NO750932L - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår spektro-fotometre og særlig

et energikompensert spektro-fluorometer av tidsoppdelt d.obbeltstråletype.

Et hovedformål med. oppfinnelsen er å tilveiebringe et forbedret spektro-fotometer som kan anvendes i forskjellige mod.i, såsom spektro-f luorometer-modi , spektral-absorbsjonsmodl, modi for differensiell spektra! fluorometri og andre, og som er kompensert for differanser i energi fra sin eksiteringskilde ved forskjellige bolgelengder, og som også er kompensert for differanser i bolgelengdefolsomhet for d.ets f otof olend.e anordning, id.et spektrofotometeret har enkel konstruksjon, er stabilt i drift og. omfatter en anordning for å kompensere for absorbsjonseffekten for den væske som er inne-holdt i dets prbveholder.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et forbedret energikompensert spektro-fluorometer av tidsoppdelt dobbeltstråletype som kan anvendes i forskjellige modi, idet spektro-fluorometeret omfatter en anordning for avsokning av en prove med. lys av forskjellig bolgelengde og en anordning for tilveiebringelse av virk-ningen av lik eksiteringsenergi ved. hver bolgelengde, og også er forsynt med en anordning for å kompensere dets fotomulti-plikatorror for differanser 1 dettes bolgelengdefolsomhet, id.et .anordningen er forholdsvis kompakt av storrelse, er lett å betjene og tillater raske og noyaktige analyser av d.e optiske egenskaper for materialer.

Enda et formål med. oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret spektro-fluorometeranordning av tids oppdelt d.obbeltstråletype som er forsynt med. anordninger for suksessiv eksitering av en prove med. alle spektralkompo-nentene i en polykromatisk lyskilde for bestemmelse av den eller d.e karakteristiske bølgelengder ved. hvilke prøven har storst fluorecensrespons, og for kvantitativ analyse av denne største respons for hver av sådanne eksiteringsbolgelender, idet dobbeltstråle-spektro-fluorometeret omfatter høyeffektive anordninger for generering av en referansekanal ut fra samme fotomultiplikatorror.som benyttes for å generere dets målekanal, og omfatter en anordning for automatisk beregning og tilfbrsel av korreksjoner for forskjellige eksiterings - energier ved. de forskjellige eksiteringsbblgelengder, og er forsynt med. en anordning for tilfbrsel av en ytterligere korreksjonsfaktor for å ta seg av variasjoner i emisjons-responsfolsomhet for anordningen ved. forskjellige emisjons-bølgelengder9 og videre er forsynt med. en anordning for tilfbrsel av korreksjoner for å kompensere for variasjoner i kvantumintensitet med bølgelengden for eksiterings-stråle-spekteret og for variasjoner i kvantumemisjonen for prbven som funksjon av emis jonsbblgelengd.en, slik at det kan opp-nås en komplett og nbyaktig kvantitativ analyse av en proves fluore-scensegenskaper, og slik at materialet kan identifiseres nbyaktig, idet anordningen bare krever benyttelse av en liten prove av d.et materiale som skal analyseres, er meget fblsomt, er anvendelig for identifisering og kvantitativ analyse av et bredt område av fluorescerende materialer, og tillater kontinuerlig aktivering av en prove og. måling av d.en resulterende fluorescens over et bredt strålingsenergispektrum.

Ytterligere formål og ford.eler ved. oppfinnelsen vil fremgå av den etterfbigend.e nærmere beskrivelse under henvisning til tegningene, hvor fig. 1 viser et skjematisk diagram.av et tidsoppdelt, energikompensert dobbeltstråle-spektro-fluorometer som er konstruert i overensstemmelse med. oppfinnelsen, fig. 2 viser et horisontalt planriss av den roterende avbryterspeilskive som benyttes i spektro-fluorometeret på fig. 1, idet planrisset er tatt etter linjen 2-2 på fig. 2, fig, 3 er e"t diagram som viser hvordan anordningen på fig. 1 kan modifiseres for anvendelse som spektro-foto meter for utfdreise av absorbsjonsgrad- eller transmittans-rnålinger , og fig. k er et diagram-som viser hvordan anordningen på fig. 1 kan modifiseres for anvendelse som differensi-al - s p e kt r o - f lub r orne.1: e r.

