DE3347603C2 - Spektrofotometer - Google Patents

Abstract

Spektrofotometrischer Detektor mit Fotodiodenanordnung, einer Lichtquelle, einer Probenzelle und einer Bezugszelle, die beide für Licht von der Lichtquelle erreichbar sind, mit einem Polychromator, einer Fotodiodenanordnung, einer Lichtauswahleinrichtung, damit die Fotodiodenanordnung Licht empfangen kann, welches von dem Polychromator nach dem Austritt aus der Probenzelle oder der Bezugsquelle getrennt worden ist, oder damit jeglicher Lichtempfang der Fotodiodenanordnung unterbrochen werden kann. Ferner mit einer Tast-Halte-Schaltungsanordnung, die mit dem Ausgang der Fotodiodenanordnung verbunden ist, einem Analog-Digital-Umsetzer, der mit dem Ausgang der Tast-Halte-Schaltungsanordnung verbunden ist, sowie einer digitalen Verarbeitungseinrichtung, die mit dem Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers verbunden ist, wobei die digitale Verarbeitungseinrichtung verwendet wird, ein Spektrum der Probe zu berechnen, wobei zwischen dem Probensignal, dem Bezugssignal und dem Dunkelsignal mittels Synchronisation mit der Lichtauswahleinrichtung unterschieden wird.

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Spektrofotometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Spektrofotometer ist aus der US-PS 43 57 673 bekannt. Mit einem solchen Spektrofotometer läßt sich eine Probe durch Simultanmessung breiter Wellenlängenbereiche gleichzeitig analysieren. Um den Anteil der auf die Probe zurückgehenden Auslöschung der durch die Probenzelle hindurchgehenden Lichtstrahlen ermitteln zu können und um auch die Einflüsse von Untergrundsignalen berücksichtigen zu können, ist es aus der genannten US-PS bekannt, separate Dunkel-, Bezugs- und Probenmessungen durchzuführen und die Werte in einer Recheneinheit miteinander zu verknüpfen. Unter Berücksichtigung dieser erfaßten Werte kann dann ein genaues Probensignal bzw. Probenspektrum errechnet werden.

Durchgeführt werden diese einzelnen Messungen dadurch, daß mit Hilfe einer Lichtauswahleinrichtung der von der Lichtquelle ausgehende Strahl wahlweise über die Bezugsquelle oder die Probenzelle zum Polychromator umgelenkt oder aber ganz ausgeblendet wird, um die Dunkelrate zu ermitteln.

Um die Meßgenauigkeit eines solchen spektrometrischen Detektors zu erhöhen, wird in der US-PS im wesentlichen eine Recheneinheit vorgeschlagen, die in der Lage is», aus einer Vielzahl von Messungen Mittelwerte und statistische Größen zu errechnen, so daß die Genauigkeit der Messung bis zu einem vorgebbaren Wert erreicht werden kann. Auf Verbesserungen mit Hilfe von konstruktiven Ausgestaltungen eines solchen Spektrofotometers geht diese US-PS nicht ein.
&psgr; 45 Ein weiteres Spektrofotometer mit einer Fotodiodenanordnung ist im "Journal of Chromatographie Science"

^ Vol. 14, April 1976, Seiten 195—200 beschrieben. Dieses Spektrofotometer mit Fotodiodenanordnung ist mit

!&igr;' einer Probenzelle, einer Bezugszelle, einer Fotodiodenmeßanordnung und einer Bezugsfotodiodenanordnung

|i entsprechend den zwei Zellen ausgerüstet. Da bei diesem Detektor der Ausgang der Meßphotodiodenanorci-

!■·'■ nung mit demjenigen der Bezugsfotodiodenanordnung verglichen wird, wird der Detektor nicht durch die

so Helligkeitsänderung der Lichtquelle beeinflußt. Jedoch tritt dabei das Problem auf, daß der Unterschied der Empfindlichkeit beider Fotodiodenanordnungen und die Eigenschaften des Dunkelsignals Fehler bewirken.

