DE4424961A1

DE4424961A1 - Photometrisches Instrument mit Lichtleitfasern zur Analyse von entfernt befindlichen Proben

Info

Publication number: DE4424961A1
Application number: DE19944424961
Authority: DE
Inventors: Jerry E Cahill
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1993-07-15
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2014-07-15
Also published as: DE4424961C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen photometrische Instrumente wie etwa Spektralphotometer und insbesondere derartige Instrumente, die die Lichtdurchlaßeigenschaften mehrerer Proben analysieren; die Erfindung betrifft ferner die Verwendung von Licht leitfasern und optische Schaltvorgänge in solchen Instrumenten.

Für die Analyse von Strahlung, die von Proben durchgelassen oder reflektiert wird, um die Art der Probe zu ermitteln, werden viele ver schiedene photometrische Instrumente verwendet. Insbesondere werden Spektralphotometer verwendet, um eine spektrographische Analyse zu erstellen, um beispielsweise das Vorhandensein oder die Konzentration von Komponenten in einer Probe zu bestimmen oder um ein für eine Probe charakteristisches "Fingerabdruck"-Spektrum zu schaffen. Eine typische Anwendung ist die Messung der Auflösungsgeschwindigkeit einer pharmazeutischen Tablette in einer Lösung, wobei Änderungen der Lichtdurchlässigkeit der Lösung über die Zeit hinweg überwacht werden. Ein weiterer Instrumententyp wird in der Flüssigchromatogra phie verwendet, in der ein Proben-Lösungsprodukt in ein strömendes Lösungsmittel eingeleitet wird, wobei die durchgelassene Strahlung überwacht wird.

Für die Messung der Lichtdurchlässigkeit von flüssigen Proben wird in einem Spektralbereich vom Infrarot zum Ultraviolett eine herkömmli che Klasse von Spektralphotometern verwendet. Gewöhnlich ist in das Instrument eine Probenzelle für eine Flüssigkeit eingebaut, die auch "Küvette" genannt wird und etwa in dem US-Patent Nr. 4,886,356 (Paradis) beschrieben ist, wobei die Flüssigkeit entweder sich in der Küvettenkammer befindet oder durch diese gepumpt wird. In letzter Zeit sind Lichtleitfasern dazu verwendet worden, die Strahlung an eine Küvette oder an eine vom Instrument entfernt befindliche Prüfvorrich tung zu transportieren. In einem solchen Fall kann eine Prüfvorrichtung so beschaffen sein, daß sie in die Flüssigkeit eingetaucht ist, wie bei spielsweise in dem US-Patent Nr. 5,077,481 (Hoult) beschrieben ist.

Es ist manchmal wünschenswert, im selben Zeitintervall gleichzeitig mehrere Proben zu überwachen, beispielsweise für verschiedene Ta bletten, die sich in einer Anzahl von Behältern auflösen. Das US-Patent Nr. 4,431 ,307 (Suovanieme) lehrt die Anordnung von Flüssigkeitsbe hältern in einer Matrix, wobei jeder Behälter seinerseits wiederum seine eigene Optik und einen Detektor wie etwa ein einfaches Photome ter enthält. Alternativ kann ein einziges Instrument mit einem Paar von Lichtleitfasern dazu verwendet werden, die Strahlung zu einer Gruppe von Küvetten oder Prüfvorrichtungen zu transportieren und von diesen zurück zu transportieren, wobei durch einen optischen Schaltvorgang die zu analysierende Probe ausgewählt wird, wie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4,968,148 (Chow u. a.) offenbart ist. Das Umschalten zwischen den Lichtleitfasern ist im allgemeinen auf die Rückleitung der Strahlung von einer Faser (oder einer Gruppe von Fasern) zu einer weiteren Faser (oder einer weiteren Gruppe von Fasern) gerichtet; Beispiele dieser Typen von Schaltvorgängen sind in den US-Patenten Nrn. 5,056,886 (Hoult) und 4,626,065 (Mori) offenbart.

Wenn ein einziges Paar von Lichtleitfasern die Strahlung ohne Unter brechung zu einer einzigen Küvette oder Prüfvorrichtung oder einer Matrixanordnung von Küvetten und von dieser einzelnen Küvette oder Prüfvorrichtung oder dieser Matrixanordnung von Küvetten überträgt, können sich die Fasern wegen der starken Beanspruchung durch die Strahlung erheblich verschlechtern. Dies ist insbesondere im UV-Be reich der Fall, wo das Phänomen als Solarisation bekannt ist.