Idet d.et henvises til tegningene, betegner henvisningstallet 10 et spektro-fluorometer av dobbeltstråletype som benytter et fotomultiplikatorrbr 11 som lys-folsomt element, idet roret omfatter en katode 12, en anode 13 og andre velkjente, ikke viste, elementer, Fotomultiplikatorroret 11 tilfores hoyspenning fra en regulerbar hoyspenningskilde lk- hvis utgang 15 er vist forbundet med katoden 12. Den negative utgangsspenning ved. 15 kan styres på konvensjonell måte i overensstemmelse med. et inngangs-styresignal ved 16. Fotomultiplikatorrbrets 11 forsterkning blir styrt i overensstemmelse med den spenning som tilfores til katoden 12.

Spektro-fluorometeret 10 omfatter en gjennomsiktig provecelle 17 som er innrettet til å motta en eksi-teringsstråle 18 fra en fbrste variabel monokr ornat or 19 som mottar irmgangsstråling fra en passende bredbåndskilde 20. Monokromatoren 19 utsender en stråle 21 med utvalgt eksi-teringsbolgelengde (eller forskjellige bolgelengder i rekke-folge når man bnsker eksiteringsavsbkning eller fortlopende eksitering med. flere eksiterin.gsbolgelengd.er) , og en tidsinnstilt del av strålen 21 reflekteres som strålen 18 fra en roterende avbryterspeilskive 22 (som skal beskrives senere), og blir således rettet mot prbvecellen 17." Skiven 22 tillater at en andre tidsinnstilt del 2_3 av eksi.terings-strålen når et stasjonært plan speil 2h som er slik plasert at det reflekterer stråledelen 23 gjennom en kompenserende celle 25 til en termisk detektor 26 som vil generere en signalspenning E,^med en styrke som er i overensstemmelse med energinivået for den mottatte stråle. Denne anordning 26 kan være en overflateladningsanordning hvor ladningsdiffe-ransen over anordningen varierer med temperaturendringer på lignende måte som modell nr. KT-2030 som fremstilles av det amerikanske firma Laser Precision Corp.. Denne anordning har en energirespons som er i hovedsaken uavhengig av bolge- lengden, dvs. den tilveiebringer en. i hovedsaken, flat spektra!-respons.

I d.et typiske spektro-fluorometer-arrangement

som er vist på fig.^1, rettes en fluorescens-ernis jonsstråle 27 fra den fluoresceren.de prove i cellen 17 mot den roterende

avbryterspeilskive 22 og reflekteres fra denne, i samme tids-utsnitt som strålen 18, til et stasjonært, buet toroidespeil 28 fra hvilken strålen reflekteres til en. andre variabel

monokromator 29. En emisjonsstråle 30 me<3. utvalgt bolgelengde fra monokromatoren 29 rettes mot fotomultiplikatorrorets 11 katode 12. Responssignalet fra fotomultiplikatorroret vil da være i overensstemmelse med styrken av emisjonsstralen 30

. med utvalgt bolgelengde (EM0og med. bolgelengdeavhengige

ri / V

faktorer som er karakteristiske for den optiske bane, hhv.

for fotomultiplikatorroret (T^og PM^).

En referansekanal som er synkronisert med

strålen 23, avledes fra en referanselyskilde 31 som kan bestå av en lignende kilde som modell nr. MLED55 som fremstilles av det amerikanske firma Motorola Serniconductor Products, Inc. og som tilveiebringer i hovedsaken rod stråling (ca. 660 nm). Denne type referansekilde foretrekkes da fotomultiplikatorroret ikke er meget folsomt for rbdt,'og derfor unngår denne spredelysinterferens. Utgangssignalet fra kilden 31 ledes gjennom et forste lysrorsegment 32 og gjennom avbryterskiven 22 til en ende 3'+ av et andre lysrorsegment 33 som ligger på linje med. d.et forste segment 32. Det andre lysrorsegment 33 leder til fotomultiplikatorroret 11 og har en hellende ut-gangsended.el 35 n®r opptil' og rettet mot katoden 12,. Referanse-lyset fra kild.en 31 tilveiebringer således et utgangssignal fra roret II som er synkronisert med det foran nevnte varme-detektorsignal E^.

