DE602005003592T2

DE602005003592T2 - Vorrichtung und Verfahren für spektrophotometrische Analyse

Info

Publication number: DE602005003592T2
Application number: DE602005003592T
Authority: DE
Inventors: Henrik Vilstrup 4000 Juhl
Original assignee: Foss Analytical AS
Current assignee: Foss Analytical AS
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2025-12-06
Also published as: CA2626741C; US20090290153A1; KR101342625B1; AR058273A1; RU2437719C2; JP4988756B2; PL1792653T3; AU2006324129A1; US8064051B2; CN101300077A; EP1792653B1; AU2006324129B2; US20110149280A1; DK1792653T3; US8004670B2; RU2008116849A; WO2007065772A1; KR20080075182A; KR101277140B1; CL2006003357A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur spektrofotometrischen Analyse.
Allgemeiner Stand der Technik
Es ist bestens bekannt, ein Spektrofotometer für die quantitative und/oder qualitative Bestimmung von interessierenden Substanzen in einem Prüfmustermaterial, insbesondere einer Lösung, bereitzustellen. Ein solches Spektrofotometer detektiert elektromagnetische Energie, in der Regel optische Energie, bei einer oder mehreren definierten Wellenlängen nach ihrer Wechselwirkung mit einem Prüfmuster, das in einem Probenhalter, wie zum Beispiel einer Zelle oder Küvette, gehalten wird. Dieses Spektrofotometergerät kann so konfiguriert werden, dass es in einem oder mehreren der bestens bekannten Durchlass-, Reflexions- oder Transreflexionsmodi arbeitet, und kann zum Beispiel einen Dispersionselementmonochromator aufweisen oder kann zum Beispiel als ein Interferometer, wie zum Beispiel ein Fourier-Transformationsinterferometer, konfiguriert sein.
Eine Probe wird herkömmlicherweise in die Zelle oder Küvette gegossen. Wenn eine spektrofotometrische Messung über eine kurze Weglänge ausgeführt werden soll, wie zum Beispiel bei Proben, die eine hohe Absorption für die verwendete Wellenlänge aufweisen, so muss die Probe möglicherweise in die Zelle oder Küvette gepumpt werden. Wo eine kurze Weglänge verwendet wird, muss die Weglänge stabil und exakt gesteuert sein, da eine kleine Differenz in der Weglänge nun eine größere prozentuale Änderung der Weglänge darstellt und sich darum erheblich auf die Messergebnisse auswirkt.
Es ist zum Beispiel aus US 5,602,647 ebenfalls bekannt, ein optisches Spektrofotometer bereitzustellen, bei dem ein Probenhalter eine variable interne optische Weglänge aufweist. In diesem Spektrofotometer wird die Weglänge variiert, um die Intensität einer bestimmten detektierten Wellenlänge zu optimieren. Das Spektrofotometer ist dafür konfiguriert, die quantitative und/oder qualitative Bestimmung auf der Grundlage der Intensität von durchgelassener optischer Strahlung und der Werte der optischen Weglänge an Spitzenintensitätspositionen auszuführen. In diesem Spektrofotometer ist es sehr wichtig, dass die variable Weglänge exakt gesteuert werden kann. Eine falsche Weglänge, die für die quantitative Bestimmung verwendet wird, führt zu einem falschen Ergebnis aus den Messungen. Somit kann die Veränderung der optischen Weglänge Fehler in die Ergebnisse eintragen, wenn die Weglänge nicht exakt gesteuert wird.
US 6,628,382 offenbart eine weitere Vorrichtung für die Spektrofotometrie bei extrem kleinen Flüssigkeitsproben. Die Vorrichtung weist zwei Ambossflächen auf. Eine der Flächen kann dergestalt von der anderen fortgeschwenkt werden, dass die Flächen auf einfache Weise gereinigt werden können und eine Probe auf einfache Weise aufgebracht werden kann. Ein Flüssigkeitstropfen wird auf eine Fläche aufgebracht, und die andere Fläche wird mit dem Tropfen in Kontakt gebracht. Anschließend werden die Flächen auseinander gezogen, so dass die Probe zu einer Säule gezogen wird. In dieser Position wird die spektrofotometrische Messung ausgeführt. Zwei Messungen können alternativ bei zwei verschiedenen Weglängen ausgeführt werden. Das ist zweckmäßig, wo die Genauigkeit der Wegdifferenz für eine kleine Wegdifferenz besser bestimmt werden kann als der absolute volle optische Weg. Gemäß US 6,628,382 muss die optische Weglänge trotzdem noch sehr exakt gesteuert werden.
GB 796,745 offenbart eine Absorptionsküvette mit variabler Weglänge für Flüssigkeiten mit einer Probenkontaktfläche und einer Probenaufnahmefläche, die relativ zueinander verschoben werden können, um eine optische Weglänge zwischen den zwei Flächen zu verändern. Der Schiebehalter ist eine relativ komplexe und somit teure Konstruktion, die dafür konfiguriert ist zu gewährleisten, dass die zwei Flächen exakt parallel zueinander bleiben, wenn die Weglänge verändert wird.
