EP0478610A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung wenigstens einer in wasser gelösten oder dispergierten fluoreszierenden substanz - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung wenigstens einer in wasser gelösten oder dispergierten fluoreszierenden substanz

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EP0478610A1
EP0478610A1 EP19900909128 EP90909128A EP0478610A1 EP 0478610 A1 EP0478610 A1 EP 0478610A1 EP 19900909128 EP19900909128 EP 19900909128 EP 90909128 A EP90909128 A EP 90909128A EP 0478610 A1 EP0478610 A1 EP 0478610A1
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EP
European Patent Office
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light
fluorescent
intensity
substance
excitation light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19900909128
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English (en)
French (fr)
Inventor
Walfried Michaelis
Claus Weitkamp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Original Assignee
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH filed Critical GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Publication of EP0478610A1 publication Critical patent/EP0478610A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6486—Measuring fluorescence of biological material, e.g. DNA, RNA, cells
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    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6402—Atomic fluorescence; Laser induced fluorescence
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N2021/635—Photosynthetic material analysis, e.g. chrorophyll
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N2021/6484—Optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a method for determining at least one fluorescent substance dissolved or dispersed in water by means of light of at least one predetermined wavelength, which is given as excitation light in a water sample, as a result of which the substance emits fluorescent light on at least one detector which emits a signal or provides a signal spectrum corresponding to the recognized substance and / or its concentration, and a device for carrying out this method.
  • the concentration of the tracer substance is used to record such transport and expansion processes Rhodarrin-B, measured, the measurement being carried out with a so-called "white" light source, from which a predetermined excitation wavelength lambdaa is masked out with the aid of filter devices.
  • the tracer substance emits fluorescent light lambda, which is detected by a detector which supplies a signal or a signal spectrum corresponding to the detected substance and / or its concentration.
  • the object is achieved according to the method in that the excitation light is monochromatic laser light.
  • Measurement by scattering effects corresponds to a tracer concentration of only 10 -12 g / ml.
  • the remaining background signal is also due to fluorescent components and / or inelastic processes in natural water. It drops sharply with increasing wavelength.
  • the wavelength during the measurement does not necessarily have to match the. Maximum of the actual fluorescence emission coincide. It is therefore advantageous to choose at least one trowel length of the excitation light in such a way that a ratio of the intensity of the fluorescence to the substance of the intensity of a background signal likewise generated during the determination is maximal.
  • At least one wavelength of the fluorescent light can advantageously be chosen such that a ratio of the intensity of the fluorescence of the substance to the intensity of a background signal also generated during the determination is maximal.
  • wavelengths of the fluorescent light can be chosen such that the reverse ratio of the intensity of the fluorescence of the substance with at least one wavelength of the fluorescent light to the intensity of a background signal also generated during the determination is maximal.
  • excitation light with different wavelengths is added successively to the water sample and that the fluorescent light with different wavelengths is detected separately.
  • the intensity of the fluorescent light detected by at least one detector also continuously increases that Intensity of the excitation light is normalized, which can be practically realized by providing a further measuring channel.
  • the device for carrying out the method has a laser light device as the light source for generating a monochromatic excitation light.
  • the scattered light which is also produced when the water sample is irradiated is selected by the fluorescent light by means of at least one filter device, the filter device being selected from a combination of different filters, which can be two interference filters, for example.
  • the scattered light which also arises when the water sample is irradiated can advantageously also be selected by the fluorescent light by means of at least one wavelength-dispersive element.
  • the laser direction can in principle be formed by any suitable laser, it being possible for two or more lasers to serve at the same time.
  • the laser device is preferably designed to be tunable.
  • the laser device is formed by a pulsed laser device, the laser device allowing additional discrimination in pulse operation if, for example, the pulse duration is of the order of magnitude of nsec or less, since different decay times in the fluorescence can then be used.
  • the laser device allows additional discrimination in pulse operation if, for example, the pulse duration is of the order of magnitude of nsec or less, since different decay times in the fluorescence can then be used.
  • the actual detector and the device for exiting the excitation light which together form part of a probe that can be positioned separately from the rest of the device, are each connected to an evaluation device or to the laser light device via light guides.
  • the actual laser light device, amplifier devices, analog converter and any other evaluation electronics device that may be required can be safely housed on board a platform or a ship, while the actual probe, which is in usually contains only simple components such as lenses, filters and photodiodes, can be positioned directly at the measuring location. Even if this would be damaged during the measuring operation, a simple and, in comparison to the overall device, inexpensive replacement is readily possible.
  • Fig. 2 shows a modified embodiment of the device
  • Fig. 3 is an imple mentation form of the device in which the actual probe is connected to the laser light device and to an electrical evaluation device connected via optical fibers.
  • the device 10 for carrying out the method is described with reference to the illustration in FIG. 1.
  • the device 10 essentially comprises a laser light device 16 and the actual sensor part of the device 10, which essentially consists of the two detectors 14, 140.
  • Excitation light 11 having a predetermined wavelength is emitted by a laser light device 16, which can additionally be connected to a pump laser 160, onto a water sample 13.
  • a mixture of fluorescent light 12 and scattered light 15, which is essentially Mie scattered light, is filtered via filter devices 17 or wavelength-dispersive elements 18 (not shown separately here) in such a way that essentially only the pure fluorescent light component 12 can reach a detector 14, 140 .
  • the detectors 14, 140 essentially consist of elements which convert light into an electrical voltage, for example photodiodes or those which, for example, change their resistance depending on the intensity of the incident fluorescent light 12.
  • the signal emerging at the output of the detectors 14, 140 which is essentially a voltage signal or a voltage signal spectrum proportional to the intensity of the incident fluorescent light 12, is applied to an analog-digital converter 25, 250 and fed from there to an evaluation unit 27 that works in a known way.
  • a deflection mirror 18 and / or a semitransparent mirror 29 can be arranged in the beam path of the excitation light 11 coming from the laser device 16, the semitransparent mirror 29 serving as a beam splitter.
  • the part of the excitation light 110 on the semi-transparent mirror 29 is reflected, passes through a gray filter 23 to a diffuser 24 and from there to a third detector 141, which is connected to the previously described analog-to-digital converter 26.
  • the branch of the device 10, which detects the reflected excitation light 110, is used for the normalization of the actual measurement signal or signals provided by the detectors 14, 140 to the intensity of the excitation light 11 leaving the laser device 16.
  • a detector device 14; 140 with the associated filter device or the wavelength di spersi ven element 18 is sufficient.
  • the further detector 140 shown in FIG. 1 serves to select the largest possible ratio of background signal to measurement signal at a different wavelength, so that a correction can be derived with which the detection limit of the fluorescent substance can be reduced even further (multispectral arrangement ).
  • the multispectral excitation that can be achieved in this way can basically be implemented in different ways.
  • the laser light device can be formed by a so-called multi-line laser (ion laser) in combination with a rotating disk 30, on which a plurality of interference filters with different transmission wavelengths are mounted, cf., for example, FIGS. 1 and 2.
  • the multispectral excitation is also complete Combination of a laser light device with crystals for frequency doubling or multiplication possible, and by using the light of a pump laser 116 and that of the pumped laser, possibly in combination with frequency multiplication or frequency mixing, or by operating two or more separate laser light devices.
  • the embodiment of the device shown in FIG. 3 is particularly suitable for so-called in-situ measuring systems in which the laser light device 16 and the electronic components, for example formed by the analog-digital converter 26, an amplifier device 25 and any microprocessor device 32 or Output unit, which form evaluation device 22.
  • the probe 20 is in each case via light guides 21; 210, 211 connected to the laser light device 16 or the evaluation device 22.
  • the method carried out with the device 10 permits excitation at different wavelengths, this being possible either simultaneously or in succession.
  • the principle that is possible in terms of procedure can be mathematically calculated using the equation formulate.
  • k is the vector from the concentration of the substances to be determined as components and s is the vector from the signals on the receiving side.
  • the excitation emission matrix (AE) links the two vectors together.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens einer in Wasser gelösten oder di spergi erten fluoreszierenden Substanz
Beschrei bung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer in Wasser gelösten oder di spergi erten fluoreszierenden Substanz mittels Lichts wenigstens einer vorbestimmten Wellenlänge, das als Anregungslicht in eine Wasserprobe gegeben wird, in dessen Folge die Substanz Fluoreszenzlicht auf wenigstens einen Detektor abgibt, der ein Signal oder ein Signal Spektrum entsprechend der erkannten Substanz und/oder seiner Konzentration liefert, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, mittels Licht beispielsweise Transportund Ausbreitungsmechanismen von flüssigen Medien, insbesondere Wasser, zu untersuchen. Dabei wird in der Regel ein bestimmter Farbstoff in das Wasser gegeben, der gute Lös! ichkei tseigenschaften in Wasser hat. Zur Erfassung derartiger Transport-und Ausbrei tungsvorgäänge wird die Konzentration der Tracersubstanz, beispielsweise Rhodarrin-B, gemessen, wobei die Kessung mit einer sogenannten "weißen" Lichtquelle erfolgt, aus der mit Hilfe von Filtereinrichtungen eine vorbestimmte Anregungswellenlänge lambdaa ausgeblendet wird. Infolge der Anregung der Tracersubstanz durch das Anregungslicht wird von der Tracersubstanz Fluoreszenzlicht lambda abgegeben, das von einem Detektor erfaßt wird, der ein Signal oder ein Si gnal spektrum entsprechend der erkannten Substanz und/ oder seiner Konzentration liefert.
Verfahren und Vorrichtungen, die nach diesem Verfahren arbeiten, werden beispielsweise in der Ozeanographie eingesetzt und liefern dort im allgemeinen zufriedenstellende Ergebnisse, sie versagen jedoch nahezu vollständig beim Einsatz in trüben Gewässern ,bei spielswei se in den Unterläufen großer Flüsse oder im Küstenbereich. Im klaren Seewasser ist der Extinktionskoeffizient gewöhnlich ≦ 0,5m-1, so daß Nachweisempfindlichkeiten von 5 × 10-11 g/ml oder sogar darunter erreicht werden. In den Mündungsbereichen von Flüssen in Tiedengewässern und in Küstengewässern liegen die Extinktionskoeffizienten aufgrund des hohen Schwebstoffanteils zwischen 5 und 100m-1. Dort ist die sogenannte Mie-Streuung, d.h. die Erscheinung, daß bei der Streuung von Licht an Teilchen, deren Durchmesser größer als die Lichtwellenl änge oder mit ihr vergleichbar ist, mit wachsendem Durchmesser die Streuintensität in Vorwärtsrichtung stärker zunimmt als in Rückwärtsrichtung, an den suspendierten Partikeln außerordentlich intensiv mit der Folge, daß eine Trennung von Streu- und Fluoreszenzlicht nicht mehr vollständig möglich ist. Als Folge davon steigt die Nachweisgrenze auf Werte von 10-8 g/ml oder darüber an. Transport- und Ausbreitungsuntersuchungen mit großen Verdünnungsfaktoren werden somit unmöglich. Zwar lassen sich durch aufwendige Streukorrekturen auf der Basis eines parallel zum eigentlichen Meßverfahren betriebenen Lichtattenuationssensors die Nachweisgrenzen geringfügig herabsetzen, dennoch bleiben die Meßfehler dabei aber auch außerordentlich hoch, so daß auch das bekannte Verfahren bzw. die bekannten Vorrichtungen in den Küstengewässern und insbesondere im Mündungsgebiet von Flüssen in Tiedengewässern diese keine brauchbaren Meßergebnisse mehr liefern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die bei extrem hoher Nachweisempfindlichkeit eine genaue quantitative Bestimmung in Wasser gelöster oder di spergi erter fluoreszierender Substanzen sogar in Wasserbereichen ermöglichen, das in Mündungsgebieten von Tiedengewässern und in Küstengewässern anzutreffen ist, wobei das Verfahren und die Vorrichtung einfach ausführbar bzw. einfach herstel 1 bar sein sollen.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem Verfahren dadurch, daß das Anregungslicht monochromatisches Laserlicht ist.
Grundsätzlich sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren quantitative Bestimmungen bzw. Nachweisgrenzen fluoreszierender Substanzen erreichbar, die mit denen bisher bekannter Meßsysteme, die in klarem Seewasser eingesetzt wurden, vergleichbar oder ihnen sogar teilweise überlegen sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten die bisher eine unüberwi ndbare Schwelle darstellenden Probleme bei in-situ Messungen vollständig überwunden werden, was zu einem enormen Fortschritt der Meßmöglichkeiten bei der Meeresforschung führt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das bei der Bestrahlung der Wasserprobe gleichzeitig entstehende Streulicht, wie die Mie-Streuung, effektiv unterdrückt, wobei die Selektion in der Regel durch Filter oder Filterkombinationen erfolgt. Es hat sich gezeigt, daß bei e i n e r Be s t ra h l u n g einer natürliche Wasserprobe mit Laserlicht als Anregungslicht bei lambdaa =
554 nm mit einer Tracersubstanz wie Rhodamin-B eine
Nachweisgrenze von 3 × 10-11 g/ml erreicht werden konnte, wenr das Fluoreszenzlicht eine Kombination zweier Interferenzfilter bei der Fluoreszenzlichtwell enlänge lambdae
= 577 nm passieren mußte.
Vergleichende Experimente an Kasserproben natürlichen Ursprungs und solchen mit (nicht fluoreszierendem) Feinkörnigem CaCO3 haben gezeigt, daß die Störung bei der
Messung durch Streueffekte einer Tracerkonzentration von nur 10-12 g/ml entspricht. Das verbleibenden Untergrundsignal ist auf ebenfalls fluoreszierende Bestandteile und/oder inelastische Prozesse in natürlichem Wasser zurückzuführen. Es fällt stark mit wachsender Wellenlänge ab. Meßtechnisch ist es daher vorteilhaft, nicht nur das Maximum des Fluoreszenzsignals zu beachten, sondern auch das Verhältnis Tracer - zu Untergrund - Signal. Die Wellenlänge bei der Messung muß somit nicht zwangsläufig mit der. Maximum der eigentlichen Fluoreszenzemission zusammenfallen. Es wird deshalb vorteilhafterweise wenigstens eine Kellenlänge des Anregungslichtes derart gewählt, daß ein Verhältnis der Intensität der Fluoreszenz zur Substanz der Intensität eines bei der Bestimmung gleichfalls erzeugten Untergrundsignals maximal ist.
Andererseits kann vorteilhafterweise wenigstens eine Wellenlänge des Fluoreszenzlichts derart gewählt werden, daß ein Verhältnis der Intensität der Fluoreszenz der Substanz zur Intensität eines bei der Bestimmung gleichfalls erzeugten Untergrundsignals maximal ist.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, daß bei mehreren unterschiedlich gewählten Wellenlängen des Fluoreszenzlichtes diese derart gewählt werden, daß das umgekehrte Verhältnis der Intensität der Fluoreszenz der Substanz bei wenigstens einer Wellenlänge des Fluoreszenzlichtes zur Intensität eines bei der Bestimmung gleichfalls erzeugten Untergrundsignals maximal ist.
Neben den künstlich zugegebenen fluoreszierenden Tracerstoffen bei Transportuntersuchungen sind für die Gewässerüberwachung auch Messungen anderer fluoreszierender Bestandteile des Wassers von Interesse. Dieses gilt beispielsweise für das Chlorophyll und die Gelbstoffe. Dabei sind neben Laboruntersuchungen auch kontinuierliche Messungen von Plattformen und Schiffen aus, in-situ oder an Bord, nötig. Unter Umständen sind diese Stoffe auch in Gegenwart anderer fluoreszierender Substanzen, wie beispielsweise der erwähnten Tracerstoffen, nachzuweisen. Vorteilhafterweise wird deshalb bei einer derartigen Meßsituation in die Wasserprobe gleichzeitig Anregungslicht mit unterschiedlicher Wellenlänge gegeben, wobei das Fluoreszenzlicht unterschiedlicher Wellenlängen gesondert erfaßt wird.
In diesem Zusammenhang kann es auch vorteilhaft sein, daß in die Wasserprobe nacheinander Anregungslicht mit unterschiedlichen Wellenlängen gegeben wird und daß das Fluoreszenzlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen gesondert erfaßt wird.
So ist beispielsweise die Kombination der Wellenlängen lambdaa = 308 und 554 nm als Anregungslicht mit den Wellenlängen lambdae = 420, 577 und 685 nm als vom Detektor erfaßtes Fluoreszenzlicht für den simultanen Nachweis von Chlorophyll, dem Tracerstoff Rhodmin - B und Gelbstoff möglich.
Zur Verbesserung der Güte des Meßergebniε kann es gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorteilhaft sein, daß die von wenigstens einem Detektor erfaßte Intensität des Fluoreszenzlichts fortlaufend auch die Intensität des Anregungslichts normiert wird, was faktisch durch das Vorsehen eines weiteren Meßkanals praktisch realisiert werden kann.
Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens weist lösungsgemäß als Lichtquelle zur Erzeugung eines monochromatischen Anregungslichtes eine Laserlichteinrichtung auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird das bei der Bestrahlung der Wasserprobe gleichfalls entstehende Streulicht vom Fluoreszenzlicht mittels wenigstens einer Filtereinrichtung selektiert, wobei die Filtereinrichtung aus einer Kombination verschiedener Filter, die beispielsweise zwei Interferenzfilter sein können, selektiert wird.
Das bei der Bestrahlung der Wasserprobe gleichfalls entstehende Streulicht kann aber vom Fluoreszenzlicht auch vorteil hafterweise mittels wenigstens eines wellenlängendispersiven Elements selektiert werden.
Die Laserei rrichtung kann grundsätzlich durch beliebige geeignete Laser gebildet werden, wobei dafür auch gleichzeitig zwei oder mehr Laser dienen können. Um die verschiedenen Wellenlängen für das Anregungslicht auf einfache Weise einstellen zu können, ist die Lasereinrichtung vorzugsweise durchstimmbar ausgebildet.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung wird die Lasereinrichtung durch eine gepulste Lasereinrichtung gebildet, wobei die Lasereinrichtung im Impulsbetrieb eine zusätzliche Diskriminierung ermöglicht, wenn beispielsweise die Impulsdauer in der Größenordnung von nsec oder darunter liegt, da dann unterschiedliche Abklingzeiten in der Fluoreszenz ausgenutzt werden können. Für spezielle Anwendungs fälle des Einsatzes der Vorrichtung, beispielsweise bei in-situ Messungen, ist es zweckmäßig, die Lichtquelle und elektronische Komponenten der Vorrichtung auf der einen Seite von einer eigentlichen Meßsonde auf der anderen Seite zu trennen. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, daß der eigentliche Detektor und die Einrichtung zum Austritt des Anregungslichts, die gemeinsam Teil einer abgesetzt von der übrigen Vorrichtung positionierbaren Sonde sind, jeweils über Lichtleiter mit einer Auswerteinrichtung bzw. mit der Laserlichteinrichtung zu verbinden. So können beispielsweise bei einer kontinuierlichen Gewässerüberwachung auf Chlorophyll und Gelbstoffe von einer Meßplattform aus die eigentliche Laserlichteinrichtung, Verstärkereinrichtungen, Analog-Wandler und eine sonstige ggf. erforderliche Auswerteel ektronikeinrichtung an Bord einer Plattform oder eines Schiffes betriebssicher untergebracht werden, während die eigentliche Sonde, die in der Regel nur einfache Bauteile wie Linsen, Filter und Fotodioden enthält, unmittelbar am Meßort positioniert werden kann. Selbst wenn diese während des Meßeinsatzes beschädigt werden würde, ist ein einfacher und im Vergleich zur Gesamtvorrichtung auch kostengünstiger Ersatz ohne weiteres möglich.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Schematisehen Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der miteinander verknüpften optischen und elektrischen Teile der Vorrichtung,
Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung und
Fig. 3 eine Aus führungsform der Vorrichtung, bei der die eigentliche Sonde über Lichtleiter verbunden abgesetzt zur Laserlichteinrichtung und zu einer elektrischen Auswerteeinrichtung angeordnet ist.
Der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung 10 zur Ausführung des Verfahrens wird unter Bezugnahme auf die Darstellung von Fig. 1 beschrieben. Die Vorrichtung 10 umfaßt im wesentlichen eine Laserlichteinrichtung 16 sowie den eigentlichen Sensorteil der Vorrichtung 10, der im wesentlichen aus den beiden Detektoren 14, 140 besteht. Von der Laserlichteinrichtung 16, die zusätzlich mit einem Pumplaser 160 verbunden sein kann, wird Anregungslicht 11 mit einer vorbestimmten Wellenlänge auf eine Wasserprobe 13 gegeben. Ein Gemisch aus Fluoreszenzlicht 12 und Streulicht 15, das im wesentlichen Mie-Streulicht ist, wird über Filtereinrichtungen 17 oder hier nicht gesondert dargestellte wellenlängedispersive Elemente 18 derart gefiltert, daß im wesentlichen nur noch der reine Fluoreszenzlichtanteil 12 auf jeweils einen Detektor 14, 140 gelangen kann. Der Detektoren 14, 140 bestehen im wesentlichen aus Elementen, die Licht in eine elektrische Spannung umwandeln, beispielsweise aus Fotodioden oder solchen, die beispielsweise ihren Widerstand in Abhängigkeit der Intensität des einfallenden Fluoreszenzlichtes 12 ändern. Das am Ausgang der Detektoren 14, 140 austretende Signal, das im wesentlichen ein der Intensität des einfallenden Fluoreszenzlichtes 12 proportionales Spannungssignal oder, ein Spannungssignal Spektrum ist, wird auf jeweils einen Analog-Digital-Wandler 25, 250 gegeben und von dort einer Auswerteeinheit 27 zugeführt, die auf bekannte Weise arbeitet. In dem von der Lasereinrichtung 16 kommenden Strahlengang des Anregungslichts 11 kann ein Umlenkspiegel 18 und/oder ein halbdurchlässiger Spiegel 29 angeordnet sein, wobei der halbdurchlässige Spiegel 29 als Strahlteiler dient. Der Teil des An regungslichtes 110, der am halbdurchlässigen Spiegel 29 reflektiert wird, gelangt über einen Graufilter 23 auf einen Diffuser 24 und von dort auf einen dritten Detektor 141, der mit dem vorangehend beschriebenen Analog-Digital-Wandler 26 verbunden wird. Der Zweig der Vorrichtung 10, der das reflektierte Anregungslicht 110 erfaßt, dient der laufenden Normierung des bzw. der von den Detektoren 14, 140 gelieferten eigentlichen Meßsignale auf die Intensität des die Lasereinrichtung 16 verlassenden Anregungslichts 11.
Es sei darauf hingewiesen, daß zum erfindungsgemäßen Betrieb 10 bzw. zur Ausführung des erfindungεgemäßen Verfahrens grundsätzlich eine Detektoreinrichtung 14; 140 mit der dazugehörigen Filtereinrichtung bzw. dem wellenlängendi spersi ven Element 18 ausreicht.
Der in Fig. 1 dargstellte weitere Detektor 140 dient dafür, das dieser bei anderen Wellenlänge ein möglichst großes Verhältnis von Untergrundsignal zu Meßsignal auswählt, so daß sich eine Korrektur ableiten läßt, mit der die Nachweisgrenze der fluoreszierenden Substanz noch weiter vermindert werden kann (multispektrale Anordnung ). Die damit erzielbare multispektral e Anregung läßt sich grundsätzlich auf verschiedene Weise verwirklichen. So kann die Laserlichteinrichtung beispielsweise durch einen sogenannten Mehrlinienlaser (Ionen-Laser) in Kombination mit einer rotierenden Scheibe 30 gebildet werden, auf der mehrere Interferenzfilter mit verschiedenen Transmissionswellenlängen montiert sind, vergl. beispielsweise die Fig. 1 und 2. Auch ist die multispektrale Anregung durch Kombination einer Laserlichteinrichtung mit Kristallen zur Frequenz verdoppel ung oder Vervielfachung möglich sowie durch die Verwendung des Lichts eines Pumplasers 116 und das des gepumpten Lasers, unter Umständen in Kombination mit Frequenz verviel fachung oder Frequenzmischung oder aber durch den Betrieb zweier oder mehrerer gesonderter Laserlichteinrichtungen. Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung eignet sich insbesondere für sogenannte in-situMeßsystemen, bei denen die Laserlichteinrichtung 16 und die elektronischen Komponenten, beispielsweise gebildet durch den Analog-Digital-Wandler 26, eine Verstärkereinrichtung 25 sowie eine ggf. vorhandene Mikroprosessoreinrichtung 32 bzw. Ausgabeneinheit, die Auswerteeinrichtung 22 bilden. Der Detektor 14, 140 und die Einrichtung 19 zum Austritt des Anregungslichts 11, die in der Regel durch ein Linsensystem gebildet wird, bilden neben anderen hier nicht gesondert dargestellten Teilen eine Sonde 20, die abgesetzt von der Auswerteeinrichtung 22 und/oder der Lasereinrichtung 16 angeordnet sind. Die Sonde 20 ist dabei jeweils über Lichtleiter 21; 210, 211 mit der Laserlichteinrichtung 16 bzw. der Auswerteeinrichtung 22 verbunden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine kontinuierliche Oberwachung der Gewässer von einer Meßplattform aus vorzunehmen, wobei die Auswerteeinrichtung und Laserlichteinrichtung an Bord eines Schiffes oder an Bord einer Meßplattform betriebssicher aufgebaut werden können, während die eigentliche Sonde 22 unmittelbar vor Ort, d.h. im Wasser angeordnet ist.
Abschließend sei noch einmal darauf hingewiesen, daß das mit der Vorrichtung 10 ausgeführte Verfahren die Anregung bei verschiedenen Wellenlängen gestattet, wobei dieses entweder gleichzeitig oder nacheinander erfolgen kann. Im allgemeinen läßt sich das verfahrensmäßig mögliche Prinzip mathematisch durch die Gleichung formulieren. Dabei ist k der Vektor aus der Konzentration der zu bestimmenden Substanzen als Komponenten und s der Vektor aus den Signalen auf der Empfangsseite. Die Anregungs-Emissions-Matrix (AE) verknüpft die beiden Vektoren miteinander.
Bezugszeichenliste Vorrichtung
Anregungslicht
Fluoreszenzlicht
Wasserprobe
Detektor
Detektor
Detektor
Streulicht
Laserlichteinrichtung
Pumplaser
Filtereinrichtung
Wellenlängendispersives Element Austrittseinrichtung
Sonde
Lichtleiter
Lichtleiter
Lichtleiter
Auswerteeinrichtung
Graufilter
Diffuser
Verstärker
Analog-Digital-Wandler
Auswerteeinheit
Spiegel
Spiegel
Rotor
Polykromator
Mikroprosessor/Ausgabeeinheit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer in Wasser gelösten oder di spergi erten fluoreszierenden Substanz mittels Lichts wenigstens einer vorbestimmten Wellenlänge, das als Anregungslicht in eine Wasserprobe gegeben wird, in dessen Folge die Substanz Fluoreszenzlicht auf wenigstens einen Detektor abgibt, der ein Signal oder ein Signal spektrum entsprechend der erkannten Substanz und/ oder seiner Konzentration liefert, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungslicht monochromatisches Laserlicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestrahlung der Wasserprobe gleichfalls entstehendes Streulicht vom Fluoreszenzlicht selektiiert wird.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kellenlänge des Anregungslichtes derart gewählt wird, daß ein Verhältnis der Intensität der Fluoreszenz der Substanz zur Intensität eines bei der Bestimmung gleichfalls erzeugten Untergrundsignals maximal ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Wellenlänge des Fluoreszenzlichtes derart gewählt wird, daß ein Verhältnis der Intensität der Fluoreszenz der Substanz zur Intensität eines bei der Bestimmung gleichfalls erzeugten Untergrundsignals maximal ist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren unterschiedlich gewählten Wellenlängen des Fluoreszenzlichtes diese derart gewählt werden, daß das umgekehrte Verhältnis der Intensität der Fluoreszenz der Substanz bei wenigstens einer Wellenlänge des Fluoreszenzlichtes zur Intensität eines bei der Bestimmung gleichfalls erzeugten Untergrundsignals maximal ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wasserprobe gleichzeitig Anregungslicht mit unterschiedlichen Wellenlängen gegeben wird und das Fluoreszenzlicht unterschiedlicher Kellenlängen gesondert erfaßt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wasserprobe nacheinander Anregungslicht mit unterschiedlichen Wellenlängen gegeben wird und das Fluoreszenzlicht unterschiedlicher Wellenlängen gesondert erfaßt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von wenigstens einerr. Detektor erfaßte Intensität des Fluoreszenzlichts fortlaufend auf die Intensität des Anregungslichtes normiert wird.
9. Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens einer in Wasser gelösten oder dispergierten fluoreszierenden Substanz mittels von einer Lichtquelle erzeugten Lichts zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle zur Erzeugung des monochromatischen Anregungslichtes (11) eine Laserlichteinrichtung (16) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestrahlung der Wasserprobe (13) gleichfalls entstehendes Streulicht (15) vom Fluoreszenzlicht (12) mittels wenigstens einer Filtereinrichtung (17) selektiert wird.
11. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestrahlung der Wasserprobe (13) gleichfalls entstehende Streulicht (15) vom Fluoreszenzlicht (12) mittels wenigstens eines wellenlängendi spersiven Elements (18) selektiert wird.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichteinrichtung (16) durchstimmbar ist.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichteinrichtung (16) durch einen gepulsten Laser gebildet wird.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (14, 140) und eine Einrichtung (19) zum Austritt des Anregungslichtes (11), die gemeinsam Teil einer abgesetzt positionierbaren Sonde (20) sind, jeweils über Lichtleiter (21, 210) mit einer Auswerteinrichtung (22) bzw. mit der Laserlichteinrichtung (16) verbunden sind.
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