DE2320937C3 - Optische Vorrichtung zum Aufnehmen der Lichtabsorption in einem Objekt, das außerdem einen veränderlichen Brechungskoeffizienten aufweist - Google Patents
Optische Vorrichtung zum Aufnehmen der Lichtabsorption in einem Objekt, das außerdem einen veränderlichen Brechungskoeffizienten aufweistInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Aufnahme der Lichtabsorption entlang einer bestimmten
Raumkoordinate bei einer bestimmten Wellenlänge, durch ein Objekt, in welchem sich neben der Absorption
auch der Brechungskoeffizient und/oder die Dicke entlang dieser Raumkoordinate ändern, mit einer
Lichtquelle, einem Objekthalter, einem Monochromator für die Strahlung der Lichtquelle, einer lichtempfindlichen
Empfangseinrichtung für das von der Lichtquelle ausgestrahlte, durch das Objekt und den Monochromator
hindurchgetretene Licht, einem Spalt, der in der Koordinate schmal ausgebildet ist und der in dieser
Richtung im Objekt die Ausdehnung des Lichtkegels, welcher auf die aktive Fläche der lichtempfindlichen
Empfangseinrichtung auftrifft, begrenzt und mit Mitteln zur Relativbewegung in Richtung der Koordinate
zwischen dem Objekt und dem Spalt.
Absorptionsmeßgeräte und Spektralphotometer sind für planparallele Zellen, welche optisch homogene Lösung
enthalten, ausgebildet. Derartige Objekte haben einen konstanten optischen Brechungskoeffizienten,
und das Licht, welches durch sie hindurchtritt, erfährt keine Winkelablenkung. Objekte, in denen entweder
die Brechungszahl oder die Dicke oder beides von Punkt zu Punkt sich ändern, lenken bekanntlich das
Licht in Richtung zur anwachsenden Brechungszahl hinab. Wenn ein derartiges Objekt in die Zelle eines
Spektralphotometers gebracht wird, ist es schwierig zu wissen, was mit dem Licht, das durch das Objekt hindurchdringt,
geschieht Das reflektierte Licht kann beispielsweise durch eine Blende im optischen System behindert
sein, oder es kann außerhalb der aktiven Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung auftreffen.
In Verbindung mit der Elektrophorese und beim Zentrifugieren setzt es sich in der Praxis durch, daß
man die Trennzellen oder andere Objekte zusammen mit einem festen Spalt und einer Hubvorrichtung für
die Zelle in den Spektralphotometer einbringt, so daß mittels des optischen Systems das Objekt, in welchem
die Trennung durchgeführt wird, photometrisch abgetastet wird. Auf diese Weise hofft man, Konzentrationsanalysen
in Form von elektrophoretischen Spektren oder Fliehkraftspektren in einer brauchbareren
Art zu erhalten als durch Fraktionen und Messen derselben im Spektralphotometer. Gegenstände, welche
jedoch der Elektrophore oder dem Zentrifugieren unterworfen werden, haben eine veränderliche optische
Brechungszahl, woraus folgt, daß das Licht, welches durch diese Gegenstände hindurchtritt, zwei optischen
Effekten unterworfen wird, nämlich einer Lichtabsorption und einer Ablenkung in Richtung des Gradienten
der Brechungszahl. Das so abgelenkte Licht erreicht -5 die lichtempfindliche Empfangseinrichtung nicht oder
nur zum Teil. Das Ansprechen des letzteren hängt daher in unbekanntem Grad sowohl von der Lichtabsorption
als auch von der Lichtablenkung ab. Die photometrische Analyse ist daher mit Fehlern behaftet, welche 3c
aus dem System resultieren und welche mehr oder weniger stark von den Eigenschaften der optischen Brechungszahl
des zu messenden Objektes abhängen. In einigen Fällen sind diese Fehler unbedeutend, in anderen
Fällen können sie jedoch unangenehme Auswirkungen haben.
Das Vorhandensein dieser Fehler wurde in Verbindung mit der absorptiometrischen Abtastung im ultravioletten
Licht von Zellen, welche für die isoelektrische Fokussierung verwendet wurden, festgestellt. Derartige
Zellen, welche planparallel ausgebildet sind, sind gegen Konvektion stabilisiert, und zwar mit Hilfe eines starken
Dichtegradienten, der von einem starken Brechungsindexgradienten begleitet ist. Die verschiedenen
Ampholyte, welche in der Flüssigkeit vorhanden sind, werden in schmalen Bändern mittels der Wirkung des
Stromes und des vom Strom hervorgerufenen pH-Gradienten fokussiert. Diese Bänder bzw. Zonen erzeugen
starke lokale Brechungsindexgradienten, welche auf Grund des Dichtegradienten diesen überlagert sind.