Das US-Patent Nr. 4,989,932 (Landa u. a.) offenbart einen Multiplexie rer, mit dem es möglich ist, zur Analyse an ausgewählte Proben Licht zu schicken und von diesen zu empfangen. In einem Lichtweg ist in axialer Richtung eine drehbare Trommel angeordnet, die ein Paar von angewinkelten Spiegeln enthält. Ein Spiegel lenkt Licht schräg an eine Lichtleitfaser ab, die das Licht zu einer Probe transportiert. Eine wei tere Faser leitet das Licht von der Probe zum anderen Spiegel zurück, der seinerseits das Licht längs des ursprünglichen Weges zurücklenkt. Die Trommel wird um die Achse gedreht, um verschiedene Paare von Lichtleitfasern auszuwählen, die sich in verschiedenen radialen Rich tungen erstrecken. Obwohl für die Drehung der Trommel ein Schritt motor vorgeschlagen wird, ist für die Unterstützung oder die Drehung im optischen Weg kein Mechanismus gezeigt. Außerdem ist eine präzi se Ausrichtung der drehbaren Spiegel und der Fasern in bezug auf den Weg notwendig.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich tung zu schaffen, mit der die optische Kopplung zwischen einem pho tometrischen Instrument und einer oder mehreren Proben, insbesondere Proben mit lichtdurchlässigen Flüssigkeiten, unter Verwendung von Lichtleitfasern optimiert werden kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wie oben beschriebenes photometrisches Instrument mit einer Vorrichtung zum Umschalten zwischen mehreren Paaren von Lichtleitfasern in einem begrenzten Raum zu versehen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Instrument mit einem hohen Wiederholungsgrad der Meßzyklen zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Instrument mit einem System von Lichtleitfasern zu versehen, so daß die Solarisation irgendeiner der Fasern wesentlich reduziert wird.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein photometri sches Instrument, durch eine Wählvorrichtung für photometrische Instrumente sowie durch eine Lichtleitfaservorrichtung, wie sie in den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen beansprucht sind.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die sich auf bevorzugte Ausführungsfor men der vorliegenden Erfindung beziehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Spektralphotometers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Spektralphotometers, auf den die Erfindung angewendet werden kann;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines belichteten Endes einer im Spektralphotometer von Fig. 1 verwendeten Lichtleitfaser;

Fig. 4 einen Aufriß einer Schaltvorrichtung, die in dem Spek tralphotometer von Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 5a, 5b eine Stirnansicht bzw. eine teilweise im Schnitt darge stellte Seitenansicht eines Haltelementes für Lichtleitfa sern, das im Spektralphotometer von Fig. 1 verwendet wird; und

Fig. 6 einen eine Querschnittsansicht enthaltenden Aufriß einer Linsenhalterung, die in dem Spektralphotometer von Fig. 1 verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit praktisch jedem photometrischen Instrument verwendet werden, insbesondere mit einem Absorptions-Spektralphotometer, in dem ein Lichtstrahl (sichtbar, nahes Infrarot, Infrarot oder Ultraviolett) vom Instrument auf eine Probe abgelenkt wird und über Lichtleitfasern zurückgeleitet wird.

Ein für die Erfindung geeignetes, herkömmliches Instrument 10 wie etwa ein Modell LC-235, das von der Perkin-Elmer-Gesellschaft ver kauft wird, ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Eine Deuterium-Lichtbo genquelle 12 in einer Quarzröhre 14 emittiert Strahlung 15 im ultravio letten Bereich (UV-Bereich). Ein erster Konkavspiegel 16 richtet die Strahlung auf einen zweiten Konkavspiegel 18 parallel, der einen Teil 19 der Strahlung übermittelt und den Strahl auf einen Strahlteiler 20 bündelt. In einigen Fällen können nur ein Konkavspiegel oder ein Linsensystem verwendet werden, um die Strahlbündelung zu bewirken. Außerdem können (nicht gezeigte) Planarspiegel zum Ablenken oder Krümmen des Strahls verwendet werden, diese sind jedoch für die Erfindung ohne Bedeutung.

Der Strahlteiler 20 teilt den ursprünglichen Strahl 15 in zwei Strahlen auf. Ein Strahl 22 ist ein Referenzstrahl, der durch eine Blende 24 geschickt wird. Der andere Strahl 26 wird auf eine Küvette 28 gerich tet, die typischerweise auf jeder Seite einer Probenzelle 32 eine Linse 30 aufweist, wobei in der Probenzelle 32 eine Flüssigkeit 34 vorhanden ist oder durch diese strömt, um analysiert zu werden. Beide Strahlen erfahren mittels eines Polychromators mit einem Konkavgitter 36 eine Spektralzerlegung und werden auf einen Felddetektor 38 fokussiert, der in eine Leitung 40 zu einem programmierten Prozessor 42 entspre chende Signale schickt. In der Praxis sind das Gitter 36 und der Detek tor 38 gedreht, so daß der Detektor um 90° aus der Darstellung von Fig. 2 gedreht ist. Der Prozessor verarbeitet die Signale, indem er bei spielsweise die Spektraldaten des Probenstrahls mit denjenigen des Referenzstrahls vergleicht, um Ausgangsinformation zu erzeugen, die mittels eines Monitors 44 oder eines Druckers angezeigt wird.

Gemäß der Erfindung ist die Küvette 32 im Instrument durch eine optische Vorrichtung 46 (Fig. 1), die Lichtleitfasern enthält, ersetzt. Das übrige Instrument kann im wesentlichen gleich demjenigen von Fig. 2 sein, es ist jedoch in Fig. 1 vereinfacht dargestellt. Beispielswei se sind der Strahlteiler und der parallele Referenzstrahl weggelassen, sie können jedoch bei Bedarf vorhanden sein. Die Strahlung 15 vom Lichtbogen wird durch eine Quellenlinse 48 (die das Paar von Konkav spiegeln ersetzt oder repräsentiert) geschickt, die den durchgelassenen Strahl 26 in die optische Ersatzvorrichtung leitet. (Der Ausdruck "Linse", wie er hier und in den Ansprüchen verwendet wird, hat die Bedeutung einer einzelnen Linse oder einer Kombination von Linsen mit einer ähnlichen Funktion.)

In einer optischen Eingangskette 50 der Vorrichtung lenkt ein Planar spiegel 52 den gebündelten Quellenstrahl 26 durch eine Eingangsblende 54 in einer Platte 55 und eine Eingangsfokussierungslinse 56 in eine Lichtleitfaser 58, die hier mit "Quellenfaser" bezeichnet ist und die an ihrem Ende 60 in einem Halteelement 62 gehalten wird. Die Ein gangsblende kann alternativ die physikalische Größe des Quellenbildes sein, vorzugsweise ist sie jedoch eine tatsächliche Blende 54, die sich, was am meisten bevorzugt ist, an der angegebenen Position befindet. Die Quellenstrahlung 26 wird anschließend mittels der Faser an einen entfernten Ort 64 befördert, wo sich ein zu prüfendes flüssiges (oder halbdurchlässiges) Medium befindet. Alternativ kann die Probe reflek tierend sein. (Hier und in den Ansprüchen hat "durchlassen" und "durchgelassen" die Bedeutung sowohl von direkten Lichtdurchgängen durch eine Probe als auch von Reflexionen von einer Probe.) Im Falle einer Flüssigkeit besitzt eine herkömmliche Küvette oder Prüfvorrich tung 68 mit oder ohne zugehörige Linsen 70 eine Kammer 72 für die flüssige (oder andere) Probe 66, die einen Teil der Strahlung wahlweise absorbiert, um dadurch wenigstens einen Teil der Strahlung durchzu lassen. Eine Rückleitfaser 74 mit einem im Halteelement 62 gehaltenen Ende 76 überträgt die durchgelassene Strahlung zum Instrument zu rück. Die Küvette oder Prüfvorrichtung 68 kann von jedem gewöhnli chen oder gewünschten Typ sein, wie er beispielsweise in den obener wähnten US-Patenten Nrn. 4,886,356 und 5,077,481 beschrieben ist.

In einer optischen Ausgangskette 77 haben eine Ausgangslinse 78, wovon eine Brennebene 79 in einer Ausgangsblende 80 einer zweiten Sperre 81 lokalisiert ist, sowie ein weiterer Ablenkspiegel 82 in bezug auf das Ende 76 der Ausgangsfaser jeweils Konfigurationen und An ordnungen (Brennweite, Abstände und dergleichen), die im wesentli chen gleich denen der optischen Kette 50 in bezug auf das Ende 60 der Faser auf der Eingangsseite sind. Die durchgelassene Strahlung 84 wird daher durch den zweiten Spiegel 82 zurückgeleitet, um von dem Gitter 36 und dem Detektor 38 auf die in Fig. 2 beschriebene Weise verwendet zu werden. Vorzugsweise wird ein Spektralbild 85 der Quelle 12 auf den Detektor fokussiert. Der Prozessor 42 verarbeitet die Signale, um sie auf dem Monitor 44 anzuzeigen.

Die Quellenlinse 48 (oder ein äquivalentes Konkavspiegelsystem) ist so konfiguriert und angeordnet, daß es ein Bild des Quellenlichtbogens 12 auf eine Bildebene 88 fokussiert, die sich vorzugsweise auf Höhe der Eingangsblende 54 befindet. Die Bildebene stimmt außerdem mit einer Brennebene der Linse 56 überein. Darüber hinaus bildet die Umfangs linie 90 der Quellenlinse 48 (oder der zweite Konkavspiegel 18 von Fig. 2) eine Blende für die Quellenstrahlung, die hier mit "Quellenblende" bezeichnet wird. Zu diesem Zweck kann eine weitere Blende wie etwa eine getrennt angeordnete Blendensperre vorgesehen werden. Bezugnehmend auf Fig. 2 kann die Umfangslinie des ersten Spiegels 16 anstelle des zweiten Spiegels die Blendenwirkung erzeu gen. In jedem Fall ist die Eingangslinse 56 so konfiguriert und ange ordnet, daß sie ein Bild 91 (Fig. 3) der Quellenblende auf das belichtete Ende 60 des strahlungsübertragenden Kerns 94 der Faser fokussiert.

Alternativ können bei einer geringen, normalen Umordnung der (nicht gezeigten) Optik die Fokussierung der Quelle 12 und die Quellenblende 90 vertauscht werden. Somit wird die Quelle 12 auf den Faserkern 94 fokussiert, wobei dann die Quellenblende 90 auf die Eingangsblende 54 fokussiert würde. Allgemeiner bilden die Quellenfläche und die Quel lenblende ein Paar, das aus einer ersten Blende und einer zweiten Blende besteht, wobei der Ausdruck "erste Blende" sich entweder auf die Quellenfläche oder die Quellenblende bezieht und der Ausdruck "zweite Blende" sich auf das jeweils andere Element bezieht. Eine erste Fokussierungseinrichtung ist dazu vorgesehen, die erste Blende auf ein erstes Bild in einer Bildebene zu fokussieren. Eine zweite Fokussie rungseinrichtung besitzt eine Eingangsbrennebene, die mit der Bild ebene übereinstimmt, und ist so angeordnet, daß das erste Bild im Unendlichen auf die gewählte Quellenfaser fokussiert wird, um so die numerische Apertur der Faser zu füllen. Die zweite Fokussierungsein richtung fokussiert außerdem ein Bild der zweiten Blende (d. h. ein zweites Bild) auf das Ende der Eingangsfaser. Es ist ersichtlich, daß in der Ausführungsform von Fig. 1 die erste Blende die Quellenfläche 96 ist, die zweite Blende die Quellenblende 90 ist, die erste Fokussie rungseinrichtung die Linse 48 ist und die zweite Fokussierungseinrich tung die Linse 56 ist.

Eine Vergrößerungsfläche ist herkömmlicherweise als effektive Fläche einer Lichtquelle oder eines Bildes, multipliziert mit einem festen Win kel der von der Quelle oder dem Bild ausgehenden Strahlung, definiert. In dem Instrument von Fig. 1 ist die Vergrößerungsfläche für die Quelle die Fläche 96 der Quelle, multipliziert mit dem konstanten Winkel A, der sich gegenüber der Quellenblende befindet. (Ein kon stanter Winkel ist die Blendenfläche, dividiert durch den quadrierten Abstand.) In dem Instrument von Fig. 2 definiert die Umfangslinie entweder des ersten Spiegels 16 oder vorzugsweise des zweiten Spie gels 18 den konstanten Winkel. Die Vergrößerungsfläche einer Licht leitfaser ist das einfache Quadrat ihrer numerischen Apertur (die sich durch die Brechungsindizes des Kerns und der Umhüllung ergibt), multipliziert mit der Querschnittsfläche des Kerns 94 (Fig. 3).

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzen sämtliche Fasern die gleiche Vergrößerungsfläche, die im wesentlichen gleich der Quellen-Vergrößerungsfläche ist. Außerdem sollten die Fasern die gleiche numerische Apertur besitzen, die im wesentlichen gleich der numerischen Apertur der Eingangskette ist, die durch die kreisförmige Apertur des Eingangs und durch die Brennweite der Eingangslinse definiert ist. Diese Beschränkungen dienen dazu, die Verluste zu minimieren und die optischen Kopplungen und die spek trale Auflösung zu optimieren.

Es ist weiterhin wünschenswert, daß die Größe eines Eingangsbildes 91 (Fig. 3) am Faserkern gegenüber dem Querschnitt des Kerns 94 eine Soll-Fehlanpassung aufweist. Obwohl dies einen kleinen Strahlungsver lust zur Folge hat, läßt diese Fehlanpassung eine geringe Fehlausrich tung der Faser in bezug auf die angrenzende optische Kette zu, ohne daß der geplante optische Wirkungsgrad einen erheblichen Verlust erleidet. Es ist festgestellt worden, daß die Bildgröße von der Kern größe um ungefähr 10% bis 20% abweichen sollte, um geeignete Kom promisse zu erzielen. In Fig. 3 ist das Bild etwas kleiner als der Kern gezeigt; es könnte jedoch auch etwas größer sein.

Die obenbeschriebene optische Vorrichtung ist insbesondere für die selektive Prüfung von Durchlaßeigenschaften mehrerer Proben geeig net. Wie weiterhin in Fig. 1 gezeigt, ist eine Wählvorrichtung 98 vor gesehen, die eine ankommende Strahlung wahlweise durch eine ausge wählte Probe schickt, um eine Durchlaßstrahlung zu erzeugen. Von mehreren Quellen-Lichtleitfasern 58, 58′ (wovon zwei gezeigt sind), kann jede von ihnen wahlweise die ankommende Strahlung aufnehmen. Außerdem sind in einer entsprechenden Anzahl mehrere Rückleitungs lichtleitfasern 74, 74′ sowie in einer entsprechenden Anzahl Proben einrichtungen (64, 64′) vorgesehen, wovon jede so angeordnet ist, daß sie Strahlung von einer entsprechenden Quellenfaser an eine entspre chende Rückleit-Faser durchläßt. Eine Schalteinrichtung 100 wählt eine Quellenfaser aus, damit sie ankommende Strahlung empfängt, und leitet durchgelassene Strahlung von einer entsprechend ausgewählten Rück leitfaser zur Analysatorseite des Instruments.

In Fig. 4 ist eine besondere optische Vorrichtung, die eine Schaltein richtung 100 enthält, gezeigt. An einem Rahmen 102, wovon ein Ende in das Spektralphotometer eingepaßt ist, sind mehrere verschiedene Komponenten angebracht. Die Schalteinrichtung enthält ein Halteele ment 62, das zylindrisch ist und von einer Achse 106 unterstützt ist, die in Lagern 108 am Rahmen 102 unterstützt ist.

In den Fig. 5a und 5b sind Einzelheiten des Haltelements 62 mit den Fasern 58, 58′, 74, 74′ gezeigt. Eine Mittelbohrung 110 enthält die Achse 106, wobei ein Paar von Feststellschrauben 112 die Achse be festigen. Ein Ring von 16 eingesenkten Bohrungen 114 sind auf einem zur Achse axialen Kreis 116 in gleichem Abstand angeordnet. Jede von 16 Fasern besitzt ein belichtetes Ende (z. B. 60, 76), das in einem Stan dardverbinder-Ring 118, der in einem Loch gehalten wird, befestigt ist. Für jedes Loch ist ein weiteres Paar von orthogonalen Feststellschrau ben 120 (wovon ein Paar gezeigt ist) vorgesehen, das den Ring gegen einen O-Ring 122 drückt, der an der Innenseite der ringförmigen Rille 124 angeordnet ist, die mit dem Ring der Löcher 114 überlappt. Die Schrauben zwingen die Ringe gegen den O-Ring, wodurch Feineinstel lungen der Ausrichtung einer jeden der Fasern in bezug auf die angren zende optische Kette möglich sind. Eine flexible Kupplung 126 (Fig. 4) auf der Achse 106 ist mit einer Welle 128 verbunden, die ihrerseits einen Handgriff 130 aufweist, um die Halterung 62 um deren Achse 132 manuell in ausgewählte Positionen zu drehen. Flache Noppen 134 oder Einbuchtungen auf der Umfangsfläche der Halterung sind mit einer Blattfeder 136 in Druckkontakt, um die Halterung an jeder ge wünschten Drehposition zu halten. Ein (nicht gezeigter) Schrittmotor könnte anstelle des Handgriffs und der Blattfeder dazu verwendet werden, die Halterung zu positionieren.

Der Rahmen hält auch die optischen Eingangs- und Ausgangsketten. Ein Mast 138 auf dem Rahmen trägt den Eingangsspiegel 52, der Aus richtschrauben 139 (wovon nur eine gezeigt ist) besitzen kann, sowie den (nicht gezeigten) Ausgangsspiegel. Ein Plattenelement 142 (das in Fig. 6 im einzelnen gezeigt ist) mit einem Paar von eingesenkten Öff nungen 143 trägt die Eingangslinse 56 sowie die Ausgangslinse 78, die in einem Abstand von zwei belichteten Faserenden 60 bzw. 76 auf der Halterung 62 angeordnet sind. Eine Platte 144 mit zwei Blenden 54, 80 ist mittels Schrauben 145 am Plattenelement angebracht, so daß die Eingangsblende 54 auf die Eingangslinse ausgerichtet ist und die Aus gangsblende 80 auf die Ausgangslinse ausgerichtet ist. Die Linsen könnten so angeordnet sein, daß ihre flache Seite 146 den Faserenden nicht wie gezeigt abgewandt, sondern zugewandt ist.

In dem Ring der Fasern auf der Platte (Fig. 5a) sind acht Fasern Quel lenfasern 148, die sich gegenüber acht Rückleit-Fasern 150 befinden, derart, daß für jede gewählte Position der Halterung 62 eine entspre chend gewählte Quellenfaser 58 auf die Eingangslinse ausgerichtet ist, die die ankommende Strahlung empfangen soll, und eine entsprechend gewählte Rückleit-Faser auf eine Ausgangslinse 78 ausgerichtet ist, um die durchgelassene Strahlung zur Analyseeinrichtung zurückzuleiten. Somit besteht jedes Paar von Fasern aus einer Quellenfaser und einer Rückleit-Faser, deren jeweilige belichtete Enden auf dem Kreis diame tral entgegengesetzt sind. In diesem Beispiel ermöglichen acht Paare von Fasern die Wahl irgendeiner von acht Proben, um sie mit dem Instrument zu prüfen. Selbstverständlich kann für die Paare eine andere Anzahl gewählt werden. Eine oder mehrere der "Proben" kann wie im Stand der Technik eine Blindprobe oder ein Standard- oder unverdünn tes Lösungsmittel sein.

Im folgenden werden Beispiele für die Abmessungen des obenbeschrie benen Instruments angegeben: Der erste und der zweite Spiegel können Krümmungsradien von 16,6 bzw. 25,1 cm besitzen. Die Blende des zweiten Spiegels hat einen Durchmesser von 0,64 cm. Die Abstände sind: vom Lichtbogen zum ersten Spiegel 11,2 cm; vom ersten Spiegel zum zweiten Spiegel 19,0 cm; und vom zweiten Spiegel zur Eingangs blende 8,4 cm. Die Eingangsblende besitzt einen Durchmesser von 1,2 mm, während die Brennweite der Eingangslinse 3 mm beträgt. Diese Kombination des Blendendurchmessers und der Brennweite fokussiert Strahlen an der Kante der Blende direkt in die numerische Apertur der Faser von 0,22. Der Faserkern besitzt einen Durchmesser von 0,25 mm, was eine Vergrößerungsfläche von 0,0075 mm² ergibt. Der Quel lenlichtbogen besitzt einen Durchmesser von 1 ,0 mm, so daß bei ent sprechender Korrektur des ersten Spiegels die Blendengröße des zwei ten Spiegels eine numerische Apertur der Quelle von 0,056 und eine Vergrößerungsfläche von 0,0077 mm² ergibt.

Aus der vorangehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird deutlich, daß zusätzlich zu den oben bereits erwähnten Vorteilen ein besonders nützliches System für ein spektrometrisches Instrument geschaffen wird, das auch diejenigen Arten von Fluidproben aufneh men kann, die in der Praxis nicht in das Instrument eingesetzt werden können. Solche Proben umfassen Proben, die zu groß sind und daher nicht geprüft werden könnten, oder Proben, die sofortige Ergebnisse erfordern, wie dies bei der Produktionsüberwachung der Fall ist, oder Proben, die nicht ohne weiteres transportiert werden können, etwa explosive oder heiße Flüssigkeiten. Außerdem sind die Beschaffenhei ten der Faserenden und der Umschaltmechanismen im Instrument im Vergleich zu den Mechanismen für die Handhabung des Probenfluids im Instrument verhältnismäßig kompakt.

Obwohl die Erfindung oben mit Bezug auf besondere Ausführungsfor men im einzelnen beschrieben worden ist, kann der Fachmann ver schiedene Änderungen und Abwandlungen vornehmen, die im Geist und im Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die beigefüg ten Patentansprüche definiert ist, liegen. Die Erfindung ist daher ledig lich auf die beigefügten Ansprüche oder deren Äquivalente beschränkt.

Claims

1. Wählvorrichtung für photometrisches Instrument (10), das eine Strahlungsquelle (12) und Nutzvorrichtungen (42, 44) für die Nutzung der durchgelassenen Strahlung enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Quellen-Lichtleitfasern (58, 58′), wovon jede wahlweise Strahlung von der Quelle (12) empfangen kann,
eine entsprechende Anzahl mehrerer Rückleit-Lichtleitfasern (74, 74′),
eine entsprechende Anzahl mehrerer Probeneinrichtungen (64, 64′), wovon jede eine Probe (66) enthält, die Strahlung von einer entsprechenden Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) zu einer entsprechen den Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74′) durchläßt, und
eine Schalteinrichtung (100), die wahlweise Quellenstrahlung in eine ausgewählte Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) leitet und durchge lassene Strahlung von einer entsprechend gewählten Rückleit-Lichtleit faser (74, 74′) zu den Nutzvorrichtungen (42, 44) leitet, vorgesehen sind,
daß die Schalteinrichtung (100) ein Halteelement (62) mit einer Mittelachse (106) sowie eine Positioniereinrichtung (126, 128, 130) aufweist, die mit dem Halteelement (62) funktional verbunden ist, um das Halteelement (62) in Drehrichtung um die Achse (106) wahl weise zu positionieren,
daß das Halteelement (62) jeweils ein belichtetes Ende (60, 76) sämtlicher Lichtleitfasern (58, 58′, 74, 74′) hält, wobei sich jedes belichtete Ende (60, 76) auf einem mit der Achse (106) koaxialen Kreis befindet, und
daß die Quellen-Lichtleitfasern (58, 58′) mit den Rückleit lichtleitfasern (74, 74′) in der Weise zu Paaren zusammengefaßt sind, daß für jede gewählte Position des Halteelements (62) eine entspre chend gewählte Quellen-Lichtleitfaser (58; 58′) so positioniert ist, daß ihr belichtetes Ende (60) die Quellenstrahlung empfängt, und eine entsprechend gewählte Rückleit-Lichtleitfaser (74; 74′) so positioniert ist, daß ihr belichtetes Ende (76) die durchgelassene Strahlung zu den Nutzeinrichtungen (42, 44) leitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Probe (66) eine Flüssigkeit ist, die Strahlung durchläßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar von Fasern eine Quellen-Lichtleitfaser (148) und eine Rückleit-Lichtleitfaser (150) enthält, die jeweils belichtete Enden (60, 76) besitzen, die auf dem Kreis diametral entgegengesetzt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (106) am Halteelement (62) in dessen axialer Richtung befestigt ist und die Positioniereinrichtung eine Dreheinrich tung (130) enthält, die mit der Achse (106) funktional verbunden ist, damit die Achse so gedreht werden kann, daß die Position des Halte elements (62) ausgewählt werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (12) eine kreisförmige Strahlungs quellenfläche (96) besitzt und das photometrische Instrument (10) eine Quellenblende (90) mit einer Blendenfläche enthält, die sich von der Quelle (12) in einem Abstand befindet und dadurch eine Quellen- Vergrößerungsfläche definiert, und die Fasern (58, 58′, 74, 74′) jeweils die gleiche Faser-Ver größerungsfläche besitzen, die im wesentlichen gleich der Quellen- Vergrößerungsfläche ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenfläche (96) und die Quellenblende (90) ein Blendenpaar bilden, das aus einer ersten Blende und aus einer zweiten Blende besteht, ein optischer Eingangszug (50) für die Quelle (12) vorgese hen ist, der ankommende Strahlung in ein belichtetes Eingangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) leitet, und der optische Eingangszug (50) eine erste Fokussierungsein richtung (48), die so angeordnet ist, daß sie die erste Blende (96) auf ein Blendenbild in einer Bildebene (88) fokussiert, sowie eine zweite Fokussierungseinrichtung (56) aufweist, deren Brennebene sich in der Bildebene (88) befindet und die so angeordnet ist, daß das Blendenbild durch das Eingangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) im Unendlichen fokussiert wird, wobei die zweite Fokussie rungseinrichtung (56) ein Eingangsbild der zweiten Blende (90) auf das Eingangsende (60) fokussiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen optischen Ausgangszug (77), der in bezug auf die Analyseeinrichtungen (42, 44) angeordnet ist, um von einem belichte ten Ausgangsende (76) der entsprechend gewählten Rückleit-Lichtleit faser (74, 74′) durchgelassene Strahlung zu leiten, wobei der optische Ausgangszug (77) eine Ausgangsfokussierungseinrichtung (78) enthält, deren Konfiguration und Anordnung in bezug auf das Ausgangsende (76) im wesentlichen gleich der Konfiguration und der Anordnung der zweiten Fokussierungseinrichtung (56) in bezug auf das Eingangsende (60) sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Blende die Quellenfläche (96) ist und die zweite Blende die Quellenblende (90) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen-Fokussierungseinrichtung einen Konkavspie gel mit einer kreisförmigen Spiegelfläche enthält, wobei die Quellen blende durch die Spiegelfläche definiert ist, und die zweite Fokussierungseinrichtung eine Eingangslinse (56) enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Eingangszug (50) eine Eingangsblende (54) enthält, die die Größe des Eingangsbildes definiert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsblende (54) in der Bildebene (88) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (58, 58′, 74, 74′) jeweils die gleiche numeri sche Apertur besitzen und die Eingangsfokussierungseinrichtung (48) eine auf die Eingangsblende abgestimmte Brennweite besitzt, wodurch eine numerische Apertur des Eingangs definiert ist, die im wesentlichen gleich der gemeinsamen numerischen Apertur ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtleitfaser einen Kern (94) für die Übertragung der Strahlung besitzt, dessen Querschnittsgröße in bezug auf die Bild größe des Eingangsbildes eine Fehlanpassung aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildgröße von der Kerngröße abweicht, wobei die Abweichung in einem Bereich von 10% bis 20% liegt.

15. Photometrisches Instrument, mit
einer Strahlungsquelle (12),
einer Quellenblende (90), die so angeordnet ist, daß sie Strahlung von der Quelle (12) durchläßt,
einer Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′), die durchgelassene Strahlung aufnimmt,
einer Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74′),
einer Probeneinrichtung (64, 64′), die eine Probe (66, 66′) enthält, die Strahlung von der Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) zur Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74′) durchläßt, und
einer Nutzeinrichtung (42, 44), die die durchgelassene Strahlung von der Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74′) aufnimmt und ver arbeitet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Quelle (12) eine Quellenfläche (96) besitzt und die Quellenblende (90) eine Blendenfläche besitzt,
die Quellenblende (90) von der Quelle (12) beabstandet ist, wodurch eine Quellen-Vergrößerungsfläche definiert ist, und
die Fasern (58, 58′, 74, 74′) jeweils die gleiche Faser-Ver größerungsfläche besitzen, die im wesentlichen gleich der Quellen- Vergrößerungsfläche ist.

16. Instrument nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenfläche (96) und die Quellenblende (90) ein Blendenpaar bilden, das aus einer ersten Blende und aus einer zweiten Blende besteht, ein optischer Eingangszug (50) für die Quelle (12) vorgese hen ist, der ankommende Strahlung in ein belichtetes Eingangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) leitet, und der optische Eingangszug (50) eine erste Fokussierungsein richtung (48), die so angeordnet ist, daß sie die erste Blende (96) auf ein Blendenbild in einer Bildebene (88) fokussiert, sowie eine zweite Fokussierungseinrichtung (56) aufweist, deren Brennebene sich in der Bildebene (88) befindet und die so angeordnet ist, daß das Blendenbild durch das Eingangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) im unendlichen fokussiert, wobei die zweite Fokussierungs einrichtung (56) ein Eingangsbild der zweiten Blende (90) auf das Eingangsende (60) fokussiert.

17. Instrument nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen optischen Ausgangszug (77), der in bezug auf die Analyseeinrichtung (42, 44) angeordnet ist, um von einem belichteten Ausgangsende (76) der Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74′) durchgelassene Strahlung zu leiten, wobei der optische Ausgangszug (77) eine Aus gangsfokussierungseinrichtung (78) enthält, deren Konfiguration und Anordnung in bezug auf das Ausgangsende (76) im wesentlichen gleich der Konfiguration und der Anordnung der zweiten Fokussierungsein richtung (56) in bezug auf das Eingangsende (60) sind.

18. Instrument nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Blende die Quellenfläche (96) ist und die zweite Blende die Quellenblende (90) ist.

19. Instrument nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen-Fokussierungseinrichtung einen Konkavspie gel mit einer kreisförmigen Spiegelfläche enthält, wobei die Quellen blende durch die Spiegelfläche definiert ist, und die zweite Fokussierungseinrichtung eine Eingangslinse (56) enthält.

20. Instrument nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Eingangszug eine kreisförmige Eingangs blende (54) enthält, die die Größe des Eingangsbildes definiert.

21. Instrument nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsblende (54) in der Bildebene (88) angeordnet ist.

22. Instrument nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (58, 58′, 74, 74′) jeweils die gleiche numeri sche Apertur besitzen, und die Eingangsfokussierungseinrichtung eine auf die Eingangs blende (54) abgestimmte Brennweite besitzt, um eine numerische Aper tur des Eingangs zu definieren, die im wesentlichen gleich der gemein samen numerischen Apertur ist.

23. Instrument nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtleitfaser einen Kern (94) besitzt, der die Strah lung überträgt, wobei die Querschnittsgröße des Kerns in bezug auf die Bildgröße des Bildes eine Soll-Fehlanpassung aufweist.

24. Instrument nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Bildgröße von der Kerngröße in einem Bereich von ungefähr 10% bis 20% liegt.

25. Instrument nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch wenigstens eine zusätzliche Lichtleitfaser (58′), die ankom mende Strahlung aufnimmt,
wenigstens eine zusätzliche Rückleit-Lichtleitfaser (74′),
wenigstens eine zusätzliche Probeneinrichtung (64′), in der eine Probe enthalten ist, die Strahlung von der zusätzlichen Quellen- Lichtleitfaser (58′) zur zusätzlichen Rückleit-Lichtleitfaser (74′) durchläßt, und
eine Schalteinrichtung (100), die ankommende Strahlung in eine ausgewählte Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) leitet und durchgelas sene Strahlung von einer entsprechend gewählten Rückleit-Lichtleitfa ser (74, 74′) zur Analyseeinrichtung (42, 44) zurückleitet.

26. Lichtleitfaservorrichtung,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Strahlungsquelle (12), eine Quellenblende (90), die so angeordnet ist, daß sie Strahlung von der Quelle (12) durchläßt, und eine Lichtleitfaser (58) mit einer vorgegebenen Vergrößerungsfläche und einem Kernende (60), der die von der Blende (90) kommende Strahlung aufnimmt, vorgesehen sind,
daß die Quelle (12) eine Quellenfläche (96) besitzt und die Quellenblende (90) eine Blendenfläche besitzt, wobei die Quelle (12) von der Quellenblende (90) beabstandet ist, wodurch eine Quellen- Vergrößerungsfläche definiert ist, und
daß die Faser-Vergrößerungsfläche im wesentlichen gleich der Quellen-Vergrößerungsfläche ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,
daß die Quellenfläche (96) und die Quellenblende (90) ein Blendenpaar bilden, das aus einer ersten Blende und aus einer zweiten Blende besteht,
ein optischer Eingangszug (50) für die Quelle (12) vorgese hen ist, der ankommende Strahlung in ein belichtetes Eingangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) leitet, und
der optische Eingangszug (50) eine erste Fokussierungsein richtung (48), die so angeordnet ist, daß sie die erste Blende (96) auf ein Blendenbild in einer Bildebene (88) fokussiert, sowie eine zweite Fokussierungseinrichtung (56) aufweist, deren Brennebene sich in der Bildebene (88) befindet und die so angeordnet ist, daß das Blendenbild durch das Eingangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58′) im unendlichen fokussiert, wobei die zweite Fokussierungs einrichtung (56) ein Eingangsbild der zweiten Blende (90) auf das Eingangsende (60) fokussiert.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Blende die Quellenfläche (96) ist und die zweite Blende die Quellenblende (90) ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen-Fokussierungseinrichtung einen Konkavspie gel mit einer kreisförmigen Spiegelfläche enthält, wobei die Quellen blende durch die Spiegelfläche definiert ist, und die zweite Fokussierungseinrichtung eine Eingangslinse (56) enthält.

30. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Eingangszug (50) ferner eine kreisförmige Eingangsblende (54) enthält, die die Größe des Eingangsbildes definiert.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsblende (54) in der Bildebene (88) angeordnet ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine numerische Apertur besitzt und die Brennweite der Eingangsfokussierungseinrichtung (48) an die Ein gangsblende (54) angepaßt ist, wodurch eine numerische Apertur des Eingangs definiert ist, die im wesentlichen gleich der numerischen Apertur der Faser ist.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtleitfaser (58, 58′, 74, 74′) einen Kern (94) besitzt, der die Strahlung überträgt, und die Querschnittsgröße des Kerns (94) in bezug auf die Größe des Eingangsbildes eine Soll-Fehlanpassung aufweist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Bildgröße von der Kerngröße in einem Bereich von ungefähr 10% bis 20% liegt.