DD219869A1

DD219869A1 - Fluoreszenzdetektor fuer die kurzzeitspektroskopie

Info

Publication number: DD219869A1
Application number: DD25801583A
Authority: DD
Inventors: Klaus Berndt
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1983-12-16
Filing date: 1983-12-16
Publication date: 1985-03-13

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der zeitaufgeloesten Fluoreszenzspektroskopie im Picosekunden- und Nanosekundenbereich. Ziel der Erfindung ist, die Abklingzeit laser-angeregter Fluoreszenzprozesse mit grosser Zeitaufloesung und hoher Nachweisempfindlichkeit zu messen und direkt anzuzeigen. Die Aufgabe besteht darin, eine Detektoranordnung anzugeben, in der die Fluoreszenzstrahlung ein elektrisches Signal erzeugt, das zur Abklingzeit proportional ist. Die mit der Folgefrequenz des modensynchronisierten Anregungslasers erfolgende sinusfoermige Ablenkung in einem strichfoermig mit Fluoreszenzlicht bestrahlten elektronenoptischen Bildwandler mit Ablenksystem wird niederfrequent getastet. Bei scharfkantiger Abbildung des halben Bildwandlerschirmes auf einen Photomultiplier steuert ein an diesen angeschlossener Lock-in-Verstaerker eine Verzoegerungseinheit im Ablenktrakt so, dass der Photomultiplierstrom unabhaengig vom Tastzustand wird. Die sich einstellende Verzoegerungszeit ist direkt proportional zur Fluoreszenzabklingzeit. Figur

Description

Dr. Klaus Berndt Berlin, den 12. 11, 1983

Zustellungsbevollmächtigt:

Akademie der Wissenschaften der DDR Zentralinstitut für Optik und Spektroskopie - Patentbüro

1199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee 6

Fluoreszenzdetektor für die Kurzzeitspektroskopie

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie im Picosekunden- und Nanosekundenbereich mit Hilfe von modensynchronisierten lasern. Die Anwendung ist in Fluoreszenz-Spektrometern möglich und zweckmäßig·

1&OEL 1983*136955

"Charakteristik der bekannten technischen Lösungen -

Pur die Registrierung laser-angeregter Fluoreszenzprozesse, mit großer Nachweisempfindlichkeit und Zeitauflösung werden als Detektoren vorteilhaft elektronenoptische Streak-Kameras eingesetzt. Extrem hohe Nachweisempfindlichkeiten sind erreichbar, wenn die, Streak-Kamera im Synchroscan-Regime betrieben wird« Zur Fluoreszenzanregung dient dabei ein modensynchronisierter kontinuierlich arbeitender Laser. Im Strahlengang des Lasers ist die Probe angeordnet,, deren Fluoreszenz-' licht über ein optisches System strichförmig auf die Photo-

_] kathode eines elektronenoptischen Bildwandlers mit Ablenksystem abgebildet wird· Die Ansteuerung des Ablenksystems erfolgt mit einer sinusförmigen Spannung, deren Frequenz mit der Folgefrequenz des modensynchronisierten Lasers identisch ist. Auf diese Weise ergibt sich eine Transformation des zeitlichen Intensitätsverlaufes der Fluoreszenzstrahlung in eine räumliche Intensitätsverteilung auf dem Schirm des Bild- > wandlers.

Die Signalgewinnung kann durch photographische"Registrierung der räumlichen Intensitätsverteilung realisiert werden /Bradley', D.J., US-PS 3,761,614/. Wesentlich bequemer ist die Registrierung mit Hilfe eines optischen Vielkanalanalysators anstelle der photographischen Kamera möglich /Adams, M.O.u.a., Opt. Commun. 2.6, 273, (1978)/. Die Nachweis empfindlichkeit sinkt hierbei jedoch ab, da der optische Vielkanalanalysator ein relativ großes Eigenrauschen besitzt. Wesentlich höhere Nachweisempfindlichkeiten lassen sich erzielen, wenn über ein optisches System hinter dem Bildwandler ein strichförmiger Bereich des Bildwandler-Fluoreszenzschirmes auf einen Photomultiplier abgebildet wird, und man die räumliche Intensitätsverteilung über den abgebildeten Bereich zieht /Berndt,K«, DD-PS 136,540; Berndt, K., Proc. ΫΙΙΙ. IMEKO S.ymp, Photon ,'Detectors, Prag, GSSR, 22.-25. 8. 1978; Sleat, W.B.u.a.', Opt. Comrnun. ,45,, 411, (1983)7. Sine weitere Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit ist erreichbar durch Abbildung einer scharfkantig begrenzten Hälfte des Bildwandler-Fluoreszenz-

1&0EL1983*l3f>9-55

Schirmes auf einen Photomultiplier /Berndt, K., DD-PS 157,284/« Allen genannten Lösungen haftet als gemeinsamer Nachteil an, daß die Bestimmung der Fluoreszenzabklingzeit der untersuchten Probe relativ umständlich aus dem registrierten Zeitverlauf der Fluoreszenz erfolgt. Soll "beispielsweise die Fluoreszenzabklingzeit in ihrer Abhängigkeit von der Temperatur oder anderen physikalischen bzw. chemischen Größen untersucht werden, so ist dies mit einem¹ erheblichen Zeitaufwand verbunden, Eine Direktanzeige der Fluoreszenzabklingzeit ohne Registrierung des gesamten Zeitverlaufes wird bei einer Lösung erreicht, in der. jeweils eine Hälfte des Bildwandler-Fluoreszenzschirmes auf einen Photomultiplier abgebildet wird. Die Signalausgänge der beiden Photomultiplier sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden, dessen Ausgangssignal die Verschiebung der räumlichen Intensitätsverteilung auf dem Bildwandler-Fluoreszenzschirm (Steuert /Berndt, K., DD-PS 157,831/.

Nachteilig bei dieser Lösung ist der Umstand, daß Verstärkung sSchwankungen in den beiden Photömultipliern zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen. Darüber hinaus bereitet die exakte Abbildung je einer Hälfte des Schirmes auf einen Photomultiplier erhebliche Probleme« ^λ

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, die Abklingzeit laser-angeregter Fluores'zenzprozesse mit großer Zeitauflösung und hoher ITachweisempfindlichkeit zu messen und direkt anzuzeigen.

Darlegung des Wesens der Erfindung <

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Detektoranordnung für die Kurzzeitspektroskopie anzugeben, in der die von ' einem modensynchronisierten Laser in einer Probe erzeugte Fluoreszenzstrahlung ein elektrisches Signal bewirkt, das zur Fluoreszenzabklingzeit proportional ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Fluoreszenzdetektor für die Kurzzeitspektroskopie mit einem im Strahlengang des modensynchronisierten Lasers befindlichen Strahl teiler, in dessen einem Teilstrahl ein Hilfsphotodetektor angeordnet ist, und in dessen anderem Teilstrahl sich die Probe befindet, wobei im Strahlengang des Fluoreszenzlichtes der Probe eine erste Linse, eine Spaltblende, eine zweite Linse sowie ein elektronenoptischer Bildwandler mit Ablenksystem und hinter dem Bildwandler eine dritte Linse, eine scharfkantige Platte sowie ein Photomultiplier vorhanden sind, und das erfindungsgemäß in nachstehend beschriebener Weise ausgebildet ist_e ^:· * Der Signalausgang des Photomultipliers ist mit'dem Signaleingang eines Lock-in-Verstärkers verbunden, zu dessen Referenzeingang der Ausgang eines im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler und dem Hilfsphotodetektor befindlichen Choppers ge-~ führt ist, und dessen Ausgang an den Steuereingang einer steuerbaren elektrischen Verzögerungseinheit geführt ist, wobei der Eingang der 7erzögerungseinheit mit dem Ausgang des Hilfsphotodetektors verbunden ist, der Ausgang der Verzögerungseinheit zum Eingang eines frequenzselektiven Verstärkers geführt ist, dessen Ausgang mit dem Ablenksystem des Bildwandlers verbunden ist, und die Verzögerungseinheit über einen separaten Ausgang mit einer der eingestellten Verzögerung proportionalen Gleichspanriung verfügt, an den ein Spannungsmeßgerät angeschlossen ist» · Im Betrieb wird mittels der ersten Linse Fluoreszenzlicht auf die dahinter befindliche Spaltblende fokussiert» Die zweite Linse bildet die beleuchtete Spaltblende auf die Photokathode des Bildwandlers ab. Mit Hilfe der dritten Linse wird der Fluoreszenzschirm des Bildwandlers in die Ebene abgebildet, in der sich die scharfkantige lichtundurchlässige Platte befindet. Die Kante der Platte verläuft parallel zum elektronenoptischen Bild der mit Fluoreszenzlicht der Probe bestrahlten Spaltblende. Die Platte ist so justiert, daß nur ' etwa von der Hälfte des Bildwandlerschinnes Licht auf den Photomultiplier gelangen kann.

Zunächst wird bei fehlendem Ablenksignal' am Bildwandler der mit Fluoreszenzlicht beleuchtete Spalt vor dem Bildwandler

senkrecht zu seiner Längsachse so justiert, daß sein elektronenoptisches Bild am Ausgang des Bildwandlers von der drit ten Linse nicht auf die scharfkantige Platte abgebildet wird. In diesem Falle entsteht am Ausgang des Lock-in-Verstärkers ein Signal, das dem Ausdruck

OO ' :

entspricht. Das bedeutet, dieses Signal ist proportional dem zeitlichen Integral über den gesamten Fluoreszenzverlauf, Hierbei ist vorausgesetzt, daß es sich um einen einfach exponentiell abklingenden Fluoreszenzprozeß mit der Abklingzeit T handelt, der während einer Periodendauer des modensvnchronisierten Lasers sehr stark abklingt.

Der Spalt wird nun so verschoben, daß sein elektrohenoptisches Bild von der dritten Linse genau auf die scharfe Kante der Platte abgebildet wird. Das Signal am Ausgang des Lock-in-Verstärkers sinkt bei dieser Operation auf den Wert I₂ = I-./2. In einem weiteren Schritt wird über den Hilfsphotodetektor in dem auf die Folgefrequenz des modensynchronisierten Lasers abgestimmten frequenzselektiven Verstärker eine sinusförmige Ablenkspannung für den Bildwandler erzeugt und durch. Einstellung einer geeigneten konstanten Grundverzögerung in der Verzögerungseinheit die elektronenoptische Abbildung des auf den Bildwandler fokussieren Fluoreszenzlichtes in die Schinnhälfte verlagert, deren Licht durch die dritte Linse auf den Photomultiplier gelangt. Am Ausgang des Lock-in-Verstärkers entsteht nun ein Signal mit dem Wert I₁, Durch geeignete Wahl der Phasenlage des Choppersignals am Referenzeingang des Lockin-Verstärkers kann man erreichen, daß bei verdecktem Hilfsphotodetektor, das heißt, bei fehlender Ablenkung .ein.negatives Ausgangssignal am Lock-in-Verstärker entsteht und bei belichtetem Hilfsphotodetektor ein positives Ausgangssignal. Da I^ größer als I₂ ist, entsteht im zeitlichen Mittel ein positives Ausgangssignal am Ausgang des Lock-in-Verstärkers, Die steuerbare variable elektrische Verzögerungseinheit/ist so be-

schaffen, daß sich die Verzögerung "bei positivem Steuersignal vergrößert und bei negativem verkleinert. Daher kommt es im vorliegenden Falle zu einer Vergrößerung, die zu einer Verschiebung des elektronenoptischen Bildes in die andere Schirmhälfte führt. Eine Zunahme der Verzögerung um den Zeitbetrag t_Q hat eine Abnahme des Ausgangssignals bei Ablenkung von I^ auf den Wert . . . ' ''. -_ · .. ' .' oc

zur Folge» Das Steuersignal an der.Verzögerungseinheit wird ' daher kleiner, und es stellt sich selbsttätig eine solche Zunahme t_Q der Grundverzögerung ein, die die Bedingung 1,-I₂=O erfüllt. Mit den entsprechenden Ausdrucken für I-, und Ip ergibt sich _ - . '

-..- -₍ . ,; t_Q = T. · In 2 . ..

An dem angeschlossenen Spannungsmeßgerät kann somit in linearer Anzeige die Pluoreszenzabklingzeit T abgelesen werden« Anstelle des Spannungsmeßgerätes kann beispielsweise auch;ein XY-Schreiber eingesetzt werden, dessen zweite Koordinate die Temperatur oder andere Größen der Probe wiedergibt. Eine Variante der Erfindung besteht darin, daß ein Taktgenerator vorhanden ist, dessin Ausgang sowohl mit dem Referenzeingang. des Xock-in-Verstärkers als auch mit dem Steuereingang eines zwischen dem Hilfspho^odetektor und dem Eingang der Verzögerungseinheit'eingefügten elektronischen Schalters verbunden ist. Der Chopper ist bei dieser Variante nicht erforderlich. ' .-Eine andere Variante der Erfindung besteht darin, daß der Signalausgang des' Photomultipliers zu einem Digitalrechner geführt ist, dessen Taktgenerator mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters verbunden ist, und der einen Signalausgang besitzt, der zum Steuereingang der Verzögerungseinheit geführt ist. Der Lock-in-Verstärker ist bei dieser Vari-

ante nicht erforderlich. Seine Funktion wird hier vom Rechner übernommen.

In einer weiteren Variante der Erfindung ist in der Ebene der scharfkantigen Platte die Diodenzeile eines optischen Yielkanalanalysators angeordnet. Über den Rechner des Vielkanalanalysators kann die Wirkung der scharfkantigen Platte nach- , gebildet werden, indem nur ein Teil der Dioden in der Zeile zur Signalgewinnung benutzt wird· Die schärfkantige Platte und der Photomultiplier sind bei dieser Variante nicht erforderlich. , . Die Variante mit Photomultiplier und Digitalrechner kann in der Weise modifiziert werden, daß zwischen dem Photomultiplier und dem Rechner ein Impulshö'hendiskriminator angeordnet ist,- Dadurch ist es möglich, die störende Wirkung des Photomultiplier-Dunkelstromes zu vermindern und eine extrem hohe Uachweisempfindlichkeit zu erzielen.

In den vorstehenden Ausführungen wurde stillschweigend vorausgesetzt, daß die Impulse des modensynchronisierten lasers streng periodisch emittiert werden. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall, denn an allen bekannten modensynchronisierten Lasern weisen die Emissionszeitpunkte der Impulse gewisse Schwankungen auf. Diese Erscheinung wird als Jitter bezeichnet und hat sehr komplexe Ursachen, Der Jitter des modensynchronisierten Lasers führt in der Regel zu einer Verschlechterung der Zeitauflösung von Bildwandler-Detektoranordnungen. Während moderne Bildwandlerröhren Zeitauflösungen von ca, 1 ps ermöglichen wurden, liegt die jitter-bedingte Auflösung der Gesamtanordnung· üblicherweise im Bereich 10...50 ps. Im Gegensatz zu den meisten bekannten Bildwandler-Detektoranordnungen wirkt sich der Jitter des modensynchronisierten Lasers in der erfindungsgemäßen Anordnung nicht auf die erreichbare Zeitauflösung aus. Dies ist dadurch begründet, daß nicht der Zeitverlauf des Fluoreszenzprozesses registriert wird, sondern eine Verschiebung der räumlichen Intensitäts-, verteilung auf dem Fluoreszenzschirm des Bildwandlers in der . obengenannten weise erfolgt« Der Jitter bewirkt zwar eine symmetrische Verbreiterung der Intensitätsverteilung, aber er führt nicht zu einer Verschiebung« Ss ist daher mit der ei¹-

findungsgemäßen Detektoranordnung möglich, jitter-behaftete modensynchronisierte Laser anzuwenden und die durch den Bildwandler selbst bedingte Zeitauflösung von ca, 1 ps auszunutzen. '

Ausführungsbeispiel ^;

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist das Schema des IPluoreszenzdetektörs dargestellt. Im Strahlengang des modensynchronisierten kontinuierlich arbeitenden Lasers I befindet sich ein Strahlteiler I, in dessen einem Teilstrahl der Hilfsphotodetektor D angeordnet ist, und in dessen anderem Teilstrahl sich die Probe 3? befindet. Die Probe P ist in einer temperierbaren Küvette K untergebracht, die über einen Temperatursensor S verfügt, an den der X-Kanal eines XY-Schreibers XY angeschlossen ist. Zur Untersuchung anderer als der Temperatürabhängigkeit kann die Probe in entsprechend modifizierten Küvetten mit geeigneten Sensoren angeordnet sein. ' , . , ... Im Strahlengang des Fluoreszenzlichtes der Probe P sind eine erste Linse Lt, eine Spaltblende B, eine zweite Linse L2 sowie ein elektronenoptischer Bildwandler mit Ablenksystem BW angeordnet. Hinter dem Bildwandler BW befinden sich eine . dritte Linse L3, die scharfkantige Platte M sowie der Photo-, multiplier PM, dessen Signälausgang mit dem Signaleingang des Lock-in-Verstärkers LI verbunden ist. Im Strahlengang zwischen dem Strahl.teiler T und dem Hilfsphotodetektor D befindet sich ein Chopper.GH, dessen Referenzausgang zum Referenzeingang' des Lock-in-Verstärkers LX geführt ist. , Der Ausgang des Lock-in-Verstärkers LI ist mit dem Steuereingang der steuerbaren variablen 7erzögerungseinheit SV verbunden, deren Eingang mit dem Signälausgang des Hilfsphotodetektors D und deren Ausgang mit dem Eingang des 'frequenzselektiven Verstärkers A verbunden sind, wobei der Ausgang des' Verstärkers A zum. Ablenksystem des Bildwandlers BV/ geführt ist.· Die Verzögerungseinheit SV ist so beschaffen, daß sich bei po-

si tiνem Signal am Steuereingang die Verzögerung vergrößert und bei negativem Signal verkleinert. Als VerzÖgerungseinheit eignet sich beispielsweise eine von einem Stellmotor getriebene, in ihrer Länge veränderbare Koaxialleitung. Die Verzögerungseinheit SV verfügt über einen separaten Ausgang mit einer. der eingestellten Verzögerung proportionalen Gleichspannung, der an den Y-Kahal des XY-Schreibers XY geführt ist. Der separate Ausgang kann in Form einer üblichen längenmeßeinrichtung mit elektrischem Ausgang realisiert werden. An den separaten Ausgang kann außerdem ein Digitalvoltmeter angeschlossen werden, das bei entsprechender Sichung die Fluoreszenzabklingzeit mit hoher Genauigkeit dire-kt anzeigt. Austeile des XY-Sehreibers XY bzw. eines Digitalvoltmeters können auch Einrichtungen zur drahtlosen oder drahtgebundenen Datenfernübertragung angeschlossen werden. In diesem Fall ist es möglich, den Fluoreszenzdetektor in der Uähe explosionsgefährdeter Reaktoren, in giftiger Atmosphäre bzw. auf fliegenden oder anderen bewegten Objekten zu montieren.

Claims

-AO

Erfindungsanspruch

1. Fluoreszenzdetektor für die Kurzzeitspektroskopie mit einem "Im Strahlengang eines modensynchronisierten Lasers (L) befindlichen Strahlteiler (T), in deäsen einem Teilst.rahl ein Hilfsphotodetektor (D).angeordnet ist, und in dessen anderem Teilstrahl sich die fluoreszierende Probe (?) befindet, wobei im Strahlengang des .Pluoreszenzlichtes der Probe (P) eine erste Linse (L1), eine-Spaltblende (B), eine zweite Linse (L2) sowre ein elektronenoptischer Bildwandler mit Ablenksystem (BW) und hinter dem Bildwandler' ·

. . (BW) eine dritte Linse (13), eine Platte (M). mit gerader scharfer 3£ante sowie ein Photomultiplier (PM) vorhanden sind,· . ' , ' '. · .'

gekennzeichnet dadurch, daß der Signalausgang des Photo- multipliers (PM) mit. dem Signaleingang eines Lock-in-Verstärkers (LI) verbunden ist, zu dessen Heferenzeingang . > der Referenzausgang eines im Strahlengang zwischen dem ,

, Strahlteiler (T) und dem Hilfsphotodetektor (D) befindlichen Choppers (GH) geführt ist, und dessen Ausgang an den Steuereingang einer steuerbaren variablen elektrischen Verzögerungseinheit (SY) geführt ist, wobei der Eingang der . Verzögerungseinheit (SV) mit dem Ausgang des Hilfsphoto-:

detektors (D) verbunden ist, der Ausgang der Verzögerungs-• einheit (SY) zum Eingang eines frequenzselektiven Verstärkers (A) geführt ist, dessen Ausgang mit dem Ablenksystem des Bildwandlers (BW) verbunden ist, und die,Verzögerungseinheit (SY) über einen separaten Ausgang mit einer der eingestellten Verzögerung proportionalen.'Gleichspannung , verfügt, an den^;'ein Spannungsmeßgerät (Ti) angeschlossen

Fluoreszenzdetektor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Taktgenerator vorhanden ist, dessen Ausgang sowohl mit dem Referenzeingang des Lock-in-Verstärkers (LI) als auch mit dem Steuereingang eines zwischen dem, Hilfsphotodetektor (D) und dem Eingang der Verzögerungseinheit (SY) eingefügten elektronischen Schalters verbunden ist.

3φ Fluoressenzdetektor nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Signalausgang des Photomultipliers (PM) zu einem Digitalrechner geführt ist, dessen Taktgenerator mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters verbunden ist, und der einen Signalausgang besitzt, der zum Steuereingang der Verzögerungseinheit (SV) geführt ist.

4· Fluoreszenzdetektor nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß in der Ebene der scharfkantigen Platte (M) die Diodenzeile eines^:optischen.Vielkanalanalysators angeordnet ist, und der Rechner des Vielkanalanalysators mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters sowie mit dem Steuereingang der Verzögerungseinheit (SV) verbunden ist. ' ',·

5· Pluoreszenzdetektor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch,, daß zwischen dem Photomultiplier (PM) und dem Rechner ein Impulshöhendiskriininator angeordnet ist.

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