US 5,309,213 A offenbart eine optische Zelle in Form eines sehr dünnen kegelförmigen Probenvolumens, die in einem Lichtstrahl angeordnet wird. Dadurch wird es möglicht, einen Bereich von Probendicken zu beobachten, indem die Quelle und die Detektionsvorrichtung seitlich an der Probe entlang bewegt werden.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur spektrofotometrischen Analyse bereitzustellen, die dem Spektrofotometer eine Probe auf einfache Weise darbieten. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Spektrofotometer bereitzustellen, das dafür ausgelegt ist, auf einfache Weise Messungen an verschiedenen Weglängen einer Probe auszuführen.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden mindestens teilweise mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und mittels eines Verfahrens nach Anspruch 5 erfüllt.
Somit wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Vorrichtung für die spektrofotometrische Analyse bereitgestellt. Die Vorrichtung weist eine Probenaufnahmefläche mit einer ersten Lichtdurchlassregion auf, die dafür konfiguriert ist, eine zu analysierende Probe aufzunehmen, und weist eine Probenkontaktfläche mit einer zweiten Lichtdurchlassregion auf, die dafür konfiguriert ist, zusammen mit der Probenaufnahmefläche eine Relativbewegung auszuführen, dergestalt, dass sie in eine erste relative Position gebracht werden können, wo die Flächen genügend voneinander beabstandet sind, damit die Probe auf der Probenaufnahmefläche angeordnet werden kann, ohne die Probenkontaktfläche zu berühren, und in eine zweite relative Position gebracht werden können, wo die erste und die zweite Lichtdurchlassregion die Probe an der Probenaufnahmefläche berühren, um ein Zusammendrücken der Probe dazwischen zu bewirken. Die Vorrichtung weist des Weiteren eine Probendickensteuervorrichtung auf, die dafür konfiguriert ist, die Distanz zwischen der Probenaufnahmefläche und der Probenkontaktfläche in der zweiten Position der Probenkontaktfläche so zu steuern, dass eine Probendicke zwischen den Flächen verschoben werden kann, um mindestens zwei Messungen der Probe bei verschiedenen optischen Weglängen durch die Probe hindurch zu erhalten.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann eine Probenaufnahmefläche so dargeboten werden, dass ein Zugang zu der Fläche möglich ist. Das bedeutet, dass eine Probe direkt auf der Fläche angeordnet werden kann, ohne die Probe in einen Probenhalter pumpen zu müssen. Dies ist eine einfache und kostengünstige Lösung, weil kein Strömungssystem mit zugehörigen Pumpen und Leitungen benötigt wird. Des Weiteren bietet der Zugang zu der Probenaufnahme- und der Probenkontaktfläche auch eine Möglichkeit, die Flächen auf einfache Weise zu reinigen. Dadurch lässt sich die Vorrichtung jederzeit leicht warten. Folglich wird die Vorrichtung dank der Möglichkeit, die Probenkontaktfläche von der Probenaufnahmefläche fortzubewegen, während die zwei Flächen physisch miteinander verbunden bleiben, benutzerfreundlich.
Die Probendickensteuervorrichtung stellt die Weglänge in einer zusammengedrückten Probe ein. Somit ermöglicht es die Vorrichtung, die Weglänge direkt in einer Position einzustellen, wo die Probenaufnahme- und die Probenkontaktfläche beide mit der Probe in Kontakt gebracht wurden. Dadurch lässt sich die Vorrichtung einfach handhaben, und die Probendickensteuervorrichtung kann augenblicklich in Funktion treten, um die Weglänge einzustellen, wenn sich die Probenkontaktfläche der Probenaufnahmefläche nähert. Das bedeutet ebenfalls, dass die Probendickensteuervorrichtung in einer einfachen mechanischen Konstruktion implementiert werden kann, die lediglich die Probenaufnahmefläche und die Probenkontaktfläche auf unterschiedlichen Distanzen voneinander zu halten braucht.
Des Weiteren stützt sich die Erfindung zum Teil auf die Erkenntnis, dass das Ausführen zweier Messungen an einer Probe mit zwei verschiedenen Weglängen verwendet werden kann, um den Inhalt einer Probe auf intelligente Weise zu bestimmen. Unter Nutzung eines Verhältnisses von durchgelassenen Intensitäten bei zwei verschiedenen Weglängen durch die Probe hindurch und Ausführen einer zweckmäßigen Vorverarbeitung dieses Verhältnisses, wie zum Beispiel mittels Standardnormalvarianten (SNV)-Transformation oder multiplikativer Streuungskorrektur (MSC), ist es nicht notwendig, die exakte Weglänge in den Messungen zu kennen. Das vorverarbeitete Spektrum ist nicht von der Weglänge abhängig, bei der die Spektren gemessen wurden. Diese Erkenntnis bietet eine Möglichkeit, einen Inhalt selbst dann zu bestimmen, wenn die Messungen nicht bei den beabsichtigten exakten Weglängen ausgeführt werden. Darum braucht die Vorrichtung die Probendicke nicht mit großer Exaktheit für die Messungen bei verschiedenen Weglängen zu steuern. Das bedeutet, dass die Anforderungen, die an die Probendickensteuervorrichtung gestellt werden, um die Probendicke zu steuern, nicht extrem hoch sind. Des Weiteren ist es der Probendickensteuervorrichtung möglich, Weglängen innerhalb einer zusammengedrückten Probe, die eine kleine Weglänge hat, zu verschieben, auch wenn eine Ungenauigkeit in der eingestellten Weglänge einen großen relativen Fehler zur Folge hätte.
Gemäß der Erfindung ist die Probenkontaktfläche an der Probenaufnahmefläche angelenkt. Das bedeutet, dass die Probenkontaktfläche auf einfache Weise zwischen der ersten und der zweiten Position bewegt werden kann. Die Probenkontaktfläche kann manuell gehandhabt werden, um die Probenkontaktfläche um das Scharnier herum zu drehen, um die Fläche zu bewegen. Weil die Probendickensteuervorrichtung die Weglänge durch die Probe hindurch nicht mit extrem hoher Genauigkeit einzustellen braucht, ist es darüber hinaus irrelevant, dass die Probenkontaktfläche nicht in einer Richtung entlang einer Normalen zu den Flächen bewegt wird.
Die Probendickensteuervorrichtung kann einen Vorsprung aufweisen, der sich entweder von der Probenaufnahmefläche oder von der Probenkontaktfläche erstreckt, wobei die Distanz zwischen der Probenaufnahmefläche und der Probenkontaktfläche durch die Distanz gesteuert wird, um die sich der Vorsprung von der Fläche erstreckt. Der Vorsprung hält somit die Probenkontaktfläche um eine bestimmte Distanz von der Probenaufnahmefläche entfernt, wobei diese Distanz durch den Betrag des Vorsprungs von einer Fläche gesteuert wird. Die Probendickensteuervorrichtung kann zusätzlich einen Motor zum Steuern der Distanz aufweisen, um den sich der Vorsprung von der Fläche erstreckt.
Die Probendickensteuervorrichtung kann dafür konfiguriert sein, das Absenken der Probenkontaktfläche in Richtung der zweiten Position zu steuern, dergestalt, dass die Probenkontaktfläche langsam in Richtung der zweiten Position gebracht wird. Dadurch wird gewährleistet, dass die gesamte Probenkontaktfläche mit der Probe in Kontakt kommen kann. Wenn zum Beispiel die Probe eine Flüssigkeit ist, so kann die gesamte Probenkontaktfläche benetzt werden, indem die Probenkontaktfläche langsam einen Kontakt mit der Probe herstellt. Des Weiteren kann die Probenkontaktfläche manuell in Richtung der zweiten Position gebracht werden, während die Probendickensteuervorrichtung das abschließende Absenken der Probenkontaktfläche steuert.
Die Probendickensteuervorrichtung kann dafür konfiguriert sein, die Probendicke in einem Bereich von 10–50 μm, bevorzugt 15–45 μm zu verschieben. Das ist zweckmäßig für Messungen, die an hoch absorbierenden Proben ausgeführt werden. Die Erfindung eignet sich besonders zur Verwendung bei Messungen an solchen kurzen Weglängen, da diese Weglängen herkömmlicherweise durch komplexe Küvetten mit extrem hoher Genauigkeit in der vorhandenen Weglänge erzeugt wurden. Diese Küvetten sind an Pumpen angeschlossen, um eine Probe in die Küvette einzutragen. Somit stellt die Erfindung eine viel einfachere und preisgünstigere Vorrichtung zum Ausführen von Messungen an solchen kurzen Weglängen bereit.
Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Arithmetikeinheit aufweisen, die dafür konfiguriert ist, Ausgangssignale von den mindestens zwei Messungen bei den verschiedenen Weglängen aufzunehmen, und die dafür geeignet ist, einen Wert in Abhängigkeit von dem Verhältnis von empfangenen Ausgangssignalen bei zwei Weglängen für eine gleiche Wellenlänge, die in den Messungen verwendet wird, zu berechnen und daraus eine quantitative und/oder eine qualitative Anzeige einer interessierenden Substanz in der Probe zu erzeugen.
Durch Teilen der Intensitäten von detektiertem Licht der gleichen Wellenlänge, nachdem sie zwei verschiedene Wege durch die gleiche Probe hindurch durchquert haben, werden dann intensitätsbezogene Instabilitäten entfernt. Das bedeutet, dass die Messungen nicht durch eine zufällige zeitliche Intensitätsdrift in dem Spektrofotometer beeinflusst werden, die durch instabile Betriebsbedingungen hervorgerufen werden kann, wie zum Beispiel Veränderungen der Temperatur des Instruments. Das Entfernen der intensitätsbezogenen Instabilitäten bedeutet, dass es nicht erforderlich ist, regelmäßig Messungen an einer Kalibrierungsprobe auszuführen, um eine sogenannte "Nullrückstellung" des Spektrofotometers vorzunehmen.
