an der Eintriusblcnde des Gillcr-Monochronuitors angeordnet ist.

Durch die Erfindung wird trotz Einsatzes eines unterschiedliche Meßwcllenlängen liefernden Gitter-Monochromators eine erheblich erhöhte Reproduzierbarkeit der Meßwerte erreicht, weil der Einfluß von Orisschwankungen des Lichtbogens der Blitzlampe von Blitz /u Blitz sowie für den Meß- als auch für den Referenzsirahl unterdrückt wird.

Das verwendete optische Element ist zur Eliminierung von Ortsschwankungen der Leuchtdiode von Lichtquellen in einem Belichlungs-Slrahlcngang für das photometrische Einfangen von Mcßniarkcn an sich bckanni (DE-OS 25 33 635).

Bevorzugte Ausgcslaltungcn des optischen Elementes ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3. bei denen zwischen Ein- und Auslrillsflächc Mehrfachreflexioncn auftreten.

Das eifindungsgcmäße Spektralphotomeier weist die nachstehend aufgeführten Merkmale auf, die von keinem bekannten Spektralphotometer derzeit gleichzeitig erfüllt weiden:

— die Möglichkeil der Extinktionsmessung von Flüssigproben in Küveiien, die sich mit etwa 1000 UpM drehen;

— eine kurze erforderliche Meßzeit für viele, z. B. 30 rotierende Proben, in weniger als 350 ms;

— das für eine Messung verfügbare Zeitintervall kann kleiner als 50 (isec sein:

— das Volumen der FWissigkcitsprobc kann sehr klein sein,/. Ii. 200 ul;

— die Mcßwellenlänge ist /wischen 290 mn und

700 nm stufenlos veränderbar;

— eine Bandenbreite von 8 nm;

— der dekadische Extinktionsfaktor ist in einem großen Bereich von 0,0 bis 3,0 meßbar; dieses Merkmal ist bei den automatisch arbeilenden Geräten von besonderer Bedeutung, weil so große Unterschiede in der dekadischen Extinktion abgedeckt werden können, die bei der biologischen Untersuchung von Proben mit normalem und mit pathologischem Bein fund auftreten, z. B. zwischen lipämischem und normalem Blutserum;

— Reproduzierbarkeit der an ein und derselben Probe vorgenommenen Extinktionsmessungen ist entsprechend den Forderungen enzymatischer Reak-

Ii tionen (Standardabweichung ο < 5 · 10-⁴ Extinktionseinheit) groß; dies ist von besonderer Bedeutung bei der Anwendung der kinetischen Verfahren, bei denen die zeitliche Änderung des Extinktionsfaktors klein ist und eine gute Reproduzierbarkeit daher eine Verkürzung der Meßdauer erlaubt; außerdem ist bei diesen Verfahren der Extinktionsgrad gelegentlich ziemlich hoch (1,7 bis 2,2); deshalb muß die Reproduzierbarkeit in einem großen Extinktionsbereich ausgezeichnet sein;

— die Linearität zwischen dem Extinktionsfaktor und der Konzentration ist in einem großen Extinkiionsbcreich ausgezeichnet; eine gute Linearität vereinfacht die Benutzung des Instrumentes, indem sie die Benutzung einer Eichkurve überflüssig macht; bei

to hohem Extinktionsfaktor und insbes. im Ultravioletten ist eine gute Linearität schwierig zu erzielen, weil sie von der Reinheit des monochromatischen Lichtes abhängig ist, die sich mit einem Falschlichtanteil charakterisieren läßt, ist durch das Verhältnis

i^r) der Intensität des außerhalb des gewählten Spektralbereiches emittierten Restlichtes zur Lichtintensität innerhalb dieses Bereiches der definiert;

— der Raumbedarf ist gering; dieses Merkmal ist von Vorteil für ein Instrument, das meistens in kleinen, räumlich sehr beengten Laboratorien eingesetzt wird;

— der Wartungsbedarf ist gering;

— die Gestehungskosten sind niedrig.

V} Für einen geringen Raumbedarf und niedrige Gestehungskosten ist es außerdem von Vorteil, daß als Empfänger Silicium-Photodioden in Verbindung mit Verstärkern mit niedrigem Grundstörpegel verwendet werden können.

W Die Erzielung dieser Vorteile bei sehr kurzen Meßzeiten ist schwierig einerseits wegen des zu erreichenden Rauschabstands und andererseits wegen der Erzeugung eines Lichtstrahles mit der notwendigen spektralen Reinheit. Außerdem erfordert die Gestalt der zur

τ> Aufnahme der Proben benutzten Küvetten häufig einen Lichtstrahl mit relativ großer Länge kleinem Querschnitt; deswegen ist die numerische Aper;ur des optischen Elements begrenzt, und folglich ist auch der Raumwinkel begrenzt, in dem das von der Blitzlampe

bo ausgesandte Licht aufgefangen wird. Da reproduzierbare Messungen mit einer maximal 1000-fachen Abschwächung der Lichtstärke durch die Probe durchgeführt worden sollen, ist es daher notwendig, daß der Rauschabsland bei einer Extinktion Null wenigstens 2 · 10⁵ be-

b^r> trägt. Die Messung wahrend eines sehr kleinen Zeitintervalls von weniger als 50 ^is erfordert einen Breitbandverstärker, der es ersehwert, den angestrebten Rauschabstand zu erzielen, da, wie bekannt, das Rau-

