Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung der
Konzentration einer Substanz
Technischer Anwendungsbereich
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur optischen Bestimmung der Konzentration einer Substanz.
Insbesondere betrifft diese Erfindung auf dem Gebiet der
optischen Bestimmung der Konzentration einer bestimmten
Substanz in einer Flüssigkeit oder einem Gas auf Basis der
verursachten Schwankungen der Emissionsintensität eines
Leuchtstoffs (Phosphors) durch die bestimmte Substanz oder
eine von der bestimmten Substanz abgeleiteten Substanz und
ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche bei der
Durchführung der optischen Bestimmung ein stabiles
Ansprechverhalten sicherstellen, ohne durch variable Faktoren deutlich
beeinflußt zu werden.
Stand der Technik
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Es ist bekannt, daß die fluoreszierenden und
phosphoreszierenden Stoffe, d. h. die sog. allgemein als Leuchtstoffe
bzw. "Phosphore" bezeichneten Stoffe, solche enthalten,
deren Emissionsintensität durch bestimmte Substanzen
verringert wird. Dieses Phänomen bezeichnet man als "Quenchen
bzw. Löschungs(reaktion)", und eine Substanz, die diese
Löschungsreaktion induziert, bezeichnet man als "Quencher"
bzw. "Löschsubstanz". Im allgemeinen legt die folgende
Formel (die man als "Stern-Volmer-Gleichung" bezeichnet)
die Abhängigkeit zwischen der Emissionsintensität und der
Konzentration eines Quenchers fest.
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I&sub0;/I = 1+kq·τ&sub0;[Q] (I.)
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Dabei bezeichnet I&sub0; die Emissionsintensität bei im
wesentlichen fehlendem Quencher, I die Emissionsintensität bei
einer Quencherkonzentration [Q], kq die
Geschwindigkeitskonstante der Quench- bzw. Löschreaktion und τ&sub0; die
Halbwertzeit der Emission bei im wesentlichen fehlenden
Molekülen des Quenchers und das damit multiplizierte Produkt
(= K) ist der Quench-Koeffizient.
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In dieser Formel (I) sind I&sub0;, kq und τ&sub0; Konstanten, welche
durch die in einem System enthaltenen Arten eines Phosphors
sowie eines Quenchers und die Art einer den Phosphor
enthaltenden Substanz festgelegt werden. Die Konzentration des
Quenchers kann deshalb durch Ermitteln des Wertes von I
bestimmt werden. Wenn I&sub0;, kq und τ&sub0; unbekannt sind, ist die
praktische Ermittlung der Emissionsintensität bei einer
Quencher-Konzentration von 0 und Verwendung der Intensität
I&sub0;, Ermittlung der Emissionsintensität bei einer bekannten
Quencher-Konzentration und Verwendung dieser Intensität I,
Auftragen des Verhältnisses I&sub0;/I relativ zur Quencher-
Konzentration und Ermittlung der Neigung der Geraden, die
sich ergibt, indem man K (= kq·τ&sub0;) vor der Bestimmung der
Quencher-Konzentration aufträgt, generell üblich. Die
verschiedenen obengenannten Konstanten könnten durch
Verwendung
eines zur Bestimmung der Halbwertzeit fähigen Geräts
ermittelt werden. Dieses Gerät ist jedoch nicht allgemein
bekannt, da es kompliziert und teuer ist.
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Übrigens hat das Verfahren zur Bestimmung der Konzentration
einer Substanz durch Nutzung dieses Quench- bzw.
Löschphänomens praktische Anwendungen in verschiedenen Gebieten
gefunden. So ist beispielsweise ein Gerät zur Bestimmung der
Sauerstoffkonzentration durch Nutzung der durch Sauerstoff
bei einem Phosphor, wie Pyren, (z. B. japanische
Patentschrift SHO 59 (1984) -24,379 und japanische
Offenlegungsschrift SHO 59 (1984) -108,958) verursachten Quench-Reaktion,
Bestimmung des Diffusionskoeffizienten des Sauerstoffs in
einer makromolekularen Verbindung durch Nutzung der durch
Sauerstoff bei einem Phosphor, wie Trophenyl (Journal of
Physical Chemistry, Bd. 69, Nr. 11, S. 3,677, 1965) und
Bestimmung der intrazellularen Sauerstoffverteilung durch
Nutzung der durch Sauerstoff verursachten Quench-Reaktion
bei Pyrenbuttersäure (Biochem. Biophys. Acta., Bd. 279, S.
397, 1972) dem Fachmann bekannt. Obwohl in den obigen
Beispielen die Substanzen selbst der Bestimmungsfunktion
relativ zu Phosphoren unterworfen werden, ist es zulässig,
andere chemische Stoffe als Quencher bzw. Löschsubstanzen
zu verwenden. So können Quencher beispielsweise als
Derivate erzeugt werden, indem man der Bestimmung unterworfene
Substanzen veranlaßt, bestimmte chemische Reaktionen zu
durchlaufen. Die Konzentrationsbestimmung kann unter
Verwendung eines solchen durch eine chemische Reaktion
erhaltenen
Derivat-Quenchers durchgeführt werden. Bei den
bekannten obenbeschriebenen sind die Tatsache, wonach das von
einer Erregerlichtquelle abgestrahlte und einen
Photodetektor erreichende Licht stets eine konstante Intensität
besitzt, sowie die Tatsache daß das emittierte Lichtsignal in
einem sich von einem Phosphor über einen Photodetektor
erstreckenden Lichtübertragungssystem Schwankung oder Verlust
erleidet, feste Bedingungen für die Bestimmung. Wird ein
solches Verfahren in der Praxis z. B. im Dauerbetrieb
eingesetzt, unterliegt die Lichtintensität der
Erregerlichtquelle selbst einer Drift. Bei Verwendung einer optischen
Faser als ein Lichtübertragungssystem ist das - sofern
überhaupt vorhandene - Ansprechverhalten sehr instabil, da
die Intensität des sich von der Erregerlichtquelle zum
Phosphor ausbreitenden Lichtes und das obengenannte
emittierte Lichtsignal durch Veränderungen solcher
physikalischer Bedingungen, wie Knicke in der optischen Faser und
Schwankungen der Umgebungstemperatur, auffällig
beeinträchtigt werden. Mit anderen Worten enthält das Symbol I in der
Formel (I) oder in einer Modifikation:
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I = I&sub0;/{1+K[Q]} (II)
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stets eine variable Komponente (im folgenden durch "v"
dargestellt). Die Intensität des tatsächlich von dem
Photodetektor erkannten Lichtes sollte deshalb als I·(1+v)
ausgedrückt werden. Es folgt, daß die Emissionsintensität
bei Abwesenheit eines aus einer der Bestimmung
unterworfenen Substanz gebildeten Quenchers oder einem Derivat der
Substanz analog eine variable Komponente enthält, und diese
wird zusätzlich durch den Photodetektor erkannt. Somit kann
die Intensität I mit Sicherheit während des gesamten
Verlaufs der Bestimmung als eine feste Konstante behandelt
werden.
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Um Konstanz der Lichtintensität von der Erregerlichtquelle
sicherzustellen, sind zahlreiche handelsübliche
Spektrofluorometer so konfiguriert, daß sie zeitliche Änderungen
der Intensität des angeregten Lichtes ausgleichen, indem
sie in einer festen Proportion der Intensität einen Teil
des von der Erregerlichtquelle (im allgemeinen eine
Xenonlampe) abgestrahlten Lichtes entnehmen, bevor dieses eine
Prüfkammer mit einer fluoreszierenden Substanz erreicht,
die Lichtintensität des abgetrennten Lichtes mit einem
exklusiven Photodetektor erkennen und das elektrische
Signal vom Photodetektor zu der an einem Photoelektronen-
Vervielfacher, dessen Aufgabe die Erkennung Photoelektronen
der Emissionsintensität ist, angelegten Spannung
zurückführen. In ihrer Erfindung (japanische Offenlegungsschrift
SHO 59(1984) -500,896 [PCT/US82/03344]) bezüglich der
Verwendung einer Sonde zur Bestimmung der
Sauerstoffkonzentration durch Nutzung des Phänomens, wonach die Fluoreszenz
von Perylendibutylat durch Absorption an einen porösen
Träger anhaftet, empfehlen Peterson et al. die Verwendung
von Streulicht aus einer Erregerlichtquelle als
Referenzlicht für die Fluoreszenz.
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Diesen Techniken ist die Tatsache gemeinsam, daß sie darauf
gerichtet sind, die Schwankung der Lichtintensität von der
Lichtquelle selbst dadurch auszugleichen, daß sie die
Intensität eines Teils des Lichtes von der Erregerlichtquelle
bestimmen. Obwohl diese Techniken die Schwankung der
Lichtintensität von der Lichtquelle selbst beherrschen,
berücksichtigen sie keine weiteren variablen Komponenten der
Emissionsintensität und sind deshalb hinsichtlich der aus
solchen Schwankungen bei der Bestimmung der Konzentration
einer Substanz durch die Nutzung des obenbeschriebenen
Löschens bzw. Quenchens entstehenden Bestimmungsfehlern
unwirksam. Die in der obigen Erfindung empfohlene Technik ist
nur dann brauchbar, wenn das Licht aus der
Erregerlichtquelle an der den Phosphor enthaltenden Position gestreut
ist. Sie führt zu keinerlei Wirkung in der Konfiguration,
welche keine Streuung erzeugen kann, oder in der
Konfiguration, welche das evtl. erzeugte Streulicht nicht in den
zum Detektor führenden Lichtpfad leiten kann. Mit dieser
Technik wird die Bestimmung auch dann nicht erreicht, wenn
die Intensität des Streulichtes sehr schwach ist.
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Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, ein
neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zur optischen
Bestimmung der Konzentration einer Substanz
bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die
Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur
optischen Bestimmung der Konzentration einer spezifischen
Substanz in einer Flüssigkeit oder einem Gas, mittels derer
die Bestimmung in einer einfachen Konfiguration mit hoher
Genauigkeit erfolgt. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung
ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer
Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Konzentration einer
spezifischen Substanz in einer Flüssigkeit oder einem Gas,
indem man sich das Phänomen zunutze macht, wonach sich die
Emissionsintensität eines Phosphors durch die spezifische
Substanz oder durch ein Derivat der spezifischen Substanz
ändert, wobei dieses Verfahren und diese Vorrichtung die
Bestimmung erzielen, indem sie ein stabiles
Ansprechverhalten sicherstellen, ohne durch variable Faktoren merklich
beeinflußt zu werden.
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Analytical Chemistry, Bd. 59, 1987, S. 279-283, beschreibt
ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Anspruch 6.
Beschreibung der Erfindung
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Die obenbeschriebenen Aufgaben werden durch ein Verfahren
zur optischen Erkennung der Konzentration einer
spezifischen Substanz in einer Flüssigkeit oder einem Gas gelöst,
indem man sich das Quenchen bzw. Löschen eines Phosphors
durch die spezifische Substanz oder durch ein Derivat der
spezifischen Substanz zunutze macht, wobei dieses Verfahren
dadurch gekennzeichnet ist, daß es die Erkennung der
Konzentration einer spezifischen Substanz verwirklicht, indem
es das Vorhandensein eines ersten Phosphors (A), welcher
durch die spezifische Substanz oder ein Derivat der
spezifischen Substanz gequencht bzw. gelöscht ist, und eines
zweiten Phosphors (B), welcher nicht wesentlich durch die
spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen
Substanz gequencht bzw. gelöscht ist, induziert, wobei
diese Phosphore aus der in Anspruch 1 enthaltenen Liste
gewählt werden, ein der Emissionsintensität (IAf) des ersten
Phosphors (A) entsprechendes Lichtsignal und ein der
Emissionsintensität (IBf) des zweiten Phosphors (B)
entsprechendes Lichtsignal bestimmt und das Verhältnis zwischen den
Lichtsignalen berechnet.
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Des weiteren beschreibt diese Erfindung ein Verfahren zur
optischen Bestimmung der Konzentration einer spezifischen
Substanz, bei welchem das Verhältnis zwischen dem der
Emissionsintensität (IAf) des ersten Phosphors (A) entsprechenden
Lichtsignal und dem der Emissionsintensität (IBf) des zweiten
Phosphors (B) entsprechenden Lichtsignal zum Zweck der
Kalibrierung hinsichtlich mindestens zweier verschiedener
bekannter Konzentrationen der spezifischen Substanz vor der
Erkennung der Konzentration der spezifischen Substanz
berechnet wird. Darüber hinaus beschreibt diese Erfindung ein
Verfahren zur optischen Bestimmung der Konzentration einer
Substanz, bei welchem das Emissionsspektrum des ersten
Phosphors (A) und das Emissionsspektrum des zweiten
Phosphors (B) in voneinander verschiedene Wellenlängenbereiche
fallen. Des weiteren beschreibt die Erfindung ein
Verfahren
zur optischen Bestimmung der Konzentration einer
Substanz, wobei das Verfahren zur Bestimmung der
Sauerstoffkonzentration angewendet wird.
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Die obenbeschriebenen Aufgaben werden mittels einer
Vorrichtung gelöst, welche folgendes umfaßt:
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einen aus einer einen Phosphor enthaltenden Schicht
ausgebildeten Sensorteil, eine Erregerlichtquelle zur Anregung
des Phosphors, einen Meßteil zur Erkennung der
Emissionsintensität und einen Lichtleiterteil zur Übertragung des der
Emission des Phosphors im Sensorteil entsprechenden
Lichtsignals an den Meßteil und zur Ausführung der optischen
Bestimmung der Konzentration einer spezifischen Substanz in
einer Flüssigkeit oder einem Gas durch die Nutzung des
Quenchens bzw. Löschen des Phosphors durch die spezifische
Substanz oder ein Derivat der spezifischen Substanz, wobei
diese Vorrichtung durch die Tatsache gekennzeichnet ist,
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daß der Sensorteil mindestens zwei Phosphore enthält, die
mindestens einen durch die spezifische Substanz oder ein
Derivat der spezifischen Substanz quenchbaren bzw.
löschbaren Phosphor und mindestens einen im wesentlichen durch
die spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen
Substanz nicht quenchbaren bzw. nicht löschbaren Phosphor
umfassen, und der Meßteil mit optischen, technischen
Einrichtungen zur exakten Erkennung der den
Emissionsintensitäten der Phosphore entsprechenden Lichtsignale versehen
ist.
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Des weiteren beschreibt diese Erfindung eine Vorrichtung
zur optischen Bestimmung der Konzentration einer
spezifischen Substanz, bei welcher der Sensorteil mindestens zwei
Phosphore mit Emissionsspektra in voneinander verschiedenen
Wellenlängenbereichen und mindestens einen Phosphor,
welcher durch die spezifische Substanz oder ein Derivat der
spezifischen Substanz löschbar bzw. quenchbar ist, und
mindestens einen im wesentlichen nicht von der spezifischen
Substanz oder einem Derivat der spezifischen Substanz
quenchbaren Phosphor umfaßt, wobei diese Phosphore aus der
Liste in Anspruch 1 gewählt werden. Außerdem beschreibt
diese Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung
der Konzentration einer spezifischen Substanz, in welcher
der Lichtleiterteil zur gemeinsamen Emission der einzelnen
Phosphore im Sensorteil dient und der Meßteil mit einem
Spektroskop zur Streuung der vom Lichtleiterteil in die
verschiedenen Wellenlängenkomponenten geführten den
Emissionen der Phosphore entsprechenden Lichtsignale, einem
Photodetektor zur Wandlung der Lichtsignale in den
Streuwellenlängenkomponenten in elektrische Signale und einer
Arithmetikeinheit zur Berechnung des Verhältnisses zwischen
dem der Emissionsintensität des durch die spezifische
Substanz oder ein Derivat der spezifischen Substanz
quenchbaren Phosphors entsprechenden Lichtsignal und dem der
Emissionsintensität des im wesentlichen durch die
spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen Substanz
nicht quenchbaren Phosphors entsprechenden Lichtsignal auf
Basis der vom Photodetektor erhaltenen Signale versehen
ist.
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Weiterhin beschreibt diese Erfindung eine Vorrichtung zur
optischen Bestimmung der Konzentration einer spezifischen
Substanz, in welcher der Sensorteil in ein und derselben
Reagensschicht den durch die spezifische Substanz oder ein
Derivat der spezifischen Substanz quenchbaren Phosphor
sowie den im wesentlichen durch die spezifische Substanz
oder ein Derivat der spezifischen Substanz nicht
quenchbaren Phosphor enthält. Außerdem beschreibt diese Erfindung
eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Konzentration
einer spezifischen Substanz, in welcher der Sensorteil in
voneinander verschiedenen, jedoch benachbarten
Reagensschichten den durch die spezifische Substanz oder ein
Derivat der spezifischen Substanz quenchbaren Phosphor und den
im wesentlichen durch die spezifische Substanz oder ein
Derivat der spezifischen Substanz nicht quenchbaren
Phosphor enthält.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Fig. 1 ist ein Schaltschema zur Darstellung der
Konfiguration einer Verhältnis typischen Vorrichtung zur
Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einer
Ausführungsform dieser Erfindung, und die Fig. 2 ist ein Graph zur
Darstellung der Beziehung zwischen dem Partialdruck von
Sauerstoff und dem Verhältnis IBf/IAf.
Beste Art der Verwirklichung der Erfindung
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Diese Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur
optischen Erkennung der Konzentration einer spezifischen
Substanz in einer Flüssigkeit oder einem Gas, indem man sich
das Löschen bzw. Quenchen eines Phosphors bzw.
Leuchtstoffes durch die spezifische Substanz oder eines Derivats der
spezifischen Substanz zunutze macht, wobei dieses Verfahren
dadurch gekennzeichnet ist, daß es die Erkennung der
Konzentration der spezifischen Substanz verwirklicht, indem es
das Vorhandensein sowohl eines ersten Phosphors (A),
welcher durch die spezifische Substanz oder ein Derivat der
spezifischen Substanz gequencht bzw. gelöscht wird, und
eines zweiten Phosphors (B), welcher nicht wesentlich durch
die spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen
Substanz gequencht bzw. gelöscht wird, induziert, ein der
Emissionsintensität (IAf) des ersten Phosphors (A)
entsprechendes Lichtsignal und ein der Emissionsintensität (IBf) des
zweiten Phosphors (B) entsprechendes Lichtsignal bestimmt
und das Verhältnis zwischen den Lichtsignalen berechnet.
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Die Erfinder führten sorgfältige Untersuchungen zur
Entwicklung einer Technik durch, mit der sich die Einflüsse
veränderlicher Faktoren auf das der Emissionsintensität
eines der Erkennung unterworfenen Phosphors bzw.
Leuchtstoffes entsprechenden Lichtsignals eliminieren lassen. Sie
kamen im wesentlichen zu dem Schluß, daß die Bestimmung der
Konzentration der spezifischen Substanz mit hoher
Genauigkeit auf Basis der folgenden Theorie erzielt wird, indem
man im Bestimmungssystem das Vorhandensein eines Phosphors
[erster Phosphor (A)], welcher durch einen Quencher bzw.
eine Löschsubstanz (die spezifische Substanz oder ein
Derivat der spezifischen Substanz) quench- bzw. löschbar
ist, und einen durch den Quencher im wesentlichen nicht
quench- bzw. löschbaren Phosphor [zweiter Phosphor (B)]
induziert. Wird in der die Beziehung zwischen der
Emissionsintensität und dem Quencher darstellenden Stern-
Volmer-Gleichung (II) die obige Variable "v"
berücksichtigt, so werden der im Bestimmungssystem vorhandene erste
Phosphor (A) bzw. zweite Phosphor (B) wie folgt
dargestellt:
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IAf = IA,0f (1+v)/{1+K[Q]} (III)
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IBf = IB,0f (1+v) (IV)
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In den Formeln (III) und (IV) bezeichnet das nachgestellte
Zeichen "f" ein mit dem Lichtdetektorelement tatsächlich
bestimmtes Lichtsignal, und das nachgestellte Zeichen "0"
bezeichnet die bei Fehlen eines Quenchers bzw. einer
Löschsubstanz, welche aus einer der Bestimmung unterworfenen
Substanz oder einem Derivat der genannten Substanz gebildet
ist, auftretende Emissionsintensität. Die Symbole IAf und IBf
bezeichnen die tatsächlich vom Photodetektor erkannten
Lichtsignale, wenn das vom ersten Leuchtstoff bzw. Phosphor
(A) und vom zweiten Leuchtstoff bzw. Phosphor (B)
emittierte Licht durch die vorhandene optische Technik an den
Photodetektor
geschickt wird. Diese Lichtsignale
repräsentieren die Emissionsintensitäten des ersten (A) und des
zweiten Phoshors (B), wie diese durch Einbeziehung solcher
variablen Komponenten, wie beispielsweise die Änderung der
Lichtintensität von der Lichtquelle und der Verlust der
Lichtintensität im Lichtleiterteil, verändert werden. Da
die Emission des zweiten Phosphors (B) selbst bei
Vorhandensein eines Quenchers nicht gequencht wird, beträgt der
Quench-Koeffizient K relativ zur Emissionsintensität des
zweiten Phosphors (B) im wesentlichen 0. Daraus ergibt sich
die Formel (IV).
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Für die Konfiguration, die das Vorhandensein sowohl des
ersten Phosphors (A) als auch des zweiten Phosphors (B) im
Bestimmungssystem gestattet und die variablen Komponenten
der entsprechenden Emissionen ausgleicht, leitet sich die
folgende Beziehungsformel aus den Formeln (III) und (IV)
ab.
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IBf /IAf = (IB,0f/IA,0f)·{1+K(Q]} (V)
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In der Beziehungsformel (V) ist die variable Komponente "v"
nicht mehr enthalten. Da IB,0f/IA,0f und K durch den
bestimmten zu verwendenden Phosphor festzulegenden Konstanten
sind, kann die Konzentration [Q] des Quenchers ohne
jegliche Beeinflussung durch variable Komponenten durch die
Erkennung von IBf/IAf (oder von IAf/IBf) ermittelt werden.
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Dieses Verfahren ermöglicht deshalb die stabile Bestimmung
unter hoher Genauigkeit im Vergleich zum herkömmlichen
Verfahren, das die Konzentration [Q] des Quenchers bestimmt,
indem man in dem Bestimmungssystem das alleinige
Vorhandensein des vom Quencher löschbaren Phosphors [erster Phosphor
(A)] induziert und einfach IAf erkennt bzw. bestimmt.
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Nunmehr wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf
Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur optischen Bestimmung der
Konzentration einer spezifischen Substanz bewirkt ähnlich
wie das herkömmliche Verfahren zur Bestimmung der
Konzentration einer spezifischen Substanz die optische Erkennung
der Konzentration einer spezifischen Substanz in einer
Flüssigkeit oder einem Gas, indem es sich die durch die
spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen
Substanz ausgeübte Quench- bzw. Löschwirkung auf die Emission
des Phosphors bzw. Leuchtstoffes zunutze macht. Es läßt
sich analog in verschiedenen Bereichen einsetzen, in denen
das herkömmliche Verfahren angewendet wird. Es wird in
vorteilhafter Weise zur Bestimmung der Konzentrationen von NO,
NO&sub2; in Luft oder zur Bestimmung der Konzentrationen von
Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, Chlor,
Argon und anderer in Wasser, Blut oder anderen wäßrigen
Medien gelöster Gase genutzt. Die durch das
erfindungsgemäße Verfahren zur optischen Bestimmung der Konzentration
einer spezifischen Substanz der Bestimmung unterworfene
Substanz ist nicht nur diejenige spezifische Substanz,
welche den Quench- bzw. Löscheffekt unmittelbar durch die
Emission des ersten Phosphors (A) der später im einzelnen
beschriebenen Art (die der Bestimmung unterworfene Substanz
dient nämlich als Quencher bzw. Löschsubstanz) nachweist,
sondern auch andere durch eine chemische Reaktion dieser
oder jener Art (z. B. eine enzymatische Reaktion) erhaltene
chemische Derivate von der spezifischen Substanz, die die
Fähigkeit besitzen, die Emission des ersten Phosphors (A)
zu löschen (die der Bestimmung unterworfene Substanz dient
nämlich als Quencher bzw. Löschsubstanz).
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Für das erfindungsgemäße Verfahren zur optischen Bestimmung
der Konzentration einer spezifischen Substanz werden der
erste Leuchtstoff bzw. Phosphor (A), welcher durch die
spezifische und der Bestimmung unterworfene Substanz der
obenbeschriebenen Art oder durch ein Derivat der
spezifischen Substanz quench- bzw. löschbar ist, und der zweite
Leuchtstoff bzw. Phosphor (B), welcher im wesentlichen
durch die spezifische Substanz der obenbeschriebenen Art
oder durch ein Derivat der spezifischen Substanz nicht
quench- bzw. löschbar ist, verwendet. Der zu verwendende
erste Phosphor (A) und zweite Phosphor (B) werden in
geeigneter Weise aus den verschiedenen Phosphoren bzw.
Leuchtstoffen gewählt, nämlich solchen Substanzen, welche
bei Anregung durch ein anregendes Licht in Lage sind,
Lumineszenz oder Phosphoreszenz zu erzeugen, die die
Anforderungen an die Phosphore bzw. Leuchtstoffe erfüllen
(die Anforderung, wonach der erste Phosphor durch den
Quencher bzw. die Löschsubstanz quenchbar und wonach der
zweite Phosphor im wesentlichen durch den Quencher nicht
quenchbar ist) . Der erste Leuchtstoff bzw. Phosphor (A)
kann zu einer losen Bindung mit dem Quencher fähig sein, um
einen nichtfluoreszierenden Komplex zu bilden und
statisches Quenchen zu induzieren, oder er kann dazu fähig sein,
im angeregten Zustand mit dem Quencher zu kollidieren,
wodurch ihm die Anregungsenergie entzogen wird, um ein
dynamisches Quenchen zu induzieren. Der hierin zu
verwendende erste Leuchtstoff bzw. Phosphor (A) und der zweite
Leuchtstoff bzw. Phosphor (B) sind natürlich mit der
betreffenden Art des aus der der Bestimmung unterworfenen
Substanz oder einem Derivat aus der Substanz gebildeten
variabel. Ist der Quencher z. B. Sauerstoff, so umfassen die
als erster Leuchtstoff bzw. Phosphor (A) verwendbaren
Verbindungen beispielsweise den
Tris(2,2'-Bipyridin)-Ruthenium(II)komplex, den
Tris(1,10'-Phenanthrolin)-Ruthenium(II) komplex, 1-Pyrenbuttersäure und deren Salzen,
Pyren, Aminopyren, Perylen, Perylendibutylat und 2,7-
Dichlorfluorescein, und die als zweiter Leuchtstoff bzw.
Phosphor (B) verwendbaren Verbindungen umfassen
beispielsweise Proflavinsulfat, Fluorescein-Eosin-Y sowie zahlreiche
andere Leuchtstoffe.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur optischen Bestimmung der
Konzentration einer spezifischen Substanz erfordert im
Bestimmungssystem die Anwesenheit des ersten Leuchtstoffs
bzw. Phosphors (A), welcher durch die spezifische und der
Bestimmung unterworfene Substanz der obenbeschriebenen Art
oder einem Derivat der spezifischen Substanz quenchbar ist,
und des zweiten Leuchtstoffs bzw. Phosphors (B), welcher
durch die spezifische Substanz oder einem Derivat der
spezifischen Substanz im wesentlichen nicht lösch- bzw.
quenchbar ist. Die genaue Erkennung der den
Emissionsintensitäten der jeweiligen Leuchtstoffe entsprechenden
Lichtsignale IAf und IBf kann durch mehrere Verfahren verwirklicht
werden. Einige dieser Verfahren sind nachstehend
aufgelistet.
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(1) Ein Verfahren, welches die optische Trennung
verschiedener Wellenlängenkomponenten aufgrund der
gegenseitigen Differenz zwischen den Emissionsspektra des ersten
Leuchtstoffs bzw. Phosphors (A) und des zweiten
Leuchtstoffs bzw. Phosphors (B) und die Leitung der
getrennten Wellenlängenkomponenten an einen Photodetektor
umfaßt.
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(2) Wenn sich die Emissionsspektra des ersten Phosphors (A)
und des zweiten Phosphors (B) in einem breiten
Wellenlängenbereich überlappen und deshalb durch die optische
Technik nicht exakt in zwei verschiedene
Wellenlängenkomponenten geteilt werden können, ist ein Verfahren
vorgesehen, welches die Erkennung der Emissionen der
Leuchtstoffe in voneinander unabhängigen Zeitpunkten
oder die Erkennung jeweils eines von zwei Lichtsignalen
durch zwei Detektoren umfaßt.
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(3) Ein Verfahren, welches die Berechnung der
Emissionsintensitäten des ersten Leuchtstoffs bzw. Phosphors (A)
und des zweiten Leuchtstoffs bzw. Phosphors (B) durch
Messung der Differenz der Halbwertzeit zwischen der
Emission des ersten Leuchtstoffs bzw. Phosphors (A) und
der des zweiten Leuchtstoffs bzw. Phosphors (B) und die
Analysierung des Meßergebnisses umfaßt.
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Obwohl diese Verfahren gleichbleibend durch die vorhandene
optische Technik durchgeführt werden können, erweist sich
das Verfahren gemäß (1) von allen diesen Verfahren als das
günstigste. Das Verfahren gemäß (2) funktioniert nur dann,
wenn der erste Phosphor (A) und der zweite Phosphor (B)
jeweils in zwei voneinander unabhängigen Reagens schichten
enthalten sind. Außerdem ist es schwierig, die variablen
Komponenten hinsichtlich der Emissionsintensitäten
auszugleichen. Das Verfahren gemäß (3) erfordert zwingend die
Verwendung einer speziellen gepulsten Lichtquelle (wie etwa
eine Wasserstoff-Entladungsröhre oder einen Laser), eine
Einzelphotonen-Zähltechnik, eine Integrationseinrichtung
und einen Rechner. Die Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens ist also kompliziert, und die Bestimmung ist
zeitaufwendig. Der hierin verwendete Begriff
"Reagensschicht" bezieht sich auf die Position, in der der
Leuchtstoff bzw. Phosphor enthalten ist. Im allgemeinen besteht
die Reagensschicht aus einer Matrix, in die der aus der der
Bestimmung unterworfenen Substanz oder einem Derivat der zu
bestimmenden Substanz gebildete Quencher in einfacher Weise
diffundiert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur optischen
Bestimmung der Konzentration einer spezifischen Substanz kann man
die Konzentration [Q] des Quenchers erhalten, indem man die
Emissionsintensitäten des ersten Leuchtstoffs bzw.
Phosphors (A) und des zweiten ersten Leuchtstoffs bzw.
Phosphors (B) durch die vorhandene optische Technik an den
Photodetektor leitet, die Lichtsignale IAf und IBf mittels
des Photodetektors tatsächlich erkennt und diese
Lichtsignale in die obige allgemeine Formel (V) einsetzt:
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IBf/IAf =(IB,0f/IA,0f)·{1+K[Q]} (V)
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Die Terme IB,0f/IA,0f und K in der allgemeinen Gleichung (V)
sind übrigens Konstanten, die durch die tatsächlich zu
verwendenden Leuchtstoffe festzulegen sind. Sie sind im
allgemeinen unbekannt. Es ist deshalb vorzuziehen, das
Verhältnis zwischen dem der Emissionsintensität (IAf) des ersten
Phosphors (A) entsprechenden Lichtsignal und dem der
Emissionsintensität (IBf) des zweiten Phosphors (B)
entsprechenden Lichtsignal relativ zu mindestens zwei bekannten
Konzentrationen zu berechnen und die unbekannten
Konzentrationen der der Bestimmung unterworfenen spezifischen
Substanz
vor der Bestimmung der Konzentration der spezifischen
Substanz zu kalibrieren.
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Das Verfahren zur Durchführung der optischen Bestimmung der
Konzentration einer spezifischen Substanz, wie oben
beschrieben, kann durch eine Vorrichtung durchgeführt werden,
welche folgendes umfaßt: einen aus einer einen Leuchtstoff
bzw. Phosphor enthaltenden Schicht gebildeten Sensorteil,
eine Erregerlichtquelle zur Anregung des Leuchtstoffs bzw.
Phosphors, einen Meßteil zur Erkennung zur Erkennung der
Emissionsintensität und einen Lichtleiterteil zur Übertragung
des der Emission des Leuchtstoffs im Sensorteil
entsprechenden Lichtsignals an den Meßteil und zur
Ausführung der optischen Bestimmung der Konzentration einer
spezifischen Substanz in einer Flüssigkeit oder einem Gas
durch die Nutzung des Quenchens bzw. Löschens des Phosphors
durch die spezifische Substanz oder ein Derivat der
spezifischen Substanz, wobei diese Vorrichtung durch die
Tatsache gekennzeichnet ist, daß der Sensorteil mindestens zwei
Leuchtstoffe bzw. Phosphore enthält, die mindestens einen
durch die spezifische Substanz oder ein Derivat der
spezifischen Substanz quenchbaren bzw. löschbaren Phosphor und
mindestens einen im wesentlichen durch die spezifische
Substanz oder ein Derivat der spezifischen Substanz nicht
quenchbaren bzw. nicht löschbaren Phosphor umfassen, und
der Meßteil mit optischen, technischen Einrichtungen zur
exakten Erkennung der den Emissionsintensitäten der
Leuchtstoffe bzw. Phosphore entsprechenden Lichtsignale versehen
ist. Das obenbeschriebene Verfahren kann insbesondere wegen
der obigen Begründung in einer vorteilhafteren Weise durch
eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Konzentration
einer spezifischen Substanz ausgeführt werden, in welcher
der Sensorteil mindestens zwei Leuchtstoffe bzw. Phosphore
mit Emissionsspektra in voneinander verschiedenen
Wellenlängenbereichen enthält und mindestens einen Leuchtstoff
bzw. Phosphor umfaßt, der durch die spezifische Substanz
oder ein Derivat der spezifischen Substanz quench- bzw.
löschbar ist, und mindestens einen Leuchtstoff bzw.
Phosphor, der durch die spezifische Substanz oder ein Derivat
der spezifischen Substanz im wesentlichen nicht
quenchbzw. löschbar ist.
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In der obenbeschriebenen Vorrichtung zur Bestimmung der
Konzentration einer spezifischen Substanz, reicht es aus,
wenn deren Sensorteil jeweils eine Art des ersten durch die
spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen
Substanz lösch- bzw. quenchbaren Leuchtstoffs (A) und des
zweiten durch die spezifische Substanz oder ein Derivat der
spezifischen Substanz nicht lösch- bzw. quenchbaren
Leuchtstoffs (B) enthält. Selbst wenn der Sensorteil diese
Leuchtstoffe jeweils in einer Vielfalt von Arten enthält,
kann die Vorrichtung sicher betrieben werden, sofern diese
Vorrichtung über einen Meßteil verfügt, welcher zur
unabhängigen Erkennung der Emissionsintensitäten der einzelnen
enthaltenen Leuchtstoffe fähig ist.
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In dem Sensorteil sollten der erste Leuchtstoff bzw.
Phosphor (A) und der zweite Leuchtstoff bzw. Phosphor (B)
vorzugsweise in ein und derselben Reagensschicht enthalten
sein. Der Grund hierfür ist, daß die gemeinsame Verwendung
eines optischen Systems durch die beiden Leuchtstoffe bis
zu dem Schritt der spektralen Streuung der Leuchtstoffe
weiter erleichtert wird und die variablen Komponenten "v"
zwischen dem ersten Leuchtstoff bzw. Phosphor (A) und dem
zweiten Leuchtstoff bzw. Phosphor (B) ausgeglichen werden.
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Wahlweise können der erste Leuchtstoff (A) und der zweite
Leuchtstoff (B) im Sensorteil in zwei voneinander
verschiedenen, jedoch benachbarten Reagensschichten enthalten sein.
In diesem Fall können die beiden Reagensschichten entweder
parallel oder hintereinander relativ zur optischen Achse
angeordnet werden. Der die beiden Reagensschichten
enthaltende Sensorteil ist jedoch im Vergleich zu dem Sensorteil,
welcher den ersten Leuchtstoff (A) und den zweiten
Leuchtstoff (B) in ein und derselben Reagensschicht enthält,
etwas kompliziert.
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Die Erregerlichtquelle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur optischen Bestimmung der Konzentration einer
spezifischen Substanz kann ein stetiges Licht oder ein
pulsierendes Licht liefern, sofern die Lichtquelle in der Lage
ist, eine zur Anregung des ersten Phosphors (A) und des
zweiten Phosphors (B) geeignete Wellenlänge zu erzeugen.
Die hierin wirksam verwendbaren Erregungslichtquellen
umfassen beispielsweise Xenon-,
Ultrahochdruck-Quecksilberlampen, Laser und Leuchtdioden.
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Als Lichtleiterteil zur Führung des der Emission des
Leuchtstoffs bzw. Phosphors entsprechenden Lichtsignals an
den Meßteil kann eine optische Faser oder eine variable
Linse verwendet werden. Zum Ausgleich der variablen
Komponente "v" zwischen dem ersten Phosphor (A) und dem zweiten
Phosphor (B) ist es wünschenswert, den Lichtleiterteil im
Sensorteil gemeinsam für die Emission des ersten Phosphors
(A) und des zweiten Phosphors (B) zu verwenden.
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Der Meßteil zur Messung der vom Lichtleiterteil
übertragenen Lichtsignale kann auf einfache Weise mit Hilfe der
herkömmlichen optischen Technik gebildet werden. Fallen z. B.
das Emissionsspektrum des ersten Phosphors (A) und des
zweiten Phosphors (B) in verschiedene Wellenlängenbereiche,
besteht der Meßteil typischerweise aus einem Spektroskop,
welches in der Lage ist, die Emissionen der Leuchtstoffe in
verschiedene Wellenlängenkomponenten zu streuen, einem
Photodetektor zur Wandlung der Lichtsignale in den
gestreuten Wellenlängenkomponenten in elektrische Signale und
einer Arithmetikeinheit zur Berechnung des Verhältnisses
IBf/IAf zwischen dem der Emissionsintensität des durch die
spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen
Substanz quench- bzw. löschbaren Leuchtstoffs bzw. Phosphors
[erster Phosphor (A)] entsprechenden Lichtsignal IAf und
dem der Emissionsintensität des durch die spezifische
Substanz
oder ein Derivat der spezifischen Substanz im
wesentlichen nicht quench- bzw. löschbaren Leuchtstoffs bzw.
Phosphors [zweiter Phosphor (B)] entsprechenden Lichtsignal
IBf in Übereinstimmung mit dem vom obengenannten
Photodetektor erhaltenen elektrischen Signal.
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Als Spektroskop zur spektralen Streuung des vom
Lichtleiterteil geführten Lichtsignals in verschiedene den
Emissionen der Leuchtstoffe entsprechende Wellenlängenkomponenten
kann man jedes der auf verschiedenen spektroskopischen
Verfahren basierenden Spektroskope verwenden, wie z. B. (1) das
Verfahren, welches ein optisches Filter wie ein
Interferenzfilter oder einen Zweifarbenfilterspiegel verwendet,
(2) das Verfahren, welches ein Beugungsgitter verwendet,
und (3) das Verfahren, welches ein Prisma verwendet [wie
dies detailliert in "Applied Spectroscopy Handbook",
(veröffentlicht von Asakura Shoten), beschrieben ist]. Von
diesen Verfahren ist das Verfahren (1), welches ein
optisches Filter verwendet, im Betrieb am kostengünstigsten.
Das Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens hat eine
kompakte Struktur. Das mit einem Beugungsgitter arbeitende
Verfahren (2) erweist sich dann als vorteilhaft, wenn die
Spektroskopie mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden
soll. Das ein Prisma verwendende Verfahren (3) ist übrigens
für den allgemeinen Einsatz nicht geeignet, da seine
Helligkeit begrenzt ist, obwohl das Gerät von einfacher
Struktur ist.
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Der Photodetektor ist in der Fachliteratur detailliert
beschrieben und kann in geeigneter Weise je nach
Emissionswellenlänge des Leuchtstoffs bzw. Phosphors, der
Emissionsintensität und dergl. gewählt werden. Zur Bestimmung eines
schwachen Lichts im ultravioletten und sichtbaren Bereich,
einschl. der Wellenlängenbereiche der Emissionen
zahlreicher Leuchtstoffe, wird allgemein der Photoelektronen-
Vervielfacher aufgrund der damit erzielbaren höchsten
Empfindlichkeit verwendet. Außerdem sind solche Festkörper-
Photodetektoren, wie Photodioden und Phototransistoren,
verwendbar. Sind im Sensorteil jeweils der erste
Leuchtstoff bzw. Phosphor (A) und der zweite Leuchtstoff bzw.
Phosphor (B) vorhanden, so kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Konzentration einer
spezifischen Substanz so konfiguriert sein, daß sie zwei
Photodetektoren oder einen Photodetektor enthält. Mit der
erstgenannten Konfiguration bietet das optische System eine
strukturelle Einfachheit, da zwei Photodetektoren (eine
Photodiodenanordnung bzw. -matrix ist ausreichend, da die
Matrix selbst eine Mehrelementeneinrichtung darstellt)
verwendet werden, damit die Emissionen der einzelnen
Leuchtstoffe unabhängig voneinander bestimmt werden können. Im
Gegensatz dazu wird bei der zweitgenannten Konfiguration
wie bei vielen zweistrahligen spektroskopischen Geräten
(z. B. einem Spektrophotometer für den sichtbaren und
ultravioletten Bereich) ein Lichtzerhacker oder ein Drehspiegel
verwendet, um den Zeittakt der spektralen Streuung zu
teilen oder um den Zeittakt der Einführung des gestreuten
Lichts zwischen zwei Emissionen in den einen Detektor zu
differenzieren, und zur Erzielung einer synchronen
Verstärkung ist ein Folgeverstärker vorgesehen. Die
letztgenannte Konfiguration nutzt den Vorteil des Dunkelstrom-
Offset des Photodetektors, obwohl die Struktur kompliziert
ist.
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Die Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der
Konfiguration einer typischen Vorrichtung zur optischen Bestimmung
der Konzentration einer spezifischen Substanz als ein
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der in der
Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur optischen Bestimmung der
Konzentration einer spezifischen Substanz handelt es sich
um eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von in
einer Flüssigkeit gelösten Sauerstoff. Sie verfügt über
folgendes: eine Erregerlichtquelle mit einer mit einer
elektrischen Gleichstromquelle 1 gekoppelten
Ultrahochdruck-Quecksilberlampe 2, ein Sensorteil mit einer von
einer für gelösten Sauerstoff selektiv durchlässigen
Membran 17 abgedeckten Sonde mit einer Reagensschicht 16, die
in ein und derselben Matrix den ersten durch Sauerstoff
quenchbaren Leuchtstoff bzw. Phosphor (A) und den zweiten
durch Sauerstoff im wesentlichen nicht quenchbaren
Leuchtstoff bzw. Phosphor (B) gleichmäßig dispergiert enthält,
einen Lichtleiterteil mit einer optischen Faser 15, welche
gemeinsam für die Emissionen im Sensorteil verwendet wird,
einen Meßteil mit einem durch Kombination aus einem
Strahlteiler 12 und Interferenz filtern 8 und 9 gebildeten
Spektroskop
zum selektiven Durchlaß nur derjenigen Abschnitte
der Leuchtstoffemissionen, welche in bestimmte
Wellenlängenbereiche fallen, einen aus zwei Photoelektronen-
Vervielfachern 10a, 10b gebildeten Photodetektor zur
Erkennung der die Interferenzfilter 8 und 9 passierenden
Lichtsignale und zu ihrer Wandlung in elektrische Signale und
eine Arithmetikeinheit 20 zur Berechnung des Verhältnisses
der von den beiden Photoelektronen-Vervielfachern 10a, 10b
(das Verhältnis zwischen dem der Emissionsintensität des
ersten Phosphors (A) entsprechenden Lichtsignals und dem
der Emissionsintensität des zweiten Phosphors (B)
entsprechenden Lichtsignals) erhaltenen elektrischen Signale.
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Bei dieser Vorrichtung passiert das von der Ultrahochdruck-
Quecksilberlampe 2 emittierte Anregungslicht eine Membran 3
und wird durch ein Interferenzfilter 4 behandelt, um von
dem Licht einen spezifischen Wellenlängenbereich selektiv
zu trennen. Das getrennte Licht wird durch eine konvexe
Linse 5a konvergiert, auf einen Zweifarbenfilterspiegel 6
zur Reflexion und Polarisation geworfen, durch eine
Objektivlinese 7 konvergiert und in die optische Faser 15
eingespeist. Wenn das von der optischen Faser 15 geführte
Anregungslicht die am Eintrittsende der optischen Faser 15
angebrachte Reagensschicht 16 erreicht, werden der in der
Reagensschicht 16 enthaltene erste Phosphor (A) und zweite
Phosphor (B) veranlaßt, Emissionen ihrer eigenen
Wellenlängen abzustrahlen. Die Emissionen treffen auf das
optische Filter 15. Die Emission des ersten Leuchtstoffs bzw.
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Phosphors (A) wird gequencht, da gelöster Sauerstoff in
einer Reagenslösung 19 in einem Wasserbad 18 enthalten ist,
und dieses gelöste Sauerstoffgas durchdringt eine
durchlässige Membran 17 und diffundiert in die Reagensschicht
16. In der Zwischenzeit wird die Emission des zweiten
Leuchtstoffs bzw. Phosphors (B) durch das Vorhandensein des
obenerwähnten gelösten Sauerstoffs nicht beeinflußt. Die
über die optische Faser 15 übertragene und von dieser
emittierten Emission wird durch die Objektivlinse konvergiert,
passiert den Zweifarbenfilterspiegel 6, wird durch das Paar
konvexer Linsen 5a, 5b erneut konvergiert, durch den
Strahlteiler 12 in zwei gleiche Lichtflüsse geteilt und zu
den Interferenzfiltern 8 und 9 gebracht. Nur das
Lichtsignal im Wellenlängenbereich der Emission des zweiten
Leuchtstoffs bzw. Phosphors (B) passiert das
Interferenzfilter 8. Das der Emission des zweiten Leuchtstoffs (B)
entsprechende Lichtsignal wird erkannt und durch den
Photoelektronen-Vervielfacher 10a in ein elektrisches Signal
gewandelt. Das elektrische Signal wird durch einen
Vorverstärker 11a verstärkt und an die Arithmetikeinheit 20
geschickt. Nur das Lichtsignal im Wellenlängenbereich der
Emission des ersten Leuchtstoffs bzw. Phosphors (A)
passiert das Interferenzfilter 9. Das der Emission des ersten
Leuchtstoffs (A) entsprechende Lichtsignal wird erkannt und
durch den Photoelektronen-Vervielfacher 10b in ein
elektrisches Signal gewandelt. Dieses elektrische Signal wird
durch einen Vorverstärker 11b verstärkt und an die
Arithmetikeinheit 20 geschickt. In der Arithmetikeinheit 20 wird
das Verhältnis der über die Photoelektronen-Vervielfacher
10a und 10b erhaltenen elektrischen Signale berechnet.
Dieses Verhältnis wird durch einen Verstärker 13 verstärkt und
in einem Aufzeichnungsgerät aufgezeichnet oder von einem
digitalen Vielfachinstrument 14 angezeigt.
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Nachstehend wird diese Erfindung unter Bezugnahme auf ein
praktisches Beispiel näher beschrieben.
Beispiel
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Als der erste Leuchtstoff bzw. Phosphor (A) wurde durch
Sauerstoff quenchbares
Ruthenium(III)-Tris(2,2'-Bipyridinchlorid (produziert von der Aldrich Corp.), und als der
zweite durch Sauerstoff nicht quenchbare Leuchtstoff bzw.
Phosphor (B) wurde Proflavinsulfat produziert von der
Aldrich Corp.) verwendet.
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Zunächst löste man in 1 ml einer wäßrigen Lösung mit 5 mM
Ruthenium(III)-Tris(2,2'-Bipyridinchlorid und 0,1 mM
Proflavinsulfat 100 mg Polyvinylpyrrolidon (produziert von
Wako Junyaku K.K. und vermarktet unter dem Produktcode
"K-30").
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Ein Anschluß der auf eine Länge von 2 m zugeschnittenen
optischen Faser (produziert von der Mitsubishi Rayon
Company Limited und vermarktet unter dem Produktcode
"SH-2001") wurde in die obengenannte wäßrige Lösung gelegt
und aus dieser herausgezogen und getrocknet, um eine
Reagensschicht (mit einer Dicke von ca. 0,01 mm) zu erhalten.
Danach trug man ein Silikon-Dichtmittel (produziert von
Toray Silicone K.K. und vermarktet unter dem Produktcode
"SE-2001") auf die Reagensschicht auf und ließ dieses
aushärten, so daß sich eine sauerstoffdurchlässige Membran
(mit einer Dicke von ca. 0,05 mm) bilden konnte. Die mit
einer Sonde zur Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff
versehene wie oben beschrieben erhaltene optische Faser
wurde in einer wie in der Fig. 1 konfigurierten Vorrichtung
zur Bestimmung der Konzentration einer spezifischen
Substanz angeordnet. Bei der in der Fig. 1 dargestellten
Vorrichtung betrug die maximale Durchlaßwellenlänge des
Interferenzfilters 4 435 nm, die maximale Durchlaßwellenlänge
des Interferenzfilters 8 betrug 610 nm, die maximale
Durchlaßwellenlänge des Interferenzfilters 9 betrug 510 nm, die
Brennweite f der konvexen Linsen 5a, 5b und 5c betrug
200 mm und der Vergrößerungsfaktor der Objektivlinse 7 war
20. In den Wasserbehälter 19 füllte man Wasser ein, und in
das Wasser wurde sauerstoffhaltiges Stickstoffgas
eingeblasen.
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Die obengenannte Sonde wurde in das Wasser gebracht und das
Verhältnis IBf/IAf der Emissionsintensitäten für
variierende Partialdrücke des Sauerstoffs gemessen. Die Ergebnisse
sind in der Tabelle 1 und der Fig. 2 dargestellt.
Tabelle 1
Sauerstoffkonzentration in dem in Wasser eingeleiteten Gas (mol-%) IBf/IAf
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0 0,659
-
7,0 0,772
-
13,4 0,867
-
20,5 0,973
-
29,2 1,104.
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Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, wurde eine
hinreichend lineare Beziehung zwischen dem Partialdruck des
Sauerstoff und dem Verhältnis IBf/IAf erzielt. (Die
Konzentration des gelösten Sauerstoffgases in Wasser ist
direkt proportional zum Partialdruck des Sauerdruck im
eingespeisten Gasgemisch [Henry-Gesetz]). Das Verhältnis
IBf/IAf blieb durch eine beabsichtigte Änderung der
Lichtintensität von der Erregerlichtquelle mittels einer Membran
unbeeinflußt.
Industrielle Anwendbarkeit
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Wie oben beschrieben, richtet sich die Erfindung auf ein
Verfahren zur optischen Bestimmung der Konzentration einer
spezifischen Substanz in einer Flüssigkeit oder einem Gas,
indem man sich das Quenchen bzw. Löschen eines Leuchtstoffs
bzw. Phosphors durch die spezifische Substanz oder ein
Derivat der spezifischen Substanz zunutze macht, wobei
dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es die
Erkennung
der Konzentration einer spezifischen Substanz
verwirklicht, indem es das Vorhandensein sowohl eines ersten
Phosphors (A), welcher durch die spezifische Substanz oder ein
Derivat der spezifischen Substanz gequencht bzw. gelöscht
wird, als auch eines zweiten Phosphors (B), welcher nicht
wesentlich durch die spezifische Substanz oder ein Derivat
der spezifischen Substanz gequencht bzw. gelöscht wird,
induziert, ein der Emissionsintensität (IAf) des ersten
Phosphors (A) entsprechendes Lichtsignal und ein der
Emissionsintensität (IBf) des zweiten Phosphors (B) entsprechendes
Lichtsignal bestimmt und das Verhältnis zwischen den
Lichtsignalen berechnet. Das Verfahren kann deshalb die
Konzentration einer spezifischen Substanz in einer Flüssigkeit
oder einem Gas stabil mit hoher Genauigkeit bestimmen, ohne
durch solche variablen Faktoren, wie die Lichtintensität
der Erregerlichtquelle, und Schwankungen der physikalischen
Bedingungen, einschl. Knicke in der als der Lichtleiterteil
dienenden optischen Faser und die Temperatur der
Umgebungsluft, beeinflußt zu werden. Diese Erfindung bedeutet
deshalb einen großen Fortschritt auf dem Gebiet verschiedener
Typen von Analysen und Bestimmungen, wie z. B. die
Bestimmung der Konzentrationen von O&sub2;, NO, NO&sub2; etc. in Luft und
die Bestimmung der Konzentrationen von in Wasser, Blut und
sonstigen wäßrigen Medien gelösten Sauerstoff, Stickstoff,
Wasserstoff, Kohlendioxid, Chlor und Argon sowie in
verschiedenen industriellen auf Analyse und Bestimmung
basierenden Bereichen.
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Des weiteren läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur optischen Bestimmung der Konzentration einer
spezifischen Substanz die Bestimmung der Konzentration der
spezifischen Substanz leichter verwirklichen, wenn das
Verhältnis zwischen dem der Emissionsintensität (IAf) des ersten
Leuchtstoffs bzw. Phosphors (A) entsprechenden Lichtsignal
und dem der Emissionsintensität (IBf) des zweiten
Leuchtstoffs bzw. Phosphors (B) entsprechenden Lichtsignal zum
Zweck der Kalibrierung hinsichtlich mindestens zweier
verschiedener bekannter Konzentrationen der spezifischen
Substanz vor der Erkennung der Konzentration der
spezifischen Substanz berechnet wird. Insbesondere läßt sich die
Bestimmung unter noch höherer Genauigkeit und mit einer
einfachen Konfiguration verwirklichen, wenn das
Emissionsspektrum des ersten Phosphors (A) und das Emissionsspektrum
des zweiten Phosphors (B) in voneinander verschiedene
Wellenlängenbereiche fallen.
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Des weiteren richtet sich die Erfindung auf eine
Vorrichtung, welche folgendes umfaßt:
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einen aus einer einen Phosphor enthaltenden Schicht
ausgebildeten Sensorteil, eine Erregerlichtquelle zur Anregung
des Phosphors, einen Meßteil zur Erkennung der
Emissionsintensität und einen Lichtleiterteil zur Übertragung des der
Emission des Phosphors im Sensorteil entsprechenden
Lichtsignals an den Meßteil und zur Ausführung der optischen
Bestimmung der Konzentration einer spezifischen Substanz in
einer Flüssigkeit oder einem Gas durch die Nutzung des
Quenchens bzw. Löschen des Phosphors durch die spezifische
Substanz oder ein Derivat der spezifischen Substanz, wobei
diese Vorrichtung durch die Tatsache gekennzeichnet ist,
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daß der Sensorteil mindestens zwei Leuchtstoffe bzw.
Phosphore enthält, die mindestens einen durch die spezifische
Substanz oder ein Derivat der spezifischen Substanz
quenchbaren bzw. löschbaren Phosphor und mindestens einen im
wesentlichen durch die spezifische Substanz oder ein Derivat
der spezifischen Substanz nicht quenchbaren bzw. nicht
löschbaren Phosphor umfassen, und der Meßteil mit
optischen, technischen Einrichtungen zur exakten Erkennung der
den Emissionsintensitäten der Leuchtstoffe bzw. Phosphore
entsprechenden Lichtsignale versehen ist. Somit kann auf
Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens zur optischen
Bestimmung der Konzentration einer obenerwähnten spezifischen
Substanz die Konzentration der spezifischen Substanz in
einer Flüssigkeit oder einem Gas stabil unter hoher
Genauigkeit ohne Beeinflussung durch variable Faktoren bestimmt
werden.
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Darüber hinaus kann die Bestimmung der Konzentration einer
spezifischen Substanz unter hoher Genauigkeit mit einer
einfacheren Konfiguration ausgeführt werden, wenn der
Sensorteil mindestens zwei Leuchtstoffe bzw. Phosphore
enthält, deren Emissionsspektra in voneinander verschiedenen
Wellenlängenbereichen liegen und mindestens einen durch die
spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen
Substanz quench- bzw. löschbaren Leuchtstoff bzw. Phosphor und
mindestens einen durch die spezifische Substanz oder ein
Derivat der spezifischen Substanz im wesentlichen nicht
quench- bzw. löschbaren Leuchtstoff bzw. Phosphor umfaßt,
in welcher der Sensorteil zur gemeinsamen Emission der
Leuchtstoffe bzw. Phosphore dient und der Meßteil mit einem
Spektroskop zur spektralen Streuung der vom Lichtleiterteil
in verschiedenen Wellenlängenkomponenten geführten den
Emissionen der Leuchtstoffe bzw. Phosphore entsprechenden
Lichtsignale versehen ist, und welche einen Photodetektor
zur Wandlung der Lichtsignale in den aus der spektralen
Streuung resultierenden Wellenlängenkomponenten und eine
Arithmetikeinheit zur Berechnung des Verhältnisses zwischen
dem der Emissionsintensität des durch die spezifische
Substanz oder ein Derivat der spezifischen Substanz
quenchbaren Leuchtstoffs bzw. Phosphors entsprechenden
Lichtsignal und dem der Emissionsintensität des im wesentlichen
durch die spezifische Substanz oder ein Derivat der
spezifischen Substanz nicht quenchbaren Leuchtstoffs bzw.
Phosphors entsprechenden Lichtsignal in Übereinstimmung mit den
vom Photodetektor erhaltenen elektrischen Signal umfaßt.
Der Einfluß der variablen Faktoren kann auf einem noch
niedrigeren Niveau gehalten und ein stabileres
Ansprechverhalten erzielt werden, wenn der Sensorteil den durch die
spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen
Substanz quenchbaren Leuchtstoff bzw. Phosphor und den durch
die spezifische Substanz oder ein Derivat der spezifischen
Substanz im wesentlichen nicht quenchbaren Leuchtstoff bzw.
Phosphor in ein und derselben Reagensschicht enthält.