DE3734588C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Einstrahlspektrophotometer gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.

Ein derartiges Spektrophotometer ist aus der US-PS 42 25 233 entnehmbar. Dieses Einstrahl-Spektrophotometer weist im Monochromator ein feststehendes Gitter sowie abbildende sphärische Spiegel auf. In der Bildebene des Gitters, die durch einen der sphärischen Spiegel erzeugt wird, ist ein kleiner ebener galvanometrisch angetriebener Spiegel angeordnet, der Licht auf einen Ausgangsspalt lenkt, hinter dem die zu bestrahlende Probenkammer angeordnet ist. Als Beleuchtungsquelle dient bei diesem Spektrophotometer eine Lampe, deren Licht auf das Gitter gelenkt wird. Es wird ein relativ hoher Lichtstärkeverlust in Kauf genommen, wenn nur der Lichtanteil einer bestimmten Wellenlänge genutzt wird. Zudem führt diese Anordnung zu einer nicht sehr guten Diskriminierung der einzelnen Wellenlängen.

Insbesondere in der Photobiophysik ist die Lichtintensität des Monochromators von großer Wichtigkeit, da hier oftmals optisch dichte Proben untersucht werden müssen. Das bekannte Einstrahlspektrophotometer ist hierzu nur bedingt geeignet.

Hinzu kommt, daß der durchzustimmende Wellenlängenbereich dieses bekannten Photometers aufgrund der verwendeten optischen Elemente und deren relativ großen Entfernung voneinander nur relativ gering ist und im Bereich von etwa 100 Nanometern liegt. Auch bei hoher Güte der verwendeten optischen Elemente kann dieser Bereich nicht ohne weiteres ausgeweitet werden. Das bekannte Photometer soll bevorzugt in der Zweiwellenlängen- und der korrigierten Differential-Spektroskopie verwendet werden, bei denen primär keine allzu großen Wellenlängenbereiche verwendet werden. Gerade bei Untersuchungen biologischer Proben ist jedoch häufig ein großer Wellenlängenbereich erwünscht. Aus diesem Grunde werden bei derartigen Anwendungen der optischen Spektrophotometrie im wesentlichen registrierende Doppelstrahlspektrometer eingesetzt.

Die optische Spektrophotometrie ist heute eine universell einsetzbare Analysemethode in Naturwissenschaft und Technik. Doch lassen sich in der Regel mit dem herkömmlichen registrierenden Doppelstrahlspektrometer nur klare Proben, d. h. gelöste Stoffe messen. Die Vermessung trüber, stark streuender Proben ist weitgehend ausgeschlossen und nur mit Spektrophotometern der oberen Preisklasse, und dann auch nur mit Einschränkung, möglich. Andererseits sind aber sehr viele, wenn nicht gar die meisten Proben per se trübe, und müssen zwecks spektraler Vermessung zuvor in Lösung gebracht werden, vorausgesetzt, es ist überhaupt möglich. Absorptionsmessungen in vivo oder sonstigen festen Körpern sind daher ausgeschlossen. Messungen bei Tieftemperatur (flüssige Luft!) sind mit konventionellen Zweistrahlspektrophotometern schwierig, relativ ungenau, zeitraubend, und verlangen typischerweise einen Umbau des Spektrometers und aufwendige "Optionen". Weiterhin sind aus weiter unten erläuterten Gründen Doppelstrahl-Spektrophotometer vergleichsweise langsam (s. u.). Dieses ist zum einen inökonomisch bei der Vermessung einer großen Zahl von Proben, zum andern ist Geschwindigkeit eine notwendige Voraussetzung für die spektrale Vermessung von kurzlebigen Intermediären.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einstrahlspektrophotometer der obengenannten Art anzugeben, das eine hohe Lichtintensität aufweist und über einen großen Wellenlängenbereich durchgestimmt werden kann, so daß insbesondere auch die Vermessung von biologischen oder optisch dichten Proben möglich ist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 2 gelöst. Die beiden Lösungen unterscheiden sich dadurch, daß als dispergierendes Element entweder ein Gitter oder ein Prisma verwendet wird.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, die Beleuchtungsoptik mit einer Zylinderlinse auszustatten, die das Licht strichförmig auf den Eingangsspalt des Monochromators fokussiert. Zwischen dem Ausgangsspalt und der Probenaufnahme ist wiederum eine Zylinderlinse vorgesehen, die den aus dem Ausgangsspalt austretenden spaltförmigen Lichtstrahl auf die Probenaufnahme fokussiert, hinter der wiederum der Photodetektor angeordnet ist. Da das Licht kollimiert geführt wird, fällt nur ein sehr geringer Streulichtanteil an, so daß die Lichtverluste ebenfalls sehr gering sind. Außerdem sind die Lichtwege im Monochromator sehr kurz, da das dispergierte Licht, beim Gitter das Licht der ersten Ordnung, auf das strahlablenkende Element fällt. Hiermit ist es auch möglich, den Wellenlängenbereich über zumindest eine Oktave durchzustimmen, wobei die Wellenlängendiskrimination aufgrund der Konstruktion des Monochromators äußerst gut ist.

Es ist zwar aus der DE-OS 29 44 567 bekannt, bei einem Spektralphotometer Zylinderlinsen vorzusehen, die zwischen der Lichteintrittsöffnung und dem Kollimator angeordnet sind; jedoch dienen diese Zylinderlinsen lediglich zur Astigmatismus-Korrektur des Spektralgerätes. Im Gegensatz dazu wird gemäß der Erfindung mit der Zylinderlinse das Lampenlicht "strichförmig" auf den Eingangsspalt des Monochromators fokussiert und durch die Zylinderlinse nach dem Ausgangsspalt wieder annähernd zu einem im Querschnitt etwa kreisförmigen Lichtstrahl fokussiert, mit dem die Probe durchstrahlt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Abb. 1 eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung des schematischen Aufbaus eines Monochromators für ein Spektrophotometer mit einem Gitter als dispergierendem Element und - im Nebenbild - den schematischen Aufbau eines Monochromators mit einem Prisma als dispergierendem Element;

Abb. 2 im oberen Bereich ein streukorrigiertes Absorptionsspektrum einer optisch sehr dichten tiefgefrorenen Probe, nämlich eines Myzels des Brotschimmels Neurospora C., das mit einem Einstrahlspektrophotometer gemäß der Erfindung aufgenommen wurde, und im unteren Bereich die vierte Ableitung des obigen Spektrums zur Auflösungssteigerung, wobei in dem Diagramm die wichtigsten Neonlinien, die zur Wellenlängenkalibrierung benutzt werden können, eingetragen sind;

Abb. 3 eine schematische Darstellung einer Vertikalküvette mit einer Streulinse als Diffusor;

Abb. 4 eine Vertikalküvette zur automatischen Korrektur der apparateeigenen Dispersion mit Hilfe eines Tauchkörpers;

Abb. 5 im oberen Bereich die bekannten Absorptionsspektren von Blut in oxidierter (Oxyhämoglobin) und reduzierter Form (Hämiglobin) in vitro mit ausgezeichneten Wellenlängen und im unteren Bereich ein mit einem Spektrophotometer gemäß der Erfindung in vivo aufgenommenes Blutspektrum, hier als Beispiel die Vermessung einer Hand, so daß sich die Sauerstoffsättigung nichtinvasiv bestimmen läßt;

Abb. 6 schematisch einen Ohrclip zur optisch-spektralen Vermessung von Blut in vivo an durchscheinenden Körperelementen, hier einem Ohrläppchen;

Abb. 7 ein Diagramm zur Demonstration der bekannten Eigenschaften eines Streugitters an einem computererrechneten Bild, wobei senkrecht eingestrahltes, gut kollimiertes monochromatisches Licht der auf der Ordinate angegebenen Wellenlänge unter bestimmten Winkeln (beta) Streulicht erzeugt, dessen Anteil auf der Abszisse eingetragen ist.

