DE3689085T2 - Spektrophotometer. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektrophotometer des Typs, bei dem das Beugungsgitter direkt mittels eines Motors verstellt wird.
• Als Mechanismus zum Verstellen eines als Zerlegungsvorrichtung in einem Monochromator verwendeten Beugungsgitters ist ein auf dem Prinzip des Sinuslineals beruhender Mechanismus bekannt. Dieser Mechanismus hat den Vorteil, daß der Betrag, um den sich die Gewindespindel zum Verstellen des Sinuslineals dreht, das heißt, der Betrag, um den sich der Motor zum Verstellen der Gewindespindel dreht, in linearem Verhältnis zur Wellenlänge des aus dem Monochromator kommenden Lichts steht. Der Mechanismus hat jedoch den Nachteil, daß der Aufbau kompliziert ist.
• In den letzten Jahren fanden elektronische Computer bei der Steuerung von Spektrophotometern weite Verbreitung. In diesem Fall steht der Betrag der Drehung des Motors zum Verstellen des Beugungsgitters in keiner linearen Beziehung zur Wellenlänge. Jedoch findet, da die Wellenlänge aus dem Betrag, um den sich der Motor beim Verstellen dreht, berechnet werden kann, ein System, bei dem das Beugungsgitter direkt mittels eines Motors verstellt wird, mehr und mehr Verwendung, was den Vorteil hat, daß der mechanische Aufbau stark vereinfacht ist.
• Im allgemeinen unterscheidet sich der Gitterabstand, das heißt der Abstand zwischen Strichen oder Rillen, mit denen das Beugungsgitter versehen ist, von einem Beugungsgitter zum anderen mehr oder weniger. Bei den Spektrophotometern, die einen auf dem Prinzip des Sinuslineals beruhenden Mechanismus zum Verstellen des Beugungsgitters verwenden, wird der vorstehend erwähnte Unterschied durch Angleichen der Länge des Sinuslineals korrigiert, so daß der Betrag der Drehung des Motors und die erhaltene Wellenlänge einander genau entsprechen.
• Das System, bei dem das Beugungsgitter direkt mittels eines Motors verstellt wird, hat kein Mittel zum mechanischen Korrigieren des vorstehend erwähnten Unterschieds im Gitterabstand, so daß die Anzeige der Wellenlänge mit einem Fehler behaftet ist, wenn der Gitterabstand des Beugungsgitters sich von dem Bemessungs- oder Nominalwert unterscheidet. Deshalb wird von den Spektrophotometern dieses Typs angenommen, daß sie einen niedrigen Genauigkeitsgrad bei der Wahl der Wellenlänge haben.
• Ein dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 entsprechendes Spektrophotometer ist aus der Druckschrift "PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Bd. 9, Nr. 33 (P-334)[1756], 13. Februar 1985" bekannt, die sich auf die Veröffentlichung der Patentanmeldung JP-A-59-176 633 bezieht. Aus dieser Veröffentlichung ist ein Spektrophotometer vom Typ des direkten Wellenantriebs bekannt, das eine Lichtquelle, einen Monochromator mit einem Beugungsgitter und einem Motor zum Verstellen des Beugungsgitters, eine Probenküvette, einen Photodetektor, einen Datenprozessor und eine Anzeige-Einheit umfaßt. Jedesmal, wenn eine Spannungsquelle eingeschaltet wird, wird eine der in einem Speicher gespeicherten Gitterkonstanten entsprechend der Winkeldifferenz zwischen den Positionen des Gitters bei zwei Emissionslinien gewählt, so daß jegliche Abweichung von der gewünschten Gitterkonstante automatisch korrigiert wird.
• Da die tatsächliche Gitterkonstante nach jedem Einschalten des Spektrophotometers durch Messung festgestellt wird, dauert es jedesmal lange, bis das Gerät arbeitsbereit ist.
• In der Druckschrift "PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Bd. 8, Nr. 97 (P-272)[1534], 8. Mai 1984", die sich auf die Veröffentlichung der Patentanmeldung JP-A-59-9 523 bezieht, ist ein System zum Korrigieren der Wellenlänge für Spektrophotometer offenbart. Diese Wellenlängenkorrektur erfolgt über Addition oder Subtraktion eines in einem digitalen Schalter, der jedoch nicht genau beschrieben ist, gespeicherten Wertes zu/von einer eingestellten Bezugswellenlänge.
• Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Spektrophotometer zu entwickeln, das auf die Gitterkonstante des Beugungsgitters in einer Weise eingestellt werden kann, daß das Spektrophotometer den arbeitsbereiten Zustand nach jedem Einschalten schnell und einfach erreicht.
• Diese Aufgabe läßt sich erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale lösen.
• Dementsprechend wird eine Eingabe-Einheit zum Einstellen eines einem Unterschied zwischen der nominellen und der tatsächlichen Gitterkonstante des Beugungsgitters entsprechenden Parameters geschaffen, wobei die Eingabe- Einheit eine Vielzahl mechanischer Schalter enthält, deren Ein- und Aus-Zustände kombiniert werden, um eine Vielzahl von Daten zum Modifizieren der nominellen Gitterkonstante auszudrücken. Der Datenprozessor zum Bestimmen der Wellenlänge des gegenwärtig ausgesendeten Lichts ist so beschaffen, daß die Wellenlänge entsprechend der nominellen Gitterkonstante ermittelt wird, die mittels des in der Eingabe-Einheit eingestellten Parameters modifiziert worden ist.
• Da die Korrektur der Beugungsgitterkonstante nur einmal nach jedem Auswechseln des Beugungsgitters durchgeführt werden muß, kann das Spektrophotometer nach jedem Einschalten sehr schnell den arbeitsbereiten Zustand erreichen.
• Das Spektrophotometer der Erfindung ist mit einer Vorrichtung zum Berechnen der Wellenlänge des vom Monochromator ausgesendeten Lichtstrahls aus dem Betrag, um den der Motor zum Verstellen des Beugungsgitters gedreht wird, ausgestattet. Diese Berechnung soll nun ausführlicher beschrieben werden.
• Es sei gemäß Fig. 3 angenommen, daß ein Beugungsgitter G um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse am Ursprung O des Koordinatensystems drehbar ist. Ein auf das Beugungsgitter treffender Lichtstrahl LI schließt mit der Y-Achse einen Winkel Q ein, und das vom Beugungsgitter gebeugte Licht LD schließt auf der dem einfallenden Licht gegenüberliegenden Seite den gleichen Winkel α mit der Y-Achse ein. Wenn die Oberfläche des Beugungsgitters mit der X-Achse zusammenfällt, ist das gebeugte Licht, das aus dem Monochromator kommt, von nullter Ordnung, und die Position des Beugungsgitters entspricht der Wellenlänge null. Wenn das Beugungsgitter um einen Winkel O" aus der der Wellenlänge null entsprechenden Position gedreht wird, ist die Wellenlänge λ des gebeugten Lichts (nur von der ersten Ordnung), das aus dem Monochromator kommt, gegeben durch
• λ = 2d cos α sin R
• wobei d eine Gitterkonstante ist.
• In vorstehendem Ausdruck ist der Winkel R dem Betrag der Drehung des Motors proportional, und die Gitterkonstante ist das Inverse der Anzahl N je Millimeter der Rillen oder Striche, mit denen das Beugungsgitter versehen ist. Das Untersetzungsverhältnis des Motors sei A, und der Betrag der Drehung des Motors sei Φ. Die Wellenlänge des gebeugten Lichts, das aus dem Austrittsspalt des Monochromators kommt, kann aus dem Betrag der Drehung des Motors durch folgenden Ausdruck berechnet werden:
• λ = 2/N cos α sin A Φ (1)
• Das Gerät der Erfindung ist mit einer Schaltung ausgestattet, die vorstehende Berechnung ausführt, und für den in der Schaltung als Parameter einzustellenden Gitterabstand N stehen 2n + 1 verschiedene Gitterabstände N+n (wobei n = 0, 1, 2, . . . ) zur Verfügung, so daß es durch Wählen von einem der Abstände zur Eichung möglich ist, die richtige Wellenlänge aus dem Betrag der Drehung des Motors zu berechnen.
• Die Erfindung soll nun ausführlicher beschrieben werden.
• Fig. 1 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
• Fig. 2a ist eine schematische Ansicht von oben auf den Wellenlängenverstellmechanismus des Systems nach Fig. 1;
• Fig. 2b ist eine Vorderansicht des in Fig. 2a gezeigten Mechanismus; und
• Fig. 3 ist eine der Erläuterung der Berechnung der Wellenlänge des vom Beugungsgitter nach Fig. 1 gebeugten Lichts dienende Zeichnung.
• In Fig. 1 ist schematisch ein Spektrophotometer gezeigt, das eine Lichtquelle 10, einen Monochromator 11, eine Probenküvette 12 und einen Photodetektor 13 enthält. Der Monochromator 11 enthält ein Beugungsgitter 14, das das Licht von der Quelle 10 in eine Serie von Wellenlängen zerlegt. Ein Schrittmotor M verstellt das Beugungsgitter 14 so, daß eine gewählte Wellenlänge aus dem Monochromator herauskommt.
• In Fig. 2a und 2b ist ein um eine Achse 16 drehbarer Zahnbogen 15 gezeigt und das Beugungsgitter 14 sitzt so auf dem Zahnbogen 15, daß seine Achse mit der Achse 16 des Zahnbogens 15 zusammenfällt, wodurch eine simultane Drehung gewährleistet wird. Ein kleines Zahnrad 17 greift in den Zahnbogen 15 ein und wird direkt von dem Schrittmotor M angetrieben. Ein Photodetektor 18 zum Ermitteln des Wellenlängenursprungs ist angrenzend an einen Seitenrand des Zahnbogens 15 angebracht, so daß der Photodetektor 18, wenn das Beugungsgitter 14 eine mit der X-Achse des Koordinatensystems nach Fig. 3 zusammenfallende Position einnimmt, den Seitenrand des Zahnbogens 15 erfaßt.
• Die Probenküvette 12 enthält gemäß Fig. 1 eine zu analysierende Probe. Das monochromatische Licht einer gewählten Wellenlänge geht durch die Probe hindurch, so daß es vom Photodetektor 13 erfaßt wird, der ein der Intensität des erfaßten Lichts entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt.
• Das Ausgangssignal des Photodetektors 13 wird mittels eines Vorverstärkers 19 verstärkt und über einen Analog- Digital-Wandler (A/D-Wandler) 20 einem Computer 21 zugeführt, der die durch die Messung erhaltenen Daten verarbeitet und gleichzeitig den Betrieb des Gerätes steuert. Eine Sichtanzeige-Einheit 22 zeigt das Ergebnis der Messung an.
• Der Computer 21 führt einer Schrittmotortreiberschaltung 23 ein Signal in Form von Impulsen zu, um den Schrittmotor M zum Wellenlängenabtasten des Monochromators zu betreiben. Gleichzeitig werden die Impulse, die dem Betrag Φ der Drehung des Motors in dem vorher gegebenen Ausdruck (1) entsprechen, gezählt, so daß der Computer 21 aus der gezählten Zahl der Impulse die Wellenlänge λ des aus dem Monochromator kommenden monochromatischen Lichts gemäß dem Ausdruck (1) berechnet.
• Für die Berechnung wird der Gitterabstand N, wie in dem Ausdruck gezeigt, als Parameter benötigt. Dieser Parameter wird als Dreibit-Datenwert über eine Eingabe- Einheit 24 in den Computer 21 eingegeben. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Eingabe- Einheit 24 drei Schalter S1, S2 und S3, deren feststehende Kontakte einerseits jeweils über Spannungsanhebewiderstände r1, r2 und r3 an eine Spannungsquelle +V und andererseits an den Computer 21 angeschlossen sind, während die beweglichen Kontakte der Schalter bei E geerdet sind, so daß der hohe oder niedrige Pegel der Spannung an jedem der feststehenden Kontakte der Schalter in den Computer 21 eingelesen wird. Der Schalter S1 ist für die Bezeichnung von Addition (positives Vorzeichen) oder Subtraktion (negatives Vorzeichen) vorgesehen, und die Schalter S2 und S3 entsprechen jeweils den numerischen Werten 1 und 2, so daß es durch Kombination der Ein- oder Aus-Zustände der drei Schalter möglich ist, in der Eingabe-Einheit sieben (7) verschiedene Werte einzustellen, nämlich 0, +1, -1, +2, -2, +3 und -3, die zum Nominalwert N des Gitterabstandes zu addieren oder davon zu subtrahieren sind.
• Der Computer 21 ist so ausgelegt, daß, wenn der in der Eingabe-Einheit 24 eingestellte Datenwert null (0) ist, der Computer die Wellenlänge mit dem nominellen Gitterabstand als dem Parameter N in dem im vorangehenden erwähnten Ausdruck (1) berechnet und, wenn der in der Eingabe-Einheit eingestellte Datenwert ±n ist, der Computer die Wellenlänge mit N±n als dem Parameter N in dem Ausdruck (1) berechnet. Mit einem nominellen Gitterabstand von N Rillen oder Strichen je Millimeter gefertigte Beugungsgitter können tatsächlich einen anderen Gitterabstand im Bereich von vielleicht N-3 bis N+3 haben. Deshalb wird, wenn ein Spektrophotometer zusammengebaut worden ist oder das Beugungsgitter gegen ein neues ausgetauscht worden ist, eine Wellenlängeneichung durch Messen einer bekannten Probe bei einer Emissionslinie bekannter Wellenlänge unter der Annahme, daß das nun in Gebrauch befindliche Beugungsgitter den nominellen Abstand hat, und durch Berechnen des tatsächlichen Gitterabstandes aus der Differenz zwischen der bekannten Wellenlänge der Emissionslinie und der gemessenen Wellenlänge, wie sie auf der Anzeige-Einheit angezeigt wird, durchgeführt, wodurch der in der Eingabe- Einheit einzustellende Parameter bestimmt wird.
• Zur Wellenlängeneichung arbeitet der Computer 21 in der folgenden Weise. Es gibt zwei Wege der Eichung. Bei einem davon wird zuerst die Position des Beugungsgitters für das Licht nullter Ordnung bestimmt und zum Eichen dann dessen der Emissionslinie des Lichts einer Deuteriumlampe bei 656,1 nm entsprechende Position gemessen. Bei dem anderen Verfahren werden zur Eichung die Positionen des Beugungsgitters ermittelt, die den beiden bei 656,1 nm und bei 486,0 nm liegenden Emissionslinien des Lichts einer Deuteriumlampe entsprechen.
• Bei ersterem Verfahren wird zuerst durch den Photodetektor 18 die Position des Beugungsgitters ungefähr ermittelt. Dann wird zum Bestimmen der genauen Position des Beugungsgitters für das Licht nullter Ordnung ein Bereich in der Umgebung des Lichts nullter Ordnung nach einem Maximum abgesucht, und danach wird ein Bereich in der Umgebung der Wellenlänge 656,1 nm nach einem Maximum abgesucht, um die Position des Beugungsgitters für die Wellenlänge 656,1 nm zu bestimmen.
• Aus dem Winkel AΦ, um den das Beugungsgitter zwischen der Position für das Licht nullter Ordnung und der für die Emissionslinie bei 656,1 nm gedreht wird, wird die tatsächliche Zahl N' der Rillen des Beugungsgitters unter Verwendung des folgenden Ausdrucks berechnet
• N=2/λ cos α sin AΦ.
• Das Ergebnis der Berechnung wird auf der Sichtanzeige-Einheit 22 angezeigt, und die Schalter S1 bis S3 werden entsprechend der Anzeige betätigt, um in der Eingabe- Einheit 24 den für die Eichung nötigen Datenwert einzustellen. Danach ist es jedesmal, wenn das Gerät eingeschaltet wird, nur nötig, die Position des Beugungsgitters für das Licht nullter Ordnung durch Suchen des Maximums zu bestimmen. Der Computer liest dann zum Berechnen der Wellenlänge des nun vom Monochromator erzeugten monochromatischen Lichts die Ein- oder- Aus- Zustände der Schalter.
• Bei letzterem Verfahren, bei dem die beiden Emissionslinien des Lichts der Deuteriumlampe verwendet werden, werden die Positionen der beiden Emissionslinien bei den Wellenlängen 656,1 nm und 486,0 nm bestimmt, nachdem die Position des Beugungsgitters durch den Photodetektor 18 ungefähr bestimmt worden ist. In diesem Fall lassen sich die Drehungswinkel des Beugungsgitters von dessen Position für das Licht nullter Ordnung zu dessen Positionen für die beiden Emissionslinien nicht ermitteln, sondern es kann nur der Differenzwinkel ΔAΦ, um den das Beugungsgitter zwischen dessen Positionen für die beiden Emissionslinien gedreht wird, ermittelt werden, so daß ein Ermitteln der tatsächlichen Anzahl N' der Rillen des Beugungsgitters aus dem Differenzwinkel ΔAΦ unmöglich ist. Es ist jedoch möglich, den Differenzwinkel ΔAΦ zwischen den Drehungswinkeln des Beugungsgitters für die beiden Emissionslinien in jedem der sieben Fälle N' = N±1, N' = N±2, N' = N±3 und N' = N vorher zu berechnen. Deshalb ist es möglich, die tatsächliche Anzahl N' zu kennen und folglich zu wissen, welche der Schalter "ein" oder "aus" sein müssen, und die Schalter werden dementsprechend betätigt. Danach ist es jedesmal, wenn das Gerät eingeschaltet wird, nur nötig, die Position des Beugungsgitters für die 656,1 nm Emissionslinie zu bestimmen. Dann liest der Computer die Zustände der Schalter und berechnet die Wellenlänge des nun vom Monochromator erzeugten Lichts.
• Bei vorstehendem Ausführungsbeispiel wird die Wellenlänge aus der gezählten Anzahl der dem Schrittmotor zugeführten Impulse berechnet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, kann ein Festspeicher (ROM) vorhanden sein, der eine Tabelle mit den gezählten Zahlenwerten der dem Motor zugeführten Impulse und den entsprechenden für jeden Fall von N±n (wobei n = 0, 1, 2, 3) ermittelten Wellenlängen speichert, so daß jede Wellenlänge entsprechend der gezählten Zahl der dem Motor zugeführten Impulse gewählt werden kann.
• Falls der Wellenlängenursprung durch einen geeigneten Mechanismus mit einem hohen Grad an Genauigkeit und Präzision bestimmt werden kann, läßt sich die Wellenlängeneichung mit nur einer Emissionslinie bekannter Wellenlänge durchführen.
• Erfindungsgemäß läßt sich bei der Wellenlängenwahl ein hoher Grad an Genauigkeit und Präzision mit einem verhältnismäßig einfachen Mechanismus zum Verstellen des Beugungsgitters erreichen.

Claims (4)

1. Spektrophotometer mit

einer Lichtquelle (10),

einem Monochromator (11), der ein Beugungsgitter (14) und einen Motor (M) zum Verstellen des Beugungsgitters enthält, um einen Strahl monochromatischen Lichts am Austrittsspalt des Monochromators zu erzeugen,

einer Probenküvette (12), die eine zu analysierende Probe enthält und so angeordnet ist, daß der monochromatische Lichtstrahl auf die Probenküvette auftrifft,

einem Photodetektor (13), der das von der Probe (12) kommende Licht erfaßt und ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt,

einem Datenprozessor (20, 21), der die Wellenlänge des monochromatischen Lichts aus dem Betrag, um den sich der Motor (M) dreht, entsprechend einer vorbestimmten funktionalen Beziehung ermittelt, und

einer Sichtanzeige-Einheit (22) zum Anzeigen der Wellenlänge

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Eingabe-Einheit (24) zum Einstellen eines der Differenz zwischen der nominellen und der tatsächlichen Gitterkonstante des Beugungsgitters (14) entsprechenden Parameters vorhanden ist,

die Eingabe-Einheit eine Vielzahl mechanischer Schalter (S1, S2, S3) enthält, deren Ein- und Aus- Zustände kombiniert werden, um eine Vielzahl von Daten zum Verändern des Parameters auszudrücken, und

der Datenprozessor (20, 21) so beschaffen ist, daß er die Wellenlänge entsprechend der nominellen Gitterkonstante ermittelt, die mittels des in der Eingabe-Einheit eingestellten Parameters modifiziert worden ist.

2. Spektrophotometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (M) ein Schrittmotor ist.

3. Spektrophotometer nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Datenprozessor (20, 21) die Wellenlänge entsprechend

λ=2/N cos α sin A Φ (1)

berechnet, wobei λ die Wellenlänge, N die nominelle Anzahl je mm der Rillen, mit denen das Beugungsgitter (14) versehen ist, a der Winkel, den das auf das Beugungsgitter (14) treffende Licht mit der Normalen des Beugungsgitters einschließt, A das Untersetzungsverhältnis des Motors (M) und Φ der Betrag der Drehung des Motors (M) sind.

4. Spektrophotometer nach einem der vorangehenden Anspruche dadurch gekennzeichnet, daß der Datenprozessor (20, 21) einen Festspeicher enthält, der eine Tabelle speichert, die für jede aus einer Gruppe von verschiedenen, sich im Bereich der nominellen Gitterkonstante des Beugungsgitters (14) bewegenden Gitterkonstanten eine Gruppe von gezählten Zahlen der dem Motor (M) zugeführten Impulse und den entsprechenden Wellenlängen des monochromatischen Lichts enthält, und daß der Datenprozessor (20, 21) eine der Wellenlängen entsprechend der gezählten Zahl der dem Motor (M) zugeführten Impulse wählt.