Die Ampholyte, welche in schi.iale Bänder fokussiert
sind, sind von zweierlei Art: Die Proteine, welche analysiert werden, zeigen sowohl Absorptions- als auch
Brechungsindexgradienten und die Hilfsampholyte, welche auch Trägerampholyie genannt werden, zeigen
nur Brechungsindexgradienten, da sie, was prinzipiell der Fall ist, für die Strahlung, welche beim absorptiometrischen
Abtasten verwendet wird, durchlässig sind. Es besteht daher nachweislich eine große Gefahr, daß
die komplizierte Veränderung des Brechungsindex von dem oberen Teil zum Boden einer derartigen Zelle und
die dabei in Erscheinung tretende Lichtablenkung im hindurchgetretenen Licht, das die lichtempfindliche
Empfangseinrichtung erreicht, Fehler hervorrufen kann. Insbesondere kann das Licht, welches durch die
fokussierten Zonen von Trägerampholyten hindurchgetreten ist, außerhalb der aktiven Fläche der lichtempfindlichen
Empfangseinrichtung gebeugt sein, woraus resultiert, daß durchsichtige Chemikalien falsche Absorptionsspitzen
aufzeigen. Die auf diese Weise gewonnenen Absorptionsspektren können daher völlig falsch
sein. Die gewonnenen Spektren sind somit keine Absorptionsspektren sondern Spektren, welche Defekte
bzw. Auswirkungen von einer unbekannten Kombination von Lichtabsorption und Lichtbrechung aufzeigen,
welche völlig unbrauchbar sind.
Die isoelektrische Fokussierung und auch andere Formen der Zonenelektrophorese können in Gel-Platten
durchgeführt werden, wozu neuerdings allgemein synthetische Polyacrylamid-Gels verwendet werden.
Die Proteinzonen werden mittels besti.-.rnter Farbstoffe,
die an den Proteinen haften, gefärbt, und die überflüssige Farbe wird abgewaschen. Die Proteinzonen
sind dann für das Auge sichtbar, und es ist prinzipiell möglich, mit sichtbarem Licht die absorptionsmetrische
Abtastung vorzunehmen. Diese Gel-Platten haben jedoch sich ändernde optische Dichten, und zwar aus
zwei Gründen:
1. weisen sie Brechungsindexgradienten gemäß der veränderlichen Konzentrationen der fokussierten
Ampholyte auf,
2. besitzen die Gel-Platten eine sich ändernde geometrische Dicke, da eine Gel-Oberfläche gegenüber
der Luft offen ist und somit quellen oder schrumpfen kann gemäß den Änderungen des
Wassergehaltes. Die Erfahrung zeigt, daß die Dikkenänderungen sehr wesentlich sein können. Die
Gels zeigen häufig eine wellige Erscheinungsform, welche auch mit bloßem Auge gut sichtbar ist. Da
nun die Aufspaltungsgegenstände in Form von Gel-Platten starke Gradienten bezüglich der optischen
Dichte haben, resultiert hieraus eine starke Beugung des Lichtes, welches durch sie hindurchtritt.
Folglich ergeben sich beim absorptiometrischen Abtasten in einem herkömmlichen Spektralphotometer
ernsthafte systematische Fehler auf Grund der Lichtbeugung.
Ein Photometer für Objekte mit veränderlicher optischer Brechungszahl muß so beschaffen sein, daß ein
Lichtverlust auf Grund von Brechung in einem Winkel für die lichtempfindliche Empfangseinrichtung nicht
möglich ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System zu schaffen, das
eine einwandfreie photometrische Analyse ermöglicht, obgleich eine starke Lichtbrechung im Objekt auf
Grund eines sich ändernden Brechungsindex und/oder einer sich ändernden Dicke vorhanden ist.
Die Absorption kann s<ch in mehr als einer Richtung
im zu messenden Objekt ändern. Es wird jedoch eine einzige Koordinatenachse λ ausgewählt, entlang der
die Absorption festgestellt werden soll. In der Regel ist diese Koordinate die gleiche, wie die entlang der die
elektrische oder Zentrifugalkraft während des Trennvorganges wirksam ist. In Zellen mit flüssigen Inhalten
erscheint die Lichtbrechung in der gleichen Richtung jedoch kann in Gel-Platten das Licht in andere Richtungen
abgelenkt bzw. gebeugt werden.
Bei der eingangs dargestellten Vorrichtung ist die Erfindung, welche die genannte Aufgabe löst, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtquelle in der Richtung der bestimmten Koordinate α eine konstante Strah
lungsintensität über eine solche L.änge aufweist, welch« sich unter einem vom Spalt ausgehenden Winkel er
streckt, der größer ist als ein ebenfalls vom Spalt aus gehender Winkel, der von der aktiven Fläche der licht
empfindlichen Empfangseinrichtung eingenommer
In bevorzugter Weise weist die Lichtquelle eine konstante Intensität auch senkrecht zu der Richtung der
Raumkoordinate auf. Ein optisches System, welches diese Eigenschaften aufweist, arbeitet, wie im folgenden
an Hand von Objekten, welche sowohl bezüglich der Lichtabsorption als auch des Brechungskoeffizienten
Gradienten aufweisen, gezeigt werden soll.
Es sei zunächst angenommen, daß die Lichtablenkung in die x-Richtung, welche als vertikale Richtung
angenommen wird, erfolgt. Wenn die aktive Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung im vertikalen
Abschnitt sich unter dem Winkel λ erstreckt und wenn der optische Abstand zwischen der sich vertikal erstreckenden
Lichtquelle und dem Spalt b Längeneinheiten sind, dann empfängt die lichtempfindliche Einrichtung
Licht von einem Teil der Lichtquelle, der die vertikale Ausdehnung 2b tan a/2 oder ungefähr b α
Längeneinheiten aufweist. Wenn der Teil des Objektes, welcher von diesem Strahl durchdrungen wird, einen
konstanten Brechungskoeffizienten aufweist, liegt der Teil der Lichtquelle, welcher das auf die aktive Fläche
der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung auftreffende Licht aussendet, zentrisch um die gerade Linie, welche
vom Mittelpunkt der aktiven Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung durch den Spalt sich
erstreckt. Wenn andererseits der in Rede stehende Teil des Objektes einen veränderlichen Brechungskoeffizienten
aufweist, dessen Gradient nach unten gerichtet ist, liefert ein um die gleiche Länge b « nach unten
versetzter Teil der Lichtquelle das Licht, welches die aktive Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung
erreicht. Da dieser Teil der Lichtquelle die gleiche Intensität aufweist, erreicht der gleiche Lichtstrom die
aktive Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung, unabhängig davon, ob das Objekt, welches gemessen
wird, das Licht ablenkt oder nicht. Die lichtempfindliche Empfangseinrichtung kann dann auf einen
Gradienten des Brechungskoeffizienten nicht ansprechen, sondern nur auf die Lichtabsorption. Wenn man
nun die Abtastung vornimmt ergibt sich ein richtiges Absorptionsspektrum.
Es sei nun angenommen, daß die Lichtbrechung im Objekt senkrecht zur Richtung der Raumkoordinate
erfolgt. Der Teil der Lichtquelle, der Licht zur aktiven Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung liefert
wird dann seitwärts versetzt, jedoch bleibt seine horizontale Ausdehnung unverändert. Da die Intensität
der Lichtquelle in dieser Richtung ebenfalls konstant ist, ergibt sich keine Änderung im Lichtstrom, der die
aktive Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung erreicht Auf diese Weise wird ebenfalls ein richtiges
Absorptionsspektrum erzielt.
Die Ausdehnung des Lichtkegels, der die aktive Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung erreicht
innerhalb des Objektes in der Richtung der Raumkoordinate, wird im wesentlichen von zwei Faktoren
bestimmt. Diese sind der Winkel λ, welcher von der aktiven Fläche in der x-Richtung in der vom Spalt
ausgehenden Blickrichtung aufgespannt wird, und der optische Abstand zwischen dem Spalt und dem Teil des
Objekts, der am weitesten vom Spalt entfernt ist. Die Ausdehnung des aktiven Lichtkegels wird in Abhängigkeit
von den Breiten der Absorptionszonen im Objekt verändert. Je schmaler diese Zonen sind, um so schmaler
ist der analysierende Lichtkegel. Der Spalt ist bevorzugt so nahe wie möglich am Objekt angeordnet,
und zwar auf der Seite des Objekts, welche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung zugewendet ist.
Die Ausdehnung des analysierenden Lichtkegels kann dann nur durch Verändern des Winkels ec, welcher im
vortehenden definiert worden ist, geändert werden.
Die Veränderung des Winkels « erfolgt bevorzugt durch Mittel, welche den Abstand zwischen dem Spalt
und der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung ändern. Diese Vorkehrung ist besser als eine fest angeordnete
einstellbare Blende zwischen dem Spalt und
ίο der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung, da es von
Vorteil ist, immer die gesamte aktive Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung zu benützen. Bei
sehr schmalen Absorptionen im Objekt sollte die lichtempfindliche Empfangseinrichtung entfernt vom Spalt
angeordnet sein, so daß ein kleiner Winkel α und eine relativ niedrige Lichtintensität erreicht werden. Bei
breiteren Zonen im Objekt kann die lichtempfindliche Empfangseinrichtung näher zum Spalt hin verschoben
werden, wodurch ein größerer Winkel α und eine verstärkte Lichtintensität erzielt wird.
Es kann vorkommen, daß die Objekte, welche photometrisch untersucht werden sollen, eine solche geometrische
Form aufweisen, daß es unmöglich ist den Spalt genügend nahe am Objekt anzuordnen. In solchen Fällen
ist es von Vorteil, eine Linse oder andere fokussierende optische Elemente in das optische System derart
einzubauen, daß ein optisches Bild des Schlitzes auf der Mittelebene des Objektes entsteht Eine derartige Anordnung
wirkt optisch so, als wenn der Schlitz selbst in der Mittelebene des Objekts angeordnet wäre. Die maximale
Ausdehnung in der x-Richtung des optischen Lichtkegels innerhalb des Objekts wird dann auf a tan
λ/2 oder etwa a α/2 Längeneinheiten begrenzt wobei a der optische Abstand quer durch das Objekt in Richtung
der Strahlung ist.
Die Erfindung kann außerdem Mittel zur relativen Verschiebung in der x-Richtung zwischen dem Objekt
und dem Spalt aufweisen. Es ist selbstverständlich, daß diese Relativbewegung dadurch erzielt werden kann,
daß ein fester Spalt in Verbindung mit Mitteln zur Anwendung kommt welche das Objekt in Richtung der
Raumkoordinate, entlang der die Lichtabsorption aufgenommen wird, am Spalt vorbeischieben, wobei die
anderen optischen Elemente stationär angeordnet sind oder dadurch, daß das Objekt in fester Position gehalten
wird, während der Schlitz in der Richtung der Raumkoordinate entlang der die Lichtabsorption aufgenommen
werden soll, entlang dem Objekt verschoben wird, wobei die anderen optischen Elemente be
vorzugt in Parallelbewegungen dem Schlitz folgen. Die erstgenannte Anordnung ist bevorzugt da sie einfachei
ausgestaltet ist Es ist jedoch möglich, das optische Sy stern gemäß der Erfindung so aufzubauen, daß nur de
Spalt oder der Spalt zusammen mit der lichtempfindli chen Empfangseinrichtung am Objekt entlang in de
Richtung, entlang der die Lichtabsorption aufgenom men werden soll, verschoben wird, wenn bestimmt
Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. Wenn di Lichtquelle bezüglich dem Spalt stationär angeordne
ist, muß in Richtung, entlang der die Lichtabsorptio aufgenommen werden soll, entlang dem gesamten Ol
jekt eine konstante Intensität vorhanden sein, welch sonst jedoch nicht notwendig ist Wenn die lichtemj
findliche Empfangseinrichtung stationär ist, währer der Spalt beweglich angeordnet ist pwB man auf para
taktische Fehler in der Lokalisierung der Absorption zonen im Objekt achten. Wenn der Spalt in die Mitte
ebene des Objektes fokussiert wird, muß das Fokussi
rungselement die Bewegung des Spaltes mitvollziehen.
Gemäß der Erfindung wird eine Lichtquelle benötigt, welche wenigstens in der Richtung, entlang der die
Lichtabsorption aufgenommen werden soll, innerhalb einer bestimmten Ausdehnung eine konstante Intensität
aufweist. Die Länge, entlang der eine konstante Intensität (ihre isointensive Länge) vorhanden sein muß,
hängt von den Mitteln, welche die relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Spalt hervorrufen, ab.
Wenn eine Relativbewegung zwischen dem Spalt und der Lichtquelle besteht, muß der isointensive Teil letzterer
länger sein als das Objekt in der Richtung der Raumkoordinate, entlang der die Lichtabsorption aufgenommen
werden soll. Bei einer bevorzugten Anordnung, bei der die Lichtquelle, der Spalt und die lichtempfindliche
Empfangseinrichtung zueinander stationär angeordnet sind, kann der isointensive Teil der
Lichtquelle bedeutend geringer sein. Die minimale Länge muß jedoch einen Winkel umspannen, der in Blickrichtung
vom Spalt aus gesehen, in gesicherter Weise größer ist als der Winkel, der von der aktiven Fläche
der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung aufgespannt wird, und zwar in der gleichen Blickrichtung
vom Spalt gesehen. Wenn die Lichtquelle auf der anderen Seite des Objektes ziemlich nahe am Spalt angeordnet
werden kann, genügt eine isointensive Länge von nur 5 bis 10 mm. Eine primäre Lichtquelle in Form
einer Glühlampe mit einem genügend langen geradlinigen Glühfaden oder in Form einer Gasentladungslampe
mit einem genügend langen Lichtbogen ist dann anwendbar, wenn diese Lampen klare Glas- oder Quarzbirnen
aufweisen. Die Verwendung eines strahlenden Körpers in einer Lampe ohne Dazwischenliegen einer
zweiten Lichtquelle hat den Vorteil einer ergiebigen Lichtintensität und den Nachteil, daß das Objekt einer
unzuträglich hohen Erhitzung und insbesondere bei ultraviolettem Licht fotochemischen Einflüssen ausgesetzt
ist.
An Stelle der Verwendung einer direkt wirkenden einzigen Lichtquelle ist es von Vorteil, eine sekundäre
Lichtquelle in Form einer mattierten Oberfläche bzw. einer Mattscheibe zu verwenden, welche von der primären
Lichtquelle angestrahlt wird. Diese Mattscheibe emittiert Licht in allen Richtungen. Die Mittel zur Monochromatisierung
sind dann bevorzugt zwischen der primären und sekundären Lichtquelle angeordnet. Es
ist sehr einfach eine gleichförmige Intensität auf einer Mattscheibe über große Bereiche, welche sich sowohl
in die Richtung, in welcher die Lichtabsorption aufgenommen werden soll, als auch senkrecht dazu erstrekken,
zu erzeugen. Es kann jedoch sehr schwierig sein, allein mit einer einzigen Lichtquelle eine gleichförmige
zweidimensionale Intensität zu erzeugen. Ein optisches System, welches eine Mattscheibe als sekundäre Lichtquelle
aufweist, ist daher eine bevorzugte Ausführungsform bei der Anwendung der Erfindung. In den Fällen,
in denen das Objekt eine gesprenkelte bzw. gefärbte Gel-Platte ist, welche das Licht in alle Richtungen ablenkt,
ergibt sich praktisch keine andere Möglichkeit, um eine korrekte und richtige Aufzeichnung der Absorption
zu gewinnen Die Mattscheibe ist jedoch auch dann nützlich bei solchen Objekten, in welchen die gesamte
Lichtbrechung in die Richtung der Raumkoordinate, entlang der die Absorption aufgenommen werden
soll, erfolgt. Die aktive Fläche der lichtempfindlichen Einrichtung hat eine merkliche Ausdehnung sowohl in
der Richtung der Raumkoordinate, entlang der die Absorption aufgenommen werden soll, und senkrecht
dazu, wobei die gesamte Fläche bevorzugt benutzt werden sollte. Dies kann auch dann geschehen, wenn
eine Lichtquelle, welche eine zweidimensionale Ausdehnung aufweist, verwendet wird.
Die Mattscheibe bzw. die matte Oberfläche kann zu einem getrennten optischen System in der Form eines matten Schirmes gehören. Sie kann auch die eine Wand eines anderen optischen Elementes bilden, beispielsweise ein Lichtfilter oder eine Trägerplatte für eine GeI-Tafel oder die Wand einer Küvette, welche eine zu analysierende Flüssigkeitssäule enthält und welche der Lichtquelle zugewendet ist. Außerdem kann sie als matte Birne einer Lampe ausgebildet sein. Eine derartige Lampe ist dann eine kombinierte primäre und sekundäre Lichtquelle.
Die Mattscheibe bzw. die matte Oberfläche kann zu einem getrennten optischen System in der Form eines matten Schirmes gehören. Sie kann auch die eine Wand eines anderen optischen Elementes bilden, beispielsweise ein Lichtfilter oder eine Trägerplatte für eine GeI-Tafel oder die Wand einer Küvette, welche eine zu analysierende Flüssigkeitssäule enthält und welche der Lichtquelle zugewendet ist. Außerdem kann sie als matte Birne einer Lampe ausgebildet sein. Eine derartige Lampe ist dann eine kombinierte primäre und sekundäre Lichtquelle.
An Hand der beiliegenden Figuren soll die Erfindung an bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Es zeigt
F i g. 1 im Aufriß eine optische Vorrichtung zur Aufnähme
der Lichtabsorption,
F i g. 2 eine optische Vorrichtung, bei der eine sekundäre Lichtquelle verwendet wird,
F i g. 3 eine optische Vorrichtung zur Aufnahme der Lichtabsorption unter Verwendung einer Glühlampe
mit einem geraden Glühfaden,
F i g. 4 eine optische Vorrichtung zur Aufnahme der Lichtabsorption, bei der der Spalt in einer Mittelebene
der Zelle abgebildet wird,
F i g. 5 eine optische Vorrichtung zur Aufnahme der Lichtabsorption, bei der die optische Achse auf der
rechten Seite der Zelle im rechten Winkel abgelenkt ist, F i g. 6 eine optische Vorrichtung zur photometrischen
Analyse von gesprenkelten Gel-Tafeln,
F i g. 7 eine optische Vorrichtung zur photometrisehen
Analyse, bei der die Gel-Tafeln und die Mattscheibe beweglic! sind, und
F i g. 8a, 8b Kurven für photometrische Spektren.
In den F i g. 1 ist mit 1 die optische Achse bezeichnet, mit 2 die Primärlichtqueile, mit 3 die Sekundärlichtquel-Ie in Form einer matten Oberfläche eines durchlässigen Materials, welches bei Bestrahlung Licht in alle Richtungen aussendet. 4 und 5 bezeichnen Lichtfilter und 6 einen Monochromator. Mit 7 ist das Objekt, das photometrisch in der x-Richtung untersucht werden soll, bezeichnet. Dieses Objekt liegt in Form einer Zelle vor, welche eine Flüssigkeitssäule enthält. Mit 8 ist ein Objekt bezeichnet, das in Form einer gesprenkelten horizontalen Gel-Tafel vorliegt. Mit 9 ist der Spalt bezeichnet, der in der x-Richtung schmal ausgebildet ist. Mit 10 ist eine Linse bezeichnet, welche ein optisches Bild des Spaltes auf die Mittelebene des Objektes wirft. II ist eine lichtempfindliche Einrichtung, beispielsweise eine Photozelle. Mit 12 ist eine Einrichtung zur Bewegung eines Elementes quer zur optischen Achse und quer zum Spalt bezeichnet, und 13 gibt eine Vorrichtung zur Verschiebung der lichtempfindlichen Einrichtung entlang der optischen Achse an. Der Winkel, welcher von der aktiven Fläche in der lichtempfindlichen Einrichtung aufgespannt ist, wenn man vom Spalt aus die Blickrichtung wählt, ist mit λ bezeichnet. Die Dicke des Objekts entlang der optischen Achse dividiert durch den Brechungskoeffizient η ist mit a bezeichnet, und der optische Abstand zwischen dem Spalt und der Lichtquelle ist mit b bezeichnet. Der divergierende
In den F i g. 1 ist mit 1 die optische Achse bezeichnet, mit 2 die Primärlichtqueile, mit 3 die Sekundärlichtquel-Ie in Form einer matten Oberfläche eines durchlässigen Materials, welches bei Bestrahlung Licht in alle Richtungen aussendet. 4 und 5 bezeichnen Lichtfilter und 6 einen Monochromator. Mit 7 ist das Objekt, das photometrisch in der x-Richtung untersucht werden soll, bezeichnet. Dieses Objekt liegt in Form einer Zelle vor, welche eine Flüssigkeitssäule enthält. Mit 8 ist ein Objekt bezeichnet, das in Form einer gesprenkelten horizontalen Gel-Tafel vorliegt. Mit 9 ist der Spalt bezeichnet, der in der x-Richtung schmal ausgebildet ist. Mit 10 ist eine Linse bezeichnet, welche ein optisches Bild des Spaltes auf die Mittelebene des Objektes wirft. II ist eine lichtempfindliche Einrichtung, beispielsweise eine Photozelle. Mit 12 ist eine Einrichtung zur Bewegung eines Elementes quer zur optischen Achse und quer zum Spalt bezeichnet, und 13 gibt eine Vorrichtung zur Verschiebung der lichtempfindlichen Einrichtung entlang der optischen Achse an. Der Winkel, welcher von der aktiven Fläche in der lichtempfindlichen Einrichtung aufgespannt ist, wenn man vom Spalt aus die Blickrichtung wählt, ist mit λ bezeichnet. Die Dicke des Objekts entlang der optischen Achse dividiert durch den Brechungskoeffizient η ist mit a bezeichnet, und der optische Abstand zwischen dem Spalt und der Lichtquelle ist mit b bezeichnet. Der divergierende
Lichtkegel, der die aktive Fläche de · lichtempfindlichen Einrichtung trifft, ist mit durchgezogenen geraden Linien
bezeichnet für den Fall, wenn keine Lichtablenkung im Objekt (konstante Dicke, konstanter Bre-
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Γ.
chungskoeffizient) vorhanden ist und mit unterbrochenen Linien für den Fall (wegen der Deutlichkeit stark
übertrieben) von Lichtablenkung im Objekt (sich ändernde Dicke, sich ändernder Brechungskoeffizient
oder beides).
In der F i g. 1 ist im Aufriß eine Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt, bei welcher das Objekt als
planparallele Zelle 7 ausgebildet ist und eine Flüssigkeit mit sich ändernder Absorption und sich änderndem
Brechungskoeffizienten enthält. Diese Zelle ist in der x-Richtung durch Mittel der Einrichtung 12 beweglich
angeordnet. Der ortsfeste Spalt 9 ist nahe an der Zelle angeordnet, und auf deren anderen Seite ist die sekundäre
Lichtquelle 3 in Form eines matten Schirmes, der von der Lampe 2 beleuchtet wird, vorgesehen. Die
Strahlung des Schirmes wird monochromatisiert durch die Filter 4 und 5. Der Winkel λ des aktiven Lichtkegels
kann durch Verschieben der lichtempfindlichen Einrichtung 11 entlang der optischen Achse 1 mittels
der Einrichtung 13 verändert werden.
Die F i g. 2 unterscheidet sich von der F i g. 1 dadurch, daß an Stelle der Lichtfilter der Monochromator
6 vorgesehen ist und daß die Zellenwand 3, welche dem Monochromator zugewendet ist, matt ausgebildet und
als zweite Lichtquelle wirkt.
Die F i g. 3 unterscheidet sich von der F i g. 1 dadurch, daß die zweite Lichtquelle 3 weggelassen ist und
durch die Glühlampe 2 mit einem langen geraden Glühfaden, der in x-Richtung ausgerichtet ist, ersetzt ist. Die
sprenkelten horizontal angeordneten Gel-Platten bzw. -tafeln. Die Gel-Tafel 8 ist auf einer matten Platte 3 aus
einem für die analysierende Strahlung durchsichtigen Material angeordnet. Diese Platte wird von unten mittels
der Lampe 2 beleuchtet, wobei sich die Lampe 2 in der x-Richtung erstreckt. Über der Gel-Tafel 8 ist das
Lichtfilterpaar 4 und 5, der Spalt 9, die lichtempfindliche Einrichtung 11 und die Linse 10 angeordnet. Diese
Einrichtungen sind auf einem gemeinsamen Trägerelement 16 befestigt, das entlang der x-Richtung verschiebbar
ist. Der Spalt 9 und die Mittelebene der Gel-Tafel 8 sind optisch konjugierte Ebenen.
Die F i g. 7 unterscheidet sich von der F i g. 6 dadurch, daß der Spalt 9 und die lichtempfindliche Einrichtung
11 unbeweglich angeordnet sind, während die Gel-Tafel 8 zusammen mit der matten Platte 3 in der
x-Richtung beweglich angeordnet sind. Die primäre Lichtquelle 2 ist bedeutend kleiner ausgebildet, und der
Spalt ist nahe dem Gel angeordnet. Die Filter 4 und 5 2c sind zwischen der primären Lichtquelle 2 und de; sekundären
Lichtquelle 3 angeordnet.
Der Betrieb des optischen Systems gemäß der Erfindung ist in der F i g. 8 durch die Kurven a und b demonstriert.
Diese Aufzeichnungen wurden bei der isoelektrischen Fokussierung einer Füllung von Trägerampholyten
in einem Saccharosedichtegradienten in einer polierten Quarzzelle gewonnen. Diese Zelle enthielt einen
starken Gradienten des Brechungskoeffizienten gemäß der abwärts gerichteten anwachsenden Konzentration
Glühlampe ist hinter der Zelle dicht an dieser angeord- 30 der Saccharose und außerdem gemäß der überlagerten
lokalen Gradienten des Brechungskoeffizienten aus den Trägerampholytenkomponenten, welche in schmale
Bänder fokussiert waren. Weder die Saccharose noch die Trägerempholytkomponenten absorbierten
Licht der Wellenlänge, welche während der Abtastung verwendet wurde, so daß die korrekte absorptiometrische
Aufzeichnung in einfacher Weise eine Basislinie ohne jegliche Absorptionsspitzen ist. Die Kurve a in
der F i g. 8 zeigt das Ergebnis, wenn die Zelle in ein
net. Da ein Abstand zwischen der Glühlampe und der Zelle fehlt, sind die Lichtfilter 4 und 5 zwischen dem
Spalt 9 und der lichtempfindlichen Einrichtung 11 angeordnet.
Die Vorrichtung in der F i g. 4 unterscheidet sich von
der Vorrichtung in der F i g. 1 dadurch, daß die Zelle 7
einen großen Kühlmantel 14 aufweist, der einen geringen Abstand zwischen dem Spalt 9 und der Zelle 7 verhindert. Das Problem ist dadurch gelöst, daß eine Linse
10 welche ein optisches Bild des Spaltes 9 in die Mittel- 40 Spektralphotometer ohne einen matten Schirm eingeeb'ene der Zelle 7 wirft, vorgesehen ist. Zusätzlich un- bracht wird. Eine ziemlich große Anzahl von Spitzen
der Vorrichtung in der F i g. 1 dadurch, daß die Zelle 7
einen großen Kühlmantel 14 aufweist, der einen geringen Abstand zwischen dem Spalt 9 und der Zelle 7 verhindert. Das Problem ist dadurch gelöst, daß eine Linse
10 welche ein optisches Bild des Spaltes 9 in die Mittel- 40 Spektralphotometer ohne einen matten Schirm eingeeb'ene der Zelle 7 wirft, vorgesehen ist. Zusätzlich un- bracht wird. Eine ziemlich große Anzahl von Spitzen
~ werden aufgezeichnet, insbesondere an den beiden Enden der Zelle. Diese wurden jedoch auf Grund von
Gradienten des Brechungskoeffizienten erzeugt, da kein absorbierendes Material in der Zelle vorhanden
war.
Nach dem Einfügen eines matten Schirmes ergab sich die Kurve b in der F i g. 8. Die falschen Absorptionsspitzen
sind nun beseitigt, und die Aufzeichnung zeigt die Zelle, welche frei vom absorbierenden Material
ist.
Bezüglich der Relativbewegung in der x-Richtung zwischen dem Spalt und dem Objekt sei noch nachgetragen,
daß für den Fall, daß das Objekt eine Flüssigkeil
empfindliche Einrichtung 11 querverschoben werden 55 ist, diese Relativbewegung auch dadurch erzielt werder
kann und die Zelle 7 ortsfest angeordnet ist. kann, daß das Objekt langsam nach unten durch eine
Säule fließt, wobei diese Säule als Halter für das Objeki
dient. In diesem Fall ist die Einrichtung 12 entbehrlich.
terscheidet sich die F i g. 4 von der F i g. 1 dadurch, daß eine Oberfläche 3 des einen Lichtfilters 5 matt ausgebildet
ist und als sekundäre bzw. zweite Lichtquelle wirkt.
Die F i g. 5 unterscheidet sich von der F i g. 3 dadurch, daß die optische Achse 1 im rechten Winkel auf
der rechten Seite der Zelle mittels eines 45°-Prismas abgelenkt ist. In diesem Fall kann der Spalt 9 durch
Eingravieren in einen Metallüberzug, der auf der kleinen
Seite des Prismas 15, welche der Zelle 7 zugewandt ist, aufgebracht ist, vorgesehen sein. Bei dieser Vorrichtung
kann die Relativbewegung zwischen dem Spalt und der Zelle 7 dadurch hervorgerufen werden, daß
mittels der Einrichtung 12 das Prisma 15 und die licht-
Die F i g. 6 zeigt im Aufriß eine Anordnung gemäß der Erfindung zur photometrischen Analyse von ge-
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. Optische Vorrichtung zur Aufnahme der Lichtabsorption entlang einer Raumkoordinate bei einer
bestimmten Wellenlänge in einem Objekt, in welchem sich neben der Absorption auch der Brechungskoeffizient
und/oder die Dicke entlang dieser Koordinate ändert, mit einer Lichtquelle, einem
Objekthalter, einem Monochromator für die Strahlung der Lichtquelle, einer lichtempfindlichen Empfangseinrichtung
für das von der Lichtquelle ausgesendete durch das Objekt und den Monochromator
hindurchgetretene Licht, einen Spalt, der in Richtung der Raumkoordinate schmal ausgebildet ist
und der in dieser Richtung im Objekt die Ausdehnung des Lichtkegels, welcher auf die aktive Fläche
der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung auftrifft, begrenzt und mit Mitteln für die Relativbewegung
in Richtung der Koordinate zwischen dem Objekt und dem Spalt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (2) bzw. (3) in der Richtung der bestimmten Raumkoordinate (x) eine
konstante Strahlungsintensität über eine Länge aufweist, welche unter einem vom Spalt (9) ausgehenden
Winkel erstreckt, der größer ist als der vom Spalt (9) ausgehende Winkel («), der von der aktiven
Fläche der lichtempfindlichen Empfangseinrichtung (11) eingenommen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (2) bzw. (3) auch in der Richtung, welche senkrecht zur x-Richtung verläuft,
eine konstante Strahlungsintensität über eine Länge aufweist, welche einen von einem Punkt der Ebene
des Spaltes (9) ausgehenden Winkel einnimmt, der größer ist als der Winkel («), der von der aktiven
Fläche der lichtempfindlichen Einrichtung (11) ausgehend von jedem Punkt in der Ebene des Spaltes
(9) aufgespannt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (12) vorgesehen sind, welche
zur Veränderung des Winkels (<x), der von der aktiven Fläche der lichtempfindlichen Einrichtung (11)
ausgehend vom Spalt (9) aufgespannt wird, dienen, indem sie den Abstand zwischen dem Spalt (9) und
der lichtempfindlichen Einrichtung (11) ändern.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (9) nahe am Objekt (7) bzw.
(8) auf der Seite, welche der lichtempfindlichen Einrichtung (11) zugewendet ist, angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich wenigstens eine fokussierende
Linse (10) vorgesehen ist, welche ein optisches Bild des Spaltes (9) auf der Mittelebene des
Objektes (7) bzw. (8) bildet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (12) zur Relativbewegung in
der x-Richtung zwischen dem Objekt (7) bzw. (8) und dem Spalt (9) am Objekt (7) bzw. (8) angreifen,
wobei die anderen optischen Bauteile ortsfest gehalten sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (12) zur Relativbewegung in
der x-Richtung zwischen dem Objekt (7) bzw. (8) und dem Spalt (9) am Spalt (9) angreifen, wobei wenigstens
das Objekt (7) bzw. (8) ortsfest gehalten ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) mit einer konstan-
ten Intensität über eine ausreichende Länge in der
x- Richtung als Lampe ausgebildet ist mit einer klaren Birne, welche nahe am Objekt (7) bzw. (8) angeordnet
ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe als Glühlampe ausgebildet
ist, die einen genügend langen, gerade ausgebildeten Glühfaden in der x-Richtung aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe als Gasentladungslampe
ausgebildet ist, wobei der Lichtbogen in der ^-Richtung ausgerichtet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle mit der konstanten Intensität in der ^--Richtung eine sekundäre
Lichtquelie (3) in Form einer matten Oberfläche aufweist, welche gleichmäßig von der primären
Lichtquelle (2) beleuchtet wird und Licht in alle Richtungen aussendet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die sekundäre Lichtquelle (3) als eine in der x-Richtung sich erstreckende matte Birne
einer Lampe ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die sekundäre Lichtquelle (3) ein getrenntes optisches Element in Form eines matten
Schirmes ist, der zwischen der primären Lichtquelle (2) und dem Objekt (7) bzw. (8) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Lichtquelle (3) eine
matte Wand des Objektes (7) bzw. (8) ist, welche der primären Lichtquelle (2) zugewendet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die sekundäre Lichtquelle (3) eine matte Oberfläche eines Lichtfilters ist, das zwischen
der primären Lichtquelle (1) und dem Objekt (7) bzw. (8) angeordnet ist.
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---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |