DE9313632U1

DE9313632U1 - Diodenarrayspektrometer für Unterrichtszwecke

Info

Publication number: DE9313632U1
Application number: DE9313632U
Authority: DE
Original assignee: FRANZKE MICHAEL DIPL CHEM
Current assignee: FRANZKE MICHAEL DIPL CHEM
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2003-09-10

Description

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Diodenarrayspektrometer für Unterrichtszwecke

Beschreibung

Die Erfindung betrifft den Aufbau eines Diodenarrayspektrometers für Unterrichtszwecke.

Diodenarrayspektrometer, die sich in ihrem optischen Aufbau wesentlich von konventionellen Spektrometern unterscheiden, sind bereits bekannt. In diesen Geräten wird die Strahlung mit Hilfe eines Dispersionselements (optisches Gitter oder Prisma) spektral zerlegt. Es erfolgt danach jedoch nicht die Ausblendung von Strahlung durch einen optischen Spalt (Monochromatorprinzip), wie es in konventionellen Spektrometern üblich ist; vielmehr fällt die gesamte Strahlung, deren Wellenlänge nach dem Dispersionselement eine Funktion des Ortes ist, auf ein Fotodiodenarray und wird hier gleichzeitig gemessen. Die entscheidende elektronische Baugruppe im Diodenarrayspektrometer ist das Fotodiodenarray. Dieses elektronische Bauelement besteht aus einem Chip mit einer Vielzahl dicht nebeneinander angeordneter Fotodioden in Form eines Arrays. Die Strahlungsintensität an jedem Diodensegment des Diodenarrays wird in kurzen Sequenzen durch einen Computer ausgelesen.

Die wesentlichen Vorteile von Diodenarrayspektrometern gegenüber herkömmlichen Geräten sind der große Zeitgewinn bei der Aufnahme von Spektren sowie die hohe Wellenlängenkonstanz, weil keine mechanische Bewegung optischer Bauteile erfolgt. Die Meßdaten liegen im PC als Datenfiles zur Weiterbearbeitung vor.

Diodenarrayspektrometer sind für sequenzielle Spektrenaufnahmen in kurzen Zeitfolgen besonders geeignet. Als Haupteinsatzgebiet erweist sich die HPLC [A. F. Fell, H. P. Scott, R. Gill, A.C. Moffat: J. Chromatogr., (1983) 282. 123-140; H. Poppe: Chromatographia, (1987) 24, 25-32], hier werden Detektoren benötigt, die hohe Selektivität und Nachweisempfindlichkeit bei kürzester Analysedauer besitzen. Ein weiteres Anwendungsgebiet von Dioden-

arraydetektoren ist die spektroskopische Untersuchung kinetischer Erscheinungen [Poppe, H. Chromatographia (1987) 2±, 25-32; Advances in Standard and Methodology in Spectrometry, Burges, C; Mielenz, K.D., Eds.; Elsevier: New York, 1987].

Durch die günstigen Eigenschaften von Diodenarrayspektrometern und ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und ihren mechanisch einfachen Aufbau ist die Verwendung solcher Geräte in der Lehre wünschenswert. Nachteilig für den Einsatz dieser Geräte zu Unterrichtszwecken ist aber einerseits der hohe Preis des Diodenarrays, andererseits ist durch die kompakte Bauweise dieser Geräte ihr Funktionsprinzip nicht erkennbar.

Ziel der Erfindung ist ein Diodenarrayspektrometer für Unterrichtszwecke ohne die bisher bekannten Nachteile.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem Diodenarrayspektrometer für Unterrichtszwecke eine Anzahl Fotodioden nebeneinander angeordnet ist, so daß nur ein schmaler Wellenlängenbereich auf jede Diode trifft wobei die Seitenwände der Dioden vor Einfall von Streustrahlung geschützt sind und daß an jeder Diode eine vom Computer bereitgestellte Vorspannung in Sperrichtung anliegt, so daß ein der Strahlungsintensität proportionaler Strom durch die Diode fließt, der an dem in Reihe geschalteten regelbaren Widerstand R als Spannungsabfall abgegriffen und jeweils einem Eingang des AD-Wandlers zugeführt wird, der mit einem Computer verbunden ist und daß mit Hilfe eines Computerprogramms die Diodenzeile in rascher Folge ausgelesen wird und die Meßwerte mit Hilfe des Programms hinsichtlich verschiedener Spektrendarstellungen bearbeitet werden und sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Dioden eine Projektionsfläche befindet, auf der die spektral zerlegte Strahlung abgebildet wird.

