DE2364069C3

DE2364069C3 - Spektralphotometer

Info

Publication number: DE2364069C3
Application number: DE2364069A
Authority: DE
Inventors: Kenji Hirakata Osaka Iwahashi; Hiroshi Nagaokakyo Kyoto Yamamoto
Original assignee: SHIMADZU SEISAKUSHO Ltd KYOTO (JAPAN)
Current assignee: SHIMADZU SEISAKUSHO Ltd KYOTO (JAPAN)
Priority date: 1972-12-28
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1979-03-29
Also published as: JPS545987B2; US3927944A; DE2364069B2; JPS4990586A; DE2364069A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektralphotometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 21 11 808 ist bereits ein derartiges Spektralphotometer bekannt, das wahlweise als Einstrahl- oder Zweistrahl-Spektralphotometer verwendbar ist und hierzu eine Anzahl lichtabschirmender Elemente aufweist, durch die das Spektralphotometer von der einen auf die andere Betriebsweise umschaltbar ist Dies hat jedoch zur Folge, daß die über die jeweiligen Teilstrahlengänge geführten Lichtstrahlen häufig unterschiedliche optische Eigenschaften und insbesondere eine nicht ausreichend genau definierte Querschnittsfläche aufweisen, was die zum Beispiel zur Messung von Spektraländerungen an einer lebenden biologischen Probe wünschenswerte Unterbrechung des d'jrch die Probenküvette geführten Lichtstrahls hinsichtlich der hierbei erforderlichen hohen Unterbrechungsfrequenz stark einschränkt.

Darüber hinaus ist aus der DE-OS 19 64 509 ein Spektralphotometer bekannt, bei dem in Ausführung als Einstrahl-Spektralphotometer ein monochromatischer Lichtstrahl über eine Konkavspiegel aufweisende Spiegelanordnung derart geführt wird, daß die Abbildung der sagittalen Strahlenanteile in einer zu der meridionalen Bildebene axial verschobenen sagittalen Bildebene erfolgt, so daß aufgrund dieser Axialverschiebung der meridionalen und sagittalen Bildebene das monochromatische Lichtstrahlenbündel eine relativ geringe, im wesentliche gleiche Querschnittsfläche über einen längeren Bereich entlang der durch die Probenküvette verlaufenden Achse des Strahlenganges aufweist. Bei einer Ausführungsform als Zweistrahl-Spektralphotometer sind bei der Spiegelanordnung zusätzlich zwei reflektierende Unterbrecher vorgesehen, die sich im Gleichlauf drehen und den monochromatischen Lichtstrahl nach abwechselnder Führung über einen der beiden Teilstrahlengänge auf eine Photoverfielfacherröhre richten.

Obwohl bei diesem bekannten Spektralphotometer bereits eine gewisse Verbesserung hinsichtlich der Festlegung einer relativ geringen Querschnittsfläche des monochromatischen Lichtstrahls im Bereich der Probenküvette gegeben ist, ist eine noch genauere Festlegung dieser Querschnittsfläche möglich und außerdem treten insbesondere bei der mit zwei genau zu synchronisierenden Unterbrechern arbeitenden Ausführungsform als Zweistrahl-Spektralphotometer weiterhin Meßdifferenzen aufgrund unterschiedlicher optischer Eigenschaften des Probenküvettenlichtstrahls und des Bezugsliehtstrahls nach Durchlaufen der beider Teilstrahlengänge auf, die sich bei der Spektralaufzeich nung zumindest in einem gewissen Ausmaß in Form vor Instabilitäten der Basislinie störend bemerkbar machen Ferner ist eine wahlweise Verwendung als Einwellen längen-Zweiweggerät und Zweiwellenlängen-Einweg gerät nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einen

Spektralphotometer der in Rede stehenden Art, das sowohl als Einwellenlängen-Zweiweggerät als auch als Zweiwellenlängen-Einweggerät verwendbar ist, eine Erhöhung der Unterbrecherfrequenz zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst

Da sich durch die nunmehr ergebenden Abbildungsverhältnisse eine äußerst genau definierbare geringe Querschnittsfläche des auf den Unterbrecher fallenden .Lichtstrahls erzielen läßt, kann durch einfache Vergrößerung der Anzahl von Zähnen und Lücken des Unterbrechers die Unterbrechungsfrequenz ohne Erhöhung der Drehzahl des Unterbrechers und damit ohne Abschwächung des Ausgangssignals der photoelektrischen Wandlereinrichtung erheblich vergrößert werden. Dies ist insbesondere bei der Spektraluntersuchung von lebenden Untersuchungsobjekten wie von Einzellern u. dgl. von Vorteil. Darüberhinaus weisen die durch die beiden Küvetten hindurchtretenden äquivalenten Lichtstrahlen und der im Falle einer Zweiwellenlängenmessung hinzutretende dritte Lichtstrahl keinerlei Abweichungen hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften auf, so daß die Basislinie beider Aufzeichnung allein durch relativ einfache optische Maßnahmen ohne das Erfordernis einer aufwendigen elektronischen Kompensation genau und stabil eingehalten werden kann.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert

F i g. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des Spektralphotometers,

Fig.2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Spektralphotometers,

Fig.3 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltungsanordnung, die in Verbindung mit dem optischen System des Spektralphotometsrs verwendet werden kann,

Fig.4a zeigt eine vergrößerte Draufsicht einer Ausführungsform des bei den Ausführungsformen gemäß F i g. 1 und 2 verwendeten Unterbrechers,

Fig.4b zeigt eine perspektivische Ansicht des Unterbrechers gemäß F i g. 4a,

Fig.5a zeigt einen Strahlengang zur Veranschaulichung der Anordnung der Konkavspiegel bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1,

Fig.5b zeigt einen Strahlengang zur Veranschaulichung der Anordnung der Konkavspiegel bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2, und

F i g. 6 veranschaulicht die annähernd gleiche Weglänge der von den Spiegeln gemäß F ig. 5b reflektierten Lichtstrahlen.

In F i g. 1 bezeichnet die Bezugsziffer I eine Lichtquelle, deren Licht durch einen Monochromator Il zur Erzeugung monochromatischen Lichtes mit einer ausgewählten Wellenlänge geführt ist. Das monochromatische Licht tritt in einen Meßabschnitt III des Spektralphotorneters ein, wo es in zwei im wesentlichen äquivalente Strahlen unterteilt wird, d.h. in einen Proben- und einen Bezugsstrahl, die durch eine die zu analysierende Substanz enthaltende Probenküvette und eine die Bezugslösung enthaltende Küvette geführt werden. Das durch die beiden Küvetten hindurchgeführte Licht wird einer photoelektrischen Wandlereinrichtung, beispielsweise einer Photovervielfacherröhre, zugeführt, so daß die Absorptionsdiffe.enz zwischen den beicien Strahlen gemessen und ein Absorptionsspektrum der Probe mittels eines Aufzeichnungsgerätes erhalten wird.

Die Lichtquelle I besitzt ein Lampenpaar, von denen nur eine als Punkt 11 gezeigt ist, einen Konkavspiegel 12 und einen Planspiegel 13. Die Lampen erzeugen Lichtstrahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen und sind relativ zur Zeichenebene vertikal angeordnet, während der Spiegel 12 derart angeordnet ist, daß er um eine Horizontalachse (nicht gezeigt) geneigt ist so daß er selektiv auf eine der beiden Lampen 11 gerichtet werden kann. Die beiden Lampen sind zur Erfassung des Bereichs von Ultraviolett bis Infrarot vorgesehen, da keine Einzellampe einen derart weiten Bereich erfassen kann.

Das Licht wird von der Lichtquelle über einen Eingangsspalt 21 in den Monochromator Il geführt, wo es von zwei Kollimatorspiegeln 23 und 23' auf zwei Gitter 24 und 24' reflektiert wird. Die beiden Strahlen gestreuten (dispergierten) Lichtes werden von zwei Telematorspiegeln 25 und 25' reflektiert und derart über zwei Planspiegel 26 wn 26' geführt, daß sie durch zwei Ausgangsspalten 27 bzw. 27' laufen.

Ein Wellenlängensteuermechanismus 40 bzw. 40' steuert die Gitter 24 bzw. 24' unabhängig voneinander.

so daß monochromatisches Licht mit unterschiedlicher ausgewählter Wellenlänge zu den Ausgangsspalten entnommen werden kann.

Vor einem der Ausgangsspalte, beispielsweise dem Spalt 27', ist in der dargestellten Ausführungsform ein Verschluß 41 angeordnet der selektiv in den Weg des aus dem Spalt 27' austretenden monochromatischen Lichts hineinbewegbar und aus diesem herausbewegbar ist Wird das Spektralphotometer als Zweistrahl-Spektralphotometer verwendet, wird der Verschluß in den optischen Weg hineinbewegt und unterbricht den Lichtstrahl.

Der aus dem Spalt 27 austretende andere monochromatische Lichtstrahl trifft dagegen auf einen Konkavspiegel 31, der derart angeordnet ist, daß seine Achse 31a eine Neigung zur optischen Achse aufweist, d. h. einen vorbestimmten Winkel θ mit der optischen Achse des monochromatischen Lichts aus dem Spalt 27 einschließt, wie dies nachstehend im einzelnen beschrieben wird. Ein reflektierender Unterbrecher 32, der von einer geeigneten Antriebsvorrichtung 32W angetrieben wird, führt das von dem Konkavspiegel 31 reflektierte monochromatische Licht abwechselnd über zwei Teilstrahlengänge RA und SA, wobei die Lichtstrahlen entlang der Teilstrahlengänge RA und SA als Bezugsstrahl bzw. als Probenstrahl bezeichnet werden.

Der von dem Unterbrecher 32 reflektierte Probenstraiil trifft auf einen Konkavspiegel 33. Andererseits wird der durch den Unterbrecher 32 hindurchgetretene Bezugsstrahl von einem Planspiegel 34 auf einen Konkavspiegel 33' reflektiert. Die Konkavspiegel 33 und 33' sind ebenfalls derart angeordnet, daß ihre Achsen 33a und 33a'schräg oder geneigt zur optischen Achse der Teilstrahlengänge SA bzw. RA angeordnet sind und zwar in der gleichen Weise wie der zuvor er/ähnte Spiegel 31.

Der von den Spiegeln 33 bzw. 33' reflektierte Probenstrahl und Bezugsstrahl läuft durch eine Probenküvette Sbzw. eine Bezugiküvette R hindurch und trifft dann auf Konkavspiegel 35 und 35', deren Achsen ebenfalls derart angeordnet sind, daß sie eine Neigung zu ce:n optischen Achsen der Teilstrahlengänge SA bzw. RA aufweisen. Ein weiterer Verschluß 42 ist in entgegengesetzter Weise wie der Verschluß 41 selektiv

in den Teilstrahlengang RA hinein- und aus diesem herausbewegbar. Das heißt, bei einer Hineinbewegung des Verschlusses 41 in den Lichtstrahl A 2, wird der Verschluß 42 aus dem Teilstrahlengang RA herausbewegt und umgekehrt. Der Verschluß 42 wird aus dem ί Teilstrahlengang RA in die durch eine durchgezogene Linie dargestellte Lage bewegt, um das Hindurchtreten des Lichtstrahls von dem Spiegel 33' zu ermöglichen. Die von den Spiegeln 35 und 35' reflektierten Lichtstrahlen werden dann von einem einzigen, in reflektierende Oberfläche auf seinen beiden gegenüberliegenden Seiten aufweisenden Planspiegel 36 auf Konkavspiegel 37 und 37' reflektiert, die derart angeordnet sind, daß ihre Achsen eine Neigung zu den optischen Achsen der Teilstrahlengänge SA bzw. RA \^r> aufweisen. Die Spiegel 37 und 37' richten abwechselnd das Licht der beiden Strahlen über eine Diffusorplatte 43 auf die lichtempfindliche Oberfläche einer Photovervieilacherrohre 3».

Hat die zu analysierende Probe eine geringe Transparenz oder zerstreut sie das Licht, werden die iVoben- und die Bezugsküvette unmittelbar vor der Photovervielfacherröhre 38 angeordnet — wie bei 5' bzw. R' anstelle von 5 bzw. R. Wie leicht ersichtlich ist, ermöglicht es diese Anordnung der lichtempfindlichen Oberfläche der Röhre, mehr Licht von den Küvetten als auf die andere Weise zu empfangen.

Wird das Spektralphotometcr nls Zweiwellenlängen-Spektralphotometer betrieben, werden die Gitter 24 und 24' derart eingestellt, daß sie monochromatische jo Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen A 1 und A 2 über die Ausgangsspalte 27 bzw. 27' abgeben. Der Verschluß 41 wird aus dem Strahlengang des Strahles λ 2 in die gestrichelt dargestellte Position verschoben, während der Verschluß 42 in die gestrichelte Position in den Strahlengang RA verschoben wird.

Der Strahl mit der Wellenlänge A 2 wird daher von einem Koikavspiegel 31' reflektiert, dessen Achse 31a' schräg zur optischen Achse des Strahls A 2 angeordnet ist. und wird dann von einem Planspiegel 34' reflektiert, so daß er intermittierend durch den Unterbrecher 32 hindurchläuft, wenn dieser von der Anstriebseinrichtung 32Mgedreht wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist der Konkavspiegel 3Γ mittels des Planspiegels 34' symmetrisch zum Konkavspiegel 31 angeordnet, wobei der Unterbrecher 32 als Symmtrieachse zwischen diesen liegt, so daß der durch den Unterbrecher hindurchgetretene Lichtstrahl A 2 genau demselben Weg SA folgt wie der Lichtstrahl A 1. Somit laufen die beiden Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen A 1 und so A 2 abwechselnd durch die Probenküvette S hindurch und werden der Photovervielfacherröhre 38 zugeführt, wodurch eine Zweiwellenlängenmessung der Probe ermöglicht wird.

Die aus den Spalten 27 und 27' austretenden beiden Strahlen 1 und 2 werden vor Erreichen des Spiegels 33 im wesentlichen über die gleiche Strecke geführt und beide zweimal reflektiert, und zwar der Strahl A 1 von dem Konkavspiegel 31 und dem Unterbrecher 32 und der Strahl A 2 von dem Konkavspiegel 31' und dem Planspiegel 43'. Hinter dem Unterbrecher 32 folgen die beiden Strahlen abwechselnd genau dem gleichen Strahlengang, so daß eine genaue Äquivalenz der optischen Eigenschaften der beiden Strahlen gewährleistet ist.

Das gleiche gilt für den vorhergehenden Fall, bei welchem das Spektralphotometer als Zweistrahl-Spektralphotometer betrieben wird. Der Konkavspiegel 33' in dem Teilstrahlengang der Bezugsseite ist mittels des Planspiegels 34 symmetrisch zu dem Konkavspiegel 33 im Teilstrahlengang der Probenseite mit dem Unterbrecher 32 als Symmetriezentrum angeordnet. Vor dem Erreichen der Konkavspiegel 33 und 33' durchlaufen der Bezugsstrahl und der Probenstrahl im wesentlichen die gleiche Strecke und werden zweimal reflektiert, und zwar zuerst von dem Konkavspiegel 31 und dann von dem Planspiegel 34 oder dem Unterbrecher 32. Nach den Spiegeln 33 und 33' durchlaufen die beiden Strahlen die beiden symmetrisch angeordneten, genau äquivalenten optischen Systeme. Somit sind die drei Strahlen, d. h. der Bezugsstrahl und der Probenstrahl und der von dem Spalt 27' für Zweiwellenlängcnmcssung abgegebene Strahl, genau äquivalent über das gesamte optische System des Spektralphotometers, so daß die Stabilität der Basislinie allein durch optische Mittel und ohne Verwendung komplizierter und kostspieliger elektrischer KomperisieruiigviL-tiaiiüi'igcn, die bisher erforderlich waren, erreicht werden kann.

Mit »äquivalent« ist gemeint, daß die drei Lichtstrahlen in gleicher Häufigkeit in dem optischen Weg von der Lichtquelle zur Wandlereinrichtung reflektiert werden und die gleichen Abbildungsbedingungen sowie gleiche geometrische Form und Intensität aufweisen.

Wie zuvor erwähnt, ist es für eine genaue Messung erforderlich, daß der durch die Küvette S(S')oder R (R', hindurchlaufende Strahl eine genau definierte und relativ kleine Querschnittsfläche längs der gesamten Länge der Küvette hat. Wie ebenfalls bereits erwähnt, ist es bei der Analyse tiner lebenden biologischen Probe zur Beobachtung deren Spektraländerung vorteilhaft, daß die Unterbrechungsgeschwindigkeit oder -frequenz des Unterbrechers so hoch wie möglich ist. Dies wird durch die Anordnung der Konkavspiegel erreicht. Die Konkavspiegel 31, 31', 33, 33', 35, 35' und 37, 37', sind hierzu derart angeordnet, daß ihre jeweiligen Achsen schräg oder geneigt liegen, d. h. einen vorbestimmten Winkel mit der optischen Achse des aus dem Monochromator austretenden Lichts einschließen.

Wird ein Konkavspiegel geneigt gegen die optische Achse des auf ihn auftreffenden Lichtstrahls angeordnet, werden die Lichtstrahlen in der Meridionalebene des Konkavspiegels (als Meridionalstrahlen bezeichnet] an einem Punkt (als meridionaler Bildpunkt bezeichnet] und die Lichtstrahlen in der Sagittalebene des gleicher Spiegels (als Sagittalstrahlen bezeichnet) an einem anderen Punkt (als sagittaler Bildpunkt bezeichnet), der axial gegenüber dem meridionalen Bildpunkt verschoben ist, abgebildet.

Der Neigungswinkel θ und der Kru.iimungsradius de« Konkavspiegels 31 und die Relativlage des Spiegels zi dem Spalt 27 und dem Unterbrecher 32 sind so gewählt daß die Meridionalstrahlen des Ausgangslichtstrahl! von dem Spalt 27 des Monochromator das meridionals Bild des Spaltes 27 auf dem Unterbrecher 32 abbilden während die sagittalen Strahlen des gleichen Strahls da: sagittale Bild des Gitters 24 (die Lichtöffnung de: Monochromator) auf dem Unterbrecher abbilden. Wi< leicht ersichtlich ist, hat daher der Lichtstrahl an den Konkavspiegel 31 in der Ebene des Unterbrechers 3Ί einen scharf definierten, sehr engen streifenförmigei Querschnitt IM mit im wesentlichen gleichförmige! Intensität in Radialrichtung des Unterbrecher: (F i g. 4a). Da die Querschnittsfläche IM des von den Unterbrecher zu unterbrechenden Lichtstrahls sehr enj im Vergleich zur Zahnweite des Unterbrechers ist, ist e möglich, mit einem Unterbrecher mit weit größere

Zähnezahl als bisher am Ausgang der Wandlereinrichtung einen Signalverlauf mit sehr scharfen Kanten zu erhalten und daher die Unterbrechnungsirequenz zu vergrößern, ohne den Wirkungsgrad bei der Nutzung der Energie des Ausgangssignals zu vermindern.

Zur wirksamen Vergrößerung der Unterbrechungsfrequenz ist der Unterbrecher gemäß Fig.4a und 4b aufgebaut. Der Unterbrecher besitzt eine kreisförmige Scheibe 45, die an ihrem Umfang eine Anzahl Aussparungen 46 und radiale Zähne 47 besitzt, wobei in jede zweite Aussparung von einem Block 48 geschlossen ist, der einen Spiegel 48' auf seiner Oberfläche besitzt, wie dies in Fig.4b dargestellt ist. Auf der gleichen Seite des Spiegels 48' des Blocks 48 weisen die radialen Zähne 47 eine Oberfläche auf, die auf sie i> auftreffendes Licht absorbiert.

Das Licht tritt somit bei Drehung des Unterbrechers abwechselnd durch jede der Aussparungen hindurch und wird von jedem der Spiegel 48' reflektiert, während es von den radialen Zähnen absorbiert wird, so daß das 2» durch die Aussparungen hindurchtretende Licht durch die Bezugsküvette und das von dem jeweiligen Spiegel reflektierte Licht durch die Probenküvclle geführt werden und das Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre den in Fg. 3 dargestellten Verlauf 2^r> aufweist.

Es ist ersichtlich, daß es durch einfache Vergrößerung der Anzahl der Aussparungen oder der Zähne möglich ist, die Unterbrechungsfrequenz zu vergrößern ohne die Drehzahl des Unterbrechers zu vergrößern, da nunmehr «1 die scharf definierte enge und kleine Querschnittsfläche des Lichtstrahls am Unterbrecher eine solche Vergrößerung der Anzahl der Aussparungen erlaubt.

Aufgrund der geneigten Anordnung des Konkavspiegels 31 wird das Sagiltalbild des Spaltes 27 im i> wesentlichen in der Sag;itlalebene des Spiegels 33 abgebildet, der ebenfalls geneigt zur optischen Achse des Teilstrahlenganges S'A angeordnet ist. Die Neigungsstellung des Spiegels 33 ist derart gewählt, daß die von dem Spiegel 33 reflektierten sagittalen Lichtstrah- 4« len im wesentlichen parallel durch die Küvette S hindurchlaufen, während die von dem Spiegel 33 reflektierten meridionalen Strahlen das Bild des Ausgangsspaltes 27 in der Mitte der Küvette 5 abbilden. Dies bedeutet, daß sich das Bündel der von dem Spiegel *^r, 33 reflektierten Lichtstrahlen nicht vertikal oder horizontal ausdehnt, sondern eine genau definierte enge Querschnittsfläche über die gesamte Länge der Küvette aufweist.

Das durch die Küvette 5 hindurchtretende Licht trifft so auf einen Konkavspiegel 35 auf, der geneigt zur optischen Achse des Strahls angeordnet ist, unH wird von einem Planspiegel 36 und dann von einem Konkavspiegel 37 reflektiert, der ebenfalls geneigt zur optischen Achse des Strahls angeordnet ist. Die ^r>> Achsabweichungswinkel dieser Spiegel 35 und 37 können voneinander und von denen der Spiegel 31 und 33 verschieden sein. Das Licht wird dann über eine Probenküvette 5' (wenn die vorherige Küvette 5 entfallen ist) geführt und über die Diffusorplatte 43 auf mi die Photovervielfacherröhre 38 gerichtet.

Der Spiegel 35 bildet ein Sagittalbild des Ausgangsspaltes 27 des Monochromators im wesentlichen in der Sagittalebene des Spiegels 37 und ein Meridionalbild des gleichen Spaltes auf der Oberfläche des Planspiegels hi 36 ab. Wie ersichtlich ist, sind die geometrischen Beziehungen der Spiegel 35,36 und 37 gleich denen der Spiegel 33, 38' (am Unterbrecher) bzw. 31, so daß das Licht von dem Spiegel 37 in der Sagittalebene genau äquivalent dem Licht von dem Spiegel 33 ist, d.h. der Konkavspiegel 37 bildet die Sagittalkomponenten des Lichts von dem Planspiegel 36 im wesentlichen parallel ab, während er ein Tangentialbild des Spaltes 27 hinter der lichtempfindlichen Oberfläche der Photovervielfacherröhre 38 abbildet. Daher weist der durch die Küvette S' hindurchgetretene Lichtstrahl eine genau definierte enge Querschnittsfläche auf.

Auf der lichtempfindlichen Oberfläche der Photovervielfacherröhre 38 wird ein Sagittalbild des Gitters oder eines Bereichs in der Nähe des Gitters abgebildet, und bei der Abbildung des Meridionalbildes des Spaltes 27 hinter der lichtempfindlichen Oberfläche hat der Lichtstrahl an der lichtempfindlichen Fläche einen genau definierten Querschnitt mit im wesentlichen gleichförmiger Intensität und einer ausreichenden Größe oder Fläche zur Erfassung eines ausreichenden Teils der lichtempfindlichen Oberfläche zur Minimalisierung widriger Ortseinflüsse, d. h. der Empfindlichkeitsdifferenz an verschiedenen Abschnitten der lichtempfindlichen Oberfläche der Photovervielfacherröhre.

An der Bezugsseite des optischen Systems sind Konkavspiegel 3\', 33', 35', 37' und Planspiegel 34, 34' symmetrisch zu den vorstehend erwähnten Spiegeln 31, 33 usw. auf der Probenseite angeordnet, so daß der Bezugsstrahl dem Probenstrahl genau äquivalent ist Zur Gewährleistung der Äquivalenz ist es erforderlich daß die physikalischen und geometrischen Eigenschaften eines jeden optischen Elementes der Bezugsseite denen der entsprechenden optischen Elemente der Probenseite genau äquivalent sind.

F i g. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Spektralphotometers. Das Grundkonzept ist hierbei das gleiche wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, se daß die Erläuterung von F i g. 2 auf die Teile beschränki werden kann, die gegenüber der Ausführungsforrr gemäß Fig. I unterschiedlich sind, wobei gleiche Bezugszeichen in Fig. 1 und 2 entsprechende Elemente bezeichnen.

Bei dem Spektralphotometer gemäß Fig.2 unter scheidet sich die Anordnung der Spiegel 33 und 33' vor der der entsprechenden Spiegel gemäß F i g. 1.1 η F i g. I ist der Spiegel 33 (33') geneigt auf eine Seite dei optischen Achse des Strahls gerichtet, so daß die Achs« 33a des Spiegels 33 einen Neigungswinkel θ mit dei optischen Achse des Lichtstrahls SA auf einer Seite dei optischen Achse bildet, wie es in Fig.5a gezeigt ist. Ir der Anordnung gemäß F i g. 2 ist der Spiegel 33 (33' geneigt zur entgegengesetzten Seite der optischer Achse des Strahls gerichtet, wie dies in F i g. 5b gezeig ist. Zur Vereinfachung der Darstellung und Erläuterunj kann der Spiegel 31 in F i g. 5a und 5b äquivalent an dei gegenüberliegenden Seite des Unterbrechers 32 — wi( dies mit gestrichelten Linien gezeigt ist — symmetrise! zur ausgerichteten Lage angeordnet sein. In Fig. 5: (Fig. 1) sind die Spiegel 31 und 33 so zueinander angeordnet, daß ihre Neigungswinkel θ an der gegenüberliegenden Seiten der optischen Achse S/ gebildet werden, während gemäß Fig. 5b (Fig. 2) di< Neigungswinkel θ auf der gleichen Seile der optischer Achse liegen.

Bei der Relativanordnung der Spiegel 31 und 33 in de Ausführungsform gemäß Fig.2 (Fig.5b) durchlauf jeder der von dem Spiegel 31 reflektierten Lichtstrchlei im wesentlichen die gleiche Strecke bis zum Erreiche! des Spiegels 33, wie dies in Fig.6 gezeigt ist. Dii Abweichungen der optischen Weglängen (ζ. Β

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L\ — L3) der Lichtstrahlen zwischen den beiden Konkavspiegeln 31 und 33 können somit minimal gehalten werden, so daß Aberrationen weitestgehend verringert werden können. Dies gilt auch für die Spiegel 3Γ und 33' an der Bezugsseite des Systems.

Dar von dem Spiegel 33 bzw. 33' ausgehende Licht wird von einem Planspiegel 45 bzw. 45' reflektiert und durcnläuft die Küvette SR in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Jedoch entfällt bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 der bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 vorgesehene Planspiegel 36, so daß der Spiegel 35 bzw. 35' das Licht unmittelbar auf den Spiegel 37 bzw. 37' reflektiert, der die Lichtstrahlen auf die Photovervielfacherröhre über die Küvette S'bzw. R' — bei Anordnung vor der Röhre — richtet.

Anstelle von zwei Verschlüssen 41 und 42 wird bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ein einziger Verschluß 55 verwendet Dieser Verschluß ist zv

oi/Hi

durchgezogene bzw. gestrichelte Linien bezeichneten Stellungen beweglich, um den aus dem Monochromator austretenden Strahl λ 2 für eine Einwellenlängenmessung mittels des Strahls λ 1 zu unterbrechen und alternativ den Strahl λ 1 am Durchlaufen des Teilstrahlenganges RA zu hindern, während der Strahl λ 2 über den Teilstrahlengang SA durch den Unterbrecher abwechselnd mit dem Strahl λ 1 hindurchtreten kann, wodurch eine Zweiwellenlängenmessung mittels der beiden Strahlen λ 1 und λ 2 ermöglicht wird. Selbstverständlich kann auch der einzige Verschluß anstelle der Verschlüsse 41 und 42 bei dem Spektralphotometer gemäC F i g. 1 verwendet werden, die wiederum anstelle des einzigen Verschlusses auch bei dem Spektralphotometer gemäß F i g. 2 verwendet werden können.

Außerdem ist es möglich, Derivativspektren einer Probe zu messen, wozu zwei Masken (US-Patentschrift 37 37 234) verwendet werden können. Die beiden Masken werden dort angeordnet, wo das Meridionalbild des Ausgangsspaltes bei Sund R abgebildet wird, so daß der nicht abgedeckte Abschnitt des Bezugsstrahls und des Probenstrahls eine Wellenlänge aufweist, die sich um einen vorgegebenen geringen Wert von der des nicht abgedeckten Abschnitts des anderen Strahls unterscheidet.

Fig. 3 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel einer elektrischen Schaltung, die in Verbindung mit dem optischen System des Spektralphotometers verwendet werden

^Γ· kann. Das Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre 38 liegt über einen Verstärker 50 an einer Signaltrennschaltung 51, beispielsweise einem Synchrongleichrichter, an, der die beiden Signale trennt, die durch die durch die Bezugsküvette und die Probenküvette geführten Strahlen oder die beiden durch die Probenküvette geführten Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen gebildet werden. Die beiden getrennten Signale werden durch Glättungsschaltungen 52 und 52' geglättet und dann einer Rechenschaltung 53 zugeführt, die das logarithmische Verhältnis der beiden Signale errechnet. Das logarithmische Ausgangsverhältnis wird sodann von einer Aufzeichnungseinrichtung 54 aufgezeichnet.

Die Schaltung 53 kann derart aufgebaut sein, daß 7iinäch<;t Has Verhältnis Her beiHen Ausganessienale der Glättungsschaltungen und sodann der Logarithmus des Verhältnisses berechnet wird oder daß zunächst die Logarithmen der beiden Signale gebildet werden und dann die Differenz der beiden Logarithmen berechnet wird.

Der in Fig.3 dargestellte Verlauf des Ausgangssignals der Photovervielfacherröhre weist Impulse R und S auf, die von den beiden Strahlen mit der gleichen Wellenlänge gebildet werden, welche durch die Bezugsküvette bzw. die Probenküvette geführt werden

^Jl) (im Fall der Zweistrahlmessung), oder von den beiden Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden, die durch die gleiche Probenküvette geführt werden (im Fall einer Zweiwellenlängenmessung). Zwischen benachbarten Impulsen R und S liegt eine

^|r> Dunkelperiode (oder ein Dunkelstrom) D, die das Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre bildet, wenn der Strahl von den Zähnen 47 des Unterbrechers absorbiert wird. Das durch den Dunkelstrom verursachte Ausgangssignal des Verstärkers 50 wird durch eine Kompensierschaltung 56 rückgekoppelt, um das Ausgangssignal auf einem Nullpege! zu halten, wenn der Photovervielfacherröhre kein Licht zugeführt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

W' 13 Patentansprüche:

1. Spektralphotometer mit einer Lichtquelle, einer Monochromatoreinnchtung mit zwei Gittern und einem ersten Ausgangsspalt für Licht einer ersten Wellenlänge sowie einem zweiten Ausgangsspalt für Licht einer zweiten Wellenlänge, zwei räumlich getrennten Teilstrahlengängen mit je einer Küvette, einer photoelektrischen Wandlereinrichtung xum Empfang des durch die Küvetten getretenen Lichts und einem optischen System zur wahlweisen alternierenden Beaufschlagung beider Teilstrahlengänge mit Licht der ersten Wellenlänge oder zur alternierenden Beaufschlagung eines Teilstrahlengangs mit Licht beider Wellenlängen, welches einen reflektierenden Unterbrecher sowie diesen mit Licht der ersten bzw. zweiten Wellenlänge beaufschlagende erste bzw. zweite optische Elemente umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite optische Element jeweils aus einem ersten und zweiten Konkavspiegel (31 bzw. 31') bestehen, die bezüglich der optischen Achsen des einfallenden Lichts derart geneigt und bezüglich des Unterbrechers (32) sowie des jeweils zugeordneten ersten bzw. zweiten Ausgangsspalts (27 bzw. 27') derart angeordnet und mit einem solchen Krümmungsradius versehen sind, daß die Meridionalstrahlen eines jeden Konkavspiegels (31 bzw. 31') jeweils den zugeordneten Ausgangsspalt (27 bzw. 27') und die Sagittalstrahlen jeweils das zugeordnete Gitter (24 bzw. 24') auf dem Unterbrecher (32) abbilden.

2. Sptktralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 im Wege des von dem ersten Konkavspiegel (; i) reflektierten Lichts in optisch symmetrischer Weise auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Unterbrechers ein dritter und ein vierter, das Licht zu jeweils einer Küvette (R bzw. S) lenkender Konkavspiegel (33 bzw. 33') jeweils unter einem Winkel zur optischen Achse derart angeordnet sind, daß die Sagittalstrahlen im wesentlichen parallel durch die Küvetten (R bzw. S) verlaufen, während die Meridionstrahlen ein Bild des dem ersten Konkavspiegel (31) zugeordneten Ausgangsspalts (27) jeweils in der Mitte der Küvetten (R bzw. S) erzeugen.

3. Spektralphotometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Wege des einen Teilstrahls ein fünfter und sechster Konkavspiegel (35 bzw. 37) und symmetrisch hierzu im Wege des anderen Teilstrahls ein siebenter und ein achter Konkavspiegel (35' bzw. 37') zur Umlenkung des Lichts auf die photoelektrische Wandlereinrichtung (38) jeweils geneigt gegen die optische Achse angeordnet sind.

4. Spektralphotometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und vierte Konkavspiegel (33 bzw. 33') bezüglich des ersten Konkavspiegels (31) und der fünfte und sechste Konkavspiegel (35 bzw. 37) relativ zueinander und der siebente und achte Konkavspiegel (35' bzw. 37') ebenfalls relativ zueinander derart angeordnet sind, daß die Weglängen zwischen dem Ausgangsspalt und der photoelektnschen Wandlereinrichtung (38) für alle Strahlen im wesentlichen gleich sind.

5. Spektralphotometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher (32) aus einer an ihrem Umfang gezahnten Scheibe (45) besteht, die im Wechsel mit den Lücken (46) in den Strahlengang einführbare spiegelnde Bereiche (48, 48') aufweist, so daß der vom ersten Konkavspiegel (31) reflektierte Strahl wechselweise durch den Unterbrecher (32) zum vierten Konkavspiegel (33') hindurchtritt bzw. zum dritten Konkavspiegel (33) reflektiert wird.