DE3502059A1

DE3502059A1 - Laserspektralfluorometer

Info

Publication number: DE3502059A1
Application number: DE19853502059
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. DDR 6900 Jena Biehler; Heinz DDR 1150 Berlin Drommert; Hartmut Dr.rer.nat. DDR 1185 Altglienicke Lucht; Wolfgang Dr.rer.nat. Nebe; Jutta Dr. DDR 6900 Jena Reichel
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1984-05-02
Filing date: 1985-01-23
Publication date: 1985-11-07
Also published as: GB2158231B; DD225205A1; GB2158231A; US4691110A; GB8508277D0

Description

IiaserspektraXfluorometer

Die Erfindung dient zur Messung von Lumineszenzlicht für die qualitative und quantitative Analyse von Stoffen.

Die zeitaufgelöste Lumineszenzspektroskopie beruht auf einer kurzzeitigen Anregung einer Probe mit Licht und einer zeitlich aufgelösten Messung des Abklingens der Lumineszenz, Da das Streulicht synchron zum anregenden Licht erscheint, die Lumineszenz jedoch in ' Abhängigkeit von der Probe mehr oder weniger deutlich verzögert erscheint, ermöglicht diese Methode, das Streulicht zu unterdrücken.

Darüber hinaus gestattet die zeitaufgelöste Messung der Lumineszenz, Informationen über den Luminophor in seinem ungebundenen Medium zu erhalten» Dies hat zunehmende Bedeutung in der Biologie, in der Hahrungsmittelwissenschaft, in der Pharmazie und Medizin« Die Lumineszenzlebensdauer eines Moleküls ist häufig ein genaueres Maß für den Wechsel in der molekularen Umgebung als die Emissionsintensität, da sie absolut geeicht werden kann. Beim Fehlen von bimolekularen Prozessen ist sie unabhängig von der Konzentration des Luminophors·

Für die zeitaufgelöste Lumineszenzmessung werden in zunehmendem Maße Impulslaser als Lichtquellen benutzt, die eine hohe Ausgangsleistung aufweisen*

Um im linearen Bereich der Probe arbeiten zu können oder um eine Überschreitung des Dynamikbereiches des Meßsystems auszuschließen, ist eine einstellbare Schwächung des Laserlichtes über mehrere Größenordnungen notwendig. Für einen großen Intensitätsbereich werden hierzu viele Filter benötigt, die nur eine stufenweise Abschwächung ermöglichen. Eine automatisierte Regelung der Lichtleistung in einem breiten Spektralbereich ist mit diesen Mitteln sehr aufwendig. Die Fokussierung des anregenden Laserlichtes auf die Probe ergibt einen feinen fadenförmigen Bereich in der Probe, der Lumineszenzlicht abstrahlt. Das im allgemeinen unter 90° zum Anregungsstrahlenbündel gemessene Lumineszenzlicht wird zur Erzielung einer hohen Uachweisempfindlichkeit mit großem Öffnungsverhältnis aus den Eintrittsspalt eines Emissionsmonochromators fokussiert. Werden unterschiedliche Küvetten benutzt oder Filter in den Lumineszenzstrahlengang eingeschaltet oder findet ein Kryostat zur Temperierung der Probe Anwendung, so verändert sich die optische Weglänge zum Eintrittsspalt,

Veränderungen im Strahlenausgang treten auf, wenn das im Monochromator verwendete Gitter außer in seiner 1. Ordnung auch in der 0, Ordnung verwendet werden soll, wie es für den Nachweis geringer Lumineszenzintensität günstig ist. Es entfällt ein Wechsel des Gitters gegen einen abbildenden Spiegel, aber die unterschiedlichen Brennweiten müssen ausgeglichen werden.

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Entsprechend erfordert eine gute Fokussierung des Lumineszenzlichtes auf den Eintrittsspalt des Emissionsmonochromator eine jeweils angepaßte optische Abbildung, was aufwendig ist, Bei einer Anordnung der Probe in die Eintrittsöffnung des Emissionsmonochromators, so daß der fadenförmige angeregte Bereich in der Probe den Eintrittsspalt ersetzt, entsteht bei Einsatz der o· g. Mittel ebenfalls eine Veränderung der optischen Weglänge zum Gitter oder zum Prisma und folglich eine Defokussierung am Austrittsspalt, Dies hat spektrale AuflösungsVerluste zur Folge.

Ferner ist für die Messung stark absorbierender Proben eine aufwendige Veränderung des Strahlenganges und der Abbildungsverhältnisse notwendig, da die Anregung der Probe und die Messung der Lumineszenz von der eelben Seite der Probe erfolgen muß und sich auch hier die optische Weglänge zum Eintrittsspalt des Monochrometors verändert.