Indem man überdies, wie oben beschrieben, die Verhältnisberechnungen durch die Arithmetikeinheit ausführen lässt, beeinflussen Veränderungen der Weglängen durch die Probe hindurch nicht die Ergebnisse der Messung.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren für die spektrofotometrische Analyse einer Probe bereit. Das Verfahren enthält das Anordnen der Probe auf einer Probenaufnahmefläche und das Absenken einer Probenkontaktfläche in Bezug auf die Probenaufnahmefläche, dergestalt, dass sie in eine Position gebracht wird, wo die Probenkontaktfläche einen Kontakt zu der Probe herstellt, die auf der Probenaufnahmefläche angeordnet ist, und die Probe zwischen der Probenaufnahmefläche und der Probenkontaktfläche zusammendrückt. Das Verfahren enthält des Weiteren das Steuern einer ersten Weglänge durch die Probe hindurch in der zusammengedrückten Probe, das Ausführen einer ersten Messung an der Probe mit der ersten Weglänge, das Ändern der Weglänge durch die Probe hindurch in der zusammengedrückten Probe zu einer zweiten Weglänge, und das Ausführen einer zweiten Messung an der Probe mit der zweiten Weglänge.
Das Verfahren stellt ein benutzerfreundliches Verfahren zum Ausführen einer spektrofotometrischen Analyse bereit, wobei dem Spektrofotometer eine Probe in einer einfachen Weise dargeboten werden kann und die Weglänge der Probe auf einfache Weise gesteuert wird.
Eine quantitative und/oder qualitative Anzeige einer interessierenden Substanz in der Probe wird in Abhängigkeit von einem Verhältnis der ersten und der zweiten wellenlängenabhängigen Intensität erzeugt. Das Absenken der Probenkontaktfläche in Bezug auf die Probenaufnahmefläche erreicht man durch Schwenken der Probenkontaktfläche, die an der Probenaufnahmefläche angelenkt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun beispielhaft in weiterer Ausführlichkeit anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Ansicht der Komponenten einer Vorrichtung zur spektrofotometrischen Analyse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Probenhalters der Vorrichtung von 1, die eine Probenkontaktfläche veranschaulicht, die von einer Probenaufnahmefläche beabstandet ist, um das Aufbringen einer Probe auf die Probenaufnahmefläche zu ermöglichen.
3 ist eine Seitenansicht des Probenhalters, die veranschaulicht, wie die Probenkontaktfläche in Kontakt mit der Probe gebracht wird, um spektrofotometrische Messungen auszuführen.
4 ist eine Draufsicht auf die Probenaufnahmefläche, die Vorsprünge zum Steuern der Distanz zwischen der Probenaufnahmefläche und der Probenkontaktfläche veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Es wird nun unter Bezug auf 1 ein Spektrofotometer 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Das Spektrofotometer 2 weist ein Gehäuse 4 auf, in dem alle Teile des Spektrofotometers 2 angeordnet sind. Somit sind alle optischen Komponenten des Spektrofotometers 2 in dem Gehäuse 4 angeordnet. Das Gehäuse 4 schützt die optischen Komponenten und verhindert, dass sich der optische Aufbau verzieht.
Das Spektrofotometer 2 hat eine (nicht gezeigte) Anzeige zum Darstellen der Ergebnisse für einen Benutzer. Das Spektrofotometer weist außerdem einen Probenhalter 6 auf, der es ermöglicht, dem Spektrofotometer 2 eine Probe in einer einfachen Weise darzubieten.
Es wird nun der optische Aufbau des Spektrofotometers 2 erläutert. Das Spektrofotometer 2 enthält einen Probenhalter 6; eine polychromatische Lichtquelle 8, eine Detektionsanordnung 10; eine Arithmetikeinheit 12 und eine Steuereinheit 14a einer Probendickensteuervorrichtung 14 zum Einstellen einer Probendicke. In dem vorliegenden Beispiel sind die Quelle 8, der Probenhalter 6 und die Detektionsanordnung 10 relativ zueinander so angeordnet, dass während des Gebrauchs Licht von der Quelle 8 entlang einer optischen Achse 16 verläuft, um durch einander gegenüberliegende Flächen 6a, 6b des Probenhalters 6 durchgelassen zu werden, bevor es durch die Detektionsanordnung 10 detektiert wird. Es kann eine Scharfstelloptik 18, hier als ein Linsenpaar dargestellt, eingebaut werden und in einer bekannten Weise verwendet werden, um die gewünschte Lichtstrahlform von der Quelle 8 durch den Probenhalter 6 hindurch zu der Detektionsanordnung 10 zu erzeugen.
Der Probenhalter 6 der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass die einander gegenüberliegenden Flächen 6a, 6b in einer Richtung entlang der optischen Achse 16 ganz oder teilweise aus einem lichtdurchlässigen Material bestehen und relativ zueinander beweglich sind, wie weiter unten noch näher beschrieben wird. Die Steuereinheit 14a ist mit einer oder beiden einander gegenüberliegenden Flächen 6a, 6b wirkverbunden, um eine Kraft darauf auszuüben, um ihren jeweiligen Trennungsabstand und damit die optische Weglänge durch die Probenzelle 6 zu verändern.
