WO2019141689A1 - Statisches fourier-transformations-spektrometer und ein verfahren zum betreiben des statischen fourier-transformations-spektrometers - Google Patents

Statisches fourier-transformations-spektrometer und ein verfahren zum betreiben des statischen fourier-transformations-spektrometers Download PDF

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WO2019141689A1
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spectrum
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Benjamin Wiesent
Michael Schardt
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Spectrolytic GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a static Fourier transform spectrometer and a method for operating the static Fourier transform spectrometer.
  • Infrared radiation irradiated. After the passage of infrared radiation through the sample, the infrared radiation is split into two sub-beams and the two
  • the Fourier transform information spectrometer has a Michelson interferometer in which a mirror is moved and thus a variation of the optical path length of one of the two partial beams is generated.
  • Interferometer there is a so-called static Fourier T ransformations- spectrometer, which is designed without moving mirror.
  • the static Fourier transform spectrometer the two partial beams are combined on a detector in such a way that along one dimension of the detector a variation of the difference between the optical path length of the two partial beams takes place.
  • Such a static Fourier transform information spectrometer is described, for example, in WO 2016/180551 A1.
  • the static Fourier transform spectrometer can record spectra in a shorter time than the Fourier transform spectrometer with the Michelson interferometer, but the spectra are less accurate in the static Fourier transform spectrometer.
  • the object of the invention is therefore to provide a static Fourier transform spectrometer and a method for operating the static Fourier transform spectrometer, with which spectra can be measured with high accuracy.
  • the static Fourier transform spectrometer has a radiation source which is set up to emit infrared radiation during operation of the static Fourier transform spectrometer, which in operation propagates along a beam path of the static Fourier transform spectrometer a sample path and a reference path, a sample which is arranged only in the sample path and thus in operation a Interaction with the infrared radiation of the sample path is received, and an interferometer section, which is set up, a sample interferogram of the sample path after the interaction with the sample and a
  • Reference interferogram of the reference path and having a detector which is arranged, the sample interferogram and the
  • Reference interferogram arranged side by side and do not overlap.
  • the Fourier transform spectrometer is arranged to simultaneously generate the sample interferogram and the reference interferogram.
  • the method according to the invention for operating the static Fourier transform spectrometer comprises the steps of: a2) introducing a sample into the sample path only; b) propagation of infrared radiation along the
  • Sample Interferogram and Reference Interferogram are juxtaposed and do not overlap.
  • the corrected sample spectra can be measured with a high degree of accuracy using the static Fourier transform spectrometer according to the invention and the method according to the invention for operating the static Fourier transform spectrometer. It achieved such a high level of accuracy, which is almost as high as a conventional Fourier transform spectrometer with a Michelson interferometer.
  • the interaction of the sample with the infrared radiation may be
  • Attenuated total reflection for example, transmission, reflection, scattering, remission, or attenuated total reflection (attenuated total reflection,
  • the detector has a sample surface adapted to receive the sample interferogram and a reference surface configured to receive the reference interferogram, the sample surface being three to ten times as large as the reference surface. It was
  • the signal to noise ratio is particularly high, whereby the corrected sample spectra have a particularly high accuracy.
  • the sample path and the reference path are preferably arranged spatially separated from one another in the region of the sample.
  • the sample can advantageously be arranged in the sample path such that no end of the sample is arranged in the beam path, which would disadvantageously lead to the formation of interferences.
  • the interference would reduce the accuracy of the corrected sample spectra.
  • the entire beam path from the radiation source up to and including the sample is arranged undivided.
  • This is an advantageously simple structure of the static Fourier transform spectrometer, which can also be easily adjusted.
  • the static Fourier transform spectrometer has an ATR crystal disposed in the sample path, the sample contacting the surface of the ATR crystal so that, in operation, the infrared radiation undergoes total reflection at the interface between the ATR crystal and the sample spreads. Because the evanescent waves produced during total reflection have only a small penetration into the sample, water produces only a small amount of absorption. This makes the ATR crystal particularly suitable for aqueous samples so that the aqueous samples can be measured with particularly high accuracy.
  • the optical path lengths of the sample path and the reference path are preferably the same length. As a result, the accuracy of the corrected sample spectra is particularly high. It is preferred that the beam path has a plurality of the sample paths in which different samples are arranged. As a result, advantageously several of the samples can be measured simultaneously.
  • the detector preferably has one two-dimensional matrix of infrared-sensitive elements. Here the sizes of the sample surface and the reference surface over the number of
  • the detector preferably has a line detector for the reference path and in each case one line detector for each of the sample paths.
  • the method comprises the step of: aO) selecting a sample area of a detector configured to receive the sample interferogram three to ten times as large as a reference area of the detector configured to receive the reference interferogram.
  • aO selecting a sample area of a detector configured to receive the sample interferogram three to ten times as large as a reference area of the detector configured to receive the reference interferogram.
  • the size of the sample surface and the size of the reference surface can be selected according to the number of infrared-sensitive elements.
  • the method comprises the steps of: f) performing steps b) to d) without the sample being located in the sample path; G)
  • the correction factor can be used to correct uneven illumination of the detector by the radiation source, which leads to increased accuracy for the corrected sample spectra.
  • the method comprises the steps of: a1) placing an ATR crystal in the sample path and performing steps b) to e) without the sample contacting the surface of the ATR crystal; h) repeating step a1) and comparing the sample spectra corrected in steps a1) and h).
  • the method comprises the step of: aO) arranging a reference sample in the reference path.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the static Fourier transform spectrometer in a first plan view.
  • FIG. 2 shows the first embodiment in a second plan view.
  • FIG. 3 shows a plan view of a second embodiment of the static Fourier transform spectrometer.
  • FIG. 4 shows a plan view of a third embodiment of the static Fourier transform spectrometer.
  • FIG. 5 shows a plan view of a fourth embodiment of the static Fourier transform spectrometer.
  • FIG. 6 shows measurement data taken by a detector of the static Fourier transform spectrometer.
  • FIGS. 7 to 10 show spectra determined by the static Fourier transform spectrometer and their corrections.
  • Figure 11 shows an experiment in which the sample area and the reference area of the detector were varied.
  • a static Fourier transform spectrometer 1 has a radiation source 4 arranged to operate in the static Fourier transform spectrometer 1
  • the static Fourier transform information spectrometer 1 has in the propagation direction of the infrared radiation after the radiation source 4 a sample section 2 and after the sample section
  • the infrared radiation for example, a
  • the radiation source 4 may be configured to emit the infrared radiation in continuous wave mode. Alternatively, you can the radiation source 4 may be arranged to pulse the infrared radiation and to emit at a duty cycle of more than 50%.
  • the infrared radiation propagates along a beam path 5 of the static Fourier transform spectrometer 1.
  • the beam path 5 has a sample path 14 and a reference path 15.
  • the static Fourier transform spectrometer 1 has a collection optics 6, which is arranged in the beam path 5, which consists of the
  • Radiation source 4 parallel infrared radiation to exit.
