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Gernot Klaus Brück, Hermann-Pflaume-Str. 6, 5000 Köln 41
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und Dedo-Alexander Gadebusch, Ursula-Chor-Weg 8, 5000 Köln 71 Verfahren
zum Bestrahlen einer Meßprobe unter dem Brewsterwinkel Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Messen der Absorption einer Meßprobe, wobei mittels eines
Laserlichtstrahls eine Meßprobe durchstrahlt und das aus dieser austretende Licht
mittels eines Fotodetektors erfaßt wird. Dabei eignet sich dieses Verfahren insbesondere
zum Nachweis von Trübungen in flüssigen Proben, die z.B. durch Eiweißkörperkomplexe
bedingt sind. Ein genauer Nachweis von solchen Eiweißkörperkomplexen ist beispielsweise
in der Proteindiagnostik von Bedeutung.
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Aus der DE-OS 2 751 365 ist bereits ein Verfahren der vorstehenden
Art bekannt, wobei die Veränderung der Intensität des aus der Probe austretenden
Lichtstrahls gegenüber der Eintrittsintensität gemessen und dieser Meßwert mit einem
aus dem Lichtstrahl vor dem Probeneintritt gewonnenen Intensitätsreferenzwert verglichen
und der resultierende Wert als Ausgabesignal ausgegeben wird und nach dem Vergleichen
eine Quotientenbildung von Differenzwert und Referenzwert erfolgt und der daraus
resultierende Wert als Ausgabesignal ausgegeben wird. Dieses bekannte Verfahren
zeichnet sich
durch eine große Empfindlichkeit aus, so daß bereits
geringste Trübungen erfaßt werden können. Jedoch hat es sich herausgestellt, daß
insbesondere bei gewissen Immunreaktionen der Empfindlichkeitsgrad der mit diesem
Verfahren betriebenen Meßvorrichtung unter Umständen nicht ausreichen kann, so daß
es wünschenswert wäre, die Empfindlichkeit noch zu steigern.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Meßprobenvorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, insbesondere die Verluste,
die durch das Eintreten des Meßstrahls von einem Medium in ein anderes entstehen,
zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Laserstrahl unter
dem Brewsterwinkel auf die Meßprobe geleitet wird. Dabei beruht das erfindungsgemäße
Verfahren auf der Verwendung von linearpolarisiertem Licht, dessen elektrischer
Vektor in der ginfallsebene schwingt.
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Fällt derartig linearpolarisiertes Licht unter dem Brewsterwinkel
auf eine lichtdurchlässige Platte, so geht das Licht ungeschwächt durch die Platte
hindurch. Dabei berechnet sich der mit oC benannte Brewsterwinkel aus der Beziehung
Hierbei ist n0 der Brechungsindexldes Mediums, aus dem der Meßstrahl auf die Trennfläche
fällt, und n1 de Brechungsindex des Trennflächenmaterials. Dadurch steht der reflektierte
Strahl senkrecht auf dem gebrochenen Strahl, hierbei wird die reflektierte Intensität
Null.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, wenn der
Meßstrahl
an jener Trennfläche von einem Medium zum anderen unter dem Brewsterwinkel auf die
Trennfläche fällt. Somit wird erfindungsgemäß ein nahezu verlustloser Durchgang
des Meßstrahls durch die Wandungen der Meßprobe gewährleistet, so daß die mittels
des Verfahrens erfaßten Verluste ausschließlich aus dem Probenmedium selbst resultieren
können. Hierdurch wird nicht nur die Empfindlichkeit des Verfahrens gesteigert,
soNdern auch gewährleistet, daß das Meßergebnis ausschließlich eine Aussage Uber
die Eigenschaften des Probeninhalts macht und nicht auch sonstige Störgrößen beinhaltet.
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Erfindungsgemäß kann eine Empfindlichkeitssteigerung des Verfahrens
dadurch noch erreicht werden, daß der Laserstrahl die Meßprobe mindestens insgesamt
dreimal in und gegen die Strahlungsrichtung durchläuft, indem der Meßstrahl beim
Durchlaufen der Meßprobe mindestens einmal am Austritts- und einmal am Eintrittsende
derselben total reflektiert wird. Dabei beruht die Erfindung auf der Erkenntnis,
daß eine Empfindlichkeitssteigerung dadurch erreicht werden kann, daß möglichst
viele-Partikel innerhalb des Probenvolumens vom Meßstrahl getroffen werden; denn
die Streuverluste der Meßprobe sind proportional dem Produkt aus der Anzahl der
Streuteilchen in der Probe und dem Quadrat aus dem Streuteilchenvolumen. Da das
Streuteilchenvolumen selbst unveränderbar vorgegeben ist und da eine Intensitätserhohung
des Meßstrahls selbst die Verwendung eines stärkeren Lasers bedingen wUrde, was
kostenaufwendig wäre, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren, ohne die Leistung
des Lasers zu verändern, eine Erhöhung der Streuverluste erreicht werden; denn indem
der Meßweg verlängert wird, wird auch die Anzahl der vom Laserstrahl getroffenen
Teilchen erhöht, so daß sich insgesamt eine Erhöhung der Streuverluste einstellt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Meßprobenvorrichtung,
bestehend aus einer Küvette zur Aufnahme der Probenflüssigkeit und einer Küvettenhalterung,
bei der erfindungsgemäß die äuRere Wandfläche der Eintrittswand der Küvette mit
dem Strahlengang innerhalb der Meßprobe einen Winkel von SOO - oC einschließt, wobei
& der Brewsterwinkel ist, der von dem Strahlengang und dem Einfallslot auf die
Wandfläche gebildet wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den Unteranspruchen 6 bis 13 enthalten.
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Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen enthaltenen Ausführungsbeispiele
wird die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipansicht im Schnitt einer erfindungsgemäßen
Küvette mit eingezeichnetem Strahl enverl auf, Fig. 2 eine Prinzipansicht im Querschnitt
einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung mit eingezeichnetem
Strahl enverl auf, Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsformen im Querschnitt einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit eingezeichnetem Stranlenverlauf.
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In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Küvette 1 im Querschnitt dargestellt,
die in dem Strahlengang X-X eines nicht dargestellten Lasers angeordnet ist. Der
Lasermeßstrahl ißt linearpolarisiert und besteht aus parallelen, eng gebündelten
Strahlen, wobei ein Strahlendurch-
messer von ca.l mm vorhanden
ist. Die Küvette 1 besitzt eine Eintrittswand 2 und eine Austrittswand 3. Zwischen
diesen beiden Wänden befindet sich der Küvettenhohlraum 4, der von einer Probenflüssigkeit
ausgefüllt werden kann. Die Küvette 1 ist nun derart in dem Strahlengang X-X angeordnet,
daß der Einfallswinkel ot in bezug auf ein Einfallslot 5 auf die Eintrittsgrenzfläche
6 der Eintrittswand 2 dem jeweiligen Brewsterwinkel entspricht.
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Der Brewsterwinkel beträgt beispielsweise bei Glas 570 und ist derjenige
Winkel, bei dem keine Reflexion des Meßstrahls an der Eintrittsgrenzfläche auftrifft,
so daß der Lichtstrahl ungeschwächt eintritt, wobei Voraussetzung ist, daß der elektrische
Vektor des Lichtes in der Einfallsebene schwingt. Allgemein bestimmt sich der Brewsterwinkel
da aus der Beziehung tgoO = 1 n0 wobei n0 der Brechungsindex des Mediums ist, aus
dem der Strahl auf die Grenzfläche fällt, und nl der Brechungsindex des Mediums
ist, in das der Strahl eintritt. Nun ist die Wand der Küvette erfindungsgemäß im
Querschnitt dreieckförmig ausgebildet, wobei der Winkel P ,der von der Eintrittsgrenzfläche
6 und der Austrittsgrenzfläche der Eintrittswand 2 eingeschlossen wird, derart bemessen
ist, daß der durch die Wand verlaufende Meßstrahl auf die Austrittsgrenzfläche 7
unter dem Brewsterwinkel auftritt. Der Winkel f berechnet sich aus der Beziehung
d- /L, Hierbei ist t der zweite Brewsterwinkel an der Austrittsgrenzfläche und P
der Winkel, unter dem der in die Wand eintretende Meßstrahl zum Einfallslot hin
gebrochen wird. Der Winkel g ergibt sich aus der Beziehung
n2 tgγ
= n1 n1 Hierbei ist nl der Brechungsindex des Wandmaterials und n2 der Brechungsindex
des Probeninhalts.
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Der Winkel & errechnet sich aus der Beziehung
Hierbei ist CL der erste Brewsterwinkel an der Eintrittsgrenzfläche und n0 der Brechungsindex
der Probenumgebung, beispielsweise Luft.
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In Fig. 1 ist die Küvette selbst im Querschnitt und im Längsschnitt
rechteckig ausgeführt,und der Brewsterwinkel als Einfallswinkel wird durch entsprechendes
Justieren der Küvette in einer nicht eingezeichneten Halterung erreicht.
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Die Ausbildung der Austrittswand 3 der Küvette entspricht derjenigen
der Eintrittswand 2, jedoch um 1800 gedreht.
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Dadurch wird erreicht, daß auch beim Austreten des Meßstrahls aus
der Probe Jeweils an den Grenzflächen der Meßstrahl auf diese unter dem Brewsterwinkel
auftrifft.
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In Fig. 2 ist die Küvette 1 selbst auf einer horizontalen Auflage
angeordnet, die nicht eingezeichnet ist, so daß ein Einjustieren nicht erforderlich
ist. Um den Brewsterwinkel als Einfallswinkel zu erreichen, ist die Eintrittsgrenzfläche
6 entsprechend geneigt ausgebildet und parallel zu dieser die Austrittsgrenzflache
10 der
Austrittswand 3, die die Eintrittsgrenzfläche 11 besitzt.
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Im übrigen berechnet sich der Brewsterwinkel M und der von den jeweiligen
Eintritts- und Austrittsgrenzflächen eingeschlossene Winkel P nach den zu Fig. 1
angegebenen Beziehungen. Nun zeigt Fig. 2 eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung,
wodurch erreicht wird, daß der Meßstrahl X-X die Küvette 1 mehrmals durchläuft.
Hierdurch kann die Empfindlichkeit des Meßverfahrens erhöht werden, da die Anzahl
der vom Meßstrahl getroffenen Partikel in der Probe erhöht wird. Der Mehrfachdurchgang
wird dadurch erzielt, daß vor und hinter der Küvette 1 jeweils ein planparalleler
Interferenzspiegel 12 angeordnet ist. Die Interferenzspiegel sind zweckmäßigerweise
für eine Wellenlänge von 632,8 nm ausgelegt und besitzen einen Reflexionsanteil
von ca.
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99,9 % und besser. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Interferenzspiegel
12 derart angeordnet, daß der Strahl einer seits unterhalb des in Strahlenrichtung
vor der Küvette 1 liegenden Spiegels auf die Küvette auftrifft, und andererseits,
daß auch eine Reflexion an der Jeweilig gegenüberliegenden Spiegelfläche in einer
von der Einfallsrichtung abweichenden Richtung erfolgt. Hierzu ist der in Strahlungsrichtung
hinter der Küvette angeordnete Spiegel 12 zweckmäßigerweise leicht schräg zur Strahlungsrichtung
gestellt. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Anzahl der Strahlendurchgänge
beschränkt, und zwar erstens durch die wenn auch nur geringen Spiegelverluste und
sweltens durch Verluste, die dadurch auftreten, daß durch die Schrägstellung des
zweiten Spiegels bei den dem ersten Strahlendurchgang folgenden DurchgKngen der
Brewsterwlnkel nicht mehr exakt eingehalten wird. Wie in Fig. 2 dargestellt, fällt
der Meßstrahl nach dem Durchgang durch die Küvette in ein KugelfOtometer 13, eine
sogenannte Ulbrichtsche-Kugels tn fgp ein totodetektor 14 angeordnet ist. so daß
die
Intensität des die Küvette verlassenden Meßstrahls gemessen
werden kann und die Streuverluste erfaßt werden können.
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In Fig. 3 ist eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gezeigt. Die KUvette 1 besteht aus einem langgestreckten Hohlkörper,
der einen runden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen kann. Durch die langgestreckte
rohrförmige Ausbildung wird bezweckt, daß das durchstrahlte Probenvolumen eine große
Ausdehnung in Richtung des Meßstrahls besitzt, so daß bei einem Strahlendurchgang
eine große Anzahl von Partikeln des Probeninhalts vom Meßstrahl getroffen werden
kann, wodurch die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht wird.
Um die Empfindlichkeit des Meßverfahrens durch mehrere Strahlendurchgänge weiterhin
zu erhöhen, sind - wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 -gegenüberliegende planparallele
Interferenzspiegel 15 vorgesehen. Diese Interferenzspiegel sind Jedoch nicht außerhalb,
sondern innerhalb der Küvette angeordnet.
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Dabei befinden sich die Interferenzspiegel 15 an den Innenseiten der
Eintritts- bzw. Austrittswand 2,3 Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Reflexion
an den Spiegeln innerhalb der Küvette erfolgt und somit Ubergangsverluste - wie
bei der Ausführung gemäß Fig. 2 - vermieden werden. Der Meßstrahl X-X tritt im dargestellten
Beispiel unterhalb des in Strahlenrichtung zuerst angeordneten Spiegels in die Küvette
1 ein, und zwar gemäß der Erfindung unter dem Jeweiligen Brewsterwinkel, wie dies
zu Fig. 1 erläutert ist, so daß die Küvettenwand 2 auch entsprechend Fig. 1 ausgebildet
ist. Das gleiche gilt entsprechend auch für den Durchtritt des Strahls in der Austritts-
wand
3 oberhalb des Interferenzspiegels 15. Nun ist aber die Küvette 1 zusätzlich derart
im Eintrittsbereich abgeschreckt oder zum Strahlengang X-X angeordnet, daß der in
den Innenraum eintretende und auf den am Austrittsende angeordnetenSpiegel 15 erstmals
auftretende Meßstrahl nicht auf den Spiegel am Austrittsende senkrecht, sondern
unter einem bestimmten spitzen Einfallswinkel auftrifft, so daß er auch unter einem
spitzen Winkel an dem am Eintritt sende angeordneten Spiegel reflektiert wird und
von diesem aus nach nochmaligem oder mehrmaligem Küvettendurchlauf durch den Austrittsbereich
17 austritt. Hierbei ist der Austrittsbereich 17 parallel zum Eintrittsbereich 16
ausgebildet.
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Eine Ablenkung des Strahls derart, daß er mehrfach dle Küvette 1 durch
Reflexion an den Spiegeln durchläuft, kann auch dadurch erreicht werden, daß die
Spiegel jeweils an einem Ende konvex ausgebildet sind, wie dies in Fig. 4 gezeigt
ist.
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Die Küvette 1 entspricht dabei der Ausführungform gemäß Fig. 2. Die
Anordnung von Interferenzspiegeln 20 erfolgt ebenfalls in der in Fig. 2 gezeigten
Weise, Jedoch sind die Interferenzspiegel 20 derart ausgestaltet, daß sie einendig
konvex gewölbt sind. Durch die konvexe Wölbung wird erreicht, daß der einfallende
Strahl X an dem gewölbten Ende des hinter der KUvette 1 liegenden Spiegels in einer
von der Einfallsrichtung abweichenden Richtung reflektiert wird, so daß er auch
am gegenüberliegenden Spiegel wieder unter einen spitzen Winkel zum Einfallslot
reflektiert wird. Auf diese Weise durchläuft der Strahl die KUvette 1 bis zu ihrem
oberen Ende. Dabei tritt er, bedingt durch die Reflexion an der konvexen
Wölbung
des vor der Küvette 1 liegenden Spiegels 20, an seinem oberen Ende aus der Küvette
1 parallel zum einfallenden Strahl aus. Die konvexen Wölbungen der beiden Spiegel
sind dabei untereinander gleich. Die Stärke der konvexen Wölbung bestimmt die Größe
des Reflexionswinkels und damit die Anzahl der Durchgänge des Strahls durch die
Küvette 1. Die konvexen Wölbungen können vorzugsweise derart ausgebildet sein, daß
zunächst eine große Ablenkung, d. h. ein großer Reflexionswinkel, vorhanden ist,
die dann immer enger bzw. der Winkel immer kleiner wird und dann wieder bis zum
Austritt entsprechend größer.
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