Die polychromatische Lichtquelle 8 ist hier dafür konfiguriert, alle interessierenden spezifischen Wellenlängen gleichzeitig zu erzeugen und auszusenden. Gemäß einer Ausführungsform ist die polychromatische Lichtquelle 8 dafür konfiguriert, Infrarot-Strahlung auszusenden. In Ergänzung dazu besteht die Detektionsanordnung 10 hier aus einem Spektrometer 10a und einem zugehörigen Fotodetektor 10b. Diese Elemente 10a, 10b sind in Bezug auf einander in einer bekannten Weise so konfiguriert, dass sie ein wellenlängenabhängiges Durchlassspektrum von Probenmaterial in der Probenzelle 6 erzeugen können.
Die Arithmetikeinheit 12 ist mit einem Ausgang des Fotodetektors 10b wirkverbunden. Die Arithmetikeinheit 12 ist dafür konfiguriert, ein auf diese Weise erzeugtes Durchlassspektrum an mehreren, d. h. an vorzugsweise mindestens zwei, verschiedenen Trennungen der zwei Flächen 6a, 6b aufzunehmen und vorzugsweise zu speichern. Die Einheit 12 kann dafür konfiguriert sein, die Spektren gemäß Vorgabe durch ein Ausgangssignal von der Einheit 12 zu speichern, und kann anstelle der einzelnen Funktionseinheit 12, die in der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht ist, mehrere separate, aber miteinander verbundene Einheiten aufweisen.
Während des Betriebes zeichnet die Arithmetikeinheit 12 der vorliegenden Ausführungsform Spektraldaten von der Detektionsanordnung 10 entsprechend einer ersten Trennung der Flächen 6a, 6b auf. Dann wird die Probendickensteuervorrichtung 14 aktiviert, um die Trennung zwischen den Flächen 6a, 6b zu verändern, und die Arithmetikeinheit 12 zeichnet Spektraldaten von der Detektionsanordnung 10 entsprechend einer zweiten, anderen Trennung der Flächen 6a, 6b auf. Auf diese Weise stehen der Arithmetikeinheit 12 Intensitätswerte für Licht von der polychromatischen Quelle 8, das durch das Probenmaterial durchgelassen wird, auf ihre Wellenlängen indexiert, für mindestens zwei verschiedene optische Wege durch das Probenmaterial hindurch zur Verfügung. Die Arithmetikeinheit 12 ist dafür konfiguriert, eine quantitative oder eine qualitative Bestimmung des Vorhandenseins einer interessierenden Substanz in dem Probenmaterial auf der Grundlage von Berechnungen des Verhältnisses der auf diese Weise erhaltenen Intensitätswerte bei den gleichen Wellenlängen für jede der zwei verschiedenen Weglängen vorzunehmen. Die Einheit 12 ist des Weiteren dafür konfiguriert, eine Anzeige der auf diese Weise getroffenen Bestimmung auszugeben. Dies kann zum Beispiel in Form einer quantitativen Messgröße der interessierenden Substanz geschehen oder kann zum Beispiel eine qualitative Anzeige des Vorhandenseins der interessierenden Substanz in der Probe sein.
Genauer gesagt, ist die Arithmetikeinheit 12 dafür konfiguriert, bei der Vornahme der Bestimmungen eine Methodologie zu nutzen, die durch die folgenden Gleichungen umschlossen wird: Die Intensität von Licht der Wellenlänge λ, (I_λ), das am Detektor 10b empfangen wird, nachdem es eine Weglänge b₁ durch eine Probe hindurch durchquert hat, die einen Absorptionskoeffizienten a_λ (worin die Absorptionskoeffizienten der Probe und des Halters enthalten sind) aufweist und eine Konzentration C einer interessierenden Substanz enthält, kann gemäß der bekannten Gleichung: I1λ = I0λ exp (αλ·C·b1) (1)ausgedrückt werden, wobei I_0λ die Intensität des Lichts der Wellenlänge λ ist, das auf die Fläche 6a des Halters 6 auftrifft.
Gleichermaßen kann für eine kürzere Weglänge b₂ die Intensität, die durch den Detektor 10b bei der gleichen Wellenlänge λ empfangen wird, als: I2λ = I0λ exp (αλ·C·b2) (2)ausgedrückt werden.
Unter Verwendung dieser zwei Gleichungen (1) und (2), welche die bestimmten Intensitäten darstellen, kann der wellenlängenabhängige Absorptionsgrad A_λ als: Aλ = log(I2λ/I1λ) = αλ·C·(b1 – b2) (3)ausgedrückt werden.
Somit kann in einer höchst einfachen Konfiguration die Arithmetikeinheit 12 dafür konfiguriert sein, die Konzentration C aus der Gleichung (3) und aus einer Kenntnis der zwei Weglängen b₁ und b₂ (mindestens ihrer Differenz), der zugehörigen detektierten Intensitäten I_1λ und I_2λ und des Wertes des Absorptionskoeffizienten a_λ bei der oder den interessierenden Wellenlängen λ zu bestimmen.