  • the static Fourier transform spectrometer 1 has a sample 7 which is arranged in the sample section 2 and there only in the sample path 14 and thus interacts with the infrared radiation of the sample path 14 during operation.
  • the interferometer section 3 is set up with a sample interferogram 27 of the sample path 14 after interacting with the sample 7 and a
  • Interferometer section 3 comprises a detector 11 which is adapted to simultaneously receive the sample interferogram 27 and the reference interferogram 28.
  • the static Fourier transform spectrometer is set up by means of a Fourier transformation from the sample interferogram 27, a sample spectrum 20, and a reference spectrum from the reference interferogram 28
  • Figures 1 and 2 illustrate the operation of the
  • FIG. 1 shows a plan view of the static Fourier T ransformations spectrometer 1, in which the sample path 14 and the reference path 15 are arranged side by side.
  • FIG. 2 shows a top view of the static Fourier transform spectrometer 1, in which the arrangement of FIG. 1 is rotated by 90 ° about the optical axis of the static Fourier transform spectrometer 1.
  • This is represented in FIG. 1 by an arrow designated by x, which denotes an x direction
  • FIG. 2 by an arrow designated y, which denotes a y direction.
  • the x-direction and the y-direction enclose an angle of 90 °.
  • the interferometer section 3 has a gap plane 8 in which a gap can be arranged and via which the infrared radiation enters the interferometer section 3 during operation.
  • the gap has a gap height in the x direction and a gap width in the y direction.
  • the gap height can be selected such that the detector 11 is completely separated from the infrared radiation in the x-direction is illuminated.
  • the gap may be such that the gap width is variably adjustable. This allows the spectral resolution to be changed.
  • the interferometer section 3 has a first lens 9 and a second lens 10, which are arranged in the beam path 5, to image the cleavage plane 8 onto the detector 11. Furthermore, the interferometer section 3 has a
  • FIG. 2 shows that, during operation, part of the infrared radiation passes through the beam splitter 13 and then reaches the detector 11 via the second lens 10. Another part of the infrared radiation is reflected by the beam splitter 12 and then by the mirror 13 and then passes via the second lens 10 to the detector 11.
  • the one part and the other part of the infrared radiation together form the sample interferogram 27 and the reference interferogram on the detector 28, which are arranged side by side in the x-direction.
  • the one part and the other part of the infrared radiation when they have passed through a different path in the interferometer section, have undergone an optical path length difference (which may also be zero) when they have arrived on the detector 11.
  • This optical path length difference undergoes a variation 16 in the y direction, and this variation 16 results in that the sample spectrum 20 and the reference spectrum 21 can be determined by means of the Fourier transformations.
  • FIGS. 1 and 2 show a first embodiment of the static Fourier transform spectrometer 1 in which the entire beam path 5 from the radiation source 4 up to and including the sample 7 is arranged undivided, which means that the sample path 14 and the reference path 15 are immediately adjacent are arranged to each other. In addition, the entire beam path from the sample 7 to the detector 11 is arranged undivided.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the static Fourier transform spectrometer 1, in which the sample path 14 and the reference path 15 in the region of the sample 7 are arranged spatially separated from one another, which means that here a gap exists between the sample path 14 and the reference path 15 is arranged.
  • the complete sample path 14 can be passed through the sample 7 without a diffraction of the infrared radiation of the sample path 14 taking place at one end of the sample 7.
  • the transmission of the sample 7 is measurable.
  • sample 7 it can For example, be a liquid sample, which is arranged in a cuvette. It is also conceivable that the sample 7 is a solid sample.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the static Fourier transform spectrometer 1, in which the static Fourier transform spectrometer has a gas measuring cell 17.
  • the sample 7 is gaseous and within the
  • the gas measuring cell 17 can have a first curved mirror 18a and a second curved mirror 18b, which are arranged in such a way that the infrared radiation is emitted several times within the
  • Gas measuring cell 17 is reflected. It is also conceivable that the static Fourier T ransformations spectrometer 1 has a further gas measuring cell, which is identical to the gas measuring cell 17 and through which the reference path 15 extends.
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of the static Fourier transform spectrometer 1 in which the static Fourier transform spectrometer 1 comprises an ATR crystal 19 arranged in the sample path 14, the sample 7 reflecting the surface of the ATR Crystal 19, so that in operation, the infrared radiation propagates under total resection at the interface between the ATR crystal 19 and the sample 7. It is conceivable that the static Fourier transform spectrometer 1 has a further ATR crystal, which is structurally identical to the ATR crystal 19 and which is arranged in the reference path 15.
  • the detector 11 may comprise a two-dimensional matrix of infrared-sensitive elements. Alternatively, the detector 11 may be a line detector for the
  • Reference path 15 and a line detector for the sample path 14 have.
  • the static Fourier transform spectrometer 1 has a plurality of the sample paths 14 in which different samples 7 are arranged, the static Fourier transform spectrometer 1 has a respective one
  • Line detector for each sample path 14 on.
  • FIG. 6 shows a measurement of the intensity of the infrared radiation, wherein the measurement was taken with the detector 11 with the two-dimensional matrix on the infrared-sensitive elements.
  • the sample 7 was introduced only into the sample path 14. As the sample 7 became a
  • a step b) the infrared radiation is propagated along the beam path 5, so that the sample 7 enters into an interaction with the infrared radiation of the sample path 14.
  • a step c) is the Sample interferogram 27 of the sample path 14 after interacting with the sample 7 and the reference interferogram 28 of the reference path 15 generated and the sample interferogram 27 and the reference interferogram 28 recorded simultaneously.
  • the detector 11 as can be seen in FIG. 6, has a sample surface 29, which is set up to receive the sample interferogram 27, and a reference surface 30, which is set up to receive the reference interferogram 28.
  • the detector 11 may have an intermediate surface 31 which is arranged between the sample surface 29 and the reference surface 30 and on which no usable interferogram arises. This can be attributed, for example, to an insufficiently accurate adjustment of the sample 7 in the beam path 5. It is also conceivable that this is due to the fact that the
  • Radiation source 4 has a non-punctiform extent.
  • the detector 11 has a plurality of rows juxtaposed in the x direction and a plurality of columns juxtaposed in the y direction.
  • Probeninterferogramms 27 are averaged in step c) all measured from the sample surface 29 intensities column by column, so that a vector Iprobe (column) is formed.
  • all intensities measured by the reference surface 30 can be averaged column by column, so that a vector iRef (column) is created. You can then use the
  • the variation 16 of the optical path length difference can be determined, for example, in which one
  • Standard sample with a known spectrum in the sample path 14 is inserted and measured.
  • step d) the sample spectrum 20 from the sample interferogram 27 and the reference spectrum 21 from the reference interferogram 28 are determined by means of a respective Fourier transformation.
  • step d) the sample spectrum 20 from the sample interferogram 27 and the reference spectrum 21 from the reference interferogram 28 are determined by means of a respective Fourier transformation.
  • FIG. 7 shows the sample spectrum 20 and the reference spectrum 21 in a plot in which the abscissa represents the frequency in cm.sup.- 1 and the ordinate the intensity in arbitrary units.
  • the sample spectrum 20 is corrected with the reference spectrum 21.