En synkronisert bryter- eller omkoblingsanordning som generelt er betegnet med 36, benyttes til å koble fotomultiplikatorrorets utgangssignal vekselvis til en målekanal 37 og til en referansekanal 38. Omkoblingsanordningen kan være enten elektronisk eller mekanisk og er for enkelhets skyld, vist skjematisk å være drevet av avbryterens driv- motor 39. Det vil innses at mange forskjellige ekvivalente koblings- og synkroniseringsanordninger kan benyttes mellom omkoblingsanordningen 36 og den roterende avbryterskive 22.

Av fig, 2 fremgår at avbryterskiven 22 har diametralt motstående innskjæringer ^-0, !+0 som samtidig tilveiebringer avdekning eller eksponering av varmedektektoren 26 for strålen 21 og av lysrorsegmentet 33 x'or referanse-lyset fra kilden 31. Mellom innskjæringene<*>+0, ^0 ligger respektive par av avsnitt eller mellomrom '+1, !-i-l som absor-berer ultrafiolett lys, og som er beliggende på motsatte sider av mellomrom ^-2 med reflekterende speil. Speilmellom-rommene k- 2 , h2 tilveiebringer samtidig d.en reflekterte eksitasjonsstråle 18 og refleksjonen av emisjcnsstrålen 27 mot d.et faste, buede toroidespeil 28.

Den kompenserende'celle 25 (eller "i/2-bane"-celle) som er beliggende foran varmedektektoren 26, kompen-serer for dempningen av strålen 18 i provecellen 17 forår-saket av prbvevæsken. Strålen 18 dempes med. en verdi som

er proporsjonal med halve vei- eller banelengden i cellen 17. Varmedetektorsignalet blir således dempet i samme grad ved

å benytte en gjennomsiktig "halv-bane"-celle 25 som inneholder væske som forårsaker samme absorbsjonsgrad som halve banelengden i cellen 17.'F.eks. for en proveceile 17 med. en tykkelse på 10 mm, kan det benyttes en gjennomsiktig kompenserende celle 25 med. en tykkelse .på 5 mm, og som inneholder samme væske eller materiale med. samme absorbs jonsgrad. som proven.

Proveutgangssignalet i kanalen 37 behandles i en strom-til-spenningsforsterker V3 og en basislinje-kor-reks jonsforsterker hk som er koblet til bolgelengdekontroll-elementet i emisjonsmonokromatoren 29 på kjent måte, og som er programmert for å tilveiebringe et bolgelengdekorreksjons-ledd. som svarer til . PM^ , og som deler inngangssignalet til anordningen hh med dette ledd. En tilsvarende basislinje-korreksjonsanordning er vist i US patent nr. 3<!>+33 952» Anordningen hh gjor således de nod.vend.ige korreksjoner for å kompensere for ovennevnte emisjonsbolgelengde-avhengige faktorer. Anordningen hh kan etterfølges av en "enhetsom-formings "-anordning h5 som introduserer en forsterknings-forandring som er proporsjonal med bølgelengden.eller bølge-lengden i tredje potens for å omforme d.et korrigerte signal til onsked.e enheter, såsom nummer eller kvanta pr. nanometer båndbredde, nummer eller kvanta pr. cm ^ (bolgetall) av båndbredde, eller lignende.

Etter den foran beskrevne behandling passerer det resulterende målesignal gjenneom en "morkestrom"-korrek-sjonsanordning hb som subtraherer den. resterende fotomultiplikator -morkestrom (den komponent E^-av målesignalet som frembringes av det morke rom ^1) fra inngangsmålesignalet, og det morkestrom-korrigerte signal passerer deretter gjennom en utgangsforsterker h7 til instrumentets fremvisningsan-ordninger, såsom en skriver eller et måleinstrument.

Referanselys-utgangssignalet i kanalen 38 behandles ved hjelp av en. strbm-til-spenningsforsterker<>>+8 og en kvanteinten.sitets-korreks jonsanordning ^9 som er koblet til bblgelengdekontrollelementet i eksitasjonsmonokromatoren 19', og som er programmert for å tilfore et korreksjonsledd for å kompensere for bblgelengdeavhengige kvante-intensitets-variasj.oner i eksitasjonsstrålen 21 ved. innføring av en f ors terkningsendring som er proporsjonal med. eksitas jons--bolgelen.gd.en.

Det kvantékorrigerte signal korrigeres deretter for morkestrom i en morkestrbmsubtraktor 50 av lignende type som subtraktoren ^-6 (morkestrom-signalkomponenten E^sub-traheres) , og det resulterende morkestrom-korrigerte referanselyssignal E^ tilveiebringes til d.en ene inngang til en subtraktor 51.

Varmed.etektorsignalet E^ behandles ved hjelp av en inverteranordning 52 som på sin utgang tilveiebringer den resiproke verdi 1/E^^. Dette resiproke signal tilveiebringes til subtraktorens 51 andre inngang, og det resulterende subtraktor-utgangssignal som utgjøres av det energi-. kompenserte restsignal Ep, - 1/Em n avgis via en passende begrenser 53 til hoyspenningstilforselens styreinngang 16.

Det behandlede referanselyssignal benyttes således til å variere høyspenningen som skaffes av tilførsels-enheten lh og dermed, variere forsterkningen for fotomultiplikatorroret 18 på en slik måte at d.et kompenseres for (1) energivar ias joner i eksitas jons strålen. 21 og (2) bolge-lengdeavhenglge kvanteintensitetsvariasjoner i eksitasjonsstrålen.

Fig. 3 illustrerer skjematisk hvordan sp.ektro-fluorometeret på fig. 1 kan modifiseres for anvendelse som instrument for å gjore målinger av absorbs jonsgrad. eller transmittans. I dette arrangement vandrer "eksitasjons"-strålen 18 gjennom provecellen 17 og blir deretter reflektert

■tilbake til avbryterspeilskiven fra et stasjonært, plan

speil 60 som er anordnet parallelt med den roterende avbryterskive 22, idet det definerer en reflektert stråle 27' som tar en i hovedsaken lignende bane som banen for emisjonsstrålen 27 i d.en foran beskrevne utførelse. "Emis jons "-monokromatoren 29 kan enten utelates eller den kan innstilles på bølgelengden for "eksitasjons"-strålen 21, I det på fig..3 viste arrangement kan målinger av spektral absorbsjonsgrad eller transmittans gjores gjennom en prove i cellen 17.

Fig. h illustrerer skjematisk hvordan spektro-fluorometeret kan modifiseres for- anvendelse som differensielt dobbeltstråle-spektro-fluorometer. En forste fluorescerende prove i cellen 17 eksiteres til fluorescens ved. hjelp av en. avbryter-tidsstyrt eksitasjonsstråle som reflekteres fra det underliggende speilelement M-2 i avbryter-speilskiven 22, og en emisjonsstråle 27 blir likeledes reflektert fra av- • bryterspeilskivens motstående speilelement h2 på samme måte som på fig. 1, id.et den passerer gjennom monokromatoren 29

og fra fotomultiplikatorroret genererer en. respons som danner en forste målekanal.En tid.sstyrt etterfølgende del av eksitasjonsstrålen 21 vandrer umiddelbart deretter gjennom en innskjæring<!>+0 i skiven og reflekteres fra et forste fast, plant speil 61 som er anordnet parallelt med. skiven 22, til-

bake gjennom innskjæringen og rettes mot en andre gjennomsiktig provecelle 62 som inneholder en andre fluoresceren.de prove. Emisjonsstråling genereres 1 cellen 62 og_forlater denne som en emisjonsstråle 63, idet cellen 62 er passende orientert slik at strålen 63 kan ledes gjennom den motsatte innskjæring ^-0 i skiven 22 til et fast, plant speil 6h som er anordnet parallelt med skiven. 22, slik at det reflekterer emisjonsstrålen 63 tilbake gjennorn d.en. sistnevnte innskjæring '+0. Strålen 63 vandrer da langs samme bane som den reflekterte emisjonsstråle 27, nemlig mot det faste speil 28, for til slutt å led.es gjennom monokromatoren 29 til fotomultiplikatorrorets 11 katode 12. Emisjonsstrålene fra de to prover er således tidsoppdelt idet de når fotomultiplikatorroret og tilveiebringer tilsvarende tidsoppdelte signaler som kan. sammenlignes eller måles differensielt. I arrangementet på fig. l-i- blir referanselys-kompensasjonskanalen som ble be-skrevet foran, i forbind.else med. fig. 1, ikke benyttet.

Claims (13)

1. Spektro-fluorometer, omfattende en strålings-, energikilde, en holder for en gjennomsiktig prove, en lys-fb lsom detektor og et bevegelig avbryterelement, karakterisert ved at det omfatter en anordning som inneholder det bevegelige avbryterelement, og som definerer en optisk eksiteringskanal som er rettet mot holderen, og en andre optisk kanal, en anordning som definerer en optisk emisjonskanal mellom proveholderen og den lysfolsornme detektor, en målesignalkanal og en referansesignalkanal, en med avbryterelementet synkronisert omkoblingsanordning for vekselvis tilkobling av den lysfolsornme detektors utgang til målesignalkanalen og til referansesignalkanalen, en kilde for referansestrålingsenergi, en anordning som inneholder det bevegelige avbryterelement og mellom referansekilden og den lysf <o> lsornme detektor definerer en optisk bane som er tidsoppdelt med den optiske emisjonskanal, og en anordning som styrer den lysfolsornme detektors respons i overensstemmelse med det signal som genereres i den lysfolsornme detektor av kilden for referansestrålingsenergi og energi-innholdet i den andre optiske kanal.

2. Spektro-fluorometer ifolge krav 1, karakterisert ved at den fbrstnevnte kilde omfatter en bdlgelengdeutvelgelsesanordning med variabel eksitasjon og en anordning for anvendelse av en kvantumintensitetskorreksjon på referansesignalkanalen i overensstemmelse med bdlge-lengdeinnstillingen for. den nevnte bolgelengdeutvelgelsesanordning med. variabel eksitasjon.

3. Spektrofluorometer ifolge krav 1, karakterisert ved . at den optiske emis jonskanal omfatter en bdlgelengdeutvelgelsesanordning med variabel emisjon og en anordning for anvendelse av en bolgelengdeavhengig emisjonskorreksjon på målesignalkanalen i overensstemmelse med bolgelengdeinnstillingen for den nevnte bolgelengde-utveigelsesanordning med. variabel emisjon.

Spektro-f luorometer , karakterisert ved at det omfatter en kild.e for strålingsenergi, en holder for en gjennomsiktig prove, en elektrisk, varmedetektoranordning, en anordning som inneholder et bevegelig avbryterelement som definerer vekslende tidsadskilte optiske baner, hhv. mellom kilden og proveholderen og mellom kilden og den elektriske varmedetektoranordning, for således å generere et energikorreksjonssignal, en lysfblsom detektor, en anordning som. definerer en tredje optisk bane mellom proveholderen og den lysfolsornme detektor, for således å generere et målesignal på utgangen av den lysfolsornme detektor, en kilde for referansestrålingsenergi, en anordning som inneholder d.et nevnte avbryterelement og definerer en fjerde opti.sk bane mellom den sistnevnte kilde og den lysfolsornme detektor som er tidsadskilt i forhold, til den tredje optiske bane, for således å generere et referansesignal på utgangen av den lysfolsornme detektor som er tidsadskilt i forhold, til målesignalet, og en anordning for å styre responsen fra den lysfolsornme detektor i overensstemmelse med både referansesignalet og energikorreksjonssignalet.

5. Spektro-fluorometer ifolge krav h, karakterisert ved . at anordningen for styring av den lysfolsornme detektors respons omfatter en beregningsanordning for utledning av den resiproke verdi av energisignalet og for å sammenligne referansesignalet med den nevnte resiproke verdi.

6. Spektro-fluorometer ifolge krav k eller 5?karakterisert ved . at den lysfolsornme detektor omfatter en. fotomultiplikator med en regulerbar hoyspent tilførselskilde, og at anordningen for styring av responsen fra den lysfolsornme detektor omfatter en anordning for inn-stilling av den hoyspente tilforselskilde i overensstemmelse med. differansen mellom ref eransesignalet og den nevnte resiproke verdi.

7. Spektro-fluorometer ifolge krav 6, karakterisert ved . at det omfatter en utgangskanal som er forsynt med. en ind.ikatoranordn.ing, en ref eransekanal og en anordning som er synkronisert med det bevegelige avbryterelement for vekselvis å forbinde fotomultiplikatorens utgang med utgangskanalen og med. referansekanalen, idet referansekanalen inneholder den nevnte beregningsanordning og er operativt forbundet med. den nevnte innstillbare høy-spennings -tilførselskilde.

8. Spektro-fluorometer ifolge krav 6, karakterisert ved at den nevnte anordning som begrenser den tredje optiske kanal, inneholder det bevegelige avbryterelement.

9« Spektro-fluorometer ifolge krav 8, karakterisert ved . at anordningen, som definerer den fjerde optiske kanal omfatter et lysror som har en innlopsend.e som mottar utgangs signalet fra energikilden for referanse-stråling, og som har en utlopsende nær opptil og operativt rettet mot fotomultiplikatoren.

10. 'Spektro-fluorometer ifolge krav ^h, karakterisert ved at den førstnevnte strålingsenergi-kilde omfatter en bolgelengd.eutvelgelsesanord.ning med variabel eksitasjon og en anordning for anvendelse av en kvantumintensitetskorreksjon på referansesignalet i overensstemmelse med bolgelengd.einnstillingen for den nevnte bolgelengdeutvelgelsesanordning med variabel eksitasjon.

11. Spektro-fluorometer ifolge krav k, karakterisert ved . at anordningen som definerer den tredje optiskeD ane omfatter en bolgelengd.eutvelgelsesanord.ning med variabel emisjon og en anordning for anvendelse av en bolgelengdeavhengig emisjonskorreksjon på målesignalet i overensstemmelse med innstillingen av bolgelengdeutvelgelses-anordningen med. variabel emisjon.

12. Spektro-fluorometer ifolge krav V, karakterisert ved at det omfatter en utgangskanal som er forsynt med. en indikator anordning, og med en ref eransekanal, idet den lysfolsornme detektor omfatter en fotomultiplikator som har en innstillbar høyspennings-tilforsels- o anordning, en omkoblingsanordning som er synkronisert med det bevegelige avbryterelement for vekselvis å forbinde fotomultiplikatorens utgang med. utgangskanalen og med referansekanalen, idet anordningen for styring.av den lysfolsornme detektors respons omfatter en beregningsanordning for utledning av den resiproke verdi av energisignalet, og en beregningsanordning i referansekanalen for utledning av et sammenligningssignal som omfatter differansen mellom referansesignalet og den resiproke verdi, og en kretsanordning for operativ tilkobling av samrnenligningssignalet til den innstillbare høyspennings-tilforselsanordning.

13. Spektro-f luorometer ifolge krav 12, k a. r akk-ter i sert ved. at den førstnevnte s trålingsenergi-kilde omfatter en bblgelengdeutvelgeisesanordning med variabel eksitasjon, en anordning for anvendelse av en kvantumintensitetskorreksjon- på referansesignalet i referansekanalen foran den nevnte andre beregningsanordning, og at anordningen som definerer den tredje optiske bane omfatter en 'bolgelengdeutvelgelsesanord.ni.ng med. variabel emisjon og en anordning for anvendelse av en bolgelengdeavhengig emisjonskorreksjon på målesignalet i utgangskanalen i overensstemmelse med. innstillingen av bolgelengdeutvelgelses-anordningen med. variabel emisjon.

1 <*> +. Spektro-f luorometer ifolge krav ^f, karakterisert ved at den omfatter en gjennomsiktig absorbsjonsgrad-kompensasjonscelle i den nevnte optiske bane mellom den førstnevnte kilde og den elektriske varmedetektoranordning, idet cellen har i hovedsaken halve tykkelsen av proveholderen og er tilpasset'til å inneholde materiale med. i det vesentlige samme absorbs jonsgrad som det materiale som er innsatt i proveholderen.