Es ist das Ziel der Erfindung, die Empfindlichkeit und spektrale Auflösung bei der Lumineszenzmessung verschiedenartiger Proben und unter verschiedenen Meßbedingungen mit geringem Aufwand zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei veränderlicher Anregungsleistung im Spektralbereich der Anregungsquelle für unterschiedliche optische liege des von der Probe ausgehenden Lumineszenzlichtes angepaßte optische Abbildungsverhältnisse zu schaffen. Das wird bei einem Laserspektralphotometer mit einer im fokussierten Anregungsstrahlenbündel einer Laser-

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lichtquelle angeordneten Probe, von der ein Sekundärstrahlenbündel ausgeht, das einen Emissionsraono chroma tor oder --spektrographen mit nachfolgendem Empfängersystem beaufschlagt erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein der !«serlichtquelle im Anregungsstrahlenbiindel nachgeordnetes, einen Bildpunkt in einer verschließbaren und meßbar einstellbaren öffnung erzeugendes optisches Glied vorgesehen und der öffnung ein weiteres sammelndes optisches Glied im Abstand seiner Brennweite nach geordnet ist. Die Probe und ein drittes, im Anregungsstrahlenbündel befindliches, sammelndes optisches Glied sind auf einem gemeinsamen Träger im Abstand der Brennweite dieses Gliedes voneinander entfernt befestigt, Erfindungswesentiich ist weiterhin, daß zumindest Teile des Anregungsstrahlenbündels und des Mittenstrahles vom Sekundärstrahl parallel gerichtet sind, entlang derer der gemeinsame Träger verschiebbar ist»

Die einstellbare öffnung, die vorteilhaft aus einer Spaltblende und einer konzentrischen Blende besteht, ermöglicht die Abblendung und stufenweise Abschwächung des Anregungsstrahlenbündels,

Die erforderliche optische Weglänge für eine minimale Defokussierung in der Austrittsöffnung des Monochromators oder Spektrographen wird durch Verschieben des gemeinsamen Trägers und damit der Probe und des zugehörigen sammelnden optischen Gliedes entlang der zueinander parallel gerichteten Teile des Anregungsstrahlenbündels und des Mittenstrahles der Sekundärstrahlung eingestellt. Die Verstellung erfolgt dabei solange, bis in der Austrittsöffnung des Monochromators oder Spektrographen ein scharfes Bild des angeregten, als Eintrittsspalt wirkenden Probenbereiches vorliegt.

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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Nutzung des Laserspektralphotometers zur

- Messung der Lumineszenz in der 0. und 1_# Ordnung

- Messung der Lumineszenz aus dem Probenvolumen oder durch Auflichtmessung

- Messung der Lumineszenz unter Einschaltung von Ordnungsfiltern und

- zur Messung der Lumineszenz bei Temperierung der Probe unter Benutzung eines Kryostaten»

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert werden» Die Figur zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserspektralfluorometers.

Die von einem in einem breiten Wellenlängenbereich durchstimmbaren Farbstofflaser 1 erzeugte Laserstrahlung 2 trifft auf ein als achromatisches Linsensystem 3 ausgebildetes, sammelndes optisches Glied und wird über einen Umlenkspiegel 4 durch eine konzentrische Blende 5 hindurch auf eine durch einen Schrittmotor 6 angetriebene, verschließbare Spaltblende 7 gelenkt.

Dem Umlenkspiegel 4 sind im Strahlenverlauf der Laserstrahlung 2 eine Blende 8 und ein achromatisches Linsensystem 9, das zur Spaltblende 7 im Abstand seiner Brennweite angeordnet ist, nachgeordnet« Die nunmehr einen parallelen Strahlenverlauf aufweisende Laserstrahlung 2 gelangt über Umlenkspiegel 10, 11 und über ein achromatisches Linsensystem 12 auf eine in der Brennweite dieses Systems vorgesehene Probe 13· Der Umlenkspiegel 11, das Linsensystem 12 und die Probe 13 sind auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, der in Richtung 15 verschiebbar ist.

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Bine unter einem Winkel von 90° zum anregenden Laserstrahl 2 zu messende, von der Probe 13 ausgesendete Lumineszenzstrahlung 16 gelangt auf ein, um eine Achse 1? drehbares und durch einen Schrittmotor 18 angetriebenes, holographisches Konkavgitter 19 eines Bmissionsmonochromators. Der Anregungsort der Probe 13 bildet den Eintrittsspalt des Bmissionsmonochromators· Das vom Gitter 19 nach Wellenlängen zerlegte Strahlenbündel 20 wird als fokussiertes, gegenüber der Ausbreitungsebene der Lumineszenzstrahlung 16 geneigtes Strahlenbündel über einen Umlenkspiegel 21 auf den JSintrittsspalt 22 eines elktronenoptischen Bildwandlers 23» wie er in der DD-PS 157985 beschrieben ist, gebeugt, wobei der Bildwandler 23 Bestandteil einer mit einem Rechner 24 gekoppelten Streakkamera 25 ist. Der Rechner 24 dient zur Steuerung des Meßablaufes, der Datenerfassung und -verarbeitung.