Jedoch kann, was noch üblicher ist, die Wissenschaft der Chemometrie auf das Problem in einer allgemein bekannten Weise angewendet werden, wobei eine multivariate statistische Analyse verwendet wird, um einen Kalibrierungsalgorithmus aufzustellen, der eine Korrelation des Absorptionsgrades λ mit der Konzentration C einer interessierenden Substanz herstellt. Wie bestens bekannt ist, gehört dazu die Verwendung eines Satzes "Lern-" oder Kalibrierungsproben, die vorzugsweise so gewählt werden, dass sie den kompletten Bereich von Konzentrationen und Substanzen abdecken, der vermutlich von Interesse sein wird. Es ist erkannt worden, dass es bei Ausführen einer zweckmäßigen Vorverarbeitung des Verhältnisses in Gleichung (3), wie zum Beispiel mittels einer Standardnormalvariantentransformation, nicht notwendig ist, die exakte Weglänge in den Messungen zu kennen. Das mittels Standardnormalvariantentransformation vorverarbeitete Spektrum ist nicht von der Weglänge abhängig, bei der die Spektren gemessen wurden. Es versteht sich daher, dass in dieser Weise der tatsächliche optische Weg oder die tatsächliche Wegdifferenz für ein Prüfmuster nicht bekannt zu sein braucht, damit die Arithmetikeinheit 12 eine Vorhersage bezüglich einer oder mehrerer bestimmter interessierender Substanzen treffen kann.
Es wird nun unter Bezug auf die 2-4 der Probenhalter 6 des Spektrofotometers 2 in weiterer Ausführlichkeit besprochen.
Der Probenhalter 6 weist eine Probenaufnahmefläche 6a und eine Probenkontaktfläche 6b auf. Diese zwei Flächen 6a, 6b können relativ zueinander bewegt werden. Die Probenkontaktfläche 6b bildet eine Fläche eines Deckels 22, der an einem Boden 20 angelenkt ist. Die Probenaufnahmefläche 6a bildet eine Fläche des Bodens 20. Mindestens ein Abschnitt der Flächen 6a, 6b, die einen Kontakt zu einer Probe herstellen, bestehen aus einem lichtdurchlässigen Material, wodurch Fenster gebildet werden, durch die Licht in die Probe eintreten und aus der Probe austreten kann. Das durch die Quelle 8 abgegebene Licht wird durch eines der Flächenfenster gerichtet, und das Licht, das durch die Probe und das andere Flächenfenster durchgelassen wird, wird zu dem Detektor 10 gerichtet. Die Quelle 8 oder der Detektor 10 ist auf der Innenseite des Deckels 22 angeordnet, damit lediglich elektronische Kopplungen in den Deckel 22 hinein benötigt werden und vermieden wird, den optischen Weg in den Deckel 22 hinein und aus dem Deckel 22 heraus zu koppeln.
Der Deckel 22 dreht sich um das Scharnier, um zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand des Probenhalters 6 hin- und herzuwechseln. Der Deckel 22 kann manuell zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand hin- und herbewegt werden, indem man den äußeren Teil des Deckels 22 ergreift, der von dem Scharnier am weitesten entfernt liegt. Der Probenhalter 6 ist in 2 in seinem offenen Zustand gezeigt. Wie zu sehen ist, befinden sich die Probenaufnahmefläche 6a und die Probenkontaktfläche 6b in diesem offenen Zustand weit auseinander, wenn der Deckel 22 um ungefähr 90 Grad geöffnet wurde. Das bedeutet, dass ein Benutzer Zugang zu den Flächen 6a, 6b erhält, so dass die Flächen 6a, 6b auf einfache Weise gereinigt werden können. Des Weiteren kann eine Probe auf einfache Weise auf die Probenaufnahmefläche 6a aufgebracht werden. In der Regel wird eine Probe in Form einer Flüssigkeit oder eines viskosen Materials aufgebracht.
Wenn eine Probe auf die Probenaufnahmefläche 6a aufgebracht wurde, wird der Deckel 22 geschlossen. Der Deckel 22 kann manuell geschlossen werden. Wenn sich der Deckel 22 nahe dem Boden 20 befindet, so berührt er einen justierbaren Vorsprung 14b, der den Trennungsabstand der Flächen 6a, 6b steuert. Der Vorsprung 14b kann sich zunächst genügend weit erstrecken, dass verhindert wird, dass die Probenkontaktfläche 6b die Probe berührt. Das bedeutet, dass der Benutzer nicht die Probenkontaktfläche 6b in Kontakt mit der Probe bringt, wodurch das Inkontaktbringen exakt gesteuert werden kann. Wenn die Probenkontaktfläche 6b den Vorsprung 14b berührt, so steuert die Steuereinheit 14a die Distanz, um die der Vorsprung 14b von dem Boden 20 hervorsteht, um den Trennungsabstand der Probenkontaktfläche 6b von der Probenaufnahmefläche 6a zu justieren. Auf diese Weise kann die Probenkontaktfläche 6b langsam in Richtung der Probenaufnahmefläche 6a abgesenkt werden, so dass die auf die Probenaufnahmefläche 6a aufgebrachte Probe das gesamte optische Fenster an der Probenkontaktfläche 6b benetzen kann. In 3 ist der Probenhalter 6 in seinem geschlossenen Zustand gezeigt.
Wenn nun die Probe zusammengedrückt wird und beide Flächen 6a, 6b mit der Probe in Kontakt sind, kann eine spektrofotometrische Messung ausgeführt werden. Die Probendickensteuervorrichtung 14 stellt eine erste Distanz zwischen den Flächen 6a, 6b ein, um eine erste Weglänge durch die Probe hindurch zu erzeugen. Nachdem eine erste spektrofotometrische Messung ausgeführt wurde, stellt die Probendickensteuervorrichtung 14 eine zweite Distanz zwischen den Flächen 6a, 6b ein, um eine zweite Weglänge durch die Probe hindurch zu erzeugen, und eine zweite spektrofotometrische Messung wird ausgeführt. Die Probendickensteuervorrichtung 14 stellt die Distanzen durch Justieren der Distanz ein, um die der justierbare Vorsprung 14b von dem Boden 20 absteht. Für eine Messung mittels Infrarot-Strahlung kann die erste Distanz auf etwa 40 μm eingestellt werden, und die zweite Distanz kann auf etwa 15 μm eingestellt werden.
Wie in 4 gezeigt, erstreckt sich der justierbare Vorsprung 14b von einem Abschnitt des Bodens 20 an einem Rand, der von dem Scharnier am weitesten entfernt ist. Der justierbare Vorsprung 14b kann eine Schraube oder ein Dorn sein, und das Verlängern des justierbaren Vorsprungs 14b kann mittels eines (nicht gezeigten) Motors gesteuert werden. Der Motor nimmt den Vorsprung 14b zum Einstellen der Position des Vorsprungs 14b in Eingriff. Die Steuereinheit 14a steuert den Motor, um die richtige Länge des Vorsprungs 14b von dem Boden 20 einzustellen.
Das oben beschriebene Spektrofotometer eignet sich für die Analyse von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Getränken, Speiseölen oder dergleichen. Das Spektrofotometer kann auch zur Analyse von viskosen oder halbfluiden Substanzen verwendet werden, wie zum Beispiel Joghurt, saurer Sahne und dergleichen.
Es ist zu betonen, dass die im vorliegenden Text beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen in keiner Weise eine Einschränkung darstellen und dass viele alternative Ausführungsformen innerhalb des durch die angehängten Ansprüche definierten Schutzumfangs möglich sind.
Als eine weitere Alternative kann der Probenhalter 6 als eine abnehmbare Einheit konfiguriert sein, die vollständig von dem Spektrofotometer 2 abgenommen werden kann, um eine Probe auf die Probenaufnahmefläche 6a aufzubringen. Der Probenhalter 6 kann dann an dem Spektrofotometer 2 angebracht werden, um Licht durch die Probe hindurchzuleiten. Die Quelle 8 und die Detektionsanordnung 10 sind vorzugsweise nicht in der abnehmbaren Einheit angeordnet, so dass Licht lediglich in den Probenhalter 6 durch die Probe hindurch und aus dem Probenhalter 6 heraus in Richtung der Detektionsanordnung 10 geleitet wird. Der Probenhalter 6 und das Spektrofotometer 2 weisen miteinander in Eingriff bringbare Mittel auf, wie zum Beispiel Vorsprünge und entsprechende Aussparungen. Das bedeutet, dass die relative Position zwischen dem Probenhalter 6 und dem Spektrofotometer 2 exakt definiert werden kann, um zu gewährleisten, dass der optische Weg durch den Probenhalter 6 hindurch mit dem optischen Weg des Spektrofotometers 2 übereinstimmt.
Es versteht sich, dass die Probendickensteuervorrichtung 14 dafür konfiguriert sein kann, in einer solchen Weise zu arbeiten, dass drei oder mehr verschiedene Trennungsabstände der zwei Flächen 6a, 6b erzeugt werden, bei denen Spektren durch die Arithmetikeinheit 12 aufzuzeichnen und zu speichern sind. In einem solchen Fall kann die Arithmetikeinheit 12 zweckmäßigerweise so konfiguriert sein, dass sie mehrere Werte, welche die interessierende Substanz in einer gleichen Probe anzeigen, aus Intensitätswerten ableitet, die bei verschiedenen Paaren von Weglängen und unter Verwendung von Gleichung (3) oder der Chemometrie, die oben beschrieben wurden, erhalten wurden. Diese auf solche Weise abgeleiteten mehreren Werte können einfach zu einem Durchschnittswert kombiniert werden, der quantitativ das Vorhandensein der interessierenden Substanz anzeigt, oder können zum Beispiel durch zweckmäßiges Gewichten jedes Wertes kombiniert werden, um eine solche quantitative Anzeige bereitzustellen.
Dem Fachmann leuchtet ein, dass der Probenhalter 6 auch in andere Spektrofotometeranordnungen eingebaut werden kann, wie zum Beispiel in einen optischen Weg eines Arms einer bekannten Fourier-Trans formations-Infrarot (FTIR)-Spektrofotometeranordnung, ohne von der Erfindung in der beanspruchten Form abzuweichen.
Es versteht sich des Weiteren, dass Strahlung in vielen verschiedenen Wellenlängenregionen verwendet werden kann, wie zum Beispiel ultraviolettes, sichtbares, infrarotnahes oder Infrarotlicht oder beliebige Kombinationen davon.

Claims

Probenhalter (6) für eine spektrofotometrische Analysevorrichtung, wobei der Probenhalter (6) Folgendes aufweist: eine Probenaufnahmefläche (6a) mit einer ersten lichtdurchlässigen Region, und eine Probenkontaktfläche (6b) mit einer zweiten lichtdurchlässigen Region, wobei die Flächen (6a; 6b) zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen einer ersten Position, in der die verbundenen Flächen (6a; 6b) voneinander beabstandet sind, damit eine Probe an der ersten lichtdurchlässigen Region aufgenommen werden kann, und einer zweiten Position, in der die erste und die zweite lichtdurchlässige Region einen unmittelbaren Kontakt mit der aufgenommenen Probe hätten und die aufgenommene Probe zusammendrücken, miteinander verbunden sind, während sie bewegt werden können, um die Dicke der Probe zwischen den lichtdurchlässigen Regionen ändern zu können, um verschiedene optische Weglängen durch die Probe hindurch zu erhalten, und eine Probendickensteuervorrichtung (14), die dafür konfiguriert ist, die Distanz zwischen der Probenaufnahmefläche (6a) und der Probenkontaktfläche (6b) in der zweiten Position so zu steuern, dass eine Probendicke zwischen den Flächen (6a; 6b) verändert werden kann, um mindestens zwei Messungen der Probe bei verschiedenen optischen Weglängen durch die Probe hindurch zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkontaktfläche (6b) an der Probenaufnahmefläche (6a) angelenkt ist.
Probenhalter (6) nach Anspruch 1, wobei die Probendickensteuervorrichtung (14) einen justierbaren Vorsprung (14b) aufweist, der sich entweder von der Probenaufnahmefläche (6a) oder der Probenkontaktfläche (6b) erstreckt, wobei in der zweiten Position die Distanz zwischen der Probenaufnahmefläche (6a) und der Probenkontaktfläche (6b) durch Justieren der Distanz gesteuert wird, um die sich der Vorsprung (14b) von der zugehörigen Fläche (6a; 6b) erstreckt.
Probenhalter (6) nach Anspruch 2, wobei die Probendickensteuervorrichtung (14) des Weiteren eine Steuereinheit (14a) zum Steuern der Distanz, um die sich der Vorsprung (14b) von der zugehörigen Fläche (6a; 6b) erstreckt, aufweist.
Probenhalter nach Anspruch 3, wobei die Probendickensteuervorrichtung (14) dafür konfiguriert ist, die Bewegung der Probenkontaktfläche (6b) in Richtung der zweiten Position so zu steuern, dass die Probenkontaktfläche (6b) langsam in Richtung der zweiten Position gebracht wird.
Verfahren für die spektrofotometrische Analyse einer Probe, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Anordnen der Probe auf einer Probenaufnahmefläche (6a) eines Probenhalters (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche, Absenken einer Probenkontaktfläche (6b) in Bezug auf die Probenaufnahmefläche (6a) dergestalt, dass sie in eine Position gebracht wird, wo die Probenkontaktfläche (6b) einen Kontakt zu der auf der Probenaufnahmefläche (6a) angeordneten Probe herstellt, um die Probe zwischen der Probenaufnahmefläche (6a) und der Probenkontaktfläche (6b) zusammenzudrücken, Steuern einer ersten Weglänge durch die zusammengedrückte Probe hindurch, Ausführen einer ersten Messung an der Probe mit der ersten Weglänge, um eine erste wellenlängenabhängige Intensität von Licht, das die erste Weglänge durchquert, zu bestimmen, Ändern der Weglänge durch die zusammengedrückte Probe hindurch zu einer zweiten Weglänge, Ausführen einer zweiten Messung an der Probe mit der zweiten Weglänge, um eine zweite wellenlängenabhängige Intensität von Licht, das die zweite Weglänge durchquert, zu bestimmen, und Erzeugen einer quantitativen und/oder einer qualitativen Anzeige einer interessierenden Substanz in der Probe in Abhängigkeit von einem Verhältnis der ersten und der zweiten wellenlängenabhängigen Intensität, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken der Probenkontaktfläche in Bezug auf die Probenaufnahmefläche durch Schwenken der Probenkontaktfläche bewerkstelligt wird, die an der Probenaufnahmefläche angelenkt ist.
Vorrichtung (2) zur spektrofotometrischen Analyse, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Detektionsanordnung (10), die optisch an das Innere eines Probenhalters (6) gekoppelt werden kann, um eine spektrofotometrische Analyse einer darin enthaltenen Probe auszuführen, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter (6) ein Probenhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist und dass die Vorrichtung (2) des Weiteren eine Arithmetikeinheit (12) aufweist, die dafür konfiguriert ist, Ausgangssignale von der Detektionsanordnung (10) zu empfangen, welche die mindestens zwei Messungen anzeigen, die bei den verschiedenen Weglängen ausgeführt wurden, und wobei diese Arithmetikeinheit (12) des Weiteren dafür geeignet ist, einen Wert in Abhängigkeit von dem Verhältnis empfangener Ausgangssignale bei den zwei Weglängen für eine gleiche Wellenlänge zu berechnen und daraus eine quantitative und/oder eine qualitative Anzeige einer interessierenden Substanz in der Probe zu erzeugen.