DE1939982C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von durch Sonnenlicht erregter Fluoreszenz - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von durch Sonnenlicht erregter Fluoreszenz

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Description

P -
wobei
A =
B =
D =
die Intensität des direkten Sonnenlichts in unmittelbarer Nachbarschaft zu der gewählten Fraunhoferschen Linie,
die Intensität des direkten Sonnenlichts bei der gewählten Fraunhoferschen Linie,
die Intensität der Sekundärstrahlung bei der gewählten Fraunhoferschen Linie,
die Intensität der Sekundärstrahlung in unmittelbarer Nachbarschaft zu der gewählten Fraunboferschen Linie und
eine Proportionalitätskonstante ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Fluoreszenzeigenschaften einer Probe, bei dem die Probe mit zwei Bündeln elektromagnetischer Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt wird, zwei Teilbündel der von der Probe ausgehenden Sekundärstrahlung empfangen und mit den entsprechenden Primärstrahlungsbündeln verglichen werden und bei dem aus den Intensitätsverhältnissi:;i der vier StrahlungsbQndel eine Anzeige der Fluoreszenzeigenschaften gewonnen wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenzeigenschaften einer Probe, mit Lichtquellen zur Bestrahlung der Probe mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen, einer Einrichtung zur Erzeugung zweier Teilbündel der von der Probe ausgehenden Sekundärstrahlung, die jeweils eine der beiden Wellenlänge umfassen, zwei photoelektrischen Empfängern für je ein Primär- und Sekundärstrahlungsbündel und mit einer nachgeordneten Auswerteschaltung, zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen (US-PS 31 51 204) sind für Laboratoriumsuntersuchungen eingerichtet, gestatten aber nicht die: Messung der Lumineszenz entfernt angeordneter Proben. Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung und Messung der von einem entfernten Probenmaterial ausgehenden Fluoreszenz zu schaffen.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Primärstrahlung Sonnenlicht benützt wird, daß als erste Wellenlänge ein schmaler Bereich des Sonnenspektrums ausgewählt wird, der eine Fraunhofersche Linie umfaßt, und daß als zweite Wellenlänge ein schmaler Bereich des kontinuierlichen Sonnenspektrums in unmittelbarer Niichbarschaft dieser Fraunhoferschen Linie dient.
Die Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens ist nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung, welche von der Sonne empfangene Strahlung bündelt und mit einer ersten Markierung versieht, durch eine zweite Einrichtung, welche von der Probe empfangene, durch Sonneneinstrahlung bewirkte Sekundärstrahlung bündelt und mit einer zweiten Markierung versieht, durch einen Strahlenvereiniger für die beiden Strahlungsbündel und einen nachgeschalteten Strahlenteiler zur Erzeugung zweier Teilbündel, in deren Strahlengang sich je ein den photoelektrischen Empfängern vorgeschaltetes Filter befindet, deren eines für einen schmalen Bereich des Sonnenspektrums durchlässig ist, der eine ausgewählte Fraunhofersche Linie enthält, während das andere für einen schmalen Bereich des kontinuierlichen Sonnenspektrums in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Fraunhoferschen Linie durchlässig ist
Die Erfindung besteht demnach darin, die Intensität des direkten Sonnenlichts und des von dem untersuchten Material reflektierten Sonnenlichtes bei zwei vorgegebenen Weiienlängen zu messen. Eine dieser Wellenlängen entspricht einer gewählten Fraunhoferschen Linie, und die andere Wellenlänge liegt wenige Angstrom davon entfernt im kontinuierlichen Sonnenspektrum. Man erhält daraus vier Signale, die den jeweiligen Intensitäten proportional sind und zu einem einzigen Signal umgesetzt werden, das der Stärke der Fluoreszenz in der Nähe der gewählten Fraunhoferschen Linie proportional ist und abgelesen und/oder aufgezeichnet wird.
