DE2642170A1

DE2642170A1 - Spektrophotometer

Info

Publication number: DE2642170A1
Application number: DE19762642170
Authority: DE
Inventors: Herbert Malcolm Demsky; Einar Skau Mathisen; Theodore Ralph Owen; Alvin Hu Tong
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-10-01
Filing date: 1976-09-20
Publication date: 1977-04-14
Also published as: FR2326693A1; IT1077025B; CH595628A5; CA1053925A; DE2642170C2; JPS5243489A; GB1506366A; JPS5616378B2; ES451978A1; FR2326693B1; US3999062A

Description

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Die Erfindung betrifft ein zum Analysieren der Fluoreszenz-Eigen- j schäften von Proben geeignetes Spektrophotoraeter, das mit mono- ι

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chromatischem und mit polyChromatisehern Licht arbeitet. ;

ι Die doppelte Arbeitsweise zum Untersuchen von Proben auf ihre Fluoreszenz-Eigenschaften, die in einem ersten Arbeitsgang einer monochromatischen anregenden Bestrahlung und in einem zweiten Arbeitsgang einer polychromatischen Anregungsstrahlung ausgesetzt

werden, ist ein bekanntes Verfahren. Eine Literaturstelle ist zum ; ,Beispiel die Arbeit von F. T. Simon "The Two-Mode Method for : Measurement in Formulation with Fluorescent Colorants" auf den Seiten 5-11 der Ausgabe Nr. 4 des Bandes 1 der Zeitschrift Journal of Color und Appearance vom Februar/März 1972. Nach diesem Verfahren wird die zu untersuchende Probe abwechselnd mit monochromatischem und polychromatischem Licht beleuchtet. Die monochromatische Anregungsstrahlung wird über ein weites Band geändert und der Reflexionsgrad der Probe wird als Funktion der Frequenz oder der Wellenlänge der Anregungsstrahlung bestimmt.

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Die Probe wird anschließend mit polychromatischem Licht bestrahlt
und der Reflexionsgrad der Probe wird über die gleiche Bandbreite
bestimmt. Die beiden erhaltenen Kennlinien werden miteinander
verglichen, um den Grad der Fluoreszenz der Probe zu bestimmen.

Es gibt bereits Spektrophotometer, die sowohl mit monochromatischem als auch mit polychromatischem Licht arbeiten. Um nach dem
genannten Verfahren zu arbeiten, werden die Messungen erst mit
monochromatischem Licht gemacht, dann wird das Spektrophotometer
umgeschaltet, um die weiteren Messungen mit polychromatischem
Licht zu machen. Die erhaltenen Messdaten werden dann später ausgewertet.

Das Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn Farben zu mischen

sind, um einen gewünschten Farbton der Mischfarbe zu erzielen.

Es gibt Berechnungsmethoden für die Anteile der Komponenten, wenn j

ein bestimmter Mischfarbton erwählt werden soll. Das setzt jedoch ;

i voraus, daß die spektralen Reflexionsdaten aller Komponenten ge- j

nau bekannt sind, und daß die Werte nicht verfälscht sind durch |

Anteile, die von Fluoreszenz herrühren. Die genannte doppelte
Arbeitsweise liefert unverfälschte Meßwerte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Spektro- ■

ι photometer anzugeben, das für die genannte doppelte Arbeitsweise '■ brauchbar ist. Die Probe soll sowohl einer monochromatischen als ! auch einer polychromatischen Anregungsstrahlung ausgesetzt werden , können, ohne daß das-Gerät erst umständlich umgeschaltet werden

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muß. Das erfindungsgemäße Gerät soll so eine schnellere Arbeitsweise ermöglichen»

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruches T zu entnehmen ist. Gemäß. der" Erfin- ; dung ist dem bevorzugten Ausführüngsbeispiel also eine breitbandige Strahlungsquelle zugeordnet, deren Strahlung über zwei" Licht-; ■ ;leitungen geführt wird, wovon eine die der jeweiligen Probe ent-ίsprechenden Spektraldaten und die andere den Referenzstrahl führt.

!Eine drehbare Scheibe ist im Strahlengang beider Lichtleitungen

langeordnet und enthält sowohl ein variables Interferenzfilter, j das nur eine kleine Bandbreite spektraler, mit großer Bandbreite einfallende!*Energie weiterzuleiten vermag. Dieses Interferenz- ;. !filter befindet sich diametral gegenüber der Lichteintrittsöff- ,

[nung. Ein Detektor erfaßt das aus dem Interferenzfilter austrejtende Licht, um im Ansprechen hierauf ein Ausgangssignal abzuge-■ben. So wie die Scheibe rotiert, werden die der Probe und dem Reij ferenzstrahl zugeordneten Lichtleitungen aufeinanderfolgend frei- : j gegeben bzw. anders ausgedrückt, mit monochromatischer und poly- j chromatischer Strahlung versorgt, so daß bei entsprechender Analyse des Detektor-Ausgangs-Signals die Pluöreszenzeigenschaften i und die absoluten Spektralreflektions-Charakteristiken der Proben j

ermittelt werden können. ;

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen„

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anschließend mit Hilfe der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht der

wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Spektrophotometers,

Fig. 2 eine grafische Darstellung zum Veranschaulichen der Ausgangssignale der Strahlungsdetektoreinrichtung ,

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Beispiels

für die Auswertung der Meßdaten.

j Fig. 1 zeigt ein Spektrophotometer 10 zum Untersuchen einer Probe 11 auf ihre Fluoreszenz-Eigenschaften. Eine solche Probe mag ein Stück eines gefärbten textlien Gewebes i sein, Papier oder Plastik mit einem Farbmuster, beispielsweise einer optisch aufgehellten Farbe. Das Spektrophoto-

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meter 10 enthält eine breitbandige Strahlungsquelle 12 zum Liefern der Anregungsstrahlung sowohl im ultravioletten als auch im sichtbaren Bereich. Eine Sammellinse 13 konzentriert Licht von der Strahlungsquelle auf ein Ende eines optischen Faserbündels, das mit einem mechanisch bewegbaren Glied 14 zusammenwirkt. Optische Faserbündel sind auch wesentliche Teile eines Proben-Abtastkopfes 15. Das Ausgangsende des Systems der Faserbündel ist mit einer Strahlungsdetektoreinrichtung 16 vor bunden, die ein Aus gangs signal I liefert, das proportional zur Intensität der Strahlungsenergie ist, die der Detektor 16 erhielt. Das mechanisch bewegbare Glied ist eine drehbare Scheibe 14, die durch einen Motor 22 angetrieben wird. Dieser Motor kann auch ein Schrittmotor sein. Ebenfalls mit der Drehachse verbunden ist eine Winkelstellungscodiereinrichtung 23 üblicher Bauart, die Signale ausgibt, welche die Winkelstellung der drehbaren Scheibe bezüglich einer Null-Lage als Referenz angibt.

Das Lichtleitungssystem enthält eine Reihe von optischen Faserbündeln, welche zwei Lichtwege bilden, einen Referenzkanal und einen Probenkanal. Der Referenzkanal enthält ein Faserbündel 24, das Licht von der Strahlungsquelle 12 erhält und es in Richtung auf die drehbare Scheibe 14weiterleitet. Das Ende des Faserbündels 24 an der Scheibe 14 ist flach ausgebildet und formt so eine längliche, relativ dünne Lichtöffnung, die sich in

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radialer Richtung der Scheibe erstreckt und gegenüber einem ähnlich geformten Ende eines Faserbündels 25 auf der anderen Seite der Scheibe angeordnet ist. Das andere Ende dieses Faserbündels ist in ähnlicher Weise geformt und ist gegen das abgeflachte Ende eines Faserbündels auf der anderen Seite der Scheibe gerichtet, das seinerseits an die Strahlungsdetektoreinrichtung 16 angeschlossen ist. Die abgeflachten Enden der Faserbündel 24, 25 und 26 befinden sich alle in der gleichen gedachten Ebene, die auch die Achse der Scheibe 14 enthält. Bezüglich der Achse befinden sich das Faserbündel 24 und ein Ende des Faserbündels 25 auf der einen Seite und diametral gegenüber das andere Ende des Faserbündels 25 und das zum Detektor führende Faserbündel 26.

Der Probenkanal enthält ein Faserbündel 27, das von der Strahlungsquelle 12 Licht empfängt und es gegen die Scheibe 14 weiterleitet. Auf der anderen Seite der Scheibe 14 befindet sich das Faserbündel 28, dessen anderes Ende Teil des Proben-Abtastkopfes 15 ist. Dieses Ende befindet sich als Lichtöffnung senkrecht über der Oberfläche der Probe 11, um diese mit anregender Strahlung zu versorgen. Vier das reflektierte Licht sammelnde Faserbündel 30, 31, 32 und 33 sind rundum das untere Ende des Faserbündels 28 unter einem Winkel von etwa 45° zur Oberfläche der Probe angeordnet. Diese sammeln das von der Probe diffus reflektierte

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.Licht, das auch Anteile enthalten kann, die aus der Fluoreszenz stammen. Die lichtsammelnden Faserbündel vereinigen sich zu einem Faserbündel 29, dessen Ende auf ein entsprechendes Ende eines weiteren Faserbündels 34 auf der anderen Seite der Scheibe ausgerichtet ist, das seinerseits zur Strahlungsdetektoreinrichtung 16 führt. Das System von optischen Faserbündeln, die den Proben-Äbtastkopf bilden, ist in einem Gehäuse 35 untergebracht," das in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist. Dieses Gehäuse ist zur Abschirmung von Streulicht notwendig, um die Messergebnisse nicht zu verfälschen.

In der in der Fig. 1 dargestellten Lage der Scheibe 14 kann Licht der Strahlungsquelle 12 durch das Faserbündel 27, die Blendenöffnung 20 und das Faserbündel 28 zum Anregen der Probe 11 laufen. Das durch den Abtastkopf 15 von der Probe gesammelte reflektierte Licht durchläuft das Faserbündel 29, das Interferenzfilter 21 und das zum Detektor führende Faserbündel 34, um den Strahlungsdetektor zu beaufschlagen, so dass er ein der Intensität proportionales Ausgangssignal I abgibt. Da die drehbare Scheibe 14 im übrigen undurchsichtig ist, wirddas das Faserbündel 24 durchlaufende Licht daran gehindert, längs des Referenzkanäles weiter zu laufen. In der gezeichneten Stellung des Gerätes wird die Probe angeregt oder beleuchtet

mit polychromatischem Licht. ,

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Das mechanisch bewegbare Glied 14 ist eine kreisförmige Scheibe aus undurchsichtigem Material. Sie besitzt eine Oeffnung als Blendenöffnung .20 und eine ähnliche Oeffnung, in der sich als Monochromator ein variables Interferenzfilter Zl befindet. Sowohl die Blendenöffnung 20 als auch das Filter 21 haben die Form von Kreisringsektoren von 90° und' gleichem Radius und sind diametral gegenüber auf der Scheibe angeordnet. Das Filter 21, die Blendenöffnung 20 und die übrigen undurchsichtigen Sektoren der Scheibe 14 bilden bei einem Umlauf eine Spur, die nacheinander abwechselnd das Licht filtert, sperrt, durchlässt und wieder sperrt. Die abgeflachten Enden der Faserbündel liegen alle in dieser Spur. Entsprechend der Drehung der Scheibe 14 wird der Durchlauf des Lichtes durch die verschiedenen Lichtwege innerhalb des Gerätes gesteuert.

Das Filter 21 ist ein keilförmiges Interferenzfilter mit über seine Länge monoton ansteigender Durchlasscharakteristik, das je nach seiner Position einen engen Bereich innerhalb eines breiten Bandes Strahlungsenergie durchlässt. Befindet sich das Filter zwischen gegenüberliegenden Enden von Faserbündeln, wird dort gerade Licht nur eines engen ■Wellenlängenbereiches durchgelassen entsprechend der Schlitzbreite der so definierten Lichtöffnung. Jede Winkelstellung des Filters entspricht einer bestimmten Wellenlänge der Strahlung. Auf diese Weise wirktdas Filter 21 wie "ein

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einstellbarer Monochromator.

Die untere Seitenkante des Filters 21 ist in der Fig. 1 willkürlich mit 0° markiert, und wird von dem Null-Punkt für die Stellung der Scheibe aus für die Bezeichnung der Winkelstellung verwendet. Die vom.Filter übertragene Wellenlänge der Strahlung ändert sich proportional mit dem Drehwinkel der Scheibe 14. Die Lage im Null-Punkt als Referenz ist dadurch bestimmt, wenn diese 0 -Kante des Filters 21 sich gerade zwischen den beiden benachbarten Enden der Faserbündel 27 und 28 befindet. Diese Lage ist als "Null-Punkt" in der Fig. 1 eingezeichnet. Als Beispiel wird die Arbeitsweise des Gerätes für eine Umdrehung der Scheibe anschliessend beschrieben. Das Filter 21 so eingerichtet, dass es sein mit 0° bezeichnetes Ende die kürzesten Wellenlängen der Strahlung durchlässt und mit zunehmm dem Winkel längere Wellenlängen durchgelassen werden. Während die Scheibe 14 von der Null-Stellung aus sich durch die ersten 90° dreht, wird die Probe 11 durch monochromatisches Licht beleuchtet, dessen Wellenlänge sich fortlaufend entsprechend der Durchlasscharakteristik des Filters ändert. Das Filter mag eine Bandbreite der Wellenlänge in einem Bereich von ^. ι bis X _n gleichförmig übertragen. Bei jeder gegebenen Wellenlänge enthält das von der Probe gesammelte Licht nicht nur den reflektierte; Anteil der nominalen Wellenlänge, sondern auch Anteile, die durch

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Fluoreszenz des Probenmaterials neu erzeugt wurden. Dieses von der Probe gesammelte Licht durchläuft das Faserbündel 29, die Blendenöffnung 20 und das Faserbündel 34 zur Strahlungsdetektoreinrichtung 16, deren Ausgangssignal I der Intensität des Lichtes proportional ist. Das während der ersten 90° der Drehung der Scheibe gelieferte Aus gangs signal I mag einen solchen Verlauf haben, wie beispielsweise im ersten Abschnitt der Fig. 2 für eine mit monochromatischem Licht beleuchtete Probe angegeben ist. Bei einer gegebenen Wellenlänge A- ^ beträgt das zugehörige Ausgangssignal I_s. Während die Scheibe sich von 90° bis 180° dreht, wird der Probenkanal gesperrt und der Referenzkanal freigegeben. Das Licht läuft dann längs des Faserbündels 24, durch das Filter 21, durch das Faserbündel 25, durch die Blendenöffnung 20 und durch das Faserbündel 26 zum Detektor 16. Während die Scheibe läuft, folgt das Aus gangs signal I einer Kurve von Messpunkten, welche die spektrale Kennlinie der Strahlungsquelle verkörpern. Während der ersten halben Drehung von 0 bis 180° werden also nacheinander der Probenkanal und der Referenzkanal über einen gewissen Wertebereich dem variablen monochromatischen Licht ausgesetzt. In entsprechender Weise werden in der nächsten halben Umdrehung der Probenkanal und der Referenzkanal nacheinander polychromatischem Licht ausgesetzt, weil das Licht der Strahlungsquelle zuerst durch die Blendenöffnung 20 und erst danach durch das Filter 21 geht. Die anregende Strahlung ist in

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diesem Falle für die Probe polychromatisch.

Bei diesem verbesserten Spektrophotometer kann das Aus gangs signal I des Detektors-16-für die Analyse der Messdaten automatisch weiterverarbeitet werden. Es kann für diesen Zweck eine Einrichtung verwendet werden, wie sie beispielsweise aus dem US Patent 3,751,643 bekannt ist. Vorzugsweise wird das Ausgangssignal I durch einen Analog/Digital-Umwandler in eine für Datenverarbeitungseinrichtungen geeignete Form umgewandelt. Diese Daten werden gemeinsam mit Daten, welche die Winkelstellung verkörpern, in einen Computer eingegeben und maschinell ausgewertet. Aus den erhaltenen digitalen Werten können auch Kurvenzüge dargestellt werden, die ähnlich dem in der Fig. 2 gezeigten Beispiel sind.

Zum Auswerten der Messergebnisse werden die entsprechenden monochromatischen und poly ehr omatischen Daten umgerechnet in die Werte von Reflexions gradkennlinien,. wie ein Beispiel in der Fig. 3 dargestellt ist. Man rechnet nach der Formel R_1n = 100 χ Is/lj.· Für diese Berechnung wird angenommen, dass das Spektrophotometer Einrichtungen enthält, um den Dunkelstrom zu kompensieren, damit das Aus gangs signal wirklich der erwünschte Wert I ist. I_ und L sind die entsprechenden Ausgangssignale für den Probenkanal und den Referenzkanal bei einer gegqbenen

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Wellenlänge X ^. In gleicher Weise werden die Werte für den Reflexionsgrad bei polychromatischer Anregung berechnet und dargestellt. Fig. 3 ist nur ein Beispiel zur Erläuterung des Prinzips. Weil bei der Fluoreszenz die Emission immer bei grösseren Wellenlängen erfolgt und die Anregung mit Strahlen kürzerer Wellenlänge geschieht, repräsentiert in den Kurven bei den kürzeren Wellenlängen der Teil der (gestrichelten) polychromatischt-T. Kennlinie unterhalb der (ausgezogenen) monochromatischen Kennlinie die wahren Werte des Reflexions grades und umgekehrt bei den höheren Wellenlängen, wo der Anteil der Fluoreszenzstrahlung grosser ist, repräsentiert der Teil der monochromatischen Kennlinie unterhalb der polychromatischen Kennlinie die wahren Werte des Reflexionsgrades R.

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Claims

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1. Zum Analysieren der Fluoreszenzeigenschaften von Proben geeignetes Spektrophotometer, das mit monochromatischem und mit polychromatischem Licht arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß eine breitbandige, auch mit Anteilen im ultravioletten Bereich versehene Strahlungsquelle (12, 13) mit einer Strahlungsdetektoreinrichtung (16) zusammen-

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wirkt, daß mittels lichtleitenden Faserbündeln (24 bis ^! 34) zwei Lichtwege ausgebildet sind, von denen einer als Referenzkanal zum Leiten von Strahlungsenergie von der Quelle direkt zum Detektor vorgesehen ist und der andere als Probenkanal die zu beleuchtende Probe enthält, deren diffus reflektiertes Licht hierüber zum Detektor gelangt, und daß quer zu den genannten Lichtwegen ein undurchsichtiges, mechanisch bewegbares Glied (14) vorgesehen ist, das mindestens einen Monochromator (21) und mindestens eine Blendenöffnung (20) enthält, die aufeinanderfolgend wahlweise in einen der genannten Lichtwege gebracht werden können.

2. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte mechanisch bewegbare Glied eine drehbare Scheibe (14) ist, welche die optischen Elemente (20, 21) in einzelnen Sektoren enthält.

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3. Spektrophotometer nach Anspruch 1 und/oder 2, daduch ge- \ kennzeichnet, daß die genannte drehbare Scheibe (14) in

diametral gegenüber gelegenen Quadranten als optische : Elemente ein Interferenzfilter (21) bzv7. eine Blenden-I öffnung (20) enthält.

4. Spektrophotometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß das Interferenzfilter (21) eine mit der Winkelstel- '. lung der Scheibe (14) variierende Durchlaß-Charakteristik hat.

5. Spektrophotometer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Scheibe (14) mit einem motorischen Antrieb (22) und mit einer Winkelstellungscodiereinrichtung (23) verbunden ist.

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