DE2656417C2

DE2656417C2 - Fluoreszenz-Spektrophotometer

Info

Publication number: DE2656417C2
Application number: DE2656417A
Authority: DE
Inventors: John U. Dr. Darien Conn. White
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-11
Filing date: 1976-12-13
Publication date: 1986-06-26
Also published as: DE2656417A1; CA1068508A; JPS5919305B2; JPS5292583A

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluoreszenz-Spektrophotometer gemäß dem Oberbegriff des Paientanspruchs 1.

Bei der Messung von Fluoreszenz- und An'sgungs-Spektren ist es üblich, eine Probe mit monochromatischem Licht aus einer intensiven Strahlungsquelle zu beleuchten und das durch die Probe emittierte Licht durch einen Monochromator und ein photoelektrisches Anzeigesystem zu betrachten. Entweder die Anregungs- oder die Emissionswellenlänge kann abgetastet werden, um die Intensität des Spektrums als Funktion der Anregungs- oder Emissionswellenlänge aufzuzeichnen.

Aus diesem Grunde haben Strahlungs-Meßvorrichtungen der vorbeschriebenen Art bestimmte Nachteile. Eines der augenscheinlichsten Probleme ist die vergleichsweise niedrige intensität des Ausgangssignals, insbesondere beim Messen der Spektren von ausgedehnten oder verdünnten Materialien.

Bei den üblichen Vorrichtungen wurde eine vergrößerte Abbildung der Lichtquelle auf den Eingangsspalt des Anregun^jmonochromators fokussiert, und ein verkleinertes Bild des Ausgangsspalts wurde mit Hilfe eines ersten optischen Systems auf die Probe fokussiert. Die von der Probe herrührende Fluoreszenzstrahlung wurde durch ein zweites optisches System gesammelt und auf den Eingangsspait eines Emissionsmonochromators derart fokussiert, daß das Signal be»;n Ausgangsspalt dieses letzteren Monochromators der Lichtintensität bei der gewählten Wellenlänge proportional war. Versuche, die Intensität des Signals zu erhöhen, beinhalteten normalerweise eine Verringerung der Höhe des Bildes des Ausgangsspaltes des Anregungsmonochromators.

Diese Versuche waren jedoch nur teilweise erfolgreich, und die gemessene intensität blieb ungenügend, um bei Proben mit niedriger Intensität Ablesungen der gewünschten Genauigkeit zu erhalten.

In der DE-OS 23 59 688 sind bereits Fluoreszenz-Spektrophotometer der eingangs genannten Art in verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Dabei sind jeweils der Ausgangsspalt des Anregungsmonochromators und der Eingangsspalt des Emissionsmonochromators mit ihren Längsachsen so gelegt, daß sie mehr oder weniger senkrecht zu derjenigen Ebene liegen, die durch die gemeinsame Schnittlinie der Anregungs- und der Emissionsstrahlenbündel festgelegt wird. Besondere Vorkehrungen, die Intensität des Ausgangssignals zu verbessern, sind dort nicht angegeben.

In der DE-AS 24 02 405 und der DE-OS 24 17 427 sind weiterhin Fluoreszenz-Spektrophotometer beschrieben, wobei in der erstgenannten Schrift eine Besonderheit gegebenenfalls darin gesehen werden kann, dab mittels eines Phasenschiebers eine Änderung der Phasenlage von zwei drehbaren Zerhackern vorgenommen werden kann, von denen der eine im Wege des Primärlichts und der andere im Wege des Lumineszenzlichtes angeordnet ist. Auch bei diesen Fluoreszenz-Spektrophotometern liegen jeweils der Ausgangsspalt des Anregtingsmonochromators und der Eingangsspait des Emissionsmonochromators in Ebenen, welche senkrecht zu derjenigen Ebene liegen, die durch den Schnitt zwischen dem Anregungsstrahlenbündel und dem Emissionsstrahlenbündel bestimmt wird. In beiden Schriften werden keine besonderen Überlegungen dahingehend angestellt, auf weiche Weise ein Fluoreszenzsignal hoher Intensität erhalten werden kann.

In der japanischen Ausgabe von »Spektroscope« vom 10. Oktober 1974, Seite 291, ist außerdem schematisch ein Fluoresüenz-Spektrophotometer dargestellt bei dem der Ausgangsspalt des AnregT-s.'smonochromators und der Eingangsspalt des Emissionsi-ionochromators in der durch die Hauptstrahlen der sich schneidenden Anregungs- und Emissionsstrahlenbündel defmierten Ebene liegen. Dieser Druckschrift läßt sich jedoch nicht entnehmen, daß die Abbildungen dieser Spalte in der durch die genannten Hauptstrahlen festgelegten Ebene liegen. Auch gibt diese Druckschrift keine Anregung, durch definierte Festlegung der Abbildungen der jeweiligen Spalte in bestimmten Ebenen eine Vergrößerung der Intensität des Ausgangssignals zu bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fluoreszenz-Spektrophotometer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die von einer Probe emitierte Lichtintensität in verbesserter Weise gemessen werden kann, indem gegenüber den bekannten Strahlungsmeßgeräten der entsprechenden Gattung ein Fiuoreszenzsignai höherer Intensität erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen erreicht.

Mit der Erfindung wird also ein Fluoreszenz-Spektrophotometer geschaffen, bei dem das optische System für den Anregungsmonochromator eine Anord-iung zur Bildung einer Abbildung des Ausgangsspr.lts des Monochromators an oder nahe einer ersten Fläche der zu untersuchenden Probe und zur Bildung einer Abbildung des Gitters nahe einer zweiten Fläche der Probe aufweist. Die Fluoreszenz von der Probe wird zu einem Emissionsmonochromator gelenkt, der ebenfalls eine Anordnung zur Bildung einer Abbildung des Eingangsspalts dieses Monochromators nahe einer dritten Fläche der Probe und einer Abbildung des Gitters dieses Monochromators nahe einer vierten Probenfläche aufweist. Die optischen Bauteile sind dabei so angeordnet, daß alle Abbildungen in einer einzigen, durch die Axialstrahlen der Anregungs- und Fluoreszenz-Strahlenbündel bestimmten Ebene liegen.

Bei verschiedene .1 vorteilhaften Ausführungsformen sind die Spiltbilder um 90° gegenüber den Spalten selbst versetzt angeordnet.

Gemäß einer vorteilhaften, im Anspruch 2 angegebenen Ausführungsform sind wenigstens in einem der optischen Systeme eine Verzerrung hervorrufende Mittel in Form eines Spiegels oder einer Linse vorgesehen, welche eine Verzerrung hinsichtlich des Längen/Breiten-Verhältnisses in den vom betreffenden optischen System erzeugten Abbildungen derart herbeiführen, daß die Abbildung des Ausgangsspalts des Anregungs-

monochromators und/oder die Abbildung des Eingangsspalts des Emissionsmonochromators ein Längen/ Breiten-Verhältnis aufweisen, welches kleiner ist als das Längen/Breiten-Verhältnis des zugeordneten Spalts. Zwar sind auch bei dem bekannten Gerät gemäß DE-OS 23 59 688 verzerrende Toroidspiegel vorgesehen, doch liegen diese weder im Anregungsstrahlengang noch im Emissionsstrahlengang, also nicht in einem optischen System, das zur Leitung der die Probe durchsetzenden Strahlen dient; vielmehr sind diese in optischen Systemen angeordnet, durch welche an der Probe vorbeigeführte Teilstrahlen in vorgegebener Weise geführt werden. Damit können die dort vorgesehenen Toroidspiegel auf die Ausgestaltung der die Probe durchsetzenden Strahlenbündel keinen Einfluß nehmen, während mit den hier als Weiterbildung vorgesehenen verzerrenden Mitteln die Intensität des dem Emissionsmonochromator zugeführtcn FlwnrRsyen/signals weiter erhöhl, werden kann.

Die Intensität des Ausgangssignals kann außerdem durch Anordnung von keilförmigen optischen Elementen nahe der Probe und durch Anordnung von Spiegeln hinter dem Probenhalter, mit denen das Licht in einem zweiten Durchgang durch die Probe hindurchgeleitet wird, weiter verstärkt werden.

Im folgenden sind Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Aufsicht auf ein F'luoreszenz-Spektrophotometer,

Fig. IA eine in vergrößertem Maßstab gehaltene schematische Aufsicht auf die Strahlengänge an einem Probenhalter des Spektrophotometers gemäß Fig. 1,

F i g. 1B eine in vergrößertem Maßstab gehaltene, perspektivische Teilansicht des Probenhalters und der optischen Systeme beim Spektrophotometer gemäß Fig. 1.

F i g. 2 eine vereinfachte schematische Seitenansicht eines Teils der Vorrichtung gemäß Fig. 1, in Richtung der Pfeile 2-2 in F i g. 1 gesehen,

F ι g. 3 eine vereinfachte schematische Aufsicht auf ein Fluoreszenz-Spektrophotometer,

F i g. 4 eine vereinfachte schematische Seitenansicht eine* Teils der Vorrichtung gemäß Fig. 3, in Richtung der Linie 4-4 in F i g. 3 gesehen.

F ι g. 5 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Aufsicht auf einen Probenhalter beim Spektrophotometer gemäß Fig. 3 und 4,

F ι g. 6 eine vereinfachte schematische Aufsicht auf ein Fluoreszenz-Spektrophotometer.

F ι g. 7 eine in ν .rgrößertem Maßstab gehaltene Seitenansicht, in Richtung der Pfeile 202-202 in F i g. 6 gesehen, zur Veranschaulichung eines in Verbindung mit der Vorrichtung gemäß F i g. 6 verwendeten das Licht unterbrechenden Chopperscheibe,

F i g. 8 eine vereinfachte schematische Aufsicht auf ein Fluoreszenz-Spektrophotometer,

F i g. 9 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Seitenansicht eines Teils der Vorrichtung gemäß F i g. 8, in Richtung der Pfeile 204-204 in F i g. 8 gesehen,

F i g. 10 eine in Richtung der Pfeile 205-205 in F i g. 8 gesehene Seitenansicht de:; Teils gemäß F i g. 9,

F i g. 11 einen waagerechten Schnitt durch einen Probenhalter.

F i g. 12 eine Aufsicht auf optische Keile und zugeordnete Bauteile zur Verwendung bei der Ausführungsform gemäß F i g. 6 und

Fig. 13 eine Seitenansicht, in Richtung der Pfeile 208-208 in F i g. 12 gesehen.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines Fluoreszenz-Spekirophotomcters dargestellt, das eine Xcnon-Lichibogenlampe oder eine andere Lichtquelle 10 für sichtbares oder unsichtbares L'icht aufweist. Das von der Lichtquelle 10 stammende Licht wird durch einen Ellipsoidspiegel 11 gesammelt und auf den Eingangsspalt 12 eines Anrcgungs-Monochromators 13 fokussiert. Dieser Spalt 12 besitzt eine rechteckige Form, deren Längsachse senkrecht zur Zeichenebene liegt. Der Monochromator 13 weist neben dem Eingangsspalt 12 einen Kollimator-Spiegel 15, ein Beugungsgitter 16, einen Teleskopspiegel 17 und einen Ausgangsspalt 18 auf. dessen Längsachse ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene liegt. Das in den Spalt 12 eintretende Licht wird durch den Spiegel 15 zum Gitter 16 und sodann vom Spiegel 17 zum Ausgangsspalt 18 reflektiert. Die Begrenzungen des Gitters 16 bilden aus noch näher zu erläuternden Gründen eine Begrenzungsöffnung 19.

Das aus dem Ausgangsspalt 18 austretende Licht liegt in Form eines monochromatischen Anregungsstrahlenbündels vor. Das monochromatische Strahlenbündel wird durch ein erstes optisches System empfangen, das ebene und sphärische Spiegel 20 und 21 enthält, wcitcrhin eine zylindrische Linse 22 und eine sphärische Linse 23. Die Spiegel 20 und 21 sind in bezug auf den Hauptstrahl de- einfallenden Strahlenbündels unter Winkeln von 45" ausgerichtet, um das Licht nach oben zu lenken und dann horizontal in Richtung der Linsen 22 und 23.

Die Spiegel 20 und 21 reflektieren das Anregungsstrahlenbündel in rechten Winkeln zu seiner ursprünglichen Richtung.

Die konvexe sphärische Linse 23 fokussiert das Anregungsstrahlenbündel auf einen Probenhalter oder eine Probenzelle, welches generell mit 25 bezeichnet ist. Die Probenzelle 25 hat quadratische Form und enthält gegenüberliegende Paare von ebenen Oberflächen 26 und 27, sowie 28 und 29. Wie am besten aus Fig. la zu ersehen, bildet die Linse 23 eine reale horizontale Abbildung 30 der öffnung, welche durch den Ausgangsspalt 18 gebildet wird.

Die Abbildung erfolgt nahe benachbart der Oberfläche 26 der Probenzelle 25.

Zusätzlich zur Abbildung 30 des Ausgangsspalts 18 ist das erste optische System imstande, eine Abbildung 31 des Gitters 19 zu bewirken. Die Abbildung 31 findet in naher Nachbarschaft zur Oberfläche 27 der Probenzelle 25 statt, d. h., der Oberfläche,welche der Abbildung 30 gegenüberliegt. Die Longitudinalachse der Abbiidungen 30 und 31 liegt in einer einzigen Ebene, welc! λ zur Zeichenebene parallel ist.

Es sei bemerkt, daß der ebene Spiegel 20 und der sphärische Spiegel 21 dazu dienen, die Abbildungen 30 und 31 in rechten Winkeln zur Richtung des Ausgangsspalts 18 auszurichten. Daher drehen die Spiegel 20 und 21 die Abbildungen um einen 90°-Winkel derart, daß longitudinale Abmessungen parallel zur Zeichenebene liegen. Die Spiegel 20 und 21 bilden zusammen mit den Linsen 22 und 23 das optische System der Anregungs-Anordnung für die Anzeigevorrichtung und lenken das Anregungsstrahlenbündel vom Ausgangsspalt 18 zur Probe 25. Das optische System ist anamorphotisch, und seine Vergrößerung ist derart, daß die Länge und Breite der Abbildung 30 des Ausgangsspalts annähernd gleich

sind der Länge und Breite der Öffnungsabbüdung 31. Bei dieser Anordnung bestrahlen die äußersten Strahlen zwischen den Abbildungen 30 und 31 ein Probenvolumen in der annähernden Form eines rechtwinkligen

Prismas.

Die Breite des Strahles, welcher durch die Probe durchgeht, ist verg'eichsweise gleichförmig und wird so klein wie zweckmäßig gehalten. Das hai eine erhebliche Steigerung der Intensität des Strahlenbündels zur Folge.

Um e^:ne weitere Erhöhung der Intensität des Lichtstrahles Zd erreichen, welcher durch die Probe 25 durchgeht, ist ein sphärischer Spiegel 32 in einer kurzen Entfernung hinter der Probe, benachbart der P^robenoberfläche 27 und gegenüber derjenigen, welche dem Anregungs-Monochromator 13 zugewandt ist, angeordnet. Der Spiegel 32 lenkt das Anregungsstrahlenbündel zurück durch die Probe für einen zweiten Durchgang.

Der durch den Probenhalter 25 durchgehende Anregungsstrahl regt die Probe an und bringt sie zum Emittieren einer Fluoreszenz-Strahlung einer Wellenlänge, die von derjenigen des anregenden Lichtes verschieden ist. Diese Fluoreszenz-Strahlung wird in alle Richtungen emittiert. Ein Teil der emittierten Fluoreszenz-Strahlung wird durch eine sphärische Linse 33 gesammelt und weiter durch eine zylinderförmige Linse 34 auf einen sphärischen Spiegel 35 außerhalb der Achse und einen ebenen Spiegel 36 außerhalb der Achse gelenkt.

Die Linse 33 und 34 und die Spiegel 35 und 36 bilden ein anamorphotisches optisches System für die Emission, welches identisch ist mit dem optischen System für die Anregung, das die Spiegel 20 und 21 sowie die Linsen 22 und 23 enthält. In ähnlicher Weise wie die Spiegel 20 un ^! 21 sind die Spiegel 35 und 36 in bezug auf die Hauptstrahlen des von dem Probenhalter 25 herrührenden Emissionsstrahlenbündels unter einem Winkel von 45" ausgerichtet. Um die Intensität des Emissionsstrahlenbündels noch weiter zu erhöhen, ist ein sphärischer Spiegel 37 in kurzer Entfernung hinter dem Probenhalter 25 angeordnet und der Probenoberfläche 29 zugewandt. Der Spiegel 37 sammelt zusätzliches, von der Probe stammendes Licht und lenkt es durch das optische System für die Emission.

Das vom optischen System für die Emission stammende Fluoreszenz-Emissionsstrahlenbündel wird durch den sphärischen Spiegel 36 zum Eingangsspalt 39 eines Emissions-Monochromators 40 gelenkt. Dieser Eingangsspalt hat rechtwinklige Form und seine Längsachse erstreckt sich in eine Richtung senkrecht zur Zeichenebene. Der Monochromator 40 ist dem Anregungs-Monochromator 13 ähnlich und enthält zum Eingangsspalt 39 einen Koliimatorspiegel 42, ein Gitter 43, einen Teleskopspiegel 44 und einen Ausgangsspalt 45 parallel zum Eingangsspalt. Die Fluoreszenzstrahlung tritt in den Eingangsspalt 39 ein, wird durch den Kollimator 42 zum Gitter 43 reflektiert und dann durch den Teleskopspiegel 44 auf den Ausgangsspalt 45 fokussiert. Die Begrenzung des Gitters 43 definiert eine Begrenzungsöffnung 46.

Das vom Ausgangsspalt 45 austretende Licht enthält einen ausgewählten, hochmonochromatischen Teil der Fluoreszenz-Emission der Probe 25. Das austretende Licht wird durch einen photoelektrischen Detektor 50 empfangen, der von üblicher Bauart ist und vorzugsweise von einem Typ, welcher bei den speziell interessierenden Wellenlängen eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Der Detektor 50 erzeugt ein Ausgangssignal proportional der Intensität des vom Ausgangsspalt 45 stammenden Lichtes. Die sphärische Linse 33 im optischen System für den Emissions-Monochromator 40 bildet eine optische Abbildung 52 der Öffnung, die durch den Eingangsspalt 39 gebildet wird. Die Abbildung erfolgt in enger Nachbarschaft zur Oberfläche 28 der Probenzelle 25. In ähnlicher Weise wird eine optische Abbildung 53 der Beugungsöffnung 46 an der gegenüberliegenden Oberfläche 29 der Probenzelle erzeugt. Aufgrund der Winkc'ausrichtung außerhalb der Achse durch die Spiegel 35 und 36 liegen die Längsachsen der Abbildungen 52 und 53 in einer einzigen Ebene parallel zur Zeichenebene und in rechten Winkeln zur Längsachse des Eingangsspalts 39. Die äußersten Strahlen zwischen den Abbildungen 52 und 53 umfassen ein Probenvolumen in der annähernden Form eines rechtwinkligen Prismas, und die Breite des durch die Probe durchgehenden Strahls ist vergleichsweise gleichförmig und so klein wie zweckmäßig.

Die Hauptstrahlen des Strahlenbündels aus dem Anregungs-Monochromator 13 und das Strahlenbündel, welches in Richtung des Emissions-Monochromators 40 geht, schneiden sich an der Probenzelle 25. Die Längsachsen jeder der beiden entzerrten Abbildungen 30, 31, 52 und 53 der öffnungen liegen in einer Ebene, welche durch diese Hauptstrahlen definiert ist. Der Ausgangsspalt 18 für den Anregungs-Monochromator 13 und der Eingangsspalt 39 für den Emissions-Monochromator 40 auf der anderen Seite erstrecken sich in Richtungen senkrecht zur Ebene, welche durch die Hauptstrahlen definiert ist. Die Abbildung 30 des Ausgangsspalts 18 ist parallel zum Lichtweg des Emissionsstrahlenbündels, und die Abbildung 52 des Eingangsspalts 39 ist parallel zum Lichtweg des Anregungsstrahlenbündels. Die An-Ordnung ist derart, daß jeder Punkt längs des Eingangsspalts 39 mit Licht einer Intensität gefüllt ist, welche der Strahlung der Probe mit Licht, das von der gesamten Länge des Ausgangsspaltes 18 herrührt, entspricht.
Das sich ergebende Anwachsen des Betrages an Fluoreszenzlicht, welches durch den Eingangsspalt 39 gesammelt wird, ist in der Theorie so groß wie das Länge : Breite-Verhältnis der Abbildung 30 des Ausgangsspalts 18. Infolge der Eigenschaften der Monochromatoren, und infolge der gleichen Länge und Breite der Abbildungen von Schlitz und Gitter ist dieses Verhältnis gleich der Quadratwurzel des Verhältnisses der Länge des Ausgangsspalts, multipliziert mit der im Winkel dazustehenden Spaltöffnung in einer Ebene, welche die Längsachse des Spalts enthält, geteilt durch die Breite des Spalts, multipliziert mit der im Winkel dazustehenden öffnung am Spalt in der Querebene. Wegen des Variierens der Spaltbreiten und Aberrationen kann das vorhergesagte Anwachsen, obwohl noch beträchtlich, insbesondere für vergleichsweise große Verhältnisse Länge : Breite nicht realisiert werden. In Fällen, in denen die wirkliche Höhe des Strahlenbündels an den gegenüberliegenden Oberflächen der Probe annähernd die gleiche ist, kann jedoch das tatsächliche Anwachsen beinahe den theoretischen Wert erreichen, und ein Anwachsen des Signals wird erzielt, das annähernd fünfmal so hoch ist wie dasjenige bei üblichen Fluoreszenz-Einrichtungen.

Bei den optischen Systemen für die Anregung und für die Emission bringen die sphärischen Spiegel einen Grad von Astigmatismus in den Abbildungen des Spalts und des Gitters mit sich. Dieser Astigmatismus wird durch die zylindrischen Linsen in den Systemen korrigiert Die Systeme haben entzerrende Eigenschaften, welche die Abbildungen des Spalts und des Gitters derart verzerren, daß sie beide das gleiche Längen : Breiten-Verhältnis aufweisen.

Die Spiegel 32 und 37 dienen dazu, die entsprechenden Anregungs- und Emissionsstrahlenbündel zurück

durch den Probenhalter 25 für einen zweiten Durchgang zu lenken. Die Spiegel 32 und 37 sind sphärischkonkav mit Krümmungsmittelpunkten am Mittelpunkt der Probe. Bei dieser Anordnung bildet jeder der Spiegel eine Abbildung der ihm zugewandten Oberfläche der Probe an der gegenüberliegenden Oberfläche und ebenfalls eine Abbildung der gegenüberliegenden Oberfläche an der ihm zugewandten Oberfläche. Das Anwachsen der Intensität als Ergebnis dieses Spiegels ist fast viermal so hoch wie die Intensität von Einrichtungen, bei welchen die Spiegel weggelassen sind.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsform verwendet entsprechende Paare von Winkelspiegeln 20 und 21 sowie 35 und 36, um jede der Abbildungen 30 und 52 der Spalte in eine Richtung parallel zum Lichtweg des anderen Strahlenbündels zu lenken. Das gleiche Ergebnis kann durch die Verwendung von verschiedenen optischen Systemen erreicht werden, welche die Notwendigkeit für winkelmäßig versetzte Spiegel entbehrlich machen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 und 4 sind z. B. die Spalte selbst derart angeordnet, daß sie sich in Richtungen parallel zur Richtung des gegenüberliegenden Strahlenbündels erstrecken. Die Einrichtung dieser letzteren Abbildungen enthält eine Xenonbogenlampe 60 und einen Ellipsoidspiegel 61, welcher das Licht in den Eingangsspalt 62 eines Anregungs-Monochromators 63 fokussieren. Im Unterschied zu dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Eingangsspalt 62 eine Längsachse, welche in der Zeichenebene liegt. Ein ausgewählter, monochromatischer Teil des vom Eingangsspalt 62 herrührenden Lichtes wird durch ein konkaves Beugungsgitter 65 zum Ausgangsspalt 70 reflektiert, dessen Längsachse ebenfalls in der Zeichenebene liegt. Wie beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel, bildet die Begrenzung des Gitters 65 eine Begrenzungsöffnung 71 für das monochromatische Licht. Der aus dem Ausgangsspait 70 austretende monochromatische Anregungsstrahl wird durch ein erstes optisches System empfangen, welches eine Toroid-Linse 72 und einen Strahlenteiler 74 enthält. Der Strahlenteiler 74 ist in Form einer flachen Quarzplatte gezeigt. Ein bekannter Bruchteil dieses Lichtes geht durch den Strahlenteiler 74 hindurch und wird durch einen konkav-sphärischen Spiegel 75 zu einer konvex-sphärischen Linse 76 gelenkt.

Die Linse 76 fokussiert den vom Spiegel 75 herrührenden Anregungsstrahl auf eine Probenzelle 78. Der Aufbau der Zelle 78 ist ähnlich demjenigen der Zelle 25 (Fig. 1), welche vorher beschrieben wurde. Sie enthält Paare von gegenüberliegenden Oberflächen 80 und 81 sowie 82 und 83. Die Linse bewirkt eine reelle horizontale Abbildung der öffnung, weiche durch den Ausgangsspalt 18 definiert wird, und diese Abbildung erfolgt zwischen Linse und Probenoberfläche 80. In ähnlicher Weise erfolgt eine reelle horizontale Abbildung der Gitteröffnung 71 an der gegenüberliegenden Probenoberfläche 81.

Wie am besten aus F i g. 5 zu ersehen, ist die Probenzelle 78 am Umfang eines drehbaren Tisches 85 gelagert. Der Tisch 85 ist kreisförmig und enthält drei zusätzliche Probenzellen 88,89 und 90, welche verschiedene fluoreszierende Materialien enthalten können und in gleicher Weise gegenüberliegende Paare von Oberflächen 80 und 81 sowie 82 und 83 aufweisen. Die verschiedenen Probenzeilen sind in einem Abstand von 90" am Tisch 85 derart angeordnet, daß die zu untersuchende Probe durch Schwenken des Tisches um einen entsprechenden Winkel leicht gewechselt werden kann.

Ein Paar vor Spiegeln 95 und 96 ist an jeder der Probenzellen 78,88,89 und 90 in einem kleinen Abstand zu den Oberflächen 81 bzw. 83 angeordnet. Die Spiegel 95 und 96 sind optisch transparent, ausgenommen die sphärisch-konkaven reflektierenden Oberflächen 99 und 100 an ihren Rückseiten. Im Unterschied /ti den Probenspiegeln bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 und 2 sind diese Oberflächen in der Nähe der entsprechenden Abbildungen der Gitter angeordnet, wobei die Krümmungsmittelpunkte annähernd bei den Abbildungen der zugehörigen Spalte liegen. Die Abbildungen der Spalte werden auf sich selbst rückabgebildet, um die Intensität des Ausgangssignals weiter zu steigern.

Die von der Probenzelle 78 herrührende Fluoreszenz-Strahlung wird durch eine konvexsphärische Linse 105 (Fig.3) im optischen System der Emission für die Anzeigevorrichtung gesammelt. Das Fluoreszenz-Emissionsstrahlenbündel geht dann durch eine Linse 107 hindurch und wird durch eine Linse 108 auf den Eingangsspalt 109 eines Emissions-Monochromators 110 fokussiert. Die Längsachse des Eingangsspalts 109 liegt in der Zeichenebene und in der gleichen Ebene wie der Ausgangsspalt 70.

Das Emissionsstrahlenbündel, das in den Ausgangsspalt 109 eintritt, wird durch ein konkaves Beugungsgitter 112 mit einer Gitteröffnung 113 empfangen und zu einem Ausgangsspalt 114 gelenkt. Die Längsachse dieses letzteren Spalts liegt in einer Ebene mit den Achsen der übrigen Spalte. Die von dem Ausgangsspalt 114 austretende Fluoreszenz-Strahlung wird durch ein reflektierendes Prisma 115 empfangen und über dieses Prisma zu einem photoelektrischen Detektor 116 gelenkt, um ein Ausgangssignal proportional dem vom Ausgangsspalt herrührenden Licht zu erzeugen. Das optische System der Emission zwischen Probe 78 und Eingangsspalt 109 ist optisch dasselbe wie das optische System der Anregung zwischen Ausgangsspalt 70 und Probe, ausgenommen die Verwendung der zylindrisehen Linse 107 anstelle des sphärischen Spiegels 75. Das optische System der Emission bildet ADbildungen des Ausgangsspalts 109 und der Gitteröffnung 113 in entsprechender Nachbarschaftsbeziehung zu den Oberflächen 82 und 83 der Probe.

Die Längsachsen des Ausgangsspalts 70 und des Eingangsspalts 109 liegen in einer einzigen Ebene, welche durch die Hauptstrahlen des Strahlenbündels, das vom Anregungs-Monochromator 63 herkommt, und des Strahienbündeis, das auf dem Emissions-ivlonochrornator 110 zuläuft, definiert wird.

Die Abbildungen der Spalte 70 und 109, zusammen mit den Abbildungen der Beugungsöffnungen 71 und 113, haben in ähnlicher Weise Längsachsen, welche in dieser Ebene liegen. Wie bereits bei der vorher beschriebenen Ausführungsform aufgezeigt, ist jeder Punkt am Eingangsspalt 109 mit Licht einer Intensität gefüllt, welche der Lichtstrahlung der Probe 78, die von der gesamten Länge des Ausgangsspalts 70 herrührt, entspricht. Das sich ergebende Anwachsen der Intensitat wird durch die Verwendung der Spiegel 95 und 96, die in der zuvor beschriebenen Weise an der Probenzelle angeordnet sind, weiter erhöht.

Wie bereits erläutert, dient der Strahlenteiler 74 dazu, um einen bekannten Bruchteil von Licht aus dem Anregungs-Monochromator 63 zum Spiegel 75, der Linse 76 und der Probe 78 durchzulassen. Der verbleibende Bruchteil wird durch den Strahlenteiler 74 über nachfolgende Linsen 122 und 123 zum Reflexionsprisma 115

und von da zur photoelektrischen Zelle 116 reflektiert. Der verbleibende Bruchteil wird als Bezugsstrahl verwendet und periodisch durch eine kontinuierlich rotierende Chopperscheibe 120 zwischen Linse 123 und Photozelle 116 unterbrochen. Die Chopperscheibe 120 ist zwischen den Linsen 107 und 108 in einer Stellung ausgerichtet, um ebenfalls den Fluoreszenz-Emissionsstrahl periodisch zu unterbrechen.

Die Chopperscheibe ist mit geeigneten Ausschnitten versehen, um jeweils gleichzeitig die Fluoreszenz zur Photozelle durchzulassen und das Bezugsstrahlenbündel zu unterbrechen und danach den Fluoreszenzstrahl zu blockieren und das Bezugsbündel zur Photozelle durchzulassen

Die Photozelle 516 wird somit abwechselnd durch das Licht von der fluoreszierenden Probe 78 und durch das Bezugsiicht vom Anregungs-Monochromator 63 beleuclitet. Das von der Photozelle erfaßte Licht stellt also abwechselnd dis Strahlung der Probe und des Bezugsstrahlenbündels dar.

Mittels herKömmlicher elektrischer Schaltungen können die Ausgangssignale der Photozelle in ein Gesamt-Ausgangssignal entsprechend dem Verhältnis zwischen dem Gesamt-Probensignal und dem Gesamt-Bezugssignal umgesetzt werden.

F i g. 6 veranschaulicht schematisch ein Fluoreszenz-Spektrophotometer mit einer sichtbares oder unsichtbares Licht aussendenden Xenon-Lichtbogenlampe oder einer ähnlichen Lichtquelle 210, deren Licht durch einen Konvexspiegel 211 gesammeii und auf einen einstellbaren Eingangsspalt 212 eines Anregungs-Monochromators 213 fokussiert wird. Die durch diesen Spalt bestimmte öffnung besitzt eine rechteckige Form, deren Längsachse parallel zur Zeichenebene liegt. Der Monochromator weist neben dem Eingangsspalt 212 ein konkaves Beugungsgitter 216 und einen einstellbaren AusgangsspaSt 218 auf, der auf ähnliche Weise eine öffnung mit einer parallel zur Zeichenebene liegenden Längsachse festlegt. Das in den Spalt 212 einfallende Licht wird vom Gitter 216 zum Ausgangsspalt 218 reflektiert. Die Begrenzung des Gitters 216 bildet aus noch zu erläuternden Gründen eine erste Begrenzungsöffnung 219.

Das aus dem Ausgangsspalt 218 austretende monochromatische Licht wird von einem ersten optischen System 215 mit einem Filter 220 und zwei konkaven Parabolspiegeln 221 und 222 empfangen. Die Spiegel 221, 222 sind unter Winkeln von 45° zum Hauptstrahl des einfallenden Strahienbündeis ausgerichtet, so daß sie das Licht zu einem Probenhalter bzw. einer Probenzelle 225 hinlenken. Letztere besitzt eine quadratische Form und weist einander gegenüberliegende ebene Flächen 226 und 227 bzv/. 228 und 229 auf. Das optische System 215 bildet eine reelle horizontale Abbildung der öffnung ab, welche durch den Ausgangsspalt 218 gebildet wird, der der ebenen Fläche 226 der Probenzelle 225 benachbart ist.

Zusätzlich zu einer Abbildung des Ausgangsspalts ist das erste optische System außerdem imstande, eine Abbildung der Gitteröffnung 219 zu erzielen. Diese weitere Abbildung tritt in einer Nachbarschaft zur ebenen Fläche 227 der Probenzelle 225 auf, d. h. an der Fläche, welche der Fläche 226 und der Abbildung des Ausgangsspalts gegenüberliegt Die Längsachse jeder der Abbildungen liegt in einer einzigen Ebene parallel zur Zeichenebene.

Das Filter 220 beseitigt Licht unerwünschter Wellenlängen aus dem aus dem Ausgangsspalt 218 austretenden Anregungsbündel und überträgt den Rest des letzteren zum ersten Konkavspiegel 221, der unter einem Winkel von etwa 45° zur optischen Achse des Anregungsstrahlenbündels angeordnet ist. Das Licht wird dadurch zum Spiegel 222 reflektiert, der unter rincm rechten Winkel zum Spiegel 221 angeordnet ist. Die Spiegel 221 und 222 bilden das optische Aiiregungssystem 215 für das Gerät, und sie lenken das Anregungsstrahlenbündel vom Ausgangsspalt 218 zum Probenhalter bzw.

ίο zur Probenzelle 225.

Der durch die Probe 225 durchgehende Anregungsstrahl regt die Probe an und bringt sie zum Emittieren einer Fluoreszenz-Strahlung einer Wellenlänge, welche Von derjenigen des anregenden Lichtes abweicht. Diese Fluoreszenz-Strahlung wird in alle Richtungen emittiert. Ein Teil der emittierten Fluoreszenz-Strahlung wird durch einen Konkavspiegel 233 gesammelt und über diesen Spiegel zu einem zweiten Konkavspiegel

234 gelenkt und von da zu einem Filter 235. Die Spiegel 233 und 234 bilden ein optisches System 231 der Emission, welches identisch ist mit dem optischen System 215 der Anregung. In ähnlicher Weise wie die Spiegel 221 und 222 sind die Spiegel 233 und 234 unter einem 45°-Winkel in bezug auf die Hauptstrahlen des Emissionsstrahlenbündels, welches von der Probe 225 her kollimiert wurde, ausgerichtet. Diese Spiegel haben weiterhin die gleichen unterschiedlichen Fokussiereigenschaften in horizontaler und vertikaler Richtung und bilden anamorphotische Abbildungen des beleuchteten Teils der Probe am Eingangsspalt 239 und Gitter 246 eines Emissions-Monochromators 240.

Der Eingangsspalt 239 hat einen rechteckigen Querschnitt und seine Längsachse erstreckt sich in einer Richtung parallel zur Zeichenebene. Der Monochromator 240 ist ähnlich dem Anregungs-Monochromator 213 ausgebildet und enthält zusätzlich zum Eingangsspalt

235 ein konkaves Beugungsgitter 243 und einen Ausgangsspalt 245 parallel zum Eingangsspalt. Die Fluoreszenz-Strahlung trifft auf den Eingangsspalt 239 auf und wird durch das Gitter 243 reflektiert, welches eine Begrenzungsöffnung 246 definiert.

Das vom Ausgangsspalt 245 herrührende Licht enthält einen ausgewählten, hochmonochromatisci 'n Anteil der von der Probe 225 herrührenden Fluoreszenz-Emissionsstrahlung. Das austretende Licht wird durch einen Konkav-Spiegel 248 empfangen, der das Lichtsirahlenbündel auf einen photoelektrischen Detektor 250 fokussiert, der eine hohe Empfindlichkeit bei der betreffenden, interessierenden Wellenlänge aufweist.

Der Detektor 250 erzeugt ein der Intensität des vom Austrittsspalt 245 herrührenden Lichts proportionales Ausgangssignal.

Die Spiegel 233, 234 innerhalb des optischen Systems für den Emissions-Monochromator 240 bilden eine opti-

sehe Abbildung der Öffnung, welche durch den Emissions-Eingangsspalt 239 gebildet wird. Diese Abbildung tritt in einer Nachbarschaft zur ebenen Fläche 228 der Probenzelle 225 auf. In ähnlicher Weise wird eine verkleinerte optische Abbildung der Beugungsöffnung 246 in der Nachbarschaft der gegenüberliegenden Fläche 229 der Probezelle gebildet Die äußersten Strahlen zwischen den Abbildungen umgrenzen ein Probenvolumen in der annähernden Form eines rechtwinkligen Prismas, und die Breite des Strahlenbündels, welches durch die Probe durchgeht, ist vergleichsweise gleichförmig und so schmal wie zweckmäßig.

Die Hauptstrahlen des Strahlenbündels aus dem Anregungs-Monochromator 213 und das Strahlenbündel,

welches in Richtung des Emissions-Monochromators 240 geht, schneiden sich an der Probenzelle 225. Die Längsachsen jeder der beiden Abbildungen liegen in einer Ebene, welche durch diese Hauptstrahkn gebildet wird. Die Abbildung des Ausgangsspalts 218 ist parallel zum Lichtweg des Enüssions-Strahlenbündels, und die Abbildung des Eingangsspalts 239 ist parallel zum Lichtweg des Anregungs-Strahlenbündels. Die Anordnung ist derart, daß jeder Punkt längs des Eingang sspalts 239 mit Licht einer Intensität angefüllt ist weiche der Bestrahlung der Probe mit Licht von der gesamten Länge des Ausgangsspalts 218 entspricht

Bei den optischen Systemen für die Anregung und für die Emission verringert die Verwendung von Spiegeln anstelle von Linsen zum Fokussieren den Betrag der chromatischen Aberration im System im Vergleich zu einem optischen System das sich in erster Linie auf Linsen zum Fokussieren stützt. Vorzugsweise haben die Spiegel des optischen Systems verzerrende Eigenschaften, welche die Abbildungen des Spalts urei des Beugungsgitters derart verzerren, daß beide Abbildungen ungefähr dasselbe Verhältnis Länge : Breite aufweisen. Die Abbildungen, weiche an der Probenzelle erzeugt wird, ist jeweils eine verkleinerte und verzerrte Abbildung der Beugungsöffnung.

Das Spektrophotometer gemäß Fig. 6 weist auch einen Strahlteiler 260 auf, welcher das vom Spiegel 221 reflektierte Monochromator-Anregungsbundel empfängt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Strahlteiler eine flache Quarzplatte oder ein teilreflektierender Spiegel, durch die bzw. den ein bekannter Bruchteil des empfangenen Lichts reflektiert und über eine plankonvexe Linse 262 zu einem Hohlprisma 264 geleitet wird, das eine Rhodamin-B-Lösunfi oder eine andere Flüssigkeit enthält, die das einfallende Licht aller Wellenlängen absorbiert und einen Teil dieses Lichtes einer bestimmten Wellenlänge wieder aussendet. Eine Doppelkonvexlinse 266 fokussiert das emittierte Licht auf die Photozelle 250. Dieser als Bezugsstrailenbündel benutzte Lichtbruchteil wird durch eine ständig umlaufende Chopperscheibe 268 zwischen dem Strahlteiler 260 und der Linse 262 periodisch unterbrochen. Gemäß Fig.6 ist die Chopperscheibe so angeordnet daß sie auch das monochromatische Anregungsstrs.rilenbündel zwischen dem Strahlenteiler 260 und dem Spiegel 222 periodisch unterbricht. Gemäß Fig.7 ist die Chopperscheibe mit einem bogenförmigen Ausschnitt: 269 versehen, so daß jeweils gleichzeitig das monochromatische Strahlenbündel zur Probe durchgelassen und der Bezugsstrah! zur Photozelle unterbrochen und anschließend das monochromatische Strahlenbündel unterbrochen und der Bezugsstrahl zur Photozelle durchgelassen werden kann.

Die Photozelle 250 wird somit abwechselnd durch das monochromatische Licht von der fluoreszierenden Probe in der Zelle 225 und durch das Bezugslichi vom Hohlprisma 264 beleuchtet. Das von der Photozclle erfaßte Licht stellt abwechselnd die Leuchtintensitiii der Probe und die Intensität des Bezugsstrahls dar. Unwr Verwendung herkömmlicher elektrischer Schaltungen können die Ausgangssignale der Photozelle in ein Gesamt-Ausgangssignal entsprechend dem Verhältnis von Gesamt-Probensignal zu Gesamt-Bezugssignal umgesetzt werden.

Die Lichtintensität, welcher die Probe in der Probenzelle 225 ausgesetzt ist, kann bei der Ausführungsform gemäß Fig.6 durch zwei optische Elemente 270 und 271 (Fig. 12) weiter verstärkt werden. Diese Elemente 270,271 sind als aus einer Kugel ausgeschnittene Keile ausgebildet mit flachen oder abgeschrägten Innenenden 272 bzw. 273 und kugelförmigen Außenflächen 274 bzw. 275. Der Krümmungsmittelpunkt der Kugelflächen 274, 275 befindet sich nahe am axialen Mittelpunkt der Schrägflächen dieser Keilelemente. Die Keile sind am Probenhalter 225 nahe seiner Flächen 226 bzw. 228 angeordnet so daß sie sich im Strahlengang des monochromatischen Anregungsbündels und des durch die

ίο Probe erzeugten Fluoreszenz-Emissionsbündels befinden.

In spezieller Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Keil auf, dessen Gesamtlänge von seinem größten Radius zu seiner inneren Schrägfläche 13 mm beträgt wobei die innere Schrägfläche 2 mm von Zentrum der Probenzelle 225 angeordnet ist so daß die Gesamtstrekke vom größten Radius zum Zentrum der Probe 15 mm beträgt. Diese Keile mit konvergierenden Flachseiten 276 und 278 (Fig. 12) bewirken eine stärkere Konzentration des Anregungslichts auf eine kleine Probe am axialen Schnittpunkt zwischen den optischen Achsen der durch die Keile und die Probe hindurchgehenden Lichtstrahlenbündel und die Aufnahme einer größeren emittierten Lichtmenge von der Probe. Neben anderen Vorteilen sind diese Keile erheblich kostengünstiger und leichter herzustellen als die sich zweidimensional verjüngenden Systeme, wie sie z. B. bei Kegel- oder Pyramidenoptiken verwendet werden.
Im Betrieb wird das Bild des Austrittsspalts 218 des Monochromators 213 in den Keil 270 projiziert so daß es ein Leuchtband von beispielsweise 6 mm Länge bildet wie dies durch den Doppelpfeil L in Fi g. 12 angedeutet ist Die Lichtstrahlen, die anderenfalls zum Ende des Bilds laufen würden, werden durch die polierten Keilflächen 276 und 278 aufgefangen und durch die Schrägfläche reflektiert, wie dies bei einem optischen Kegelsystem der Fall ist. Bei der dargestellten und vorstehend beschriebenen Geometrie beleuchtet der Keil an der Schrägkante eine Länge von 2 mm anstelle der ursprünglichen 6 mm des Spaltbilds. Das resultierende Licht- oder Leuchtband erweitert sich auf etwa 3 mm

• am axialen Schnittpunkt der Achsen der Keile 270 und

' 271. Infolgedessen empfängt eine 3 mm große Zielfläche an diesem Schnittpunkt das gesamte Licht und nicht nur die Hälfte des Lichts, die es beim Fehlen des Keils empfangen würde. Die Lichtverteilung an der Zielfläche ist so. daß der zentrale. 2 mm große Abschnitt mehr als zwei Drittel und möglicherweise bis zu drei Viertel des Lichts erhält.

Im Falle einer Probe von 2 mm Länge in der Zeichnungsebene (z. B. eines senkrecht zur Zeichnungsebene stehenden, 2 mm Durchmesser besitzenden »Stabs«) wird beim Fehlen des Keils 270 von der Probe beispielsweise ein Drittel des Anregungslichts aufgefangen, während die Probe bei Vorhandensein des Keils bis /u drei Viertel des verfügbaren Lichts erhält. Dies bedeutet eine Lichtverstärkung um das 2,25fache gegenüber der Lichtmenge ohne Keil. Auf ähnliche Weise nimmt der Keil 271 um das 2.25fache mehr Licht von der stabförmigen Probe auf, als ohne diesen Keil gesammelt werden könnte. Bei einer kleinen Probe ist die Verbesserung der Lichtintensität für die Anregungs- und Emissionsstrahlenbündel kumulativ, und sie läuft nahezu auf eine fünffache Erhöhung des zur Photozelle projizierten Lichts hinaus.

Die Kugelflächen 274 und 275 der Keile 270 bzw. 271 tragen zu einer noch weiteren Signalverstärkung bei, indem sie das ursprüngliche Spaltbild auf ein noch klei-

neres Bild als das vorher angenommene Bild einer Größe von 6 mm verkleinern. Wenn das Spaltbild nahe dem Krümmungsmittelpunkt liegt entspricht der VerkleinerungsFaktor dem Brechungsindex bzw. dem Wert 1,5, wenn der Keil aus einem Siliziumoxid-Material besteht In der Zeichnungsebene bedeutet dies eine weitere Intensiiätsverstärkung, die wiederum kumulativ ist Senkrecht zur Zeichnungsebene ist die Zunahme nicht kumulativ, weil vorausgesetzt wird, daß die stabförmige Probe höher ist als ihr zu bestrahlender TeiL Die spezielle Ausbildung der Flächen bewirkt somit eine Signalverstärkung um das 337fache oder IJS³. Da diese Wirkung unabhängig ist von den vorher beschriebenen Wirkungen der Keile, verstärkt sich das kombinierte Signal um den Faktor 5 χ 337 bzw. um nahezu das 17fache. Aufgrund der Reflexionsverluste bei innen reflektierenden Keilen beträgt die tatsächliche Signalverstärkung etwa das 13,5fache und bei aluminisierten Keilen etwa das 12Jf ache.

Wenn die gleichen Strahlbündel-Kondensorkeile bei einer Probeoptik in einem Spektrometer verwendet werden, welche Spal.'abbildungen erzeugen, die senkrecht zur Papierebene ausgerichtet sind, so besteht der Effekt der Keile darin, die Intensität an der Probe zu erhöhen, aber nicht irgendein Licht, das sonst verloren ginge, zurückzuhalten, und zwar mit einem Verstärkungsgrad von 3. In gleicher Weise besteht der Effekt der Keil-Kugelflächen darin, das Signal um einen zusätzlichen Faktor von 1,5 zu verstärken, wobei in der Kombination eine Verstärkung von ungefähr 4,5 entsteht. Unter Berücksichtigung der Reflexionsverluste bei aluminisierten Keilen wird dieser Faktor zu 33, was mit dem unter den vorstehend geschilderten Bedingungen erreichten Faktor von 12,7 zu vergleichen ist Der 3,8fache Unterschied zwischen diesen Faktoren rührt in erster Linie von dem Licht her, das über die Ränder der Probe hinaus verlorengeht wenn die Abbildungen des Spalts nicht in der Ebene der optischen Achse liegen.

Die in F i g. 8 dargestellte Ausführungsform weist eine Lichtquelle 280 und einen Spiegel 281 dafür auf, die beide den vorher beschriebenen Teilen ähneln. Ein Anregungs-Monochromator 282 empfängt das Licht von der Lichtquelle 280 über einen lotrechten Eingangsspalt 283. und er läßt das Licht zu einem Kollimator-Spiegel 284 durch, welcher den divergierenden Lichtstrahl in ein im wesentlichen paralleles Strahlenbündel zur Beleuchtung eines Beugungsgitters 285 umwandelt Ein Teil des von diesem Gitter gestreuten Lichts fällt auf einen Teleskopspiegel 286, der an einem lotrechten Ausgangsspalt 287 ein Lichtspektrum fokussiert. Der Spalt trennt einen Teil des gestreuten Spektrums und richtet diesen Teil als nahezu monochromatisches Strahlenbündel zu einem zugeordneten optischen System mit Spiegeln 288, 289, 290,291 und 292.

Dieses optische System erfüllt mehrere wichtige Funktionen. Zum ersten bildet es eine verkleinerte Abbildung des Ausgangsspalts 287 an der zugewandten Fläche eines Probenhalters 307 sowie eine verkleinerte Abbildung der begrenzenden öffnung des Gitters 285 an der gegenüberliegenden Fläche. Zweitens besteht es ausschließlich aus reflektierenden optischen Elementen, so daß die Bilder völlig frei sind von chromatischer Aberration. Drittens verdreht es das Lichtstrahlenbündel um 90° um die Ausbreitungsrichtung, mit dem Ergebnis, daß die Längsseite des nahe der Probe gebildeten Spaltbildcs in der waagerechten Ebene und nicht senkrecht dazu liegt. Viertens verzerrt es die Spalt- und Gittcrbilder in dem Sinne, daß das Spaltbild kürzer und breiter ist als der Spalt selbst während das Gitterbild länger und schmäler ist als das eigentliche Gitter. Fünftens stellt es das Ausmaß der Verkleinerung und Verzerrung auf solche Werte ein, daß Spalt- und Gitterbild etwa gleiche Größe und Form erhalten. Wie vorstehend beschrieben, sind die Strahlengänge zwischen den Spalt- und Gitterbildern sämtlich innerhalb eines kleinen rechtwinkligen Prismas eingeschlossen.
Der Spiegel 288 nimmt das monochromatische Anregungsstrahlenbündel vom Ausgangsspalt 287 auf und richtet es auf den Spiegel 289. In einer Ausführungsform besitzt der 48 mm vom Ausgangsspalt entfernt angeordnete Spiegel 288 eine toroid- oder ringförmige Konfiguration mit Radien von 116,5 mm in waagerechter Richtung und 82,0 mm in lotrechter Richtung. Er bildet ein stark astigmatisches virtuelles Bild des Spalts 287 in das Innere des Monochromators 282 ab und ein stark astigmatisches reelles Bild des Gitters zwischen sich selbst und dem Spiegel 289. Letzterer ist eben und unter 45° nach oben geneigt so daß er das reflektierte Strahlenbündel senkrecht nach oben reflektiert

Vom Spiegel 289 aus gelangt das Strahlenbündel zu einem zylindrischen Spiegel 290 und se dann zu einem ebenen Spiegel 291. Der Spiegel 290 befindet sich beispielsweise 26 mm über dem Spiegel 289, und er ist seinerseits gegenüber dem einfallenden Strahl um 45° geneigt jedoch in einer um 90° gegenüber der Ebene des Spiegels 289 versetzten Ebene. Der Spiegel 291 ist ebenfalls unter einem Winkel von 45° geneigt, allerdings in einer weiteren, dritten Ebene. Wie am besten aus den Fig.9 und 10 hervorgeht besteht eine Wirkung dieser Spiegelgruppe darin, das Licht zunächst vom Spiegel 289 nach oben, dann vom Spiegel 290 waagerecht und schließlich vom Spiegel 291 in die Richtung zurück zu lenken, aus welcher das Licht ankam, jedoch gegenüber dem ursprünglichen Strahlengang um 26 mm nach oben und um 20,7 mm waagerecht versetzt. Bei dieser Reflexion werden die lotrechten Spalt- und Gitterbilder verdreht, so daß sie waagerechte Bilder bilden.

Der Spiegel 288 (F i g. 8) ist in beiden Ebenen konkav geschliffen, so daß er bei Anordnung unter einem Einfallswinkel von 45° in der Zeichenebene eine kürzere Brennweite bzw. eine größere positive Fokussierstärke besitzt als senkrecht zur Zeichenebene. Das von ihm in der vertikalen Ebene gebildete virtuelle Spaltbild ist daher weniger stark vergrößert und näher am Ausgangsspalt 287 als das virtuelle Spaltbild in der waagerechten Ebene. Da das Gitterbild reell ist, ist andererseits das Gitterbild in der lotrechten Ebene s'tärker vergrößert und weiter vom Spiegel 288 entfernt als das Gitterbild in der waagerechten Ebene.

Der zylindrische Spiegel 290 kann beispielsweise einen konvexen Radius von 285 mm in der Einfallsebene, d. h. senkrecht zur Länge des Ausgangsspaltbilds besitzen. Der Spiegel 290 zeigt daher in dieser Richtung eine mehr negative Fokussierstärke als in der Richtung der Spaltlänge.

Die Größe dieser negativen Stärke an dieser Stelle im optischen System dient dabei zur Korrektur des durch den toroidförmigen Spiegel 288 sowohl in das Spaltbild als auch in das Gitterbild eingeführten Astigmatismus. Die durch diese beiden Spiegel in diese beiden Bilder eingeführte Verzerrung wird jedoch nicht beseitigt. Zur Erzielung dieser beiden Ergebnisse muß der Spiegel 288, der näher am Spalt liegt, virtuelle Spaltbilder und reelle Gitteröffnungsbilder bilden, und er muß in Richtung der Spaltbreite eine größere positive Fokussierstärke besitzen als senkrecht dazu. Andererseits muß

der Spiegel 290 in Richtung der Spaltbreite eine geringere positive Fokussierstärke (bzw. eine größere negative Fokussierstärke) besitzen als senkrecht dazu. In der senkrecht zur Spaltlänge stehenden Ebene bildet die negative Zylinderstärke des Spiegels 290 verkleinerte virtuelle Bilder der bereits durch den Spiegel 288 gebildeten Spalt- und Gitterbilder. Die Bildorte koinzidieren dabei mit der für die einwandfreie Funktion des Systems erforderlichen Genauigkeit mit den Lagen der entsprechenden Bilder, die durch den Spiegel in der anderen Ebene gebildet werden.

Der Spiegel 291 reflektiert das Anregungsstrahlenbündel zu einem gekrümmten Spiegel 292. Letzterer besitzt eine Ellipsoidform mit größten und kleinsten Bildabständen, die beispielsweise 132,7 mm bzw. ts 573 mm betragen. Dieser, 51,0 mm vom Zentrum der Probe in der Zelle 307 angeordnete Spiegel 292 bildet ein genaues, aber verzerrtes Gitterbild unmittelbar hinter der Probe und ein weniger genaues, aber ebenfalls verzerrtes Ausgangsspaltbild unmittelbar vor der Probe. Der Spiegel 292 verkleinert diese beiden Bilder auf etwa die gleiche Größe.

Dicht an der Rückseite des Probenhalters 307 ist ein konvexer Spiegel 293 angeordnet, der als Rückreflexionsspiegel dient und einen derartigen Krümmungsradius besitzt daß er ein zweites BiU des Ausgangsspalts an der Vorderseite des Probenhalters bildet, so daß das Anregungslicht zweimal durch das gleiche Probenvolumen gelenkt wird.

Das durch die Probe hindurchgehende Anregungs-Strahlenbündel regt die Probe derart an, daß diese wie bei der vorher beschriebenen Aw/führungsform Fluoreszenz mit einer von der Wellenlänge des Anregungslichts abweichenden Wellenlänge e· -,ttiert Diese Fluoreszenz wird dabei in alle Richtungen emittiert, und ein Teil davon wird von einem zweiten, den anderen einander gegenüberstehenden Flächen der Probezelle 307 zugeordneten optischen System zur Bildung eines Emissions-Strahlenbündels gesammelt. Das zweite optische System enthält Spiegel 297,298,299 und 300, welche die entsprechenden Funktionen der Bilderzeugung, Drehung, Verzerrung und Verkleinerung im Emissionsstrahl erfüllen, welche von der Spiegelgruppe 288—292 im Anregungsstrahl erfüllt werden. Die Spiegel 297 und 300 sind sphärisch konkav, und sie können den ihr Gegenstück darstellenden Spiegeln 292 bzw. 288 identisch ausgebildet sein, wobei ihre Abstände von Spalt und Probe sowie voneinander die gleichen sind wie die entsprechenden Abstände im Anregungsstrahlengang. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 8 ist im Emissionssystern kein Gegenstück für den ebenen Spiegel 291 vorhanden, weil dies aus mechanischen Gründen nicht notwendig ist; tatsächlich kann bei anderen Ausführungsformen der Spiegel 291 je nach Lage der verschiedenen Sysfjmbauteile überflüssig sein. Ebenso erscheint die negative Zylinderstärke des Spiegels 290 im Anregungssystem auch im Spiegel 299, und da letzterer in anderer Richtung vom Spiegel 290 weg geneigt ist, beträgt sein Konvexradius 142,6 mm, d.h. genau die Hälfte des Radi-US des Spiegels 290. Keiner dieser Unterschiede hat einen wesentlichen Einfluß auf die Leistung der optischen Systeme. An den einander gegenüberliegenden Flächenpaaren des Probenhalters 307 werden identisch stigmatische, aber verzerrte Spalt- und Gitterbilder erzeugt.

Ein konkaver Rückreflexionsspiegel 320 ist so angeordnet, daß er das zusätzlich emittierte Licht durch die Probe zum Spiegel 297 reflektiert. Im Gegensatz zum Spiegel 293 beim Anregungssystem ist der Spiegel 320 vom Probenhalter 307 auf Abstand und mit seinem Krümmungsmittelpunkt dicht am Zentrum der Probe angeordnet Der Lichtstrahlengang geht im wesentlichen zweimal durch den gleichen Teil der Probe hindurch, doch die Abbildungen bei den Durchgängen sind umgekehrt In jedem System besteht die Wirkung des zweiten Durchgangs durch die Probe darin, die Intensität des gesammelten Fluoreszenzlichts nahezu zu verdoppeln. Beim Anregungssystem stammt die Verstärkung aus der Verdoppelung der Anregungsleistungsdichte in der Probe; beim Emissionssystem rührt die Verstärkung von der Verdoppelung der effektiven Dikke der zu untersuchenden, beleuchteten Probe her.

Ein Vorteil der konkaven Rückreflektionsspiegel 292 und 320 z. B. gegenüber Planspiegeln liegt darin, daß die Abbildungseigenschaften der Konkavspiegel das Auftreten von divergenten Lichtstrahlen ausschließen, die anderenfalls beim zweiten Durchgang durch die Probenzelle 307 auf deren Wände auftreffen könnten. Dies ist besonders wichtig für die Messung von schwachen Proben, deren Fluoreszenz anderenfalls durch das Streulicht von den Wänden verdeckt werden könnte.

Nach der Spiegelgruppe 297—300 wird das Emissionsstrahlenbündel durch den lotrechten Eingangsspalt 302 eines Emissions-Monochromators 3Cl geleitet, welcher dem Anregungs-Monochromator 282 ähneln kann und einen Kollimator 303 aufweist, der ein Beugungsgitter 304 mit einem im wesentlichen parallelen Lichtstrahlenbündel bestrahlt Ein Teil des gebeugten Strahlenbündels wird durch einen Teleskopspiegel 305 auf und durch einen lotrechten Ausgangsspalt 306 gebündelt Das dabei isolierte monochromatische Licht erreicht auf ähnliche Weise ein Photovervielfacher-Detektorsystern 355, wie vorher beschrieben.

Bei der Ausführungsiorrn gemäß Fig.8 ist die Pro benzelle 307 am Umfangsrand eines Drehtisches 311 gehaltert. Der Tisch 311 besitzt eine Kreisform, und er trägt drei weitere Probenzelten 30&, 309 und 310. die unterschiedliche fluoreszierende Stoffe enthalten können. Die verschiedenen Probenzellen sind auf dem Drehtisch 311 auf Abstände von 90° verteilt, so daß die untersuchte Probe durch einfaches Verdrehen des Drehtisches über einen entsprechenden Winkel ohne weiteres gewechselt werden kann. Dem Spiegel 293 ähnliche konkav-konvexe Spiegel 294,295 und 296 sind an den nach innen weisenden Flächen der Zellen 308, 309 bzw. 310 angecrdnet, um das Anregungsstrahlenbündel für einen zweiten Durchgang bei der Untersuchung der betreffenden Proben zurückzureflektieren.

Eine andere Ausführungsform der Drehtisch- und Rückreflexionsspiegelanordnung ist in F i g. 11 dargestellt. Dabei sind vier Probenzellen 356,357,358 und 359 jeweils an einer der vier Ecken eines quadratischen Tisches 360 montiert, der um eine lotrechte Achse 361 herum drehbar gelagert ist.

Jede Zelle 356—359 ist nicht mit einer Flachseite, wie gemäß Fig.8, sondern mit einer Ecke der Achse 318 zugewandt. Hinter den benachbarten Innenflächen jeder Zelle sind konkave Reflektoren 362 und 363 angeordnet. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 11 besitzt jeder Reflektor 362 und 363 die Form eines plankonvexen Spiegels, obgleich diese Reflektoren bei anderen Anordnungen den Spiegeln 293—296 gemäß F i g. 8 entsprechen können. Die Reflektoren 362 und 363 dienen auf ähnliche Weise, wie vorher erläutert, als Rückreflexionsspiegel für die optischen Anregungs- bzw. Emissionssysteme.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspriiche:

1. Fluoreszenz-Spektrophotometer mit einer Anregungslichtqueile, einem Anregungsmonochromator mit einem Gitter und einem Ausgangsspalt und Mitteln zum Lenken mindestens eines Teils der von der Anregungslichtquelle kommenden Strahlung zum Gitter und zum Ausgangspalt zur Erzeugung eines monochromatischen Anregungsstrahlenbündels, mit einem ersten optischen System zwischen dem Ausgangsspalt des Anregungsmonochromators und einer zu untersuchenden Probe zum Lenken des Anregungsstrahlenbündels auf die Probe und zur Erzeugung eines Bildes des Ausgangsspalts sowie eines Bildes des Gitters des Anregungsmonochromators, mit einem Emissionsmonochromator zur Abtrennung von Strahlung von der Probe mit einem Gitter und einem Eingangsspalt, mit einem zweiten optischen System zwischen der Probe und dem Eingangsspalt des Emissionsmonochromators zum Lenken eines Emissionsstrahlenbündels zum Eingangsspalt des Emissionsmonochromators und zum Erzeugen eines Bildes des Eingangsspalts sowie eines Bildes des Gitters des Emissionsmonochromators, wobei die zentralen Strahlen des Anregungsstrahlenbündels und des Emissionsstrahlenbündels sich im Bereich der Probe schneiden, und mit einem Strahlungsdetektor, der monochromatische Strahlung vom Emissionsmonochromator erhält, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische System (20, 21, 22, 23) di~ Abbildung (30) des Ausgangsspalts (18) des Anregungsmonochromators in einer derartigen Beziehung zu der Abbildung (31) des Gitters (16) des Anregungsmonochromators erzeugt und daß das zweite optische System (33,34, 35,36) die Abbildung (52) des Eingangsspalts (39) des Emissionsmonochromators in einer derartigen Beziehung zu der Abbildung (53) des Gitters (43) des Emissionsmonochromators erzeugt, daß sich die Probe (25) mindestens teilweise zwischen der Abbildung (30) des Ausgangsspalts (18) und der Abbildung (31) des Gitters (16) des Anregungsmonochromators einerseits sowie zwischen der Abbildung (52) des Eingangsspalts (39) und der Abbildung (53) des Gitters (43) des Emissionsmonochromators andererseits befindet, wobei alle Abbildungen in einer einzigen Ebene, in der auch die zentralen Strahlen, die sich im Bereich der Probe (25) schneiden, liegen, und wobei das Anregungsstrahlenbündel zwischen der Abbildung (30) des Ausgangsspalts (18) und der Abbildung (31) des Gitters (16) des Anregungsmonochromators Randstrahlen aufweist, durch die ein Volumen der Probe (25) in der Form eines rechtwinkligen Prismas beleuchtbar ist. und daß das Emissionsstrahlenbündel Randstrahlen zwischen der Abbildung (52) des Eingangsspalts (39) und der Abbildung (53) des Gitters (43) des Emissionsmonochromators aufweist, die ein Strahlungsvolumen der Probe in Form eines rechtwinkligen Prismas bilden, so

2. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem der optischen Systeme eine Verzerrung hervorrufende Mittel in Form eines Spiegels (21, 35) oder einer Linse (22, 23, 33, 34) vorgesehen sind, welche eine Verzerrung hinsichtlich des Längen/ Breiten-Verhältnisses in den vom betreffenden optischen System erzeugten Abbildungen derart herbeiführen, daß die Abbildung des Ausgangsspalts (18) des Anregungsmonochromators (13) und/oder die Abbildung des Eingangsspalts (39) des Emissionsmonochromators (40) ein Längen/Breiten-Verhältnis aufweisen, welches kleiner als das Längen/Breiten-Verhältnis des zugehörigen Spalts isL

3. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verzerrung hervorrufenden Mittel ein Astigmatismus erzeugendes Element (21,35) enthalten.

4. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß das eine der eine Verzerrung hervorrufenden Mittel eine gewölbte, reflektierende Oberfläche (75; 221,222, 233, 234; 288, 292, 297, 300) ist, welches in wenigstens einem der optischen Systeme angeordnet ist

5. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Verzerrung hervorrufenden Mittel in beiden optischen Systemen vorgesehen sind und in jedem System jeweils ein Paar konkaver Spiegel (221, 222, 233, 234; 288,292,297,300) umfassen.

6. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß der eine (221, 234; 288, 300) der Spiegel eines jeden Paares nahe einem zugeordneten Spalt (218, 235r 287, 302) des zugeordneten Moiiochromators (213, 240; 282, 301) angeordnet ist und sich der andere Spiegel (222,233; 292,297) nahe der Probe (225; 307) berindet, daß der eine Spiegel in der den Spalt einschließenden Ebene eine größere Brennweite als in der dazu senkrechten Ebene aufweist und der andere Spiegel in den den Spalt einschließenden Ebene eine kürzere Brennweite als in der dazu senkrechten Ebene aufweist.

7. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der sich nahe der Probe (225; 307) befindende Spiegel (222, 233; 292,297) asphärisch ist.

8. Fluoreszenz-SpektrcphotovjTter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Abbildung des Ausgangsspaltes des Anregungsmonochromators parallel zum Hauptstrahl des Emissionsstrahlenbündels und die Längsachse der Abbildung des Eingangsspaltes des Emissionsmonochromators parallel zum Hauptstrahl des Anregungsstrahlenbündels verläuft.

9. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsspalt des Anregungsmonochromators und der Eingangsspalt des Emissionsmonochromators beide horizontal verlaufen.

10. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsspalt des Anregungsmonochromators und der Eingangsspalt des Emissionsmonochromators jeweils senkrecht stehen und daß das erste (20—23; 288-292) und das zweite (33-36; 297-300) optische System Mittel (20,21; 289, 290 bzw. 35,36; 298, 299) zum Drehen der Abbildungen um 90° aufweisen,

11. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die von dem ersten optischen System (20—23; 72—76; 221, 222; 288—292) erzeugte Spaltabbildung nahe neben einer ersten Fläche der Probe und die von dem /weiten optischen System (33-36; 105-108; 233, 234; 297—300) erzeugte Spaltabbildung nahe neben einer zweiten Fläche der Probe liegt.

12. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Längsachsen einer ersten (30) und einer zweiten (31) Abbildung parallel zum Hauptstrahl des Emissionsstrahlenbündels und die Längsachsen einer dritten (52) und einer vierten (53) Abbildung parallel zum Hauptstrahl des Anregungsstrahlenbündels erstrekken.

13. Fluoreszenz-Spektrophotometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbares Tragelement (85; 3tl) vorgesehen ist, durch welches die Probe (z. B. 78) in eine Stellung verschwenkbar ist, in der die erste Fläche (z. B. 80) der Probe dem Anregungsstrahlenbündel und die dritte Räche

(z. B. 82) der Probe dem Emissionsstrahlenbündel zugewandt ist