  • the intensity of the sample spectrum 20 is divided by the intensity of the reference spectrum 20 at each frequency. That way with the
  • Reference spectrum 21 Corrected sample spectrum 22 is shown in FIG. 8 in a plot in which the abscissa represents the frequency in cm 1 and the ordinate a transmission in percent. For comparison, a FTIR
  • steps b) to d) can be carried out in a step f) without the sample 7 being arranged in the sample path 14.
  • FIG. 9 shows a sample spectrum 24 determined in step f) and a sample determined in step f)
  • Sample spectrum 20 additionally the correction factor used.
  • Correction factor can be determined, for example, by setting the areas below the sample spectrum 24 determined in step f) and below the reference spectrum 25 determined in step f). Alternatively, it is also possible to calculate a correction factor at each frequency.
  • FIG. 10 shows a corrected with the reference spectrum 21 and with the correction factor
  • Sample spectrum 26 in a plot in which the abscissa in the frequency in wavenumbers and the ordinate the transmission in percent is plotted.
  • the FTIR spectrum 23 is also entered.
  • the remaining differences can be explained by a lower spectral resolution of the static Fourier transform spectrometer 1 compared to the Fourier transform spectrometer with the Michelson interferometer.
  • an experiment was carried out in which the ratio of the sizes of the sample surface 29 and the reference surface 30 was varied. This was done by using the plastic film in the x-direction in the first embodiment of the static Fourier transform spectrometer 1
  • FIG. 11 shows a plot in which the ratio is plotted over the abscissa and the respective c 2 is plotted over the ordinate. The lower the c 2 , the lower the deviation of the corrected one
  • Sample Spectra 22 is much higher than in the remaining area.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein statisches Fourier-Transformations-Spektrometer (1) mit einer Strahlungsquelle (4), die eingerichtet ist in einem Betrieb des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers Infrarotstrahlung zu emittieren, die sich im Betrieb entlang eines Strahlengangs (5) des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers ausbreitet, der einen Probenpfad (14) und einen Referenzpfad (15) aufweist, einer Probe (7), die lediglich in dem Probenpfad angeordnet ist und somit im Betrieb eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades eingeht, und einem Interferometerabschnitt (3), der eingerichtet ist ein Probeninterferogramm (27) des Probenpfades nach der Wechselwirkung mit der Probe und ein Referenzinterferogramm (28) des Referenzpfades zu erzeugen und einen Detektor (11) aufweist, der eingerichtet ist das Probeninterferogramm (27) und das Referenzinterferogramm (28) gleichzeitig aufzunehmen, wobei das statische Fourier-Transformations-Spektrometer eingerichtet ist, mittels jeweils einer Fourier-Transformation aus dem Probeninterferogramm ein Probenspektrum (20) und aus dem Referenzinterferogramm ein Referenzspektrum (21) zu ermitteln sowie das Probenspektrum mit dem Referenzspektrum zu korrigieren.

Description

Statisches Fourier-Transformations-Spektrometer und ein Verfahren zum Betreiben des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers
Die Erfindung betrifft ein statisches Fourier-Transformations-Spektrometer und ein Verfahren zum Betreiben des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers.
Bei einem Fourier-T ransformations-Spektrometer wird eine Probe mit
Infrarotstrahlung bestrahlt. Nach dem Durchgang der Infrarotstrahlung durch die Probe wird die Infrarotstrahlung in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und die zwei
Teilstrahlen werden wieder zusammengeführt, so dass die Infrarotstrahlung ein Interferogramm bildet. Herkömmlich weist das Fourier-T ransformations-Spektrometer ein Michelson Interferometer auf, in dem ein Spiegel bewegt wird und somit eine Variation der optischen Weglänge einer der zwei Teilstrahlen erzeugt wird.
Neben den Fourier-Transformations-Spektrometern mit dem Michelson
Interferometer gibt es ein sogenanntes statisches Fourier-T ransformations- Spektrometer, das ohne bewegliche Spiegel ausgeführt ist. Bei dem statischen Fourier-T ransformations-Spektrometer werden die beiden Teilstrahlen derart auf einem Detektor zusammengeführt, dass entlang einer Dimension des Detektors eine Variation der Differenz der optischen Weglänge der beiden Teilstrahlen erfolgt. Ein solches statisches Fourier-T ransformation-Spektrometer ist beispielsweise in WO 2016/180551 A1 beschrieben. Mit dem statischen Fourier-T ransformations- Spektrometer können Spektren in einer kürzeren Zeit als mit dem Fourier- T ransformations-Spektrometer mit dem Michelson Interferometer aufgenommen werden, jedoch sind die Spektren bei dem statischen Fourier-T ransformations- Spektrometer weniger genau.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein statisches Fourier-T ransformations- Spektrometer und ein Verfahren zum Betreiben des statischen Fourier- T ransformations-Spektrometer zu schaffen, mit denen Spektren mit einer hohen Genauigkeit messbar sind.
Das erfindungsgemäße statische Fourier-T ransformations-Spektrometer weist eine Strahlungsquelle, die eingerichtet ist, in einem Betrieb des statischen Fourier- T ransformations-Spektrometers Infrarotstrahlung zu emittieren, die sich im Betrieb entlang eines Strahlengangs des statischen Fourier-T ransformations-Spektrometers ausbreitet, der einen Probenpfad und einen Referenzpfad aufweist, eine Probe, die lediglich in dem Probenpfad angeordnet ist und somit im Betrieb eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades eingeht, und einen Interferometerabschnitt auf, der eingerichtet ist, ein Probeninterferogramm des Probenpfades nach der Wechselwirkung mit der Probe und ein
Referenzinterferogramm des Referenzpfades zu erzeugen, und einen Detektor aufweist, der eingerichtet ist, das Probeninterferogramm und das
Referenzinterferogramm gleichzeitig aufzunehmen, wobei das statische Fourier- T ransformations-Spektrometer eingerichtet ist, mittels jeweils einer Fourier- Transformation aus dem Probeninterferogramm ein Probenspektrum und aus dem Referenzinterferogramm ein Referenzspektrum zu ermitteln sowie das
Probenspektrum mit dem Referenzspektrum zu korrigieren. Damit der Detektor eingerichtet ist, das Probeninterferogramm und das Referenzinterferogramm gleichzeitig aufzunehmen, sind das Probeninterferogramm und das
Referenzinterferogramm nebeneinander angeordnet und überlappen nicht. Zudem ist das Fourier-T ransformations-Spektrometer eingerichtet, das Probeninterferogramm und das Referenzinterferogramm gleichzeitig zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des statischen Fourier- T ransformations-Spektrometers weist die Schritte auf: a2) Einbringen einer Probe lediglich in den Probenpfad; b) Ausbreiten von Infrarotstrahlung entlang des
Strahlengangs, so dass die Probe eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades eingeht; c) Erzeugen eines Probeninterferogramms des Probenpfades nach der Wechselwirkung mit der Probe und eines Referenzinterferogramms des Referenzpfades sowie gleichzeitiges Aufnehmen des Probeninterferogramms und des Referenzinterferogramms; d) Ermitteln eines Probenspektrums aus dem
Probeninterferogramm und eines Referenzspektrums aus dem
Referenzinterferogramm mittels jeweils einer Fourier-Transformation; e) Korrigieren des Probenspektrums mit dem Referenzspektrum. Um das Probeninterferogramm und das Referenzinterferogramm gleichzeitig aufzunehmen, sind das
Probeninterferogramm und das Referenzinterferogramm nebeneinander angeordnet und überlappen nicht.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass mit dem erfindungsgemäßen statischen Fourier-T ransformations-Spektrometer und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des statischen Fourier-T ransformations-Spektrometer die korrigierten Probenspektren mit einer hohen Genauigkeit messbar sind. Dabei wurde eine so hohe Genauigkeit erreicht, die fast so hoch wie einem herkömmlichen Fourier- T ransformations-Spektrometer mit einem Michelson Interferometer ist. Bei der Wechselwirkung der Probe mit der Infrarotstrahlung kann es sich
beispielsweise um eine Transmission, eine Reflexion, eine Streuung, eine Remission oder um eine abgeschwächte Totalreflexion (englisch: attenuated total reflexion,
ATR) handeln.