Das Sonnenspektrum enthält die sehr scharfen, in der Photosphäre der Sonne erzeugten Fraunhoferschen Absorptionslinien. Ist bei Reflektion des Sonnenlichtes die Änderung des Reflektionsvermögens des betreffenden Materials mit der Wellenlänge relativ gleichförmig, so bleiben diese tiefen Absorptionslinien auch in dem reflektierten Sonnenlicht erhalten. Beim Auftreten von Fluoreszenz in der Probe erfolgt Absorption in einem bestimmten Spektralbereich und Reemission bei längeren Wellenlängen. Diese Reemission überdeckt die in ihrem Wellenlängenbereich auftretenden Fraunhoferschen Linien. Wenn sich daher dem rfcflektierten Sonnenspektrum eine Fluoreszenz überlagert, so wird die Tiefe der Fraunhoferschen Linien im Bereich der Fluoreszenz-Emission vermindert Nach der Erfindung werden unter Verwendung von Filtern schmaler Bandbreite, die aus Licht innerhalb und außerhalb einer gewählten Fraunhoferschen Linie und von Markierungseinrichtungen markiert ablesbare und/oder aufzeichenbare Signale erzeugt aus denen die von dem Probenmaterial bei einer bestimmten Wellenlänge emittierte Fluoreszenz bestimmt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung nach der Erfindung und
F ig, 2 ein Schaltschema für die Signalverarbeitung in der Vorrichtung nach F i g. 1.
Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung hat ein gasdichtes, kastenförmiges Gehäuse 11 mit einem Durchbruch 12 an der Oberseite, durch den Licht direkt von der Sonne bz"/. vom Himmel (Primärstrahlung) eintritt, und mit einem Durchbruch 13 an der Unterseite, durch den reflektiertes J>onnenlicht und von diesem in der Probe angeregte Fluoreszen?strahlung (Sekundärütrahlung) eintreten.
Eine erste Einrichtung aus einem üchtstreuenden Element 14 in dem Durchbruch 12, durch das Primärstrahlung unabhängig von der Stellung der Sonne am Himmel aufgefangen wird, aus einer nachfolgenden Objektivlinse 17 und einem Zerhacker 18 mit einer Frequenz von 240 s-' dient mittels einer Feldblende 16 zur Erzeugung eines mit einer ersten
ίο Markierung versehenen ersten Lichtbündels, das von der direkten Sonnenstrahlung herrührt Es wird durch eine Feldlinse 19 weitergeleitet
Eine zweite Einrichtung aus einem Fenster 15 in dem Durchbruch 13, durch die Sekundärstrahlung in die Vorrichtung 1 eintritt, aus einer nachfolgenden Aperturblende 20, einer Objektivlinse 22 und einem Zerhacker 21 mit einer Frequenz von 480 s~' dient mittels einer Feldblende 21 zur Erzeugung eines mit einer zweiten Markierung versehenen zweiten Lichtbündels, das von der Sekundärstrahlung herrührt Es wird durch eine Feldlinse 24 weitergeleitet
Die beiden mit verschiedenen Frequenzen markierten und dadurch unterscheidbaren Lichtbündel werden in einem Strahlenvereiniger 25 aus den Strahlenteilerelementen 26 und 27 kombiniert; das kombinierte bündel wird divch eine Linse 28 parallel gerichtet und tritt dann in einen nachgeschalteten Strahlenteiler 29 aus einem Prismenblock. Der Strahlenteiler 29 hat drei unter 45° zur Bündelachse geneigte Flächen 31, 32 und 33. Die
jo Fläche 31 hat eine (nicht dargestellte) Polarisationsbeschichtung, welche eine Polarisationsebene zurückweist. Die Fläche 32 teilt das Lichtbündel in einem Verhältnis 1:1, und die Fläche 33 ist ein Spiegel, welcher den Strahlengang faltet
J5 Das von der Fläche 32 reflektierte Teilbündel tritt dann durch ein Lichtfilter 34, und das von der Fläche 33 reflektierte Teilbündel tritt durch ein Lichtfilter 35. Das Filter 34 läßt nur Licht innerhalb des Wellenlängenbereichs der gewählten Fraunhoferschen Linie durch.
Eine Fraunhofersche Linie hat im allgemeinen eine Bandbreite von 0,5 bis 1,0 · 10"8cm. Infolgedessen ist ein extrem schmalbandiges Filter erforderlich, dessen Durchlässigkeitsbereich auf die Fraunhofersche Linie zentriert ist Das Filter 35 läßt nur Licht in einem sehr engen Wellenlängenbereich durch, der wenige Ängström von der gewählten Fraunhoterschen Linie entfernt ist Beide Filter sind Perot-Fabry-Filter.