Die Empfindlichkeit der einzelnen Fotodioden wird mit Hilfe von regelbaren Widerständen normiert. Dadurch wird gleichzeitig die wellenlängenabhängige unterschiedliche Intensität der Strah-

lungsquelle berücksichtigt. Die im Computer weiterverarbeiteten Meßwerte können in verschiedener Weise dargestellt werden, vorzugsweise in den Darstellungen wellenlängenabhängige Strahlungsintensität, wellenlängenabhängige Absorption, wellenlängenabhängige Extinktion, wellenlängenabhängiger Logarithmus der Extinktion und Zeitabhängigkeit der Spektren in zweidimensionaler oder dreidimensionaler Darstellung.

Die Spektren können mit dem Computer und üblichen Peripheriegeräten aufbereitet, bearbeitet und ausgegeben werden. Durch die Computerbearbeitung sind ebenfalls eine Glättung der Spektren oder andere übliche Spektrenbearbeitungen wie z.B. Spektrenaddidition oder Spektrensubtraktion möglich.

Die Fotodioden des Diodenarrays sind unmittelbar vor der Projektionsfläche angeordnet, die der Abbildung der spektral zerlegten Strahlung dient. Dadurch wird die Zuordnung der jeweiligen Fotodiode zu der entsprechenden Spektralfarbe sichtbar.

Ausführungsbeispiel

Fig.l zeigt einen möglichen prinzipiellen Aufbau des Diodenarrayspektrometers, das vorzugsweise auf einer optischen Bank aufgebaut werden kann. Die von der Strahlungsquelle 1, z. B. einer Wolframglühlampe, ausgesandte polychromatische Strahlung durchdringt die Küvette 2, in der sich die zu untersuchende Probelösung befindet und wird anschließend mit Hilfe des Dispersionselements 3 (z. B. optisches Gitter oder Prisma) spektral zerlegt. Die Strahlung fällt danach auf die Fotodioden 4 und wird gleichzeitig auf dem Projektionsschirm 5 abgebildet, der sich dicht hinter den Dioden befindet.

Das Prinzip der elektrischen Signalverarbeitung zeigt Fig. 2. An jeder Diode liegt eine vom Computer bereitgestellte Vorspannung in Sperrichtung an, so daß ein der Strahlungsintensität proportionaler Strom durch die Diode fließt, der an dem in Reihe ge-

schalteten regelbaren Widerstand R als Spannungsabfall abgegriffen wird. Der Spannungsabfall an den Widerständen R₁ bis R_n ist eine Funktion der Strahlungsintensität, die auf die jeweilige Fotodiode D₁ bis D_n fällt. Diese Spannung wird dem AD-Wandler 6 zugeleitet, so daß eine Weiterbearbeitung der Meßsignale im Computer 7 erfolgen kann.

Claims

Schutzansprüche

1. Diodenarrayspektrometer für Unterrichtszwecke mit sichtbarem Funktionsprinzip zur Aufnahme und Darstellung von Spektren zu Demonstrationszwecken mit hinreichender Auflösung, das aus einer Strahlungsquelle 1, einer Küvette 2 mit der zu untersuchenden Substanz, einem optischen Dispersionselement 3, einem Strahlungsempfänger in Form eines Diodenarrays 4 mit nachgeschaltetem AD-Wandler 6 und Computer 7 besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl Fotodioden D₁ bis D_n nebeneinander angeordnet sind, so daß nur ein schmaler Wellenlängenbereich auf jede Diode trifft wobei die Seitenwände der Dioden vor Einfall von Streustrahlung geschützt sind und daß an jeder Diode eine vom Computer bereitgestellte Vorspannung in Sperrichtung anliegt, so daß ein der Strahlungsintensität proportionaler Strom durch die Diode fließt, der an dem in Reihe geschalteten regelbaren Widerstand R als Spannungsabfall abgegriffen und jeweils einem Eingang des AD-Wandlers zugeführt wird, der mit einem Computer verbunden ist und daß mit Hilfe eines Computerprogramms die Diodenzeile in rascher Folge ausgelesen wird und die Meßwerte mit Hilfe des Programms hinsichtlich verschiedener Spektrendarstellungen weiterverarbeitet und dargestellt werden und sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Dioden eine Projektionsfläche 5 befindet, auf der die spektral zerlegte Strahlung abgebildet wird.

2. Diodenarrayspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiodenempfindlichkeit mit Hilfe der regelbaren Widerstände normiert wird.

3. Diodenarrayspektrometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektren mit den für Computer üblichen Peripheriegeräten aufbereitet, bearbeitet und ausgegeben werden.

4. Diodenarrayspektrometer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodioden unmittelbar vor der Projektionsfläche für die Abbildung der spektral zerlegten Strahlung angeordnet sind.