DE3535652A1 - Anordnung zur optischen strahlenfuehrung in photometrischen analysenmessgeraeten - Google Patents

Anordnung zur optischen strahlenfuehrung in photometrischen analysenmessgeraeten

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Description

Anordnung zur optischen Strahlenführung in photometrischen Analysenmeßgeräten
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Strahlenführung in photometrischen Analysenmeßgeräten, die für Fluoreszenz- und Absorptionsmessungen, für Extinktions-, nephelometrische und turbidimetrische Messungen verwendbar ist.
Zur Durchführung von fluorimetrischen Messungen ist es erforderlich, die zu untersuchende Substanz durch einen Primärlichtström zur Fluoreszenz anzuregen. Dabei besteht die Forderung, durch geeignete Maßnahmendie Fluoreszenzstrahlung in einem möglichst großen Raumwinkel zu erfassen und darauf einzuwirken, daß das zur Messung gelangende Fluoreszenzlicht nicht von Anteilen des anregenden Lichtes überlagert ist. Die Geometrie des Lichtstrahlenverlaufes entspricht einer der drei folgenden bekannten Anordnungen.
Es ist erstens bekannt, daß die optischen Achsen von anregendem Primärlicht und Fluoreszenzlicht in einer Richtung verlaufen, wobei der Primärlichtanteil nach der Fluoreszenzanregung durch Sperrfilter zurückgehalten wird. Bei einer zweiten bekannten Lösungsvariante ist die Richtung des zur Messung erfaßten Fluoreszenzlichtes gegenüber der optischen Achse des Primärlichtes geneigt. Bei einer dritten Variante wird schließlich das Fluoreszenzlicht zur Messung verwendet, das unter einem bestimmten
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Neigungswinkel zum anregenden Licht in den vor dem Lichteintrittsfenster der Küvette liegenden Raum zurückgestrahlt wird. Wegen der besseren Unterdrückung des Primärlichtes werden bevorzugt Anordnungen verwendet, die nach dem zweiten und dritten Lösungsprinzip aufgebaut sind. Bei einer nach dem ersten Lösungsprinzip konzipierten Anordnung müssen spezielle Anforderungen an das Sperrfilter gestellt werden, da die Strahlungsintensität der Erregerstrahlung ein Vielfaches von der Fluoreszenzintensität beträgt. Die Filter müssen neben einer hohen Durchlässigkeit für die Fluoreszenzstrahlung, sowohl eine völlige Absorption der Anregungsstrahlung als auch eigene Fluoreszenzfreiheit aufweisen. Da diese Bedingungen oft nicht optimal aufeinander abzustimmen sind, ist eine solche Anordnung durch den Verlust an Strahlungsleistung mangelbehaftet, so daß die Forderung, unter Ausnutzung eines vorgegebenen Lichtweges sowohl Fluoreszenz- als auch Absorptionsmessungen durchzuführen, nur mit vermindertem Leistungsvermögen bei der Fluoreszenzmessung erfüllt werden kann· Der Trübungsgrad einer Substanz dient häufig zur KonzentrationsbeStimmung der die Trübung bewirkenden lichtstreuenden Teilchen. Die Trübungsmessung erfolgt in der Regel turbidimetrisch oder nephelometrisch. Im ersten $all wird die scheinbare Extinktion der trüben Lösung gemessen, bei der die Lichtverluste des MeßlichtbundeIs beim Durchtritt durch die Substanz nicht durch Absorption, sondern durch Streuung des Lichtes entstehen. Bei nephelometrischen Messungen wird die Intensität des gestreuten Lichtes direkt gemessen und zur Bestimmung z. B. des Konzentrationswertes benutzt.
Die bekannten optischen Anordnungen beider Meßsysteme unterscheiden sich dadurch, daß die optischen Achsen der lichtbündelnden Systeme bei Meßeinrichtungen für Bxtinktions- bzw. turbidimetrischen Messungen vor und
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nach der Küvette zusammenfallen und bei Meßeinrichtungen für nephelometrische Messungen zueinander um einen bestimmten Winkel geneigt sind«
Meßgeräte, mit denen Extinktions-, turbidimetrische und nephelometrische Messungen durchführbar sein sollen, besitzen dementsprechend unterschiedliche, zumeist gegeneinander austauschbare lichtbündelnde optische Systeme. Die Verwendung von solchen austauschbaren optischen Systemen verursacht zwangsläufig einen hohen Kosten- und Materialaufwand, Nachteilig an den bekannten technischen Lösungen ist weiterhin, daß die Apertur der die Streustrahlung erfassendem Systeme relativ gering und auch nicht geeignet ist, die nur wenig zur Richtung des anregenden Lichtes geneigt verlaufende Streustrahlung zu erfassen. Da in dieser Richtung in der Regel besonders intensive Streustrahlung einer meßtechnischen Verarbeitung verlorengeht, ist bei den bekannten Anordnungen die Schichtdicke und das Volumen der zu messenden Substanz nicht wesentlich reduzierbar.
Ziel der Erfindung ist es, bei Gewährleistung von Absorptions-, Fluoreszenz-, Extinktions-, nephelometrisehen und turbidimetrischen Messungen, die Intensität des Fluoreszenzlichtes zu erhöhen und/oder die Anregungsreststrahlung zu verringern, die in dem auf den Strahlungsempfänger fallenden Fluoreszenz- oder Streulicht enthalten ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung optischer Bauelemente mit gemeinsamer optischer Achse zu realisieren, die sowohl für Absorptionsmessungen als auch zur Durchführung von Fluoreszenz-, vonExtinktions-, nephelometrischen und turbidimetrischen Messungen geeignet ist, die die bei der Fluoreszenzmessung nach der Anregung eliminierte Primärstrahlung erneut zur Fluoreszenzanregung ausnutzt und bei
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der die Apertur des die Streustrahlung erfassenden Systems so erhöht ist, daß auch die nur wenig zur Richtung des PrimärlichtbundeIs geneigt verlaufende Streustrahlung erfaßt wird.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur optischen Strahlenführung in photometrischen Analysenmeßgeräten durch die ein monochromatisches Lichtbündel zur Fluoreszenzanregung oder für Absorptions-, Extinktions-, nephelometrische oder turbidimetrische Messungen einer zu messenden Probe zugeführt und durch die die Meßgröße verkörpernde Strahlung auf einen Empfänger gerichtet wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Probe und dem Empfänger ein optisches Abbildungssystem angeordnet ist, das eine Apertur größer als die Öffnung des monochromatischen LichtbundeIs aufweist, und dem benachbart in den Strahlengang ein Element zum Zurückhalten des nicht die Meßgröße verkörpernden Strahlungsanteils einschaltbar ist.
Für Fluoreszenzmessungen ist das einschaltbare Element als abbildendes Reflexionselement ausgebildet, dessen Reflexionsfläche der Probe zugewandt ist und das die Probe in sich selbst abbildet. Bei Festlegung einer oberen Grenzwellenlänge für das zur Fluoreszenzanregung benutzte monochromatische Lichtbündel, ist es von Vorteil, wenn das optische Abbildungssystem aus Material besteht, das das monochromatische Lichtbündel absorbiert.
Für nephelometrische Messungen wird als Element in den Strahlengang, dem optischen Abbildungssystem benachbart, ein der Apertur des monochromatischen LichtbundeIs entsprechendes Absorptionselement eingeschaltet, das die Mittenzone des Abbildungssystems überdeckt und das das direkt durch die Probe hindurchtretende, geschwächte Lichtbündel absorbiert.
Sollen Extinktions- und turbidimetrisch^ Messungen durchgeführt werden, ist in den Strahlengang, dem optischen Ab-
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bildungssystem benachbart, ein Abeorptionselement einschaltbar, das einen für das durch die Probe hindurchtretende, geschwächte Lichtbündel durchlässigen Bereich aufweist und die gestreute Strahlung zurück-hält. Eine ebenfalls die Aufgabe erfüllende technische Lösung sieht ein dem Abbildungssystem zugeordnetes Umlenkelement vor, das entweder das durch die Probe geschwächte, hindurchtretende Lichtbündel oder die gestreute Strahlung ausblendet und zur Absorption oder meßtechnischen Verarbeitung weiterführt.
Vorteilhaft ist es auch, im optischen Abbildungssystem einen Ausbruch vorzusehen, der das durch die Probe hindurchtretende, geschwächte Lichtbündel zur Weiterverarbeitung oder Absorption hindurchläßt und die Achse des optischen Abbildungssystems zur Achse des monochromatischen LichtbundeIs zu neigen. Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich lediglich durch Ausblenden die Anregungsstrahlung von der Fluoreszenzstrahlung sowie die Anteile des gestreuten Lichtes und des geschwächten, durch die Probe hindurchtretenden LichtbundeIs in sehr hohem Grad trennen. Infolge dieser Trennung unmittelbar am abbildenden System kann für nephelometrische Messungen auch das nur geringfügig zum direkt durch die Probe hindurchtretenden Lichtbündel geneigte Streulicht zur Messung erfaßt werden.
Da in gewissen Grenzen die Streustrahlung proportional der Schichtdicke ist und durch die Erfindung die gestreute Strahlung umfassender zur meßtechnischen Verarbeitung genutzt werden kann, läßt sich die Schichtdicke der Probe reduzieren. Das gilt auch für die KLuoreszenzmessung durch die doppelte Ausnutzung der Anregungsstrahlung. Damit ist die erfindungsgemäße Lösung besonders für Messungen an dünnen Schichten geeignet, wie sie z. B. bei flächenhafter Verteilung der Proben auf plattenförmigen Küvetten auftreten.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen optischen Strahlengang mit Hohlspiegel als einschaltbares Element
Fig. 2 einen optischen Strahlengang mit zentral vorgesehenem Absorptionselement
Fig. 3 einen optischen Strahlengang mit ringförmiger Absorption
Fig. 4 einen optischen Strahlengang mit Ausblendung der direkt durch die Probe verlaufenden Strahlung
In den Figuren 1, 2, und 3 wird ein von einer Strahlungsquelle 1 ausgehendes Lichtstrahlenbündel 2 durch eine Optik 3 über eine Feldblende 4 zuerst einem Monochromator 5» der auch durch einen Monochromatorfilter ersetzt sein kann, zugeführt und als monochromatisches, primäres Lichtbündel 6 durch eine zweite Optik 7 auf eine in einem Probenträger 8 befindliche Probe 9 gerichtet. Dem Probenträger 8 sind im Strahlengang ein in diesen einschaltbares Element zum Zurückhalten des nicht die Meßgröße verkörpernden Strahlungsanteils, ein z. B. aus Fresnellinsen bestehendes optisches Abbildungssystem 10 mit einer Apertur, die größer ist als die des monochromatischen Lichtbündels 6 und ein Strahlungsempfänger 11 nachgeordnet.
In Figur 1 ist das einschaltbare Element als Hohlspiegel 18 ausgebildet. Die sich auf dem Probenträger 8 im Strahlengang befindliche Probe 9 wird durch das monochromatische Lichtbündel 6 zur Fluoreszenz angeregt, wobei die durch die Probe 9 hindurchtretende Strahlungsenergie von dem in den Strahlengang eingeschalteten Hohlspiegel 18 auf die Probe 9
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zurückgeworfen wird, wo sie erneut zur Fluoreszenzanregung beiträgt und somit die Fluoreszenzintensität verstärkt. Die von der Probe 9 ausgehende Fluoreszenzstrahlung 19 wird durch das Abbildungssystem 10 in einem großen Raumwinkel erfaßt und auf den Strahlungsempfänger 11 geleitet. Die erfindungsgemäße Anordnung ist auf einfache Weise, indem der Hohlspiegel 18 aus dem Strahlengang ausgeschwenkt wird, von "Fluoreszenz- auf Absorptionsmessung umgeschaltet.
Das optische Abbildungssystem 10 läßt sich anstatt mit Linsen oder Linsenkombinationen natürlich auch mit Spiegeln realisieren.
Sollen mit der vorgeschlagenen Anordnung ausschließlich Fluoreszenzmessungen durchgeführt werden, kann das Abbildungssystem 10 so ausgebildet werden, daß der Hohlspiegel 18 Bestandteil des Systems ist·
Außerdem ist es bei Festlegung einer oberen Grenzwellenlänge für das Anregungslicht möglich, das Material des Abbildungssystems 10 so zu wählen, daß das Anregungslicht vollständig absorbiert wird. Auf diese Weise wird unter Gewährleistung eines großen öffnungswinkels von dem Abbildungssystem zusätzlich die Funktion eines Sperrfilters übernommen.
Indem in den Figuren 2 und 3 das monochromatische Lichtbündel 6 die Probe 9 durchsetzt, wird neben einem direkt die Probe durchdringenden ersten Strahlungsanteil 12 ein zweiter Anteil gestreuter Strahlung 13 erzeugt. Während für nephelometrische Messungen eine Blende 14 vorgesehen ist, das den ersten Strahlungsanteil 12 absorbiert und der gestreuten Strahlung 13 den Weg zum Empfänger 11 freiläßt, besteht das einschaltbare Element für Extinktionsund turbidimeirische Messungen aus einer kreisringförmigen Blende 15, die den ersten Strahlungsanteil 12 hindurch-
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läßt,die gestreute Strahlung 13 aber zurückhält. Die Blenden 14 und 15 können durch entsprechende Filter ersetzt und auch dem Abbildungssystem 10 nachgeordnet, oder bei einem Linsensystem auch innerhalb des Systems angeordnet werden.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der erste Strahlungsanteil 12 durch einen Umlenkspiegel 16 ausgeblendet und auf einen zweiten Empfänger 17 gerichtet wird. Auch in diesem Fall können alle Meßarten mit demselben System abbildender Elemente realisiert werden, wobei der Empfänger 11 die gestreute Strahlung und der zweite Empfänger 17 den ersten Strahlungsanteil empfängt. Es ist natürlich auch möglich, den Umlenkspiegel so zu gestalten, daß die gestreute Strahlung 13 ausgeblendet wird. Soll die vorgeschlagene technische Lösung nur für nephelometrische Messungen verwendet werden, kann der zentrale Bereich des optischen Abbildungssystems 10 auch ständig in verschiedener Art und Weise undurchlässig gestaltet werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, zur scharfen Trennung des ersten Strahlungsanteils 12 und der gestreuten Strahlung 13» im optischen Abbildungssystem einen Ausbruch vorzusehen, der den ersten Strahlungsanteil 12 zur Weiterverarbeitung oder Vernichtung hindurchläßt und zusätzlich die Achse des optischen Abbildungssystems 10 zur Achse des monochromatischen Lichtbündels 6 zu neigen.
bad orsg:nal
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Anordnung zur optischen Strahlenführung in photometrischen Analysenmeßgeräten durch die ein monochromatisches Lichtbundel zur Pluoreszenzanregung oder für Absorbtions-, Extinktions-, nephelometrische oder turbidimetrische Messungen einer zu messenden Probe zugeführt und durch die die Meßgröße verkörpernde Strahlung auf einen Empfänger gerichtet wird, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der Probe und dem Empfänger ein optisches Abbildungssystem angeordnet ist, das eine Apertur größer als die Öffnung des monochromatischen LichtbundeIs aufweist, und dem benachbart in den Strahlengang ein Element zum Zurückhalten des nicht die Meßgröße verkörpernden Strahlungsanteils einschaltbar ist.
    2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Pluoreszenzanregung das einschaltbare Element als
    abbildendes Reflexionselement ausgebildet ist, dessen Reflexionsfläche der Probe zugewandt ist und das die Probe in sich selbst abbildet·
    3· Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß
    bei Festlegung einer oberen Grenzwellenlänge für das zur Pluoreszenzanregung benutzte monochromatische Lichtbündel das optische Abbildungssystem aus Material besteht, das das monochromatische Lichtbündel absorbiert·
    4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß
    für nephelometrische Messungen in den Strahlengang, dem optischen Abbildungssystem benachbart, ein der Apertur des monochromatischen Lichtbündels entsprechendes Absorptionselement einschaltbar ist, das die Mittenzone des Abbildungssystems überdeckt und das das direkt durch die Probe hin-
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    durchtretende, geschwächte Lichtbündel absorbiert·
    5* Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für Extinktions- und turbidimetrische Messungen in den Strahlengang, dem optischen Abbildungssystem benachbart, ein Absorptionselement einschaltbar ist, das einen für das durch die Probe hindurch/tretende, geschwächte Lichtbündel durchlässigen Bereich aufweist und die gestreute Strahlung zurückhält.
    6· Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Abbildungssystem ein Umlenkelement zugeordnet ist, das entweder das durch die Probe hindurchtretende, geschwächte Lichtbundel oder die gestreute Strahlung zur Absorption oder weiteren meßtechnischen Verarbeitung weiterleitet·
    7. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im optischen Abbildungssystem ein Ausbruch vorgesehen ist, der das durch die Probe hindurchtretende, geschwächte Lichtbündel zur Weiterverarbeitung oder Absorption hindurchläßt und daß die Achse des optischen Abbildungssystems zur Achse des monochromatischen Lichtbündels geneigt ist.
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DE19853535652 1984-11-01 1985-10-05 Anordnung zur optischen strahlenfuehrung in photometrischen analysenmessgeraeten Withdrawn DE3535652A1 (de)

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