Das von dem Filter 34 ausgehende Teilbündel tritt durch eine Kondensorlinse 36 auf einen Photomultiplier
37. Das von dem Filter 35 ausgehende Teilbündel tritt durch eine Kondensorlinse 38 auf einen Photomultiplier 39.
Die Ausgangssignale der Photomultiplier 37 und 39 enthf'Uen je zwei Komponenten, die um die beiden Zerhackerfrequenzen zentriert sind. Dabei ist das Ausgangssignal des Photomultipliers 37 den Intensitäten bei der gewählten Fraunhoferschen Linie unci das Ausgangssignal des Photomultipliers 39 den Intensitäten in unmittelbarer Nachbarschaft zu der
bo Fraunhoferschen Linie proportional. Die Ausgangssignale weiden der Signalverarbeitung 41 zugeführt, in der die beiden, jeweils durch ihre Frequenz unterschiedenen, Komponenten in insgesamt vier getrennte Signale umgesetzt werden, aus denen dann ein einziges,
b> der Fluoreszenzintensität proportionales Signal ermittelt wird. Die beiden, von jedem Filter ausgehenden TeilbUndel lassen sich auch einzeln markieren, so daß dann nur ein einziger photoelektrischer Empfänger
erforderlich ist. Auf diese Weise kann die angezeigte Fluoreszenz von irgendwelchen Änderungen des photoelektrischen Empfängers oder des Verstärkungsgrads unabhängig gemacht werden, während bei Verwendung von zwei photoelektrischen Empfängern Änderungen des Verstärkungsgrades oder der Empfindlichkeit eines der photoelektrischen Empfänger relativ zu dem anderen den Skalenmaßstab, aber nicht die Grenzempfindlichkeit der Vorrichtung 1 beeinflussen.
Die Berechnung der Fluoreszenz aus den vier Signalen beruht auf der Lösung der nachfolgenden Gleichung:
A Ii
I)Ii \ A )
Darin ist
Ausgang, der entspricht, einer analogen Multiplikationsvorrichtung 52 zugeführt wird, an der auch das D entsprechende Ausgangssignal von Filter 47 anliegt. . Der Ausgang der Multiplikationsvorrichtung 52, welche
( entspricht, wird dann dem Differenzverstärker 53
zusammen mit dem C entsprechenden Ausgangssignal von Filter 45 zugeführt. Das Ausgangssignal des in Differenzverstärkers 53 entsprechend
P = die Fluoreszenzintensitiit,
A = die Intensität direkten Sonnenlichts in unmittelbarer Nachbarschaft der gewählten Fraunhoferschen Linie,
B = die Intensität des direkten Sonnenlichts bei der gewählten Fraunhoferschen Linie,
C = die Intensität der Sekundärstrahlung bei der gewählten Fraunhoferschen Linie,
D = die Intensität der Sekundärstrahlung in unmittelbarer Nachbarschaft zu der gewählten Fraunhoferschen Linie und
K = eine Proportionalitätskonstante, die u. a. von dem Strahlenteilungsverhältnis abhängt.
F i g. 2 zeigt ein Schaltschema der Signalverarbeitung 41. Die Photomultiplier 37 und 39 sind mit Vorverstärkern 42 bzw. 43 verbunden. Die Ausgangssignale der Vorverstärker 42, 43 werden Filtern 44 bzw. 45 zugeführt. In der oben angegebenen Formel entsprechen die Glieder B, C, A, D den Ausgangssignalen der Filter 44, 45, 46 bzw. 47. Die Ausgangssignale von den Filtern 46 und 44 liegen an einem Differenzverstärker 49 und einer analogen Divisionsvorrichtung 51, deren
DIi
wird einer analogen Divisionsvorrichtung 54 zugeführt, deren Ausgangssignal
A -
I)Ii \
a)
entspricht und dami t der Fluoreszenz /^proportional ist.
Die Vorrichtung :l ist mit Erfolg zur Bestimmung von Rhodamin B1 das im Bereich von 5890- IO-8cm fluoresziert, benutzi: worden. Dabei hatte das Filter 34 eine Bindbreite von 0,7 · 10* cm und war auf die FraunhofVsche Linie bei 5890 · 10~8 cm zentriert. Das Filter 35 hatte eine: ähnliche Bandbreite und war auf 5892 · 10-8cm zennriert. Beide Filter waren Perot-Fabry-Filter.
Bei Zentrierung der Filter 34, 35 auf andere Wellenlängen kann die Fluoreszenz auch bei anderen Wellenlängen bestimmt werden. Die Vorrichtung kann auf der Erde oder in einem Flugzeug oder in einer anderen Art von Fahrzeug verwendet werden, beispielsweise zur Feststellung von Verunreinigungen wie Detergentien oder von Ölflecken auf Wasser, aber auch von fluoreszierenden Materialien. Auch lassen sich die Diffusion und das Fließen und Mischen von mit fluoreszierenden Stoffen markiertem Wasser in Flüssen. Seen und Ozeanen verfolgen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnunecn

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Messung der Fluoreszenzeigenschaften einer Probe, bei dem die Probe mit zwei Bündeln elektromagnetischer Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt wird, zwei Teilbündel der von einer Probe ausgehenden Sekundärstrahlung empfangen und mit den entsprechenden Primärstrahlungsbündeln verglichen werden und bei dem aus den Intensitätsverhältnissen der vier Strahlungsbündel eine Anzeige der Fluoreszenzeigenschaften gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärstrahlung Sonnenlicht benützt wird, daß als erste Wellenlänge ein schmaler Bereich des Sonnenspektrums ausgewählt wird, der eine Fraunhofersche Linie umfaßt, und daß als zweite Wellenlänge ein schmaler Bereich des kontinuierlichen Sonnenspektrums in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Fraunhofersehen Linie dient
2. Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenzeigenschaften einer Probe, mit Lichtquellen zur Bestrahlung der Probe mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen, einer Einrichtung zur Erzeugung zweier Teilbündel der von der Probe ausgehenden Sekundärstrahlung, die jeweils eine der beiden Wellenlängen umfassen, zwei photoelektrischen Empfängern für je ein Primär- und Sekundärstrahlungsbündel und mit einer nachgeordneten Auswerteschaltung. zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (14, 17, '8). wc';he von der Sonne empfangene Strahlung bündelt und mit einer ersten Markierung versieht, durch einr zweite Einrichtung y, (15, 20, 22, 23), welche von der Probe empfangene, durch Sonneneinstrahlung bewirkte Sekundärstrahlung bündelt und mit einer zweiten Markierung versieht, durch einen Strahlenvereiniger (25) für die beiden Strahlungsbündel und einen nachgeschalteten Strahlenteiler (29) zur Erzeugung zweier Teilbündel, in deren Strahlengang sich je ein den photoelektrischen Empfängern vorgeschaltetes Fi!
ter (34 bzw. 35) befindet, deren eines für einen schmalen Bereich des Sonnenspektrums durchlässig ist, der eine ausgewählte Fraunhofersche Linie enthält, während das andere für einen schmalen Bereich des kontinuierlichen Sonnenspektrums in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Fraunhoferschen Linie durchlässig ist. ■-,(>
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung zur Markierung einen ersten Zerhacker (18) und die zweite Einrichtung zur Markierung einen zweiten Zerhacker (23) aufweist und daß die Zerhacker (18, 23) ■-,--, unterschiedliche Arbeitsfrequenz haben.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zerhacker (18) eine Arbeitsfrequenz von 240 s-' und der zweite Zerhacker (23) eine Arbeitsfrequenz von 480 s -' hat.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (34, 35) Perot-Fabry-Filter sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5 zur Bestimmung von Rhodamin B, dadurch gekenn- br> zeichnet, daß die gewählte Fraunhofersche Linie bei 5890 · 10-8 cm liegt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Empfänger für die Teilbündel Photomultiplier (37, 39) sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit den Ausgangssignalen der Photomultiplier (37, 39) beaufschlagte elektronische Signalverarbeitung (41) zur Berechnung der von der Probe bei der gewählten Fraunhoferschen Linie emittierten Fluoreszenz nach der Rechenvorschrift
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