Aus der US-PS 43 05 663 ist ein Zweistrahlspektrofotometer bekannt, welches mit einer Lichtauswahleinrichtung und einem dieser zugeordneten Positionsdetektor mit Schlitzscheibe und Fotofühlern arbeitet. Bei diesem Spektrofotometer geht es darum, den Schrittschaltmotor im Monochromator, der das Gitter weiterdreht, mit dem Chopper zu koppeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit eines Detektors der eingangs genannten Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit einem Spektrofotometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit diesen Merkmalen verwendet die Erfindung einen Positionsdetektor, der bestimmte Positionen, die die

Arbeitsablauf in der Verarbeitungseinrichtung wird auf diese Art und Weise direkt mit der Position der Lichiauswahleinrichtung gekoppelt. Die Kopplung geschieht derart, daß immer dann, wenn durch Verdrehen der Lichtauswahleinrichtung der Strahlengang geändert wird, ein Signal an die Verarbeitungseinrichtung gegeben wird, die das Erreichen dieser Position anzeigt. Die Verarbeitungseinrichtung erkennt dann automatisch, ob es sich bei den in der Fotodiodenanordnung gespeicherten Signalen um die Dunkel-, die Bezugs- oder die Probensignale handelt. Da nun die Verarbeitungseinrichtung erfindungsgemäß nach Erhalt der Signale vom Positionsdetektor i■.· die Signale zwar ausliest, aber noch nicht für die Rechnung verwendet, sondern zunächst löscht, kann in einem

^: bestimmten Zeitabstand nach dem ersten Startsignal ein erneutes Startsignal von der Verarbeitungseinrichtung

erzeugt werden, welches nun erneut die inzwischen gespeicherten Werte in der Fotodiodenanordnung ausliest und dann im Gegensatz zu den jeweils ersten Zyklen für die Berechnung auswertet

Dies bringt eine Steigerung der Meßgenauigkeit insofern mit sich, als daß auf diese Art und Weise sichergestellt ist, daß in den Speichern jeweils nur diejenigen Signale enthalten sind, die in den jeweiligen Phasen (Probe-, Bezugs- oder Dunkelphase) erzeugt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Zur Spektralanalyse wird es bevorzugt, ein Spektrum mit einer Wellenlänge von 200 nm~699 nm zu erhalten und eine Lichtquelle vorzusehen, mit der Licht einer solchen Wellenlänge ausgesendet werden kann. Ferner kann, wenn 500 Fotodioden vorgesehen sind, jeder Fotodiode 1 nm innerhalb des Wellenlängenbereiches von 200 nm - 6S3 nm zugeordnet werden. Aus diesem Grund ist eine Fotodiodenanordnung wünschenswert, die aus &igr; &ogr; ungefähr 500 Fotodioden gebildet ist

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Rg. 1 eine Darstellung, die die Ausgestaltung eines optischen Systems bei einer beispielhaften Ausführungsform eines Spektrofotometers nach der Erfindung zeigt,

Fig. 2 eine Darstellung, die die Ausgestaltung des sich drehenden Positionsfeststellsystems des Sektorspiegels der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 ein Diagramm, welches die Ausbildung des Signalverarbeitungssystems der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zeigt, und

Fig. 4 ein Zeitdiagramm eines jeden Signals des in Fig. 3 gezeigten Signalverarbeitungssystems.

Das Bezugszeichen 1 in Fig. 1 bezeichnet ein optisches System bei der Ausführungsform des Spektrofotometers. Das Licht einer Deuteriumlampe 2 oder einer Wolframlampe 3, das durch einen Lichtquellen-Umschaltspiegel 4 ausgewählt worden ist, gelangt zu einem Lichtquellenspiegel 5, durch einen Schlitz 6 und wird von einem Sektorspiegel 7 und einem Torroidspiegel 8 reflektiert und geht durch eine Bezugsquelle 10 hindurch and wird erneut von dem Sektorspiegel 7 reflektiert Das Licht wird über einen Sammelspiegel 12 und einen flachen Spiegel 13 zu einem Konkavgitter 14 geführt, durch welches es aufgetrennt wird, bevor es von einer Fotodiodenanordnung 15 empfangen wird. Wenn jedoch ein ausgeschnittener Bereich 7a des Sektorspiegels 7 bei der Drehung des Sektorspiegels 7 in den Lichtweg 1 gelangt, wird das durch den Spalt 6 hindurchgegangene Licht nicht von dem Sektorspiegel 7 sondern von dem Torroidspiegel 9 reflektiert und kann durch eine Durchflußzelle 11 für die Probe hindurchgehen und wird dann über den Sammelspiegel 13 und das Konkavgitter 14 von der Fotodiodenanordnung 15 empfangen. Wenn der abgedunkelte Bereich Tb des Sektorspiegels 7 in den Lichtweg 1 bei einer weiteren Drehung des Sektorspiegels 7 gelangt, wird das durch den Spalt 6 hindurchgehende Licht von dem abgedunkelten Bereich Tb unterbrochen, so daß dieses Licht von der Fotodiodenanordnung 15 empfangen wird.

Die Fotodiodenanordnung 15 ist aus ungefähr 500 Fotodioden gebildet, die in etwa Wellenlängen von 200 nm bis 700 nm entspricht.

Mit dem Bezugszeichen 17 ist in Fig. 2 eine Schlitzscheibe bezeichnet, um die Drehposition des Sektorspiegels festzustellen. Die Schlitzscheibe 17 ist fest auf der Drehwelle 16 des Sektorspiegels befestigt und dreht sich zusammen mit dem Sektorspiegel 7. Wenn der abgedunkelte Bereich Tb des Sektorspiegels in den Lichtweg gelangt, erzeugt ein Fotofühler 18 durch eine Reflexionsmarke 17d, die an der Schlitzscheibe 17 befestigt ist, ein Ausgangssignal, wohingegen der Fotofühler 19 ein Ausgangssignal aufgrund eines Schlitzes 17a erzeugt. Wenn der reflektierende Bereich in den Lichtweg aufgrund der Drehung des Sektorspiegels 7 gelangt, erzeugt wegen des Schlitzes 176 nur der Fotofühler 19 ein Ausgangssignal. Ferner, wenn der ausgeschnittene Bereich 7a in den Lichtweg bei der Drehung des Sektorspiegels 7 tritt, erzeugt nur der Fotofühler 19 ein Ausgangssignal. Da das Ausgangssignal bei jeder halben Umdrehung des Sektorspiegels erhalten werden kann, wird die Drehposition des Sektorspiegels 7 festgestellt.

In Fig. 3 ist ein Signalverarbeitungsschaltkreis mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet. Die Fotodiodenanordnung 15 ist in einen Ausgangsschaltkreis 20 eingegliedert. Der Ausgangsschaltkreis 20 wird verwendet, um jedes Ausgangssignal der Fotodioden ei, ei... zu integrieren, und wenn das Startsignal SÄTeingegeben wird, wird von der Ausgangsklemme 20a synchron mit einem Taktsignal CK jeder integrierte Wert ausgegeben. Jeder der integrierten Werte wird nach der Ausgabe nacheinander gelöscht Das Taktsignal CK ist ein Impulssignal mit einer Frequenz von 100 &mgr;&bgr;&egr;&ogr; und wird von einem Oszillator 21 erzeugt. Ein Ausgangssignal £des Ausgangsschaltkreises 20 wird über einen Verstärker 22, eine Tast-Halte-Schaltung 23 und einen Analog-Digital-Umwandler 24 an einen Mikrocomputer 25 gegeben. Die Signale von den Fotofühlern 18 und 19 werden in den Mikrocomputer 25 eingegeben. Der Mikrocomputer gibt ein Antriebssignal zum Antreiben eines Motors 26 ab, der zum Drehen des Sektorspiegels 7 und der Schlitzscheibe 17 verwendet wird, sowie ein Ausgangssignal, wie das Startsignal SRTfür den Ausgabeschaltkreis 20.

Im folgenden wird die Betriebsweise beschrieben. Die Bedienungsperson leert die Bezugszelle 10 und läßt lediglich die Trägerflüssigkeit durch die Durchflußzelle 11 für die Probe fließen und gibt Befehle zur Untergrundbearbeit'jng ßf*an den Mikrocomputer 25.

Der Mikrocomputer 25 überwacht die Signale von den Fotofühlern 18 und 19, und wenn die Signale der Fotofühler 18,19 gleichzeitig auf EIN sind, wie es Fig. 4 zeigt, gibt er unmittelbar ein Startsignal SRTab. Als Ergebnis hiervon kann eine Reihe von Ausgangssignalen von d^em Ausgangsschaltkreis 20 der Fotodiodenanordnung 15 erhalten werden. Da diese Ausgangssignale jedoch integriert werden, bevor und nachdem der abgedunkelte Bereich Tb des Sektorspiegels 7 den Lichtweg 1 erreicht, sind jene als Daten uninteressant und werden somit nicht verwertet. Da die Frequenz des Taktsignals CK 100 &mgr;&bgr;&bgr;&udiagr; betrug und die Anzahl der Fotodioden ei, et... ungefähr 500 betrug, ist die Ausgabe einer Reihe von Ausgangssignalcn nach ungefähr 50 msec abgeschlossen. Um eine Freigabe zu schaffen, wird das Startsignal SÄ7"nach 60 msec erneut abgegeben.

Dadurch wird eine Reihe von Ausgangssignalen erneut zur Verfügung gestellt. Dieses sind die integrierten Werte für 60 msec in dem Zustand, in dem das Licht durch den abgedunkelten Bereich Tb unterbrochen worden ist, und werden daher als Daten D(to) des Dunkelsignals gespeichert. Während ungefähr 120 msec von der Abgabe des ersten Startsignals SÄT und bis zur Beendigung des Sammelns der zweiten Serie von Ausgangssignalen wird angenommen, daß die Abmessungen und die Drehgeschwindigkeit des abgedunkelten Bereiches Tb des Sektorspiegels so festgelegt worden sind, daß der abgedunkelte Bereich Tb die Lichtunterbrechung beibehält.

Der Mikrocomputer 25 überwacht weiterhin das Ausgangssignal des Fotofühlers 19 und gibt ein Startsignal

SRTab, unmittelbar nachdem das Signal EIN geworden ist, und läßt anschließend eine Reihe von Ausgangssi-

gnalen unberücksichtigt. 60 msec später gibt er erneut das Startsignal SRT ab und speichert eine Reihe von Ausgangssignalen dann als Daten R (to) des Bezugssignals. Der Grund dafür, daß die ersten Reihen von Ausgangssignalen unberücksichtigt gelassen werden, besteht darin, daß sie integrierte Werte von der Zeit enthalten, wenn der abgedunkelte Bereich Tb über den Lichtweg 1 ist, und somit sind diese Werte wenig brauchbar. Es sei angenommen, daß die Abmessungen und die Drehgeschwindigkeit des Spiegels des Sektor-

spiegeis 7 so festgelegt worden sind, daß sich der Spiegel während ungefähr i 20 msec in dem Lichtweg &iacgr;

befindet

Dann arbeitet der Mikrocomputer 25 in der gleichen Weise und erhält Daten S (to) des Abtastsignals, um sie zu speichern.

Ausgehend von den Daten D (to), R (to) und S (to) v/'ird die folgende Gleichung verwendet, um die Hintergrundlichtextinktion B (to) zu berechnen, die dann gespeichert wird. Jedoch wird die Berechnung bei Daten entsprechend der Wellenlänge A durchgeführt.

B (A, to) - log 1[R (A, to) -D(X, to) ]/[S(A, to) -D(X, to) ]}

Anschließend leert die Bedienungsperson die Bezugszelle 10 zu einer Zeit t und läßt die Probe durch die Strömungszelle 11 zum Abtasten fließen und gibt dann Befehle für den Meßvorgang an den Mikrocomputer 25.

Der Mikrocomputer 25 erhält in der gleichen Weise wie vorhergehend beschrieben das Dunkelsignal D (t), das Bezugssignal R(t) und das Abtastsignal S(t) und berechnet die Lichtextinktion A(t) gemäß der folgenden Gleichung. Jedoch wird die Berechnung zwischen Daten entsprechend der Wellenlänge X durchgeführt.

A(A,t) = \og\[R(X,t) - D(A,Oy[S(X,t) - D(X,t) - B(X,to)]}

Das auf diese Weise erhaltene A (X, t) wird als ein Spektrum gespeichert oder mit einer nichtdargestellten Aufzeichnungseinrichtung als ein Chromatogramm ausgegeben.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die Trägerflüssigkeit oder die Probe so angeordnet, daß sie wahlweise durch die Durchströmungszelle 11 für die Probe mittels eines von einem Mirkocomputer gesteuerten Umschaltventils fließen. Wenn der steuernde Mikrocomputer mit dem Umschaltventil die Trägerflüssigkeit auswählt, wird dieser so betrieben, daß er Befehle bezüglich der Untergrundverarbeitung ausgibt, und wenn der Mikrocomputer die Probe mittels des Umschaltventils auswählt, wird er so betrieben, daß er Befehle in bezug auf den Meßvorgang ausgibt, so daß der Betrieb vollständig automatisiert werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche

1. Spektrofotometer, mit einer Fotodiodenanordnung, mit einer Lichtquelle, mit einer Probenzelle und einer Bezugszelle, wobei das Licht aus der Lichtquelle wahlweise mittels Drehung einer Lichtauswahleinrichtung durch die Probenzelle oder die Bezugszelle hindurch über einen Polychromator auf die Fotodiodenanordnung lenkbar oder aber blockierbar ist, und mit einer digitalen Verarbeitungseinrichtung, die die erhaltenen Proben-, Bezugs- und Dunkelsignale der Fotodiodenanordnung zur Ermittlung eines Probenspektrurns auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtauswableinrichtung (7) ein Positionsdetektor mit einer Schlitzscheibe (17) und Fotofühlern (18, 19) zugeordnet ist, der an die Verarbeitungseinrichtung (25) &iacgr;&ogr; Positionssignale abgibt, die angeben, daß die Lichtauswahleinrichtung (7) eine Position erreicht hat, in der

eine Änderung des Lichtweges erfolgt, daß die Verarbeitungseinrichtung (25) über einen Analog-Digital-Wandler (24) und eine Tast- und Halteanordnung (23) mit einem Integrator (20) der Fotodiodenanordnung (15) verbunden ist, der die von den einzelnen Fotodioden empfangenen Lichtsignale speichert, daß die Verarbeitungseinrichtung (25) nach Erhalt von die Änderung des Lichtweges anzeigenden Positionssignalen ein erstes Startsignal zum Auslesen der integrierten Werte der Fotodioden und zum Löschen dieser

j Werte erzeugt und daß die Verarbeitur.gseinrichtung (25) nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach dem

ersten Startsignal ein zweites Startsignal zum Auslesen der erneut gespeicherten Lichtsignale erzeugt und diese zur Ermittlung des Probenspektrums heranzieht, wobei die bestimmte Zeit so gewählt ist, daß nach dem zweiten Startsignal jeweils nur Probensignale oder Bezugssignale oder Dunkelsignale ausgelesen

Kf 20 werden.

R'!

2. Spektrofotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiodenanordnung (15) unter

&psgr; Verwendung von 500 Fotodioden gebildet ist

f

3. Spektrofotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtauswahleinrichtung ein SeIc-

Pf; torspiegel (7) ist, der zwischen der Lichtquelle (2,3) und der Probenzelle (11) und zwischen der Lichtquelle

25 (2,3) und der Bezugsquelle (10) angeordnet ist