Der Eintrittsspalt 22 des Bildwandlers 23 wird nur zu etwa 60 % durch das Strahlenbündel 20 ausgeleuchtet. Die restlichen 40 % des Eintrittsspaltes 22 sind für eine Referenzmessung reserviert, wodurch Einflüsse durch Schwankungen der Laserintensität der anregenden Laserstrahlung eliminiert werden können* Hierzu ist zwischen dem Spalt 7 und der Probe 13 ein Teilstrahl mit herkömmlichen optischen Mitteln auszublenden und auf den Eintrittsspalt zu führen.

Da der Bildwandler 23 nur zeitlich synchron zur auftreffenden Lumineszenzstrahlung messen soll, erfolgt eine zeitliche Synchronisierung, indem ein Teil 26 über einen Umlenkspiegel 27 ausgeblendet und mit Hilfe einer Optik 28 einem Licht-

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leitkabel 29 zugeführt wird. Dieses ist an einen optoelektrischen Detektor 30 angeschlossen, der den Ablenkgenerator 31 des Bildwandlers 23 steuert.

Pur Depolarieationsmessungen sind in dem Laserstrahl 2 zwischen den Umlenkspiegeln 10 und 11 ein Glan-Thorapson-Polarisator 32 und zwischen der Probe 13 und dem Konkavgitter 19 ein Analysator 33 mit einstellbarer Orientierung einschaltbar.

Ebenfalls sind zwischen der Probe 13 und dem Konkavgitter 19 Ordnungsfilter 34 einschaltbar.

Zur Messung von Emissionsspektren wird das Konkavgitter 19 um die Achse 17 gedreht. Befinden sich ein Ordnungsfilter 34 und ein Analysator 33 i& Lumineszenzstrahlengang 16 oder wird ein Kryostat mit zusätzlichen Penstern verwendet, so verändert sich die für ein scharfes Spektrum notwendige Gegenstandsweite zum Konkavgitter 19· Bine merklich größere Veränderung tritt auch bei Veränderung der zur Messung verwendeten Ordnung des Konkavgitters 19 ein. Deshalb muß der Träger 14 in Pfeilrichtung 15 verschoben werden, bis das Spektrum auf der Photokathode des Bildwandlers 23 scharf ist. Das kann auf einem Monitor 35 beobachtet werden.

Stark absorbierende Proben werden unter einem solchen Winkel zum anregenden Laserstrahl 2 angeordnet, daß das von der Oberfläche der Probe reflektierte Licht nicht über das Gitter 19 gelangt und die von der bestrahlten Seite der Probe ausgehende Lumineszenz gemessen

werden kann. Die Position der Probe ist dabei so gewählt, daß der angeregte Ort der Probe in der optischen Achse des Konkavgitters 19 liegt. Einer Veränderung der Gegenstandsweite ist auch hier durch Verschieben des Trägers in Richtung 15 entgegenzuwirken.

Die als Ausführungsbeispiel beschriebene technische lösung ist natürlich auch mit abbildenden Spiegeln zu realisieren·

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Claims

Patentanspruch

Laserspektralphotometer mit einer im fokussierten Anregungsstrahlenbündel einer Laserlichtquelle angeordneten Probe, von der ein Sekundärstrahlenbündel ausgeht, das einen Emissionsmonochromator oder -spektrographen mit nachfolgendem Empfängersystem beaufschlagt, gekennzeichnet dadurch, daß ein der Laserlichtquelle im Anregungsstrahlenbündel nachgeordnetes, einen Bildpunkt in einer verschließbaren und meßbar einstellbaren öffnung erzeugendes optisches Glied vorgesehen und der öffnung ein weiteres sammelndes optisches Glied im Abstand seiner Brennweite nachgeordnet ist, daß die Probe und ein drittes, im Anregungsstrahlenbündel befindliches, sammelndes optisches Glied auf einem gemeinsamen Träger, im Abstand der Brennweite dieses Gliedes voneinander entfernt»

befestigt sind, und daß zumindest Teile des *

AnregungsstrahlenbUndels und des Mittenstrahles \

vom Sekundäretrahl parallel gerichtet sind, ^u

entlang derer der gemeinsame Träger verschiebbar ist»

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