DE4244717A1

DE4244717A1 - Spektroskopisches System

Info

Publication number: DE4244717A1
Application number: DE4244717A
Authority: DE
Inventors: Meinrad Maechler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-13
Filing date: 1992-08-13
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2012-08-14
Also published as: DE4244717B4

Description

Die Erfindung betrifft ein spektroskopisches System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges spektroskopisches System, welches für die Spektralanalyse in Gefahrenzonen entwickelt wurde, zeigt die FR 2643147 A1.

Fig. 1 der vorliegenden Unterlagen zeigt ein weiteres bekanntes spektroskopisches System, bei dem als Spektrometer ein Simultanspektrometer verwendet ist.

Kernpunkt des Simultanspektrometers 1 ist die Verwendung von selbstabtastenden Diodenzeilen 2, welche von Snow 1975 entwickelt wurden und beispielsweise 512 Einzeldioden auf 1,27 cm Länge enthalten. Die Dioden in Siliziumtechnik bestimmen den nutzbaren Spektralbereich des Simultanspektrometers 1 von etwa 200 bis 1000 nm. Die vom Anmelder entwickelte Verwendung der Diodenzeilen 2 in einem Spektrometer wird bestimmt durch die Zeilengeometrie, wobei eine Diodenbreite von 25 µm zugleich die Breite des Austrittsspaltes 3 des Spektrometers festlegt. Bei einer Abbildung mit der kleinsten Fehlerquote, d. h. 1 : 1, ist das auch die Breite des Eintrittsspalts 3. Die Spaltenlänge von 12,52 mm ist für ein analytisch interessantes Spektrum, z. B. das sichtbare Gebiet mit 400 bis 800 nm, extrem kurz bei einer befriedigenden Bandbreite von 0,8 nm. Diese ungewöhnlich kleine Lineardispersion bedeutet eine ebenfalls sehr kurze Schnittweite des Spektralapparates, was primär ein kleines Dispersionselement zur Folge hätte. Damit ist aber die spektrale Auflösung (Rayleigh-Kriterium) für die 0,8 nm Bandbreite nicht zu verwirklichen, weshalb Prismenlösungen ausscheiden. Bei einer Gitteranordnung benötigt man eine kurze Brennweite, niedrige Furchendichte und große Gitterfläche, d. h. einen kleinen Spektrograph mit extrem hohem Öffnungsverhältnis. Damit ist auch automatisch ein Lichtleitwert erreicht, der mit konventