DE3214049A1

DE3214049A1 - Spektralfluorometer

Info

Publication number: DE3214049A1
Application number: DE19823214049
Authority: DE
Inventors: Heinz DDR-1150 Berlin Drommert; Hartmut Dr.rer.nat. DDR-1185 Altglienicke Lucht; Reiner Dipl.-Phys. DDR-1199 Berlin Wendt
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1982-04-16
Publication date: 1983-01-05
Also published as: US4490040A; GB2102120A; DD159567A1; DD159567B1; JPS5837546A; GB2102120B

Description

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Spektralfluorometer

Die Erfindung bezieht eich auf die Messung von Lumineszenz für die qualitative und quantitative Analyse von Stoffea.

Lumineszenzmessungen sind für die Untersuchungen fotophysikalischer und fotochemischer Eigenschaften elektronisch angeregter Atome und Moleküle besonders bei kleinen Konzentrationen geeignet. Der prinzipielle Aufbau der Spektralfluorometer ist einheitlich. Eine Strahlungsquelle mit einem breiten spektralen Kontinuum, in der Regel eine Xenonlampe, wird auf den Eintrittsspalt eines Anregungsmonochromators abgebildet. Das am Austrittsspalt auftretende monochromatische Licht wird durch Linsen auf die Probe fokussiert, wobei die Anregung der Probe erfolgt und in deren Folge die Lumineszenz entsteht. Das-Lumiaeszenzlicht wird in der Hegel unter rechtem Winkel zum anregenden Licht über weitere Linsen auf den Eintrittsspalt des Emlssionsmonochromators fokussiert, hinter deren Austrittsspalt ein Fotodetektor angeordnet ist. Nachteile dieser Anordnung sind, daß durch die Vielzahl der Linsen zur Fokussierung des Lumineszenzlichts auf den Eintrittsspalt Lichtverluste und Streulicht entstehen. Der Spalt selbst verursacht besonders bei hoher Auflösung des Emissionsmonochromators und damit bei ge-

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ringer Spaltweite durch Ausblendung weitere Verluste und durch Beugung am Spalt weiteres Streulicht. Das nutzbare öffnungsv.erhältnis für die Fokussierung des Lumineszenzlichtes auf den Eintrittsspalt wird durch Abbildungsfehler begrenzt. Bei der Messung der Proben erfolgt die Anregung entlang des anregenden Lichtbündele in der gesamten Probe. Bei der Fokussierung des Lumineszenzlichtes auf den Eintrittsspalt des Emissionsmonochromatore entsteht in der Spaltebene das Bild der angeregten Probe» das sich senkrecht zum Spalt erstreckt. Die erzielbare Empfindlichkeit wird dadurch stark gemindert. Ferner ist für die Messung stark absorbierender Proben eine Veränderung des Strahlenganges erforderlich, da die Anregung der Probe und die Messung der Lumineszenz von der selben Seite erfolgen muß.

Dies wird in der Regel als Messung im Auflicht bezeichnet.

Ziel der Erfindung ist,es, Lumineszenz mit hoher Empfindlichkeit und großem Signal/Untergrund - Verhältnis im Auflicht und unter rechtem Winkel zu messen, wobei auch bisher nicht meßbare Mengen an lumineszierender Substanz analysiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Spektralfluorometer die Anzahl der Linsen und Spalte zur Erfassung der Lumineszenzstrahlung zu verringern und die Begrenzung in der Empfindlichkeit, wie sie die bekannten Spektralfluorometer bedingt durch ihren Aufbau zeigen, zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird das bei einem Spektralfluorometer mis einer Laserlichtquelle oder mit mehreren Laserlichtquelle:-, mit Spiegeln oder Linsen zur Fokussierung des Laserstrahles auf die Probe und einem Emissionsmonochromator oder -spektrographen, dadurch erreicht, daß der anzuregende Bereich des Probenraumes in dem Objektpunkt des Emissions-

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monochromatore oder -spektrographen angeordnet ist, daß die Eintrittslinse, der Eintrittsspiegel oder das Konkavgitter des Emissionsmonochromators oder «spektrographen in der Mitte eine Öffnung besitzt, durch die der anzuregende Laserstrahl auf die Probe trifft, und oder daß Mittel, zum Beispiel Spiegel, zur Führung des Laserstrahles außerhalb der Symmetrieebene des Enissionsmonochromators oder «spektrographen angeordnet sind, wobei die Ebene, in der der Laserstrahl nach Durchlaufen von Umlenkspiegeln auf den Objektpunkt trifft, die Eintrittsachse des Emissionsmonochromators oder -spektrographen enthält und senkrecht zur Symmetrieebene des Emissionsmonochromators oder -spektrographen steht.

Die Symmetrieebene des Eaissionsmonochromatore oder -spektrographen ist die Ebene durch die Mitte der Eintritt soff nung, den Mittelpunkt der Eintrittlinse, des Eintrittsspiegels oder des Konkavgitters und durch den Mittelpunkt der Auetritteöffnung. Die Eintritteachse des Emissionsmonochromators oder -spektrographen geht durch die Mitte der Eintrittsöffnung und den Mittelpunkt der Eintrittslinse, des Eintrittsspiegels oder des Konkavgitters·

Bei ausreichender Fokussierung des Laserlichtes in der Probe ist in der Eintrittsöffnung des Emissionsmonochromators oder -spektrographen kein Eintrittsspalt, am Ort des zum Objektpunkt konjugierten Punktes des Emissionsmonochromators der Austrittespalt und am Ort des zum Objektpunkt konjugierten Punktes des Emissionsspektrographen vorteilhaft eine Halbleiterfotodetektorzelle angeordnet. Werden Halbleiterfotodetektoren eingesetzt, so besitzen sie im Vergleich zu einem Potomultiplier kleine lichtempfindliche Flächen. In diesen Fall werden vorteilhaft für den Emissionsmonochromator oder -spektrographen korrigierte holographische Gitter mit geringen Antigmatismus benutzt. Für einige Anwendungen ist der erzielbare Streulichanteil im Emissionsmonochromstor oder -spektrographen noch zu hoch oder die spektrale Auflösung gering.

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Ih diesem Fall wird uister Beautzuag eiaes Koakavgitters im Emiesloaemoaochromator uad bei Abbildung der nulltea odtr eiaer höhere» Ordauag auf dea Auetritteepalt dem Auetrittsspalt eia «eiterer Moaochromator oder Spektrograph aachgeordaet.

Vorteilhaft enthält der nachgeordnete Monochromator oder Spektrograph ein Konkavgitter, das gleiche Parameter wie das Konkavgitter des Emissionsmonochromators besitzt. Beide Konkavgitter erhalten eine Aufstellung für den Betrieb in der gleichen Ordnung. Das Licht von dem Konkavgitter des Emissionsmonochromators wird dabei seitenverkehrt auf das Konkavgitter des nachfolgenden Monochromators oder Spektrographen gerichtet. Der Austrittsspalt des Emissionsmonochromators ist der Eintrittsspalt des nachgeordneten Monochrometors oder Spektrographen. Die Abbildung der nullten Ordnung auf den Eintrittsspalt des nachgeordneten Monochromators oder Spektrographen ist identisch mit einer Abbildung des dem Konkavgitter entsprechenden Konkavspiegels.

Bei schwach absorbierenden Proben und Anregung durch die Mitte der Eintrittslinse, des Eintrittsspaltes oder des Konkavgitters erfolgt durch eine große Probendicke eine zusätzliche Defokussierung in der Auetrittsöffnung des Emissionsmonochromators oder -spektrographen· Daher 1st die Dicke der Probe gering. Auf der Rückseite der Probe befindet sich ein Spiegel, der den anregenden Laserstrahl in sich reflektiert. Dadurch erfolgt eine verstärkte Anregung der Probe und eine Steigerung der Empfindlichkeit des Spektralfluorometers. Das erfindungsgemäße Spektralfluorometer gestattet eine Einsparung von Spiegeln und Linsen zur Abbildung des Lumineszenzlichtes auf den Eintrittsspalt des Emissionsmonochromators und die Einsparung des Eintrittsspaltes. Dies ergibt eine erhebliche Senkung; des Streulichtes. Das Lumineszenzlicht aus der gesamten Probe kommt zum Nachweis.

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Im Gegensatz zu bekannten Spektralfluorometern stellt das Bild der angeregten Probe nicht senkrecht zum Eintrittsspalt des Emissionsmonochromators, so daß eine Ausblendung eines erheblichen Anteiles an Lumineszenzlicht in Abhängigkeit von der Spaltweite vermieden wird. Weiterhin ergibt sich eine Empfindlichkeitssteigerung. Mit dem erfindungsgemäßen Spektralfluororaeter kann die Lumineszenz sowohl im Auflicht als auch unter 90° geraessen werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß besonders bei Anregung der Probe die Bütte der Eintrittslinse, des Eintrittaspiegels oder des Konkavgitters des Emiasionstaonochromators oder -spektrographen besonders bei Anwendung von weitgehend etigmatischen Gittern in der Austritts-Öffnung angenähert punktförmige Bilder der angeregten Probe entstehen, die zum Nachweis mit Halbleiterfotodetektoren, insbesondere auch zum Nachweis mit Halbleiterfotodetektorzeilen, besonders geeignet sind. Alle diese Vorteile gestatten es mit dem erfindungsgemäßen Spektralfluorometer kleinste Mengen an lumineszierender Substanz zu messen, die bisher nicht gemessen werden konnten.

Die Erfindung soll an einem Ausftihrungsbeispiel näher erläutert werden.Es zeigen

Figur 1 die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen. Spektralfluorometers in einer Seitenansicht. Figur 2 die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Spektralfluorometers in einer Draufsicht. Figur 3 die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Spektralfluorometers mit einer Halbleiterfotodetektorzeile zum Nachweis des Lumineszenzlichtes. Figur 4 die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Spektralfluorometers mit zwei Konkavgittern in einer Seitenansicht.

Figur 5 die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Spektralfluorometers in einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht.

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In Figur 1 wird auegehend von einem lU-Laser 1 im Strahlteiler 22 an der teilweise reflektierenden Beschichtung ein Anteil von ca, 10 % aus dem Strahlengang ausgesondert. Die restliche Laserstrahlung pumpt einen in der Wellenlänge durchstirnmbaren Farbstofflaser 2. Die im Farbstofflaser 2 erzeugte Strahlung wird Über die Sammellinse 3 zur Fokussierung der Laserstrahlung auf die Probe 4, den Graukeil 12 und die Umlenkspiegel 17 und 6, die den Laserstrahl parallel versetzen, auf den Objektpunkt 25 in der Probe 4 gerichtet. Dabei durchläuft die Laserstrahlung eine öffnung in der Mitte des Konkavgittere 7 eines E&issionsmonochromators und die Blende 8 für das Lumineszenzlicht. Die Rückseite der Probenkttvette besitzt eine Verspiegelung 32. Die in der Probe 4 erzeugte Lumineszenz wird in entgegengesetzter Richtung zur Anregung gemessen.

Dabei durchläuft das Lumineszenzlicht die Blende 8 und trifft auf ein holographisches Konkavgitter 7. Das Konkavgitter 7 ist korrigiert und besitzt geringen Astigmatismus,

Die Blende 8 und das Konkavgitter 7 gestatten ein öffnung^- verhältnis zum Nachweis des Lumineszenzlichtes von 1/3. Je nach Stellung des Gitters 7 wird Lumineszenzlicht mit bestimmten Wellenlängen über den senkrecht stehenden Umlenkepiegel 11 auf den Austrltteepalt 9 fokussiert. Die Position des Objektpunktee des Konkavgitters 7 und des Austrittsspeltes 9 ist derart, daß durch Drehung des Konkavgitters 7 die gewünschte Wellenlänge am Austrittsspalt 9 erscheint, wobei über einen möglichst großen Spektralbereich am Austrittsspalt 9 der Astigmatismus klein und die spektrale Auflösung groß ist. Das Gitter 7 wird in der ersten negativen Ordnung betrieben. Hinter dem Austrittsspalt 9 befindet sich der Fotodetektor 10, Die Figur 2 zeigt dasselbe Spektralfluorometer in einer Draufsicht.

Der im Strahlteiler 22 an der Beschichtung 15 reflektierte Anteil der Strahlung vom Ng-Laser wird über die Spiegelfläche 26 des Strahltellers 22, über die Sammellinse 5»

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über den Graukeil 13. die Spiegelfläche 2? des Strahlenvereinigers 23 und dem Umlenkspiegel 6 auf die Probe gelenkt« Der Spiegel 17 für die Strahlung des Farbstofflasers ist für die Strahlung des JU-lasers durchlässig. Nach dem Spiegel 17 besitzen der Ng-Laserstrahl und der Farbstofflaserstrahl die gleiche Lage. Der Strahlvereiniger 23 kann aus dem Strahlengang entfernt werden, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Dann trifft die Farbstofflaserstrahlung auf den Spiegel 19 und wird unter rechtem Winkel auf den Objektpunkt 25 in der Probe 4 gelenkt. Der Spiegel 19 dee Strahlvereinigers 24 reflektiert nur für den Wellenlängenbereich des Farbstofflasers 2 und ist für die Strahlung des N₂-Lasers durchlässig. Der Hg-Laserstrahl trifft auf die Spiegelfläche 28 und wird unter rechtem Winkel auf den Objektpunkt 25 gelenkt. Nach dem Spiegel 19 besitzen beide Laserstrahlen die gleiche Lage. Die Anregung erfolgt nun unter rechtem Winkel zur Meßrichtung des Lumineszenzlichtes.

Figur 3 zeigt die schematische Darstellung des erfindungsgeaäßen Spektralfluorometers, wobei ein Emissionsspektrograph zur Anwendung kommt. Die Laserstrahlung trifft durch eine öffnung in der Kitte des Konkavgitters 7 und durch die Blende 8 für das Lumineszenzlicht auf den Objektpunkt 25 in der Probe 4. Das korrigierte holographische Konkavgitter 7 mit geringem Astigmatismus erfaßt das Lumineszenzlicht und in den zu dem Objektpunkt 25 konjugierten Punkten 34 entsteht das Lumineszenzspektrum. Dort ist eine Halbleiterfotodetektorzeile 33 angeordnet, die gleichzeitig die Erfassung des Spektrums gestattet. In Figur 4 wird dem erfindungsgemäßen Spektralfluorometer zur weiteren Senkung des Streulichtanteiles ein Monochromator nachgeordnet. Das Lumineszenzlicht gelangt ausgehend vom Auetrittsspalt 9 dee Emissionsmonochromators über den senkrecht stehenden Spiegel 36 auf das Konkavgitter 37 und wird auf den Austrittsspalt 35 fokussiert. Falls das Gitter 7 des ersten Monochromators die nullte Ordnung auf den Spalt 9 abbildet kann durch Drehung des Gitters 37 das gesamte Spektrum gemessen werden.

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Wird die negative erste Ordnung auf den Spalt 9 abgebildet so wird durch synchrones Drehen des Gitters 37 am Austritts· spalt 35 stets die gleiche Wellenlänge abgebildet, wie sie am Spalt 9 vorliegt. Das Gitter 37 hat die gleichen Parameter wie das Gitter 7 und wird gleichermaßen in der ersten negativen Ordnung betrieben.

In Figur 5 wird in gleicher Weise wie im ersten Beispiel ausgehend vom Ng-Laser 1 ein durchstimmbarer Farbstofflaser 2 gepumt. Die Laserstrahlung vom Farbstofflaser 2 wird durch die Linse 3» den Graukeil 12 und die umlenkspiegel und 39 auf die Probe 4 fokussiert. Der Umlenkspiegel 39 lenkt den Laserstrahl entlang der Eintrittsachse des Emissionamonochromators auf den Objektpunkt 25 und besitzt einen sehr kleinen Durchmesser. Der Umlenkspiegel 38 kann durch eine Vorrichtung in eine weitere Position verschoben werden, so daß der anregende Laserstrahl unter rechtem Winkel zur Eintrittsachse des Emissionsmonochromators auf den Objektpunkt 25 gelenkt wird.

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Claims

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Patentanspruch.

ί O Spektralfluorometer mit einer Laserlichtquelle oder mit mehreren Laserlichtquellen, mit Spiegeln oder Linsen zur Fokussierung des Laserstrahles auf die Probe und einem Emissionsmonochromator oder -spektrographen, gekennzeichnet dadurch, daß der anzuregende Bereich des Probenraumes in dem Objektpunkt (25) des Emissionsmonochromators oder -spektrographen angeordnet ist, daß die Eintrittslinse, der Eiatrittsspiegel oder das Konkavgitter (7) des Emissionsmonochromators oder -spektrographen in der Mitte eine öffnung besitzt, durch die der anregende Laserstrahl auf die Probe (4) trifft, und oder daß Mittel, zum Beispiel Spiegel, zur Führung des Laserstrahles außerhalb der Symmetrieebene des Emissionsmonochromators oder -spektrographen angeordnet sind, wobei die Ebene in der der Laserstrahl nach Durchlaufen von Umlenkspiegeln (19, 28, 38, 39) auf den Objektpunkt (25) trifft, die Eintritteachse des Emissionsmonochromators oder -spektrographen enthält und senkrecht zur Symmetrieebene des Emissionsmonochromators oder -spektrographen steht.
2. Spektralfluorometer nach Anspruohl, gekennzeichnet dadurch, daß in der Austrittsöffnung des Emissionsmonochromators oder -spektrographen am Ort des zum Objektpunkt konjugierten Punktes des Emissionszone» chroma tors der Austrittsspalt (9) und am Ort zum Objektpunkt konjugierten Punkte des Emissionsspektrographen eine Halbleiterdetektorzeile (33) angeordnet ist.
3. Spektralfluorometer nach Anspruoh.1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei Benutzung von Halbleiterfotodetektoren im Emissionsmonochromator oder -spektrographen ein korrigiertes holographisches Gitter (7) mit geringem Astigmatismus angeordnet ist.

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4. Spektralfluorometer nach Anspruoh 1 bis 3» gekennzeichnet, dadurch, daß bei Benutzung eines Konkavgittere (7) für den EmisBionemonochromator und Abbildung der nullten Ordnung oder höheren Ordnung auf den Austrittsepalt (9) dem Austrittsapalt ein Monochromator oder Spektrograph nachgeordnet ist.
5. Spektralfluorometer nach Anspruoh 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der nachgeordnete Monochromator oder Spektrograph ein Konkavgitter (37) enthält, das gleiche Parameter wie das Konkavgitter (7) des Emissionsmonochromators besitzt, wobei beide Konkavgitter eine Aufstellung für den Betrieb in der gleichen Ordnung besitzen und das Licht vom ersten Konkavgitter (7) seitenverkehrt auf das zweite Konkavgitter (37) gerichtet ist und daß ferner der Auetrittsspalt (9) des Emiseionamonochromators der Eintrittsspalt des nachfolgenden Moncchromators oder Spektrographen ist.
6. Spektralfluorometer nach Anspruoh: 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß bei schwach absorbierenden Proben und Anregung durch die Öffnung der Eintrittslinse, des Eintrittsspiegels oder des Konkavgitters (7) die Probendicke gering ist und auf der Rückseite der Probe (4) ein Spiegel (5) angeordnet ist.

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