Es wird strikt die Einstrahligkeit eingehalten, und zwar dadurch, daß der aus einer Beleuchtungsoptik (Abb. 1, Pos. 1-5) kommende Lichtstrahl von einem lichtstarken Monochromator (15) dispergiert wird und mit Hilfe einer Zylinderoptik (6, 11, 12) senkrecht von oben auf eine Spezialküvette (13) fokussiert wird, die unmittelbar über dem Lichtdetektor angebracht ist, der das Lichtsignal in ein elektrisches Signal transduziert, welches schließlich über ein Interface und einen schnellen A/D-Wandler in einen geeigneten Rechner eingegeben und programmgesteuert aufbereitet wird.

Die Bestrahlungsoptik (1-4) ist in weitgehend konventioneller Weise aufgebaut und hat die Aufgabe, das Lampenlicht möglichst effizient zu nutzen. Wichtig ist, daß die unmittelbar vor dem Eingangsspalt stehende Kondensorlinse (5) als Zylinderlinse ausgebildet ist und das Lampenlicht "strichförmig" und nicht kreisförmig, wie üblich, auf dem Eingangsspalt (7) fokussiert.

Eingangsspalt (7) und Ausgangsspalt (11) werden in bekannter Weise entweder als Festspalt oder variabel ausgeführt. Es ist die Computer-gesteuerte, mechanische Einführung eines feinen Metall-Maschennetzes mit bestimmtem Steg/Lückenverhältnis, d. h. definierter Transmission, vornehmlich zwischen Zylinderlinse (5) und Eingangsspalt (7) zur weitgehend wellenlängenunabhängigen Kalibrierung der Absorption möglich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Graufiltern unterliegt ein solches Netz praktisch keiner Alterung (Bleichen!) und zeigt keine meßbare Wellenlängen-Abhängigkeit.

Analog zur Absorptionskalibrierung läßt sich die Wellenlänge mit einem automatisch einzubringenden, scharfbandigen Filter (wie Neodym) kalibrieren. Wahlweise ist die Wellenlängenkalibrierung über evtl. vorhandene Spektrallinien der jeweils benutzten Meßlampe (1), etwa einer Deuteriumlampe, durchzuführen. Bei Verwendung linienfreier Lampen, wie etwa einer Halogenlampe, besteht die Möglichkeit, eine scharfbandige Zusatzlampe, wie etwa ein preiswertes Neon-Glimmlämpchen, ständig "mitlaufen" zu lassen, um so - software gesteuert - über die genau bekannten Wellenlängen dieser Emissionslinien, eine präzise Simultankalibrierung zu erreichen. Bei Verwendung von mehr als zwei Linien mit genügendem Abstand ist darüber hinaus die Linearität des Monochromators leicht zu überprüfen, bzw. eine Linearisierung bzgl. Wellenlänge oder Wellenzahl (Energie) durchzuführen. Derartige Simultankalibrierungen sind nur mit einer Einstrahl-Anordnung - wie hier beschrieben - möglich, weil eine Lampen-Kompensation wie bei den Doppelstrahl-Spektrometern fehlt. Es ist darum bislang Praxis der Hersteller, die Wellenlängen-Kalibrierung mechanisch permanent vorzunehmen, notwendigerweise routinemäßig zu überprüfen und gegebenenfalls neu einzujustieren. Abweichungen von 1-2 nm vom Absolutwert sind typisch.

Entsprechend dem vorgegebenen Strahlengang trifft der weiße Lichtstrahl unter einem geeigneten Winkel alpha (gegenüber der Gitternormalen), der mittels einer (nicht in Abb. 1 gezeigten) Vorrichtung einjustiert werden kann, derart auf das (vornehmlich konkave) feststehende Streugitter (8) auf, daß das (monochromatische) Streulicht erster Ordnung (Keil "f" in Abb. 1, vgl. Abb. 7) genau auf ein ablenkendes optisches Element, z. B. einen Spiegel (9), oder - zwecks Auflösungssteigerung - auf ein Prisma als zweitem dispergierenden Element fällt, und mittels eines Computer-gesteuerten Mechanismus" (10), etwa einem Stepmotor, einem Winchester (Drehspul-)Laufwerk, einem Rotationsvibrator oder einem freilaufenden Motor mit Triggermechanismus, im Millisekundenbereich über den Ausgangsspalt (11) bewegt wird. Gemessen am Gesamtkreis von 360 Grad wird bei den üblicherweise eingesetzten Streugittern nur ein geringer Winkelbereich (z. B. 15 Grad) effektiv genutzt, welcher dem Streulicht erster Ordnung entspricht, bei vorgegebenem "Blazewinkel" (Winkel maximaler Emissions-Intensität). Man kann natürlich auch das Gitter selbst (8) drehen (wie in konventionellen Spektrophotometern über eine Schnecke mit Zahnrad, Minutenbereich!), und das Ablenkelement (9) starr anordnen. Dabei ist jedoch das bzgl. der Wellenlänge nutzbare Streulicht auf einen entsprechend kleineren Winkelbereich (im Beispiel also 15 Grad) beschränkt, und die effektive Meßzeit pro Gitter-Umdrehung entspricht dann dem ¹⁵/₃₆₀ten Teil, das sind etwa 4% pro Umdrehung. Das bedeutet eine inökonomische Licht- und vor allem Zeitnutzung, womit der hier vorgestellten Konfiguration, d. h. Drehung von Element (9) bei festem Gitter (8), Priorität eingeräumt wird.

Als Alternative zur Gitterkonfiguration bietet sich der Einsatz eines drehbaren Prismas in Pos. 9 (Abb. 1, Nebenbild) als alleinigem dispergierendem Element an. Der Nachteil ist die schlechter definierte und geringere Wellenlängenauflösung als beim Gitter, der Vorteil die Eindeutigkeit der Wellenlängendefinition über den gesamten Spektralbereich (150-1000 nm, kein Ordnungsproblem wie beim Gitter; vgl. Abb. 7), die höhere Lichtstärke und der weit niedrigere Preis eines Prismas gegenüber einem Streugitter. Die früher bei Prismen als nachteilig angesehene nichtlineare Abhängigkeit der Wellenlänge vom Dispersionswinkel läßt sich über bekannte Spektrallinienabstände mittels on-line Mikrocomputer leicht eliminieren.

Charakteristisch für die hier benutzte Anordnung ist der senkrechte Strahlengang durch die Küvette (13), also parallel zur Gravitation (wenngleich die konventionelle waagerechte Anordnung möglich bleibt). Der Vorteil dieser Anordnung ist vielfältig, es werden völlig neue, bisher unbekannte Anwendungsbereiche erschlossen: So lassen sich feste Proben wie Blätter, Blüten, Gewebe aller Art, Schlämme, Papiere, Folien u. v. a. m. spektral vermessen, indem man diese unmittelbar (etwa über einer entsprechenden Lochblende zur Strahleingrenzung) über dem Photodetektor plaziert, also keine besondere "Küvette" benötigt. Bei "unzugänglichen" oder "gefährlichen" Proben lassen sich aufgrund der hohen Lichtstärke des Monochromators Meßlicht und Signallicht mittels geeigneter Lichtleiter-Fasern über weite Strecken führen. Die wellenlängenabhängige Dämpfung von Lichtleitfasern beträgt im sichtbaren Spektralbereich etwa 10 dB/km, die Rayleighstreuung etwa die Hälfte davon, also bzgl. der Spektrenverzerrung vernachlässigbare Werte bis in den 100 m Längen-Bereich.

Kolorimetrische Messungen an stark streuenden oder optisch sehr dichten Proben werden so möglich, ein Problem, dem man bislang nur durch arbeitsaufwendige Probenfiltration beikommt. Flüssige Proben - klar, oder trübe Suspensionen - werden in (vornehmlich zylindrischen Edelstahl-)Küvetten (13) mit frei wählbarem Innen-Durchmesser vermessen, welche unmittelbar über dem Photodetektor (vornehmlich ein "end-on" Photovervielfacher) angebracht und nur mit einem Boden-Fenster abgeschlossen sind, an welches keinerlei optische Qualitätsanforderungen gestellt werden, und welches z. B. aus Plexi- oder Fensterglas besteht; natürlich sollte es für Messungen im Ultraviolett-Bereich unterhalb 370 nm für diesen durchlässig sein (für trübe Proben aus physikalischen Gründen ohnehin irrelevant): in diesem Fall bietet sich ein relativ preiswertes Quarzfenster von etwa 1 mm × 10 mm Durchmesser an - verglichen mit teuren "Gesamtquarzküvetten" der Standardform, die etwa die 15fache Menge an Quarzglas erfordern. Die Anordnung ist unempfindlich gegenüber Verschmutzungen, die insbesondere bei kolorimetrischen Messungen einen durch Streuung verfälschenden Einfluß auf das Ergebnis ausüben, aber bei Messungen unter "unvorteilhaften" Bedingungen (Feldanalyse!) kaum zu vermeiden sind.

Die große Nachweisempfindlichkeit zur Vermessung optisch dichter, trüber Proben wird insbesondere durch den geringen Abstand von nur wenigen Millimetern zwischen Probe und Detektor, vornehmlich einem Photovervielfacher, erreicht (vgl. mit etwa 20 cm in herkömmlichen Zweistrahlgeräten). Dies resultiert aus einem erfaßten Raumwinkel von über pi (= 3,14) Steradian, während konventionelle Doppelstrahl- oder Diodenarray-Spektrometer Raumwinkel von nur etwa 0,002 Steradian erfassen.

Mit dieser Küvettenanordnung ist ferner eine vorteilhafte Optimierung von durchstrahlter Schichtdicke und Probenquerschnitt bei vorgegebenem Probenvolumen möglich. Denn das Absorptionssignal ist proportional zur Schichtdicke, die bei herkömmlichen Spektrometern grundsätzlich auf 1 cm fixiert ist; d. h. die Probe muß der Küvette angepaßt werden, und nicht umgekehrt, eine oftmals ernsthafte Beschränkung: Es ist bislang gängige Routine, Proben zwecks Vermessung entweder zu verdünnen, oder aber einzuengen. Letzteres ist nicht immer möglich, womit sich in dem Fall eine spektrale Vermessung auf einem konventionellen Spektrometer verbietet.

Aus physikalischen Gründen ist die Form des Lichtstrahls, der den Monochromator verläßt (Spalt 11, Abb. 1) spaltförmig, mit einer Ausdehnung von etwa 3 · 20 mm. Da der Querschnitt der verwendeten Küvetten (13) kreisförmig ist, gewinnt man durch Kompression des spaltförmigen Ausgangsstrahls in Längsausdehnung mittels einer Zylinderoptik (12) auf etwa 3 · 3 mm den mindestens 6fachen Lichtfluß, was die Nachweisgrenze bei der Messung optisch dichter Proben entsprechend absenkt.

Die Innenbohrung der Küvette (13) wird vollständig vom Meßstrahl durchsetzt, so daß das gesamte Probenvolumen in die Messung eingeht, während bei konventioneller Strahlanordnung und herkömmlichen Küvetten effektiv etwa nur 20% der Gesamtsubstanz vermessen werden, womit im vorliegenden Fall die Nachweisgrenze nochmals um eben diesen Faktor abgesenkt, bzw. das Signal-Rauschverhältnis entsprechend gesteigert wird (herkömmliche Küvetten stellen dem Meßstrahl von ca. 3 · 20 mm eine Meßfläche von 10 × 30 mm entgegen). Darüber hinaus können Minimalvolumina bis hinunter zu etwa 5 µl - klar oder trübe - ohne zusätzlichen Aufwand (etwa einer abbildenden Mikroskop-Optik) vermessen werden, z. B. als Tröpfchen über einer Lochblende aufgetragen oder als Festkörper wie einer einzelnen Koleoptile (Keimscheide von Gräsern, ein zentrales Forschungsobjekt der Pflanzenphysiologie) lichtdicht in eine entsprechende Blende gepreßt, während herkömmliche Küvetten lediglich klare Proben mit Volumina von etwa drei Millilitern erfordern, kostspielige "Sparküvetten" immerhin noch etwa 0,5 ml als untere Standardgrenze.

Tieftemperaturmessungen, etwa bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs (-196°C), können einfach, schnell und routinemäßig durchgeführt werden. Der Zeitaufwand für eine Messung beträgt insgesamt nur wenige Minuten, während man bei herkömmlichen Spektrophotometern erfahrungsgemäß etwa eine Stunde pro Spektrum veranschlagen muß (Umrüstung und Probenpräparation), was "Routinemessungen" weitgehend ausschließt. Die (vornehmlich aus Edelstahl gefertigten) Küvetten können dabei in einem kleinen, nach oben offenen Dewar mit durchsichtigem (nichtversilbertem) Boden, an den keine optische Qualitätsanforderungen gestellt werden, innerhalb etwa einer Minute auf -196°C abgekühlt und mit einer Füllung länger als 10 Minuten vermessen werden. Abb. 2 zeigt als Beispiel das Absorptionsspektrum einer farblosen Pigmentmutante des Brotschimmels Neurospora crassa bei -196°C, welche etwa eine Extinktion (= Streuung + Absorption) von E = 4 und eine reine Absorption von A = 0,4 hat. Hieraus wurde zur Auflösungssteigerung die vierte Ableitung nach bekannter Methode berechnet, in der sich eine Reihe bekannter Pigmente, vornehmlich Cytochrome der Atmungskette, widerspiegelt. Ein paar der wesentlichen Neon-Kalibrierlinien sind eingezeichnet (Abb. 2).

Die vorliegende Anordnung des Photodetektors gestattet ohne Einschränkung die Verwendung diffusen Meßlichts, was in konventionellen Spektrophotometern, insbesondere dem Diodenarray-Spektrometer, wegen des hohen Lichtverlustes nicht möglich ist (kein Meßstrahl!). Hierfür bietet sich einmal die Vorschaltung einer gewöhnlichen Streuscheibe vor den Eingang der Küvette an, welche allerdings den Nachteil hat, daß ein Teil des Meßlichts verloren geht und die Probe gar nicht erst erreicht. Eine bessere Lösung ist die Verwendung einer Streulinse mit geeigneter (negativer) Brennweite, welche den Strahl nahezu vollständig diffus macht, was in Abb. 3 durch die Strahlengänge "p" und "s" angedeutet ist. Die Linse kann wiederum computergesteuert vor die Probe gefahren werden, so daß ohne manuelle Eingriffe in die Probenkammer, etwa Auswechseln der Küvette durch eine Referenzküvette, ein Referenzspektrum gefahren werden kann, womit eine Berechnung der korrigierten Absorption durch den on-line Computer möglich ist, und zwar für jede Probe individuell.

Für eine flüssige, stark streuende Probe, etwa eine Suspension, verwendet man die in Abb. 4 konzipierte Küvette, bei der ein Verdrängungskörper, etwa ein ferromagnetischer Hohlzylinder (mit chemisch inerter Beschichtung), von einer besonderen Vorrichtung, z. B. einer Magnetspule, in die flüssige Probe, vornehmlich Computer-gesteuert über eine Magnetspule, eingetaucht werden kann, womit sich im wesentlichen die durchstrahlte Schichtdicke verändert, aber die sonstige Probengeometrie weitgehend unbeeinflußt bleibt. Auf diese Weise läßt sich ein Referenzstrahlengang für jede individuelle Probe schnell und automatisiert realisieren und das korrigierte Absorptionsspektrum ermitteln (theoretisch begründbare Änderungen von Absorptionsspektren durch Streueffekte, etwa Peakverbreiterungen, sind dem Fachmann bekannt, gut untersucht, dem Problem inhärent und in diesem Zusammenhang unerheblich).

In der Intensivmedizin, der Anästhesie, der ärztlichen Operationspraxis und der medizinischen Notfallversorgung ist die Kenntnis der aktuellen Sauerstoffsättigung des Blutes von großer Bedeutung. In der Praxis geschieht das durchweg invasiv; d. h. Blut wird mittels einer Spritze entnommen und die Sauerstoffsättigung entweder polarographisch (Sauerstoffelektrode) oder spektral über die verschiedenen Absorptionsspektren von Hämiglobin (reduziert) und Oxyhämoglobin (oxidiert) bestimmt (vgl. Abb. 5, oben). Mit Hilfe einer "end-on" Photomultiplier-Anordnung läßt sich das Blut in vivo spektral erfassen, wie Abb. 5, unten, für eine menschliche Hand gezeigt. Das gemessene Spektrum resultiert aus der Überlagerung der beiden Extremspektren (reduziert/oxidiert). Durch Koeffizientenvergleich der beiden anteiligen Konzentrationen läßt sich so die aktuelle Sauerstoffsättigung nichtinvasiv bestimmen. Mittels eines Lichtleiters wird das Licht L vom Monochromator (15) an das durchblutete, möglichst dünnwandige Meßobjekt, etwa Ohrläppchen, Finger oder Hautfalten, herangeführt, und das durchgestrahlte Licht durch einen zweiten Lichtleiter, etwa in Form eines Clips, wieder zum Detektor abgeführt. Wahlweise kann ein Halbleiterdetektor P direkt mit Vorverstärker in den Clip eingebaut und das Meßsignal 5 niederohmig elektrisch abgeleitet werden (Abb. 6). Der Clip weist eine Druckfeder F auf.

Das hier vorgestellte Einstrahl-Absorptionsspektrophotometer läßt sich ebenfalls als "schnelles" Reflexionsspektrophotometer einsetzen, womit sich der Anwendungsbereich auf Oberflächenmessungen aller Art erweitert. Zu diesem Zweck wird ein verzweigter, zweiarmiger Lichtleiter verwendet, dessen einer Arm das Meßlicht am Ausgangsschlitz des Monochromators (genauer: im Brennpunkt Nähe Pos. 13, Abb. 1) über eine geeignete Optik abgreift und auf die Probe strahlt, und dessen zweiter Arm das reflektierte Licht von dort dem Detektor (14) zuführt. Die Korrektur der Geräte-intrinsischen Dispersion geschieht - durch den on-line Rechner gesteuert - wie üblich in der Reflexionsspektroskopie durch weiße, nicht-fluoreszierende Materialien wie z. B. Zinkoxid.

Mittels einer geeigneten abbildenden Teleoptik lassen sich spektrale Fernmessungen an nichtleuchtenden Körpern in Reflexion, an selbstleuchtenden Körpern (Lumineszenz von Meeresbakterien oder Laubblättern; Lampen, Flammen) unmittelbar durchführen.

Aufgrund der großen Geschwindigkeit und Speicherkapazität heutiger Mikrocomputer ist es vorteilhaft, entgegen dem üblichen Vorgehen den gesamten von der Drehkomponente (Abb. 1, Pos. 9) erfaßten Spektralbereich, und den gesamten vom Detektor erfaßten (und typischerweise über viele "scans" gemittelten) Absorptionsbereich, "on-line" mit hoher Dynamik (z. B. 16 Bit nach beendeter Akkumulation, der A/D-Wandler darf weniger Bit haben, z. B. nur 8, was den Verstärkeraufwand reduziert) aufzuzeichnen, und erst nachher ("off-line") zu entscheiden, welcher Wellenlängen- und Absorptionsbereich letztendlich selektiert und gespeichert werden soll. Dieses Vorgehen verringert den hardware-Aufwand beträchtlich. Das Spektrometer wird weitgehend vom Rechner (Tastatur) kontrolliert. Alle zeitkritischen Rechnungen ("real time") sowie die on-line Datenerfassung werden in Maschinensprache (assembler) durchgeführt.

Claims (10)

1. Einstrahlspektrophotometer mit einer Beleuchtungsoptik, einem Monochromator für das von der Beleuchtungsoptik abgegebene Licht und einer Abbildungsoptik, die den monochromatischen Lichtstrahl kollimiert und auf eine Probenaufnahme lenkt, sowie mit einem Photodetektor im Anschluß an die Probenaufnahme, der mit einer elektronischen Meß- und Auswerteschaltung verbunden ist, wobei der Monochromator ein feststehendes Gitter sowie ein strahlablenkendes Element aufweist, das das von dem Gitter reflektierte Licht in einer Abtastbewegung über einen Ausgangsspalt bewegt, hinter dem die Probenaufnahme vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsoptik eine Zylinderlinse (5) aufweist, die das Licht strichförmig auf den Eingangsspalt (7) des Monochromators (15) fokussiert, daß das strahlablenkende Element (9) computergesteuert und so ausgebildet und angeordnet ist, daß es im wesentlichen das gesamte vom Gitter (8) in erster Ordnung (f) dispergierte Licht aufzunehmen vermag und dieses auf den Ausgangsspalt (11) des Monochromators (15) lenkt, daß zwischen Ausgangsspalt (11) und Probenaufnahme (13) eine Zylinderlinse (12) vorgesehen ist, die den aus dem Ausgangsspalt (11) austretenden spaltförmigen Lichtstrahl auf die Probenaufnahme (13) fokussiert, daß der Photodetektor (14) unmittelbar hinter der Probenaufnahme (13) angeordnet ist, und daß die Meß- und Auswerteschaltung einen Rechner aufweist.