Es ist bevorzugt, dass der Detektor eine Probenfläche, die eingerichtet ist, das Probeninterferogramm aufzunehmen, und eine Referenzfläche aufweist, die eingerichtet ist, das Referenzinterferogramm aufzunehmen, wobei die Probenfläche dreimal bis zehnmal so groß wie die Referenzfläche ist. Es wurde
überraschenderweise gefunden, dass mit diesem Flächenverhältnis das Signal zu Rausch Verhältnis besonders hoch ist, wodurch die korrigierten Probenspektren eine besonders hohe Genauigkeit haben.
Der Probenpfad und der Referenzpfad sind bevorzugt im Bereich der Probe räumlich getrennt voneinander angeordnet. Dadurch lässt sich die Probe vorteilhaft derart in dem Probenpfad anordnen, dass kein Ende der Probe in dem Strahlengang angeordnet ist, was nachteilig zu der Bildung von Interferenzen führen würde. Die Interferenzen würden die Genauigkeit der korrigierten Probenspektren vermindern.
Alternativ ist bevorzugt, dass der gesamte Strahlengang von der Strahlungsquelle bis einschließlich der Probe ungetrennt angeordnet ist. Hierbei handelt es sich um einen vorteilhaft einfachen Aufbau des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers, der sich auch besonders einfach justieren lässt.
Es ist bevorzugt, dass das statische Fourier-Transformations-Spektrometer einen ATR-Kristall aufweist, der in dem Probenpfad angeordnet ist, wobei die Probe die Oberfläche des ATR-Kristalls kontaktiert, so dass sich im Betrieb die Infrarotstrahlung unter Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen dem ATR-Kristall und der Probe ausbreitet. Weil die bei der Totalreflektion entstehenden evaneszenten Wellen nur eine geringe Eindringtiefe in die Probe haben, erzeugt Wasser nur eine geringe Absorption. Dadurch eignet sich der ATR-Kristall besonders für wässrige Proben, so dass die wässrigen Proben mit einer besonders hohen Genauigkeit messbar sind.
Die optischen Pfadlängen des Probenpfades und des Referenzpfades sind bevorzugt gleich lang. Dadurch ist die Genauigkeit der korrigierten Probenspektren besonders hoch. Es ist bevorzugt, dass der Strahlengang mehrere der Probenpfade aufweist, in denen verschiedene Proben angeordnet sind. Dadurch können vorteilhaft mehrere der Proben gleichzeitig vermessen werden. Der Detektor weist bevorzugt eine zweidimensionale Matrix an infrarotsensitiven Elementen auf. Hier können die Größen der Probenfläche und der Referenzfläche über die Anzahl der
infrarotsensitiven Elemente gewählt werden, denn die Anzahl der infrarotsensitiven Elemente ist proportional zu der Größe der jeweiligen Fläche. Alternativ weist der Detektor bevorzugt einen Zeilendetektor für den Referenzpfad und jeweils einen Zeilendetektor für jeden der Probenpfade auf.
Bevorzugt weist das Verfahren den Schritt auf: aO) Wählen einer Probenfläche eines Detektors, die eingerichtet ist, das Probeninterferogramm aufzunehmen, dreimal bis zehnmal so groß wie eine Referenzfläche des Detektors, die eingerichtet ist, das Referenzinterferogramm aufzunehmen. In dem Fall, dass der Detektor die
zweidimensionale Matrix an den infrarotsensitiven Elementen aufweist, können die Größe der Probenfläche und die Größe der Referenzfläche entsprechend der Anzahl der infrarotsensitiven Elemente gewählt werden.
Es ist bevorzugt, dass das Verfahren die Schritte aufweist: f) Durchführen der Schritte b) bis d) ohne dass die Probe in dem Probenpfad angeordnet ist; g)
Berechnen mindestens eines Korrekturfaktors, um das in Schritt f) ermittelte
Probenspektrum und das in Schritt f) ermittelte Referenzspektrum derart aufeinander zu skalieren, dass ein Unterschied zwischen der Intensität des Probenspektrums und der Intensität des Referenzspektrums minimiert wird; und wobei in Schritt e) der Korrekturfaktor herangezogen wird. Mit dem Korrekturfaktor kann vorteilhaft ein ungleichmäßiges Ausleuchten des Detektors durch die Strahlungsquelle korrigiert werden, was zu einer gesteigerten Genauigkeit für die korrigierten Probenspektren führt.
Bevorzugt weist das Verfahren die Schritte auf: a1 ) Anordnen eines ATR-Kristalls in dem Probenpfad und Durchführen der Schritte b) bis e) ohne dass die Probe die Oberfläche des ATR-Kristalls kontaktiert; h) Wiederholen des Schritts a1 ) und Vergleichen der in den Schritten a1 ) und h) korrigierten Probenspektren. Dadurch lässt sich vorteilhaft eine Alterung des ATR-Kristalls oder eine Materialablagerung auf dem ATR-Kristall erkennen.
Es ist bevorzugt, dass das Verfahren den Schritt aufweist: aO) Anordnen einer Referenzprobe in dem Referenzpfad. Dadurch können Unterschiede der Probe im Vergleich zu der Referenzprobe mit einer besonders hohen Genauigkeit gemessen werden. Wird beispielsweise eine besonders reine Referenzprobe in dem Referenzpfad angeordnet, können Verunreinigungen der Probe besonders genau und zudem schnell erkannt werden.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die
Erfindung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform des statischen Fourier-T ransformations- Spektrometers in einer ersten Draufsicht.
Figur 2 zeigt die erste Ausführungsform in einer zweiten Draufsicht.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des statischen Fourier- T ransformations-Spektrometers.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des statischen Fourier- T ransformations-Spektrometers.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des statischen Fourier- T ransformations-Spektrometers.
Figur 6 zeigt von einem Detektor des statischen Fourier-T ransformations- Spektrometers aufgenommene Messdaten.
Figuren 7 bis 10 zeigen von dem statischen Fourier-Transformations-Spektrometer ermittelte Spektren sowie deren Korrekturen.
Figur 11 zeigt einen Versuch, bei dem die Probenfläche und die Referenzfläche des Detektors variiert wurden.
Wie es aus Figuren 1 bis 5 ersichtlich ist, weist ein statisches Fourier- T ransformations-Spektrometer 1 eine Strahlungsquelle 4 auf, die eingerichtet ist, in einem Betrieb des statischen Fourier-T ransformations-Spektrometers 1
Infrarotstrahlung zu emittieren. Das statische Fourier-T ransformations-Spektrometer 1 weist in Ausbreitungsrichtung der Infrarotstrahlung nach der Strahlungsquelle 4 einen Probenabschnitt 2 und nach dem Probenabschnitt einen
Interferometerabschnitt 3 auf. Die Infrarotstrahlung kann beispielsweise eine
Wellenlänge von 2 pm bis 20 pm haben. Die Strahlungsquelle 4 kann eingerichtet sein, die Infrarotstrahlung in einem Dauerstrichbetrieb zu emittieren. Alternativ kann die Strahlungsquelle 4 eingerichtet sein, die Infrarotstrahlung gepulst und mit einem Duty-cycle von mehr als 50 % zu emittieren. Die Infrarotstrahlung breitet sich im Betrieb entlang eines Strahlengangs 5 des statischen Fourier-T ransformations- Spektrometers 1 aus. Der Strahlengang 5 weist einen Probenpfad 14 und einen Referenzpfad 15 auf. Das statische Fourier-Transformations-Spektrometer 1 weist eine Sammeloptik 6 auf, die im Strahlengang 5 angeordnet ist, die aus der
Strahlungsquelle 4 austretende Infrarotstrahlung zu parallelisieren.
Das statische Fourier-Transformations-Spektrometer 1 weist eine Probe 7 auf, die in dem Probenabschnitt 2 und dort lediglich in dem Probenpfad 14 angeordnet ist und somit im Betrieb eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades 14 eingeht. Der Interferometerabschnitt 3 ist eingerichtet ein Probeninterferogramm 27 des Probenpfades 14 nach der Wechselwirkung mit der Probe 7 und ein
Referenzinterferogramm 28 des Referenzpfades 15 zu erzeugen. Der
Interferometerabschnitt 3 weist einen Detektor 11 auf, der eingerichtet ist, das Probeninterferogramm 27 und das Referenzinterferogramm 28 gleichzeitig aufzunehmen. Das statische Fourier-Transformations-Spektrometer ist eingerichtet, mittels jeweils einer Fourier-T ransformation aus dem Probeninterferogramm 27 ein Probenspektrum 20 und aus dem Referenzinterferogramm 28 ein Referenzspektrum
21 zu ermitteln sowie das Probenspektrum 20 mit dem Referenzspektrum 21 zu korrigieren, so dass ein mit dem Referenzspektrum 21 korrigiertes Probenspektrum
22 entsteht.
Insbesondere Figuren 1 und 2 veranschaulichen die Funktionsweise des
Interferometerabschnitts 3. Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf das statische Fourier- T ransformations-Spektrometer 1 , bei der der Probenpfad 14 und der Referenzpfad 15 nebeneinander angeordnet sind. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das statische Fourier-T ransformations-Spektrometer 1 , bei der die Anordnung aus Figur 1 um 90° um die optische Achse des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers 1 gedreht ist. Dies ist in Figur 1 durch einen mit x bezeichneten Pfeil, der eine x- Richtung bezeichnet, und in Figur 2 durch einen mit y bezeichneten Pfeil, der eine y- Richtung bezeichnet, dargestellt. Die x-Richtung und die y-Richtung schließen dabei einen Winkel von 90° ein. Der Interferometerabschnitt 3 weist eine Spaltebene 8, in der ein Spalt angeordnet sein kann und via den die Infrarotstrahlung im Betrieb in den Interferometerabschnitt 3 eintritt. Der Spalt hat in der x-Richtung eine Spalthöhe und in der y-Richtung eine Spaltbreite. Die Spalthöhe kann derart gewählt werden, dass der Detektor 11 in der x-Richtung vollständig von der Infrarotstrahlung ausgeleuchtet wird. Der Spalt kann derart beschaffen sein, dass die Spaltbreite variabel einstellbar ist. Dadurch kann die spektrale Auflösung verändert werden.
Zudem weist der Interferometerabschnitt 3 eine erste Linse 9 und eine zweite Linse 10 auf, die in dem Strahlengang 5 angeordnet sind, die Spaltebene 8 auf den Detektor 11 abzubilden. Weiterhin weist der Interferometerabschnitt 3 einen
Strahlteiler 12 und einen Spiegel 13 auf, die in dem Strahlengang 5 zwischen der ersten Linse 9 und der zweiten Linse 10 angeordnet sind. Figur 2 zeigt, im Betrieb ein Teil der Infrarotstrahlung den Strahlteiler 13 passiert und dann via die zweite Linse 10 auf den Detektor 11 gelangt. Ein anderer Teil der Infrarotstrahlung wird von dem Strahlteiler 12 und anschließend von dem Spiegel 13 reflektiert und gelangt dann via die zweite Linse 10 auf den Detektor 11. Der eine Teil und der andere Teil der Infrarotstrahlung bilden zusammen auf dem Detektor das Probeninterferogramm 27 und das Referenzinterferogramm 28, die in der x-Richtung nebeneinander angeordnet sind. Der eine Teil und der andere Teil der Infrarotstrahlung haben dadurch, dass sie einen unterschiedlichen Weg in dem Interferometerabschnitt durchlaufen haben, eine optische Weglängendifferenz (die auch Null sein kann) durchlaufen, wenn sie auf dem Detektor 11 angekommen sind. Diese optische Weglängendifferenz erfährt in der y-Richtung eine Variation 16 und diese Variation 16 führt dazu, dass mittels der Fourier-T ransformationen das Probenspektrum 20 und das Referenzspektrum 21 ermittelbar sind. Dies und weitere Details zu dem Interferometerabschnitt 3 sind in WO 2016/180551 A1 beschrieben.
Figuren 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform des statischen Fourier- T ransformations-Spektrometers 1 , bei der der gesamte Strahlengang 5 von der Strahlungsquelle 4 bis einschließlich der Probe 7 ungetrennt angeordnet ist, was bedeutet, dass der Probenpfad 14 und der Referenzpfad 15 unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind. Darüber hinaus ist auch der gesamte Strahlengang von der Probe 7 bis zu dem Detektor 11 ungetrennt angeordnet. Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des statischen Fourier-T ransformations-Spektrometers 1 , bei der Probenpfad 14 und der Referenzpfad 15 im Bereich der Probe 7 räumlich getrennt voneinander angeordnet sind, was bedeutet, dass hier ein Zwischenraum zwischen dem Probenpfad 14 und dem Referenzpfad 15 angeordnet ist. Hier kann vorteilhaft der vollständige Probenpfad 14 durch die Probe 7 hindurchgeleitet werden, ohne dass eine Beugung der Infrarotstrahlung des Probenpfades 14 an einem Ende der Probe 7 stattfindet. Bei der ersten Ausführungsform und der zweiten
Ausführungsform ist die Transmission der Probe 7 messbar. Bei der Probe 7 kann es sich beispielsweise um eine flüssige Probe handeln, die in einer Küvette angeordnet ist. Ebenso ist denkbar, dass es sich bei der Probe 7 um eine feste Probe handelt.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des statischen Fourier-T ransformations- Spektrometers 1 , bei der das statische Fourier-Transformations-Spektrometer eine Gasmesszelle 17 aufweist. Die Probe 7 ist gasförmig und innerhalb der
Gasmesszelle 17 angeordnet und der Probenpfad 14 verläuft innerhalb der
Gasmesszelle 17. Die Gasmesszelle 17 kann, wie in Figur 4 dargestellt, einen ersten gekrümmten Spiegel 18a und einen zweiten gekrümmten Spiegel 18b aufweisen, die derart angeordnet sind, dass die Infrarotstrahlung mehrfach innerhalb der
Gasmesszelle 17 reflektiert wird. Denkbar ist zudem, dass das statische Fourier- T ransformations-Spektrometer 1 eine weitere Gasmesszelle aufweist, die baugleich mit der Gasmesszelle 17 ist und durch die der Referenzpfad 15 verläuft.
Figur 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des statischen Fourier-T ransformations- Spektrometers 1 , bei der das statische Fourier-T ransformations-Spektrometer 1 einen ATR-Kristall 19 aufweist, der in dem Probenpfad 14 angeordnet ist, wobei die Probe 7 die Oberfläche des ATR-Kristalls 19 kontaktiert, so dass sich im Betrieb die Infrarotstrahlung unter Totalresektion an der Grenzfläche zwischen dem ATR-Kristall 19 und der Probe 7 ausbreitet. Es ist denkbar, dass das statische Fourier- T ransformations-Spektrometer 1 einen weiteren ATR-Kristall aufweist, der baugleich mit dem ATR-Kristall 19 ist und der in dem Referenzpfad 15 angeordnet ist.
Der Detektor 11 kann eine zweidimensionale Matrix an infrarotsensitiven Elementen aufweisen. Alternativ kann der Detektor 11 kann einen Zeilendetektor für den
Referenzpfad 15 und einen Zeilendetektor für den Probenpfad 14 aufweisen. In dem Fall, dass das statische Fourier-T ransformations-Spektrometer 1 eine Mehrzahl der Probenpfade 14 aufweist, in denen verschiedene Proben 7 angeordnet sind, weist das statische Fourier-T ransformations-Spektrometer 1 einen jeweiligen
Zeilendetektor für jeden Probenpfade 14 auf.
Figur 6 zeigt eine Messung der Intensität der Infrarotstrahlung, wobei die Messung mit dem Detektor 11 mit der zweidimensionalen Matrix an den infrarotsensitiven Elementen aufgenommen wurde. Dazu wurde in einem Schritt a2) die Probe 7 lediglich in den Probenpfad 14 eingebracht. Als die Probe 7 wurde eine
Kunststofffolie eingesetzt. In einem Schritt b) wird die Infrarotstrahlung entlang des Strahlengangs 5 ausgebreitet, so dass die Probe 7 eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades 14 eingeht. In einem Schritt c) wird das Probeninterferogramm 27 des Probenpfades 14 nach der Wechselwirkung mit der Probe 7 und das Referenzinterferogramm 28 des Referenzpfades 15 erzeugt sowie das Probeninterferogramm 27 und das Referenzinterferogramm 28 gleichzeitig aufgenommen. Dazu weist der Detektor 1 1 , wie es aus Figur 6 ersichtlich ist, eine Probenfläche 29, die eingerichtet ist, das Probeninterferogramm 27 aufzunehmen, und eine Referenzfläche 30 auf, die eingerichtet ist, das Referenzinterferogramm 28 aufzunehmen. Der Detektor 11 kann zudem eine Zwischenfläche 31 aufweisen, die zwischen der Probenfläche 29 und der Referenzfläche 30 angeordnet ist und auf der kein verwertbares Interferogramm entsteht. Dies kann beispielsweise auf eine ungenügend genaue Justierung der Probe 7 in dem Strahlengang 5 zurückzuführen sein. Denkbar ist auch, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die
Strahlungsquelle 4 eine nicht punktförmige Erstreckung hat.
Wie es aus Figur 6 ersichtlich ist, weist der Detektor 1 1 eine Mehrzahl an Zeilen, die in der x-Richtung nebeneinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl an Spalten auf, die in der y-Richtung nebeneinander angeordnet sind. Zum Erzeugen des
Probeninterferogramms 27 werden in Schritt c) alle von der Probenfläche 29 gemessenen Intensitäten spaltenweise gemittelt, so dass ein Vektor Iprobe(Spalte) entsteht. Zum Erzeugen des Referenzinterferogramms 28 können alle von der Referenzfläche 30 gemessenen Intensitäten spaltenweise gemittelt werden, so dass ein Vektor iRef(Spalte) entsteht. Anschließend können unter Heranziehen der
Variation 16 der optischen Weglängendifferenz und der Lichtgeschwindigkeit der Vektor Iprobe(Spalte) in einen Vektor Iprobe(t) und der Vektor lRef(Spalte) in einen Vektor lRef(t) umgerechnet werden, wobei t die Zeit ist. Die Variation 16 der optischen Weglängendifferenz kann beispielsweise bestimmt werden, in dem eine
Standardprobe mit einem bekannten Spektrum in den Probenpfad 14 eingefügt und vermessen wird.
In einem Schritt d) werden das Probenspektrums 20 aus dem Probeninterferogramm 27 und das Referenzspektrums 21 aus dem Referenzinterferogramm 28 mittels jeweils einer Fourier-T ransformation ermittelt. In dem Schritt d) kann das
Probenspektrum 20 aus dem Vektor lprobe(t) mittels der Fourier-T ransformation und das Referenzspektrum 21 kann aus dem Vektor lRef(t) mittels der Fourier- Transformation ermittelt werden. Figur 7 zeigt das Probenspektrum 20 und das Referenzspektrum 21 in einer Auftragung, bei der über die Abszisse die Frequenz in cm 1 und über die Ordinate die Intensität in willkürlichen Einheiten aufgetragen ist. io
In einem Schritt e) wird das Probenspektrum 20 mit dem Referenzspektrum 21 korrigiert. Dazu wird bei jeder Frequenz die Intensität des Probenspektrums 20 durch die Intensität des Referenzspektrums 20 geteilt. Das derart mit dem
Referenzspektrum 21 korrigierte Probenspektrum 22 ist in Figur 8 in einer Auftragung dargestellt, bei der über die Abszisse die Frequenz in cm 1 und über die Ordinate eine Transmission in Prozent aufgetragen ist. Zum Vergleich wurde ein FTIR
Spektrum 23 der Kunststofffolie mittels eines Fourier-T ransformations- Spektrometers, das ein Michelson Interferometer aufweist, aufgenommen und ebenfalls in der Auftragung in Figur 8 eingetragen. Erkennbar ist, dass das mit dem Referenzspektrum 21 korrigierte Probenspektrum 22 noch signifikant von dem FTIR Spektrum 23 abweicht. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass in dem
Probenpfad 14 und in dem Referenzpfad 15 eine unterschiedliche Intensität der Infrarotstrahlung vorliegt, was auf eine fehlerhafte Justierung insbesondere der Strahlungsquelle 4 und der Sammeloptik 6 zurückzuführen ist.
Um die unterschiedliche Intensität in dem Probenpfad 14 und in dem Referenzpfad 15 zu korrigieren, können in einem Schritt f) die Schritte b) bis d) durchgeführt werden ohne dass die Probe 7 in dem Probenpfad 14 angeordnet ist. Figur 9 zeigt ein in Schritt f) ermitteltes Probenspektrum 24 und ein in Schritt f) ermitteltes
Referenzspektrum 25, die in einer Auftragung eingetragen sind, bei der über die Abszisse die Frequenz in Wellenzahlen und über die Ordinate die Intensität in willkürlichen Einheiten aufgetragen ist. Anschließend wird in einem Schritt g) ein Korrekturfaktor berechnet, um das in Schritt f) ermittelte Probenspektrum 24 und das in Schritt f) ermittelte Referenzspektrum 25 derart aufeinander zu skalieren, dass ein Unterschied zwischen der Intensität des Probenspektrums 20 und der Intensität des Referenzspektrums 21 minimiert wird. In Schritt e) wird zum Korrigieren des
Probenspektrums 20 zusätzlich der Korrekturfaktor herangezogen. Der
Korrekturfaktor kann beispielsweise bestimmt werden, indem die Flächen unterhalb des in Schritt f) ermittelten Probenspektrums 24 und unterhalb des in Schritt f) ermittelten Referenzspektrums 25 ins Verhältnis gesetzt werden. Alternativ ist es auch möglich, bei jeder Frequenz einen Korrekturfaktor zu berechnen. Figur 10 zeigt ein mit dem Referenzspektrum 21 und mit dem Korrekturfaktor korrigiertes
Probenspektrum 26 in einer Auftragung, in der über die Abszisse die Frequenz in Wellenzahlen und über die Ordinate die Transmission in Prozent aufgetragen ist.
Zum Vergleich ist ebenfalls das FTIR Spektrum 23 eingetragen. Die verbliebenen Unterschiede können durch eine geringere spektrale Auflösung des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers 1 im Vergleich zu dem Fourier- T ransformations-Spektrometer mit dem Michelson Interferometer erklärt werden. Im Folgenden wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem das Verhältnis der Größen der Probenfläche 29 und der Referenzfläche 30 variiert wurde. Dies wurde durchgeführt, indem bei der ersten Ausführungsform des statischen Fourier- T ransformations-Spektrometers 1 die Kunststofffolie in der x-Richtung
unterschiedlich tief in den Strahlengang 5 hineingeschoben wurde. Dadurch veränderten sich die Größen des Probenpfades 14 und des Referenzpfades 15 und damit auch die Größen der Probenfläche 29 und der Referenzfläche 30. Es wurden bei jeder Position der Kunststofffolie die Schritte b) bis e) durchgeführt und ein jeweiliges mit einem Refe re nzspe ktru m 21 korrigiertes Probenspektrum 20 aufgenommen. Anschließend wurde jedes der korrigierten Probenspektren 20 mit dem FTIR Spektrum 23 verglichen, indem durch Variieren eines Faktors a der Ausdruck x2 =
Figure imgf000013_0001
minimiert wurde, wobei IProbe (Spalte ) das korrigierte Probenspektrum 20, IFT]R(Spalte) das FTIR Spektrum 23 und n die Anzahl der Spalten sind. Zudem wurde für jede Position der Kunststofffolie ein Verhältnis A(Probenfläche)/A( Referenzfläche) gebildet, wobei A(Probenfläche) die Größe der Probenfläche 29 und A(Referenzfläche) die Größe der Referenzfläche 30 ist. Figur 11 zeigt eine Auftragung, bei der über die Abszisse das Verhältnis und über die Ordinate das jeweilige c2 aufgetragen ist. Dabei gilt, dass je geringer das c 2 ist, desto geringer die Abweichungen des korrigierten
Probenspektrums 22 zu dem FTIR Spektrum 23 sind. Überraschenderweise wurde gefunden von einem Verhältnis von 3 bis zu einem Verhältnis von 10 das c2 wesentlich geringer als in verbliebenen Bereich ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in diesem Bereich das Signal zu Rausch Verhältnis der korrigierten
Probenspektren 22 wesentlich höher als in dem verbliebenen Bereich ist.
Bezugszeichenliste
1 Statisches Fourier-Transformations-Spektrometer
2 Probenabschnitt
3 Interferometerabschnitt
4 Strahlungsquelle
5 Strahlengang
6 Sammeloptik
7 Probe
8 Spaltebene
9 erste Linse
10 zweite Linse
11 Detektor
12 Strahlteiler
13 Spiegel
14 Probenpfad
15 Referenzpfad
16 Variation der optischen Weglängendifferenz
17 Gasmesszelle
18a gekrümmter Spiegel
18b gekrümmter Spiegel
19 ATR-Kristall
20 Probenspektrum
21 Referenzspektrum
22 mit Referenzspektrum 21 korrigiertes Probenspektrum
23 FTIR Spektrum
24 in Schritt f) ermitteltes Probenspektrum
25 in Schritt f) ermitteltes Referenzspektrum
26 mit Referenzspektrum 21 und Korrekturfaktor korrigiertes Probenspektrum
27 Probeninterferogramm
28 Referenzinterferogramm
29 Probenfläche
30 Referenzfläche
31 Zwischenfläche
x-Richtung
y-Richtung

Claims

Patentansprüche
1. Statisches Fourier-Transformations-Spektrometer mit einer Strahlungsquelle (4), die eingerichtet ist, in einem Betrieb des statischen Fourier-T ransformations- Spektrometers (1 ) Infrarotstrahlung zu emittieren, die sich im Betrieb entlang eines Strahlengangs (5) des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers (1 ) ausbreitet, der einen Probenpfad (14) und einen Referenzpfad (15) aufweist, einer Probe (7), die lediglich in dem Probenpfad (14) angeordnet ist und somit im Betrieb eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades (14) eingeht, und einem Interferometerabschnitt (3), der eingerichtet ist, ein Probeninterferogramm (27) des Probenpfades (14) nach der Wechselwirkung mit der Probe (7) und ein
Referenzinterferogramm (28) des Referenzpfades (15) zu erzeugen, und einen Detektor (11 ) aufweist, der eingerichtet ist, das Probeninterferogramm (27) und das Referenzinterferogramm (28) gleichzeitig aufzunehmen, wobei das statische Fourier- Transformations-Spektrometer (1 ) eingerichtet ist, mittels jeweils einer Fourier- Transformation aus dem Probeninterferogramm (27) ein Probenspektrum (20) und aus dem Referenzinterferogramm (28) ein Referenzspektrum (21 ) zu ermitteln sowie das Probenspektrum (20) mit dem Referenzspektrum (21 ) zu korrigieren.
2. Statisches Fourier-Transformations-Spektrometer gemäß Anspruch 1 , wobei der Detektor (11 ) eine Probenfläche (29), die eingerichtet ist, das Probeninterferogramm (27) aufzunehmen, und eine Referenzfläche (30) aufweist, die eingerichtet ist, das Referenzinterferogramm (28) aufzunehmen, wobei die Probenfläche (29) dreimal bis zehnmal so groß wie die Referenzfläche (30) ist.
3. Statisches Fourier-Transformations-Spektrometer gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Probenpfad (14) und der Referenzpfad (15) im Bereich der Probe (7) räumlich getrennt voneinander angeordnet sind.
4. Statisches Fourier-Transformations-Spektrometer gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der gesamte Strahlengang (5) von der Strahlungsquelle (4) bis einschließlich der Probe (7) ungetrennt angeordnet ist.
5. Statisches Fourier-T ransformations-Spektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das statische Fourier-T ransformations-Spektrometer (1) einen ATR-
Kri stall (19) aufweist, der in dem Probenpfad (14) angeordnet ist, wobei die Probe (7) die Oberfläche des ATR-Kristalls (19) kontaktiert, so dass sich im Betrieb die Infrarotstrahlung unter Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen dem ATR-Kristall (19) und der Probe (7) ausbreitet.
6. Statisches Fourier-T ransformations-Spektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optischen Pfad längen des Probenpfades (14) und des
Referenzpfades (15) gleich lang sind.
7. Statisches Fourier-T ransformations-Spektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Strahlengang (5) mehrere der Probenpfade (14) aufweist, in denen verschiedene Proben (7) angeordnet sind.
8. Statisches Fourier-T ransformations-Spektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Detektor (11 ) eine zweidimensionale Matrix an infrarotsensitiven Elementen aufweist, oder wobei der Detektor (11 ) einen Zeilendetektor für den Referenzpfad (15) und jeweils einen Zeilendetektor für jeden der Probenpfade (14) aufweist.
9. Statisches Fourier-T ransformations-Spektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strahlungsquelle (4) eingerichtet ist, die Infrarotstrahlung in einem Dauerstrichbetrieb zu emittieren.
10. Verfahren zum Betreiben eines statischen Fourier-T ransformations- Spektrometers (1 ), das einen Strahlengang (5) aufweist, der einen Probenpfad (14) und einen Referenzpfad (15) aufweist, mit den Schritten:
a2) Einbringen einer Probe (7) lediglich in den Probenpfad (14);
b) Ausbreiten von Infrarotstrahlung entlang des Strahlengangs (5), so dass die Probe (7) eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades (14) eingeht; c) Erzeugen eines Probeninterferogramms (27) des Probenpfades (14) nach der Wechselwirkung mit der Probe (7) und eines Referenzinterferogramms (28) des Referenzpfades (15) sowie gleichzeitiges Aufnehmen des Probeninterferogramms (27) und des Referenzinterferogramms (28);
d) Ermitteln eines Probenspektrums (20) aus dem Probeninterferogramm (27) und eines Referenzspektrums (21 ) aus dem Referenzinterferogramm (28) mittels jeweils einer Fourier-Transformation;
e) Korrigieren des Probenspektrums (20) mit dem Referenzspektrum (21 ).
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, mit dem Schritt: a0) Wählen einer Probenfläche (29) eines Detektors (11 ), die eingerichtet ist, das Probeninterferogramm (27) aufzunehmen, dreimal bis zehnmal so groß wie eine Referenzfläche (30) des Detektors (11 ), die eingerichtet ist, das
Referenzinterferogramm (28) aufzunehmen.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11 , mit den Schritten:
f) Durchführen der Schritte b) bis d) ohne dass die Probe (7) in dem Probenpfad (14) angeordnet ist;
g) Berechnen mindestens eines Korrekturfaktors, um das in Schritt f) ermittelte Probenspektrum (24) und das in Schritt f) ermittelte Referenzspektrum (25) derart aufeinander zu skalieren, dass ein Unterschied zwischen der Intensität des
Probenspektrums (20) und der Intensität des Referenzspektrums (21 ) minimiert wird; und wobei in Schritt e) der Korrekturfaktor herangezogen wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, mit den Schritten:
a1 ) Anordnen eines ATR-Kristalls (19) in dem Probenpfad (14) und Durchführen der Schritte b) bis e) ohne dass die Probe (7) die Oberfläche des ATR-Kristalls (19) kontaktiert;
h) Wiederholen des Schritts a1 ) und Vergleichen der in den Schritten a1 ) und h) korrigierten Probenspektren (22).
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, mit dem Schritt:
aO) Anordnen einer Referenzprobe in dem Referenzpfad.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei in Schritt b) die
Infrarotstrahlung in einem Dauerstrichbetrieb ausgebreitet wird.
PCT/EP2019/050971 2018-01-16 2019-01-15 Statisches fourier-transformations-spektrometer und ein verfahren zum betreiben des statischen fourier-transformations-spektrometers WO2019141689A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021154772A1 (en) * 2020-01-27 2021-08-05 Layer Metrics Inc. Spectroferometer

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114374779B (zh) * 2021-12-16 2023-06-20 中国科学院上海高等研究院 一种全光场成像相机及其成像方法及全光场成像装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7079252B1 (en) * 2000-06-01 2006-07-18 Lifescan, Inc. Dual beam FTIR methods and devices for use in analyte detection in samples of low transmissivity
US20110079718A1 (en) * 2009-10-06 2011-04-07 The Curators Of The University Of Missouri External/internal optical adapter for ftir spectrophotometer
WO2016180551A1 (de) 2015-05-12 2016-11-17 Technische Universität München Statisches fourier-transformations-spektrometer

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2490497A (en) * 2011-05-03 2012-11-07 Waterford Inst Technology A stationary waveguide spectrum analyser

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7079252B1 (en) * 2000-06-01 2006-07-18 Lifescan, Inc. Dual beam FTIR methods and devices for use in analyte detection in samples of low transmissivity
US20110079718A1 (en) * 2009-10-06 2011-04-07 The Curators Of The University Of Missouri External/internal optical adapter for ftir spectrophotometer
WO2016180551A1 (de) 2015-05-12 2016-11-17 Technische Universität München Statisches fourier-transformations-spektrometer
DE102015208796A1 (de) * 2015-05-12 2016-11-17 Technische Universität München Statisches Fourier-Transformations-Spektrometer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MICHAEL KÖHLER ET AL: "Gas Measurement Using Static Fourier Transform Infrared Spectrometers", SENSORS, vol. 17, no. 11, 13 November 2017 (2017-11-13), pages 2612, XP055570196, DOI: 10.3390/s17112612 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021154772A1 (en) * 2020-01-27 2021-08-05 Layer Metrics Inc. Spectroferometer

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