29 Ol 738

sehen mit der Bandbreite des Verstärkers zunimmt. Der Einfluß dieses Rauschens ist groß im Vergleich zu dem bei üblichen Spektralphotometern vorhandenen Rauschen, bei denen sich der Einfluß des Rauschens auf die Meßergebnisse durch Integrieren des Meßsignals über eine oder mehrere Sekunden mindern läßt. Die Erzielung eines genügenden Rauschabstandes wird noch erschwert, wenn die Verwendung von Silicium-Photodioden angestrebt wird, deren Anschluß an einen Verstärker ein sehr viel stärkeres Rauschen verursacht als sie für Photovervielfacher bei niedriger Lichtintensität charakteristisch sind. Dies gilt insbes. für die Wellenlängen unter 400 nm bei der Messung einer starken Extinktion (A 3), weil dieser photoelektrische Empfänger in diesem Teil des Spektrums eine geringere Empfindlichkeit hat.

Damii die vorstehend angegebenen phoiometrischen Eigenschaften erzielt werden, weist der vom Monochromator gelieferte Lichtstrahl eine große spektrale Reinheit auf, um die an sich bekannten Schwierigkeiten auszuschalten, die sich aus den durch das Streu- bzw. Falschlicht eingeführten Nicht-Linearitäten und aus den Bandbreiteneffekten ergeben. Überraschend ist die Erzielung eines Lichtstrahles, der die zur Erfüllung der gestellten photometrischen Forderungen notwendige spektrale Reinheit aufweist, bei niedrigen Kosten und geringem Raumbedarf des Spektralphotometers gelungen.

Der Falschlichtanteil ist auf einen Wert von etwa 1 - 10—⁴ für eine Wellenlänge von 290 ηm durch Verwendung eines Gitter-Monochromators herabgesetzt, der ein Gitter mit kurzer Brennweite (eiwa 100 mm) benutzt, und dies bei einem mittels eines Filters auf 270 bis 380 nm begrenzten Spektralbereich der Emission.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

F i g. 1 eine Schrägansicht der Optik eines Spcktralphotometers,

F i g. 2 eine bevorzugte Anordnung der Elektrode der Blitzlampe 11 in Fig. 1,

Fig.3 einen Axialschnitt durch das eingangsseitige optische Element des Spektralphotometcrs gemäß Fig. 1.

F i g. 4 eine abgewandelte Ausführungsform des optischen Elements des Spektralphotometers gemäß Fig. 1,

Fig.5 ein Blockschaltbild der Steuer- und Auswerfeinrichtung eines Spektralphotometers in einem Schnellanalysator vom Drehküvettcntyp,

F i g. 6 eine Schrägansicht eines Spektralphotometers, die die gedrängte Bauweise und den geringen Raumbedarf verdeutlicht,

F i g. 7 einen Axialschnitt durch einen Teil einer anderen Ausführungsform eines optischen Elements, das ebenfalls in der Optik gemäß F i g. 1 verwendbar is>l,

Fi g. 8 Schrägansichten des Rohres 14 gemäß F i g. 1 zur Verdeutlichung eines Verfahrens zu seiner Herstellung,

Fig.9 eine Schrägansicht einer Eintrittsoptik ohne das Rohr 14 für den Gitter-Monochromator,

Fi g. 10a. 10b, lla und 11 b je ein Diagramm zur Verdeutlichung der Änderungen der Lichtintensitätsverteilung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blitzen an der Eintrittsblende eines Gitter-Monochromators bei Verwendung der Eintrittsoptik gemäß F i g. 9.

Das Spektralphotometcr nach Fig. 1 weist zwischen einer Blitzlampe 11 und einem Gitter-Monochromator 16 ein optisches Element zur Konstanthaltung der räumlichen Verteilung der Lichtintensität an der Eintrittsblendc des Gilter-Monochromator auf. Es umfaßt einen sphärischen Spiegel 12 hinter der Blitzlampe 11. eine Kondensorlinse 13 (Brennweite 8 mm. Durchmesser 12,5 mm) vor der Blitzlampe Il und ein nachgcordß nctes Rohr 14. Dem Gilier-Monoehroniaior 16 nachgeordnet ist ein plattenförmiger Strahlenteiler 17, der einen Teil des von ihm ausgehenden Lichtstrahls /ur Hrzeugung eines Vcrglcichssigmils in Richtung einer Silicium-Photodiodc 18 reflektiert und den Rest des vom

in Gitter-Monochromator 16 gelieferten Lichtstrahls durch Linsen 19 und 21, je mit einer Brennweile von 13 mm und einem Durchmesser von 8111111, eine eine Probe enthaltende Küvette 22, eine Sammellinse 23 und eines von mehreren Filtern 24 für die Trennung der Beugungsordnungen hindurch zu einer Siliciuni-Photodiode 25 sendet, die ein elektrisches Signal erzeigt, das der Intensität des durch die Probe durchgerissenen Strahls entspricht.

Die optische Baugruppe gemäß Fig. I weist lerner ein Ablcnkorgan 15 für nach nulller Ordnung gebeugtes Licht auf, eine Maske 27 zum Verringern des Streulichts und ein Wähl- und Anzeigegerät 26 für die zur Messung gewählte Wellenlänge.

Die Blitzlampe Il ist eine Xenon-Lampe, mit der sich Lichtimpulsc mit einer Dauer von etwa 2,3 μs erzeugen lassen, die somit deutlich kürzer sind als die Durchgangszeit (> 150 μ$) einer Probe durch die Achse des Lichtstrahls bei einem Schnellanalysator vom Drehkiivcttentyp mit beispielsweise einem Rotor, an dem 30 Proben angeordnet sind und der sich mit 1000 UpM dreht.

Die Blitzlampe It ist als Kolbenlampe ausgeführt und hat eine Leistung von etwa 7 W. Wenn die in der Blitzlampe 11 je Blitz freigesetzte Energie 0,3 Joule während

i^r> einer Dauer von 2,3 μs ist, dann entspricht die während dieser 2,3 μs emittierte mittlere Leistung der Leistung einer kontinuierlich emittierenden Xenon-Lampe von 130 kW. Folglich wird durch die Verwendung einer mit Impulsen beaufschlagten Lampe eine Verstärkung der Lichtintensität und somit des Rauschabstandes erzeugt. Die Vorteile, die sich durch die Verwendung der Blitzlampe 11 erzielen lassen, sind:

— eine einzige Lichtquelle für das gesamte Spektrum, — extrem niedrige Verlustleistung,

— geringe Abmessungen für die Baugruppe aus Lampe und Versorgungsgcrät,

— verhältnismäßig gleichmäßiges Spektrum,

— lange Lebensdauer,

so — sehr hohe monochromatische Lichtstärke.

Die Benutzung einer mit impuisbcaufschiugiuii Gasentladungs-Lampe führt jedoch zu -Schwierigkeiten, weil sich der Lichtbogenweg zwischen zwei Blitzen zu-

fällig ändert. Daraus ergeben sich Änderungen der emittierten Lichtenergie und ihrer räumlichen Verteilung. Diese Änderungen müssen gemildert oder ausgeglichen werden, damit mit einem Spektralphotometer reproduzierbare Messungen durchgeführt werden können.

bo Die Änderungen der Lichtenergie werden durch die Tatsache ausgeglichen, daß mit einem doppelten Strahl gearbeitet wird, d. h. mil einem die Probe durchsetzenden Strahl und einem Vcrglcichsstrahl, so daß die Änderungen die Mcßcrgebnissc nicht wesentlich beeinflus-

b5 sen.

Um eine Stabilisierung der räumlichen Lage der Blitze zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn eine Kolben-Blitzlampe benutzt wird, bei der der Abstand /wischen der

29 Ol 738

Anode 31 und der Kathode 32 etwa 1,5 mm betrügt und eine Zündelektrode 33 gemäß I i g. 2 sehr nahe an der Kathode 32 angeordnet ist, /. B. in einem Abstand von 0.2 bis 0,5 mm. Besonders vorteilhaft ist die Benutzung einer Blitzlampe mit einer Anode und einer Kathode, die je die Gestalt eines rechteckigen Plättchens haben, wobei die Plättchen in derselben Ebene und so angeordnet sind, daß dei jedem Blitz entsprechende Lichtbogen /wischen zwei Ecken der genannten Planchen gezogen wird. Beim gezeigten Beispiel ist eine von der F.G & G, Inc.. Salem, Massachusetts (USA) hergestellte Lampe des Typs l^:X-2i3U verwendet, die auch durch eine Lampe des Typs XFX-II9U derselben Herstellerin ersetzt werden kann.

Um die Schwankungen in der räumlichen Verteilung der Bül/inicnsiliii au! ein Gcringslinaß herabzusetzen, ist es auch von Vorteil, wenn die Blitzlampe Il so angeordnet ist, daß die Längsrichtung der in der Achse der Llektroden erzeugten Blitze parallel zur Brcilenrichtung eines Himriitsspalts 93 (s. F i g. 9) verläuft.

Diese beiden zuletzt genannten Maßnahmen tragen dazu bei. die durch Lageschwankungen des Lichtbogens zwischen zwei Blitzen hervorgerufenen Änderungen der Wellenlänge des vom Monochromator 16 abgegebenen Strahls auf ein Geringstinaß herabzusetzen.

Die Sammellinse bildet den von der Blitzlampe 11 erzeugten Blitz auf den Eingang des Rohres 14 ab. Gemäß I· ig. 3 werden die Lichtstrahlen 41 an den Innenwänden des Rohres reflektiert, was am Ausgang des Rohres 14 eine praktisch konstante räumliehe Verteilung der Intensität des Strahls 42 ergibt. Vorzugsweise ist das Rohr 14 so angeordnet, daß das !-Unfällen der direkt von d?r Kathode 32 und der Anode 31 ausgesandlen Lichtstrahlen in das Rohr 14 vermieden wird, da die räumliche Lage dieser Lichtstrahlen besonders unstabil ist. d. h. sie erfährt zwischen zwei Blitzen eine wesentliche Änderung.

Das Rohr 14 weist das Licht reflektierende Innenwände auf. Auf seinen Hingang wird der Lichtbogen abgebildet, sein Ausgang ist unmittelbar an der Eintrittsblende des Monochromator 16 angeordnet. Seine Innenabmessungen entsprechen denen des genannten Eintrittsspaltcs. und sein Querschnitt kann rund, quadratisch oder rechteckig sein. Die aufeinanderfolgenden Reflexionen des Lichtes an den Wänden erlauben es, die räumliche Verteilung der Intensität des Lichtstrahls am Ausgang des Rohres 14 konsiant zu machen, unabhängig von den Schwankungen, zwischen zwei Blitzen, in der räumlichen Verteilung der Intensität des Strahls am Eingang des Rohres 14. Diese Unabhängigkeit nimmt mil der Länge des Rohres 14 zu, jedoch, wegen der i.ι In)IiUiIg der Zahl der Reflexionen, auf Kosien der Lichtausbeutc. Bei einer Länge zwischen 11 und 12 mm ist noch ein gewisser Einfluß der Lageschwankungen des Lichtbogens in der Blitzlampe 11 auf die Reproduzicrbarkcil der Messungen zu beobachten, obwohl bei einer Länge von 11 mm bereits eine beträchtliche Verbesserung der Reproduzierbarkeit gegenüber den ohne Rohr 14 erhaltenen Werten dieses Parameters festgestellt werden kann.

Bei der Durchführung von Versuchen zur Ermittlung der Reproduzierbarkeit mit einem Rohr 14 von 33 mm Länge und 1,5 mm Durchmesser sowie mit einem Rohr gleicher Länge, jedoch mit quadratischem Querschnitt von 1,5· 1,5 mm, wurden verschiedene Lampen und Uimpen-Typen verwendet. Für diese Versuche wurde die Küvette 22 durch ein Filter ersetzt, dessen dekadischer Exlinktionsfaktor sich bei einer Änderung der Wellenlänge um 10 nm zwischen 0,4 und 2 veränderte.

Für die Änderung des dekadischen Extinktionsfaktors wurden die nachstehend angegebenen Standardabweichungen erhallen:

ohne Rohr
υ = 2

10-^J bis 4 ■ 10 ■ '

mit Rohr
id a = 3 · 10-" bis 5 ■ 10'

Diese Ergebnisse zeigen in eindrucksvoller Weise die Verbesserung der Reproduzierbarkeit, die durch die Anordnung des Rohres 14 vor der Eintrittsblende des

ι¹; Monochromator 16 erzielt wird.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen des Rohres 14 besteht darin, zwei Halbzylinder 111 und 112 (F i g. 8) aufeinanderzusetzen, auf deren Innenwände eine reflektierende Schicht 113 aufgedampft worden ist, beispielsweise eine Aluminiumschicht mit einer Schutzschicht aus Magnesiumfluorid. Der Werkstoff der Halbzylinder 111 und 112 kann Glas. Metall oder auch geformter Kunststoff sein. Das Rohr 14 läßt sich somit zu einem mäßigen Gestehungspreis herstellen und kann eine akzeptable Lebensdauer aufweisen.

Um eine Beschädigung der Wände des Rohres 14 zu verhindern, dient die Fokussierlinse 13 (F i g. 1) als Verschlußteil für die Eintrittsseite des Rohres 14. Bei Bedarf kann am Ausgang des Rohres 14 eine Quarzplatte oder

jo eine Linse mit kurzer Brennweite angeordnet sein, die auf den Gitter-Monochromator 16 einen Abschnitt aus dem Innern des Rohres 14, in dem der Lichtstrahl stabilisiert ist, abbildet.
Das Rohr 14 stellt eine sehr gute Lösung zur Verbes-

j5 serung der Reproduzierbarkeit eines Spektralphotometers in allen denkbaren Betriebszuständen dar. insbesondere bei hohem dekadischem Extinktionsfaktor und außerhalb der maximalen Extinktion der Meßprobe. Ferner sind dank dieses Rohres 14 die Annahmekriterien für Blitzlampen hinsichtlich der räumlichen Stabilität ihres Lichtbogens weniger streng.

Das Rohr 14 des Lichtstrahl-Stabilisators läßt sich auch mit anderen Mitteln verwirklichen, beispielsweise unter Verwendung eines massiven Zylinders 14' aus Quarz, bei dem die Lichtstrahlen durch Totalreflexion an den Wänden dieses Zylinders vermischt werden (s. F i g. 7), oder auch mit einem Bündel verflochtener optischer Fasern.

Die Funktion des Lichtstrahl-Stabilisators im Spektralphotometcr ergibt sich ohne weiteres aus der Betrachtung der Schwierigkeiten, die bei einer in Fig.9 uargesieiiicn Anordnung auftreten, die einen solchen Stabilisator nicht aufweist, d. h. bei einer Anordnung, bei der der von der Lampe erzeugte Blitz auf die Eintrittsblende des Gitter-Monochromators direkt abgebildet wird. Eine solche Anordnung ist in Fig.9 schematisch dargestellt. Der Lichtbogen in der Blitzlampe H wird durch die Linse 13 auf die Eintrittsblende 93 des Monochromators abgebildet. Dieses Bild hat eine bestimmte Verteilung der Lichtintensität IL, deren Profil sich zwischen zwei Blitzen nach der Lage des Lichtbogens ändert (Fig. 10a. 10b, lla, lib). Fig. 10a und 10b zeigen die Änderung dieser Verteilung zwischen einem ersten Blitz (Fig. 10a) und dem folgenden Blitz (Fig. 10b) in der Beugungsebene ZOK Fi g. 1 la und 11b zeigen die Änderung dieser Verteilung zwischen einem ersten Blitz (Fig. 11a) und dem folgenden Blitz (Fig. 11b) in einer zur Beugungsebene rechtwinkligen Ebene ZOX. Aus

29 Ol 738

ίο

der Betrachtung der Änderungen dieser Verteilung in der Beugungsebene ZOY, die durch die Mittelpunkte der Eintritts- und Austrittsspalte und des Gitters geht, ergibt sich, daß der mittlere Winkel der aus diesem Spalt austretenden und auf das Gitter auffallenden Strahlen sich mit den Veränderungen der Lichtstärkeverteilung an diesem Spalt ändert. Da die Wellenlänge des auf den Austrittsspalt fallenden Lichtstrahls vom Einfallswinkel der Strahlen abhängig ist, ergibt sich eine Änderung der gewählten mittleren Wellenlänge. Dies wirkt sich als schlechte Reproduzierbarkeit aus, wenn sich die Absorption der Probe oder die Empfindlichkeit der Empfänger mit der Wellenlänge ändert. Im übrigen führen in der zur Beugungsebene ZOY rechtwinkligen Ebene ZOX die Lageänderungen des Lichtbogens zwischen zwei Blitzen ebenfalls zu einer Änderung der mittleren Position des Lichtstrahlwinkels, wodurch am plattenförmigen Teiler 17 der Einfallswinkel geändert wird. Die Fresnelschen Gesetze über die Schrägreflexion zeigen, daß der Reflexionskoeffizient vom Einfallswinkel und von der Polarisation des Lichtes abhängig ist. Eine Änderung des Einfallswinkels ruft eine Änderung des Reflexionskoeffizienten hervor und beeinflußt somit die Reproduzierbarkeit der Messungen. Zur Verdeutlichung dieser Änderungen sei eine Versetzung der mittleren Position der Lichtverteilung am Eintrittsspalt um 0.1 mm angenommen, was bei einem mittleren Einfallswinkel von 45 Grad in einem Monochromator von 100 mm Brennweite einer Winkeländerung von 5,9 · 10~² Grad entspricht. Diese Winkeländerung ruft eine Änderung von etwa 2%o des Verhältnisses des vom Teiler 17 reflektierten Lichtes zum durchgelasscnen Licht hervor.

Außerdem kann in allen Medien, die von den Lichtstrahlen erfaßt werden, sei es vom Meßstrahl oder vom Vergleichsstrahl, die Transmission räumliche Unregelmäßigkeiten aufweisen, beispielsweise Spuren, hervorgerufen durch Staubteilchen oder andere Verunreinigungen. In einem solchen Fall wird die Reproduzierbarkeit durch Änderungen der räumlichen Verteilung der Strahlintensität zwischen zwei Blitzen ebenfalls beeinträchtigt. Die Änderungen der räumlichen Empfindlichkeit der Empfänger haben ebenfalls eine ähnliche Wirkung zur Folge.

Der verwendete Monochromator weist ein holographisches konkaves Gitter 16 auf. das die folgenden Merkmale aufweist:

— Abmessungen des Trägers 32 · 32 mm

— Nutzfläche 30 · 30 mm

— Anzahl der Furchen je mm 1800

— Krümmungsradius 99.96 mm

— Winkel zwischen den Schenkeln 42°

— Abstand Eintrittsspalt-Gitter 95,8 mm

— Abstand Gitter-Austrittsspalt 98,8 mm

Das Gitter 16 ist astigmatisch korrigiert für 290 und 600 ran, der Astigmatismus bleibt jedoch außerhalb dieser Wellenlängen gering.

Im Innern des Monochromator sind Ablenk- bzw. Abdeckorgane, wie das Abdeckorgang 15 (Fig. 1 und 6), angeordnet, die eine Minderung des Streulichts, hervorgerufen durch Reflexionen und Streuungen an den Wänden des Monochromators. erlauben. Die Schrägstellung dieser Abdeckorgane ist so gewählt, daß das von den Wänden des Monochromators nicht absorbierte Licht in solche Richtungen reflektiert wird, daß es nicht mehr auf den Austriitsspnlt fallen kann. Diese Anordnung ist somit von den herkömmlichen Anordnungen verschieden, wo die Wände des Monochromator rechtwinklig zur Beugungsebene ungeordnet sind und deshalb das nichtabsorbicrtc Licht in Richtungen rcflek-

^r> ticrt wird, in denen es auf d;is Gitter zurückfallen und dann durch den Aiistriltsspalt hindurchlretcn k;inn. Dies irifft insbesondere für die nullte Beugungsordnung hei Anordnungen in gedrängter Bauweise zu. Ohne die vor stehend erwähnten Abdcckorganc wäre das durch die

in nullte Beugiingsordnung bedingte Streulicht ebenso groß wie das dem Ciitlcr eigene Streulicht in der verwirklichten Anordnung.

Der in Pig. 1 dargestellte plattcnförmigc Strahlenteiler 17 ist eine Platte aus Quarz mit geringer Dicke von beispielsweise etwa 0,2 mm. Der Teiler 17 trennt deti vom Monochromator kommenden Strahl in einen ersten Strahl, der den Teiler 17 und die Meßprobe b/.w. Küvette 22 durchdringt, und in einen zweiten, vom Teiler 17 reflektierten Strahl auf, der an der Photodiode 18 auftrifft, die ein der Intensität des /.weiten Strahls entsprechendes Verglcichssignal erzeugt. Diese physische Unterteilung des vom Monochromator kommenden Strahls erlaubt es, die Schwankungen der je Blitz emittierten Energie auszugleichen. Diese Schwankungen haben keinen Einfluß auf die Ergebnisse der spekiralphotomctrischen Messung, da diese ausgehend vom Energieverhältnis zwischen dem aus der Probe austretenden Strahl und dem an der Photodiode 18 aufireffcndcn Strahl errechnet werden.

JO Wie weiter oben im Zusammenhang mit der Beschreibung der Arbeitsweise des optischen Elements lür den Strahl am Eintrittsspall des Monochromators lft erwähnt, führen die Änderungen der Lichtbogenposilion zwischen zwei Blitzen zu einer Änderung des l-infalls-

J5 winkcls am Teiler 17 und dadurch /u einer Änderung dessen Rcflexionskoeffi/.ienten. Die Änderung des Reflexionskoeffizientcn hat ihrerseits F.influß auf die Reproduzierbarkeit der Messungen, lim die Änderungen des Reflexionskocffizientcn des Teilers 17 so klein wie möglich zu halten, ist es von Vorteil, wenn der Teiler 17 senkrecht zur Beugungscbene und mit einem möglichst kleinen Einfallswinkel angeordnet ist. denn die Änderungen des Reflcxionskoeffizienten des Teilers 17 sind bei kleinen Einfallswinkeln geringfügig. Um für den

Vi plattenförmigen Teiler 17 einen kleinen Einfallswinkel zwischen beispielsweise 10 und 25 Grad, vorzugsweise von etwa 14 Grad zu erzielen, unter Beibehaltung einer einfachen optischen Anordnung, ist der Teiler 17 im Innern des Monochromators im Strahlengang des vom holographishen Giltcr-Monochromator 16 zum Ausgangsspalt 94 (F i g. 6) des Monochromators konvergierenden Lichtstrahles angeordnet. Damit läßt sich ein konvergierender Verglcichsstrahl erzielen, der an einem zum Auslriltsspall 94 reziproken Spalt und dann direkt an der Vergleichsphotodiode 18 auftrifft.

Die Linsen 19 und 21 bilden das Gilter des Monochromators 16 auf das Einlrittsfcnstcr der Küvette 22 und den Austrittsspalt 94 des Monochromators 16 auf das Austrittsfenster der Küvette 22 ab. Diese Konfiguration

to gestattet die optimale Ausnutzung des Lichtstromes.

Die der Probe nachgcschaltcten Filter 24 für die Trennung der Beugungsordnungen sind Bandpaßfiltcr aus gefärbtem Glas, die dazu dienen, das durch die Fluoreszenz bestimmter Proben bedingte Licht und das sich

b5 aus höheren Bcugungsordnungen ergebende Licht auszusondern und das Streu- bzw. Falschlicht zu mildern.

Der die Probe durchdringende Lichtsirom wird schließlich auf die Photodiode 25 fokussiert, die ein sei-

29 Ol

nor Intensität entsprechendes Signal erzeugt.

Dor von jeder der Phoiodiodcn 18 und 25 gelieferte Phoiosirom wird für jeden Lichtimpuls integriert, und die sich ergebenden Signale werden mich analog-digitaler Lnisetzung von einem Mikroprozessor verarbeitet.

Die beschriebene Lösung ist für Rotalionsanalysatoicn besonders geeignet; sie hai einen einfachen optischen Aufbau mil einer geringen Anzahl von Bauteilen. Wegen der sehr kurzen Dauer des Witzes, nämlich 2.3 (is, sind wahrend der Fortbewegung der Probe die Randcffekie (Leitung des Lichtes durch die Wände der küvette 22) vermieden.

Das Prinzipschaltbild der Fi g. 5 verdeutlicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Speklralphoiomciers 61 (s. I ig. 1) in einem Rotalionsanalysator mil einem Rotor 62, an dem die in F i g. 1 dargesicHien, die Proben enthüllenden Küvcllcn 22 angeordnet sind. Die Drehrichtung des Rotors 62 während der spekiralphoiomeirischen Messungen ist mit einem Pfeil 74 angegeben. Fin programmierbares Versorgungsgerät 64 speist die Blii/Iampe 11 des Spektralphotometcrs 61. Die Steuerung der gesamten Anordnung und die Frreehnung der Extinktion erfolgen mit einem Mikroprozessor 66, der die vorzunehmenden Messungen auslöst, sobald sich die gewählte Probe exakt in der Achse des Lichtstrahls befindet. Diese Stellung ist mittels eines optischen Stellungsabtastcrs 65 crmittelbar, der Markierungen am Rotor 62 erfaßt. Das Signal, das dem von der Photodiode 25 (Fig. 1) aufgefangenen Lichtstrahl entspricht, d. h. dem von der Probe in der küvette 22 durchgelassenen Strahl, wird in einer Integrierschaltung 67 integriert. Kino weitere Integrierschaltung 68 integriert das Signal, d=(s dem von der Photodiode 18(Fi g. 1) aufgefangenen Lichtstrahl entspricht, d.h. dem Vcrglcichsslrahl. Das Ausgangssignal der Intcgrierschaltung 67 wird von einem Verstärker 69 mit selbstregelnder Verstärkung verstärkt, der an den Mikroprozessor 66 angeschlossen ist. Fine Multiplexerschallung 71 verbindet abwechselnd die Ausgänge der Inlegrierschyltung 68 (Vcrgleichssigiiiil) und des Verstärkers 69 (Meßsignal) mit einem Analog-Digital-Umsetzer 72, der die ihm zugeführien analogen Signale umformt und sie in digitaler Form an den Mikroprozessor 66 weiterleitet. Mittels des Verstärkers 69 verfügt der Mcßsignalkanal über eine automatische Anpassung der Verstärkung in Abhängigkeit von der Abschwächung des Signals, so daß der für die Auflösung beste Bereich des Umsetzers 72 benutzt wird. Außerdem wird die Spannungshöhe des einfallenden Signals oder des durchgelassenen Signals im Hinblick auf die optimale Ausnutzung des Umsetzers 72 in Abhängigkeil von der Wellenlänge durch Ändern der Speisespannung des Vcrsorgungsgcrätcs 64 für die Blitzlampe Il eingestellt; diese Ein- bzw. Nachstellung wird ebenfalls vom Mikroprozessor 66 gesteuert.

Der Mikroprozessor 66 führt alle Berechnungen durch, z. B. die Berechnungen zur Bestimmung der Transmission, des dekadischen Extinktionsfaktors, des Mittelwertes von mehreren Meßpunkten, der konzentration; er sendet die den Berechnungsergebnissen entsprechenden Signale einem Anzeige- und/oder Aufzeichnungsgerät 73.

Die Zwcistrahl-Spektralphotometer erlauben es, die Intensitätsschwankungen der Lichtquelle und auch die unerwünschten Abweichungen der pholometrischen Merkmale der Probe auszugleichen, z. B. die zeitlichen Änderungen des dekadischen Extinktionsfaktors des Reagens bei bestimmten Analysen der klinischen Chemie. Hierbei werden die Messungen gegen eine Vergleichsprobe vorgenommen, welche dieselbe Abweichung wie die Meßprobe aufweist- Unter den Zweistrahl-Spektralphotomctern sind wenige, die zwei physisch voneinander getrennte Strahlen aufweisen, die ι gleichzeitig ein Vergleichs- und ein Meßsignal liefern, da die entsprechenden Hinrichtungen wegen des verwikkelien Aufbaus des optischen Teils und des doppelten photoelektrischen Empfangssysiems» relativ teuer sind. Häufiger werden Spektralphotometer angetroffen, bei κι denen die Messungen der Vergleichsprobe und der Meßprobc nacheinander unter Verwendung einer mechanischen Umlegevorrichtung vorgenommen werden, wobei letztere entweder den Lichtstrahl von einer Probe auf die andere umlegt oder die Proben in den Strahls lcngang ein und desselben Strahls verbringt. Diese Lösung weist meistens ein einziges Empfangssystem auf und erlaubt nicht, die lntensitätss.chwankungen der Lichtquelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen auszugleichen.

Die Verwendung einer Blitzlampe macht zwar ein System mit zwei photoelektrischen Empfängern erforderlich, erlaubt dagegen jedoch die Verwendung von billig herzustellenden Silicium-Photodioden, deren photometrisches Verhalten hinsichtlich des Rauschabstandes zufriedenstellend ist.

Das erfindungsgemäße Spektralphotometer gleicht bei Rotationsanalysatoren die unerwünschten photometrischen Abweichungen durch Umschalten zwischen den Vergleichs- und Meßproben aus, wobei sich diese jo Umschaltung daraus ergibt, daß das Spektralphotometcr, wenn sich der Rolor dreht. Signale erzeugt, die für die Absorption sowohl in den Meßproben als auch in wenigstens einer Vcrgleichsprobe repräsentativ sind, die zwischen den Meßproben am Rotor angeordnet ist. !5 Die vorstehend beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektralphotometers ist besonders für Schnellanalysator·!! vom Drehküvettentyp geeignet; sie ist jedoch gemäß Fig.4 abwandelbar, um ein allgemeiner verwendbares Zweistrahl-Spektralphotometer zu erhalten, das Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen aufweist.

Fig.4 zeigt die abgewandelte Ausführungsform eines Zweisirahl-Spektralphotometers, das keine bewegliche mechanische Bauteile aufweist. Die Aufteilung des ausgesonderten Strahls in zwei Meßstrahlen geschieht auf statischem Wege. In den Strahlengang jedes der beiden Strahlen kann eine Probe angeordnet werden. In diesem Falle werden Strahlen von ungefähr gleicher Intensität angestrebt. Hierfür wird an der Platte 51 aus Quarz ein Ronchi-Gitter mit einer Teilung zwischen 0,3 und 1 mm angeordnet. Dieses Gitter zeichnet sich durch

V.IIIUII I V.gV,MIIUUI^t«l ti VI.IIJH Λ.*· IJVIIVIl l bllblMI^I V.I1UV.11 und transparenten Streifen aus. Wie beim zuerst beschriebenen Beispiel gelangt der die Platte 51 durchdringende Strahl durch einen Austrittsspalt und wird •dann mittels einer Linse 53 zu einem Lichtstrahl geformt, der eine Vergleichsprobe 54 und ein in Fig.4 nicht gezeichnetes Bandpaßfilter durchsetzt und an der Photodiode 25 auftrifft. Der von der Platte 51 reflektier-

bo te Strahl tritt nach Ablenkung durch einen Umlenkspiegel 52 durch einen Austrittsspalt hindurch und gelangt über eine Linse 55 zur Photodiode 18. In den Strahlengang dieses reflektierten Strahls lassen sich Meßproben 56 einsetzen.

b5 Die Erfindung schafft somit ein allgemein verwendbares Zweistrahl-Spektralphotometer ohne bewegliche mechanische Bauteile, das die sich aus der Verwendung einer Blitzlampe ergebenden Vorteile aufweist. Das

29 Ol

13

Spektralphotometer dient definitionsgemäß zum Messen der Transmission oder des dekadischen Extinktionsfaktors innerhalb eines gegebenen Spektralbereiches bei den verschiedensten Proben, beispielsweise zur Durchführung der üblichen Messungen der für Analysen der klinischen Chemie benutzten Lösungen bei feststehender Küvette.

Diese optischen Messungen können zur Ermittlung des dekadischen Extinktionsfaktors bei einigen vorbestimmten Wellenlängen oder auch zur Aufzeichnung des Durchlaßverhaltens der Probe über einem kontinuierlichen Spektralbereich dienen. Im letzteren Falle wird der Betrag des Verhältnisses der bei Abwesenheit einer Probe aufgefangenen Signale zuerst in einem Speicher des Mikroprozessors gespeichert Dies erlaubt es, das Grundrauschen exakt auszuscheiden und somit die Meßgenauigkeit zu erhöhen. Für die Wahl der Wellenlängen wird das Gitter dann mittels eines Motors verstellt.

Von den in der Beschreibungseinleitung schon erwähnten Vorteilen ist wichtig, daß das erfindungsgemäße Spektralphotometer, wie in Fig.6 dargestellt, von sehr gedrängter und raumsparender Bauweise ist. Außer den schon weiter oben in Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen Bauteile zeigt F i g. 6 ein Gehäuse 91, in dem ein Vorverstärker für das Signal angeordnet ist, das der Intensität des von der Probe durchgelassenen Lichtstromes entspricht, eine Wählvorrichtung 92 für die Filter 24 für die Trennung der Beugungsordnungen (s. Fig. 1), eine Platte 93 mit der Eintrittsblende des Monochromators 16, dessen Austrittsspalt an einer Platte 94 ausgebildet ist, ferner eine Einsielischraube 95 zum Regulieren der Position des Gehäuses 91, eine Achse 96 für die motorbetätigte Wahl der Wellenlängen, und ein Anschlußstück 97 zum Verbinden mit dem Versorgungsnetz, falls das Versorgungsgcräl 64 vom Netz gespeist wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

40

^r>0

tiO

Claims

29 Ol 738 Patentansprüche:

1. Spektralphotometer, insbesondere eines optischen Schnellanalysator? vom Drehküvettentyp, mit einer Blitzlampe, insbes. mit kleinerem Abstand der Zündelektrode zur Kathode als zur Anode, einem Monochromator,

einem diesem nachgeordneten optischen Strahlenteiler, insbes. eine dünne Quarzplatte,

von dem ein erster Lichtstrahl durch eine Meßprobe auf einen ersten Lichtempfänger

und ein zweiter Lichtstrahl unmittelbar auf einen zweiten Lichtempfänger geleitet wird,

und mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Extinktion der Meßprobe aus den Ausgangssignalen der beiden Lichtempfänger, dadurch gekennzeichnet,

daß der Monochromator als Gitter-Monochromator (16) ausgebildet ist und

daß zwischen Blitzlampe (11) und Gitter-Monochromator (16) ein optisches Element (12,13,14,14') zur Konstanthaltung der räumlichen Verteilung der Lichtintensität an der Eintrittsblende des Giuer-Monochromators angeordnet ist.

2. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein Rohr (14) mit reflektierenden Innenwänden zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen des von einem aus dem von der Blitzlampe (11) abgegebenen Blitzlicht gewonnen Lichtstrahls umfaßt.

3. Spektralphotometer nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein voller Quarzzylinder (14') ist.