2. Einstrahlspektrophotometer mit einer Beleuchtungsoptik, einem Monochromator für das von der Beleuchtungsoptik abgegebene Licht und einer Abbildungsoptik, die den monochromatischen Lichtstrahl kollimiert und auf eine Probenaufnahme lenkt, sowie mit einem Photodetektor im Anschluß an die Probenaufnahme, der mit einer elektronischen Meß- und Auswerteschaltung verbunden ist, wobei der Monochromator ein feststehendes dispergierendes Element sowie ein strahlablenkendes Element aufweist, das von dem dispergierenden Element dispergiertes Licht in einer Abtastbewegung über einen Ausgangsspalt bewegt, hinter dem die Probenaufnahme vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende dispergierende Element ein Prisma ist, daß die Beleuchtungsoptik eine Zylinderlinse (5) aufweist, die das Licht strichförmig auf den Eingangsspalt (7) des Monochromators (15) fokussiert, daß das strahlablenkende Element (9) computergesteuert und so ausgebildet und angeordnet ist, daß es im wesentlichen das vom Prisma dispergierte Licht aufzunehmen vermag und dieses auf den Ausgangsspalt (11) des Monochromators (15) lenkt, daß zwischen Ausgangsspalt (11) und Probenaufnahme (13) eine Zylinderlinse (12) vorgesehen ist, die den aus dem Ausgangsspalt (11) austretenden spaltförmigen Lichtstrahl auf die Probenaufnahme (13) fokussiert, daß der Photodetektor (14) unmittelbar hinter der Probenaufnahme (13) angeordnet ist, und daß die Meß- und Auswerteschaltung einen Rechner aufweist.

3. Spektrophotometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlablenkende Element (9) mit einem rechnergesteuerten Antrieb (10) versehen ist, insbesondere mit einem Schrittmotor, einem Drehspulmechanismus, einem Rotationsvibrator oder einem Motor mit Triggermechanismus.

4. Spektrophotometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlablenkende Element (9) als Spiegel oder Prisma ausgebildet ist.

5. Spektrophotometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Probenaufnahme (13) eine lichtstreuende Komponente, vorzugsweise eine Streulinse oder eine Streuscheibe, vorgesehen ist.

6. Spektrophotometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenaufnahme zwei Lichtleiter aufweist, von denen der erste vom Monochromator (15) zur Probe und der zweite von der Probe zum Photodetektor führt.

7. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenaufnahme einen Lichtleiter aufweist, der vom Monochromator (15) zur Probe führt und daß an der Probenaufnahme als Photodetektor ein Halbleiterdetektor P mit Vorverstärker vorgesehen ist.

8. Spektrophotometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter mit scharfbandigem Absorptionsspektrum, vorzugsweise ein Holmium-Filter, zur Wellenlängenkalibrierung des Monochromators (15) mittels eines Schwenkmechanismus in den Strahlengang, vorzugsweise vor den Eingangsspalt (7), einbringbar ist.

9. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenaufnahme einen zylindrischen Grundkörper als Kuvette aus einem vorzugsweise nicht ferromagnetischen Material aufweist, und daß in der Kuvette ein Tauchkörper, vorzugsweise in Form eines Hohlzylinders aus ferromagnetischen Material mit einer chemisch inerten Beschichtung, vorgesehen ist, der über eine Magnetspule in eine in der Kuvette vorhandene Probe eintauchbar ist.

10. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein feinmaschiges Gewebe mit definierter optischer Transmission, vorzugsweise ein schwarzes Metallnetz, in den Strahlengang, vorzugsweise vor den Eingangsspalt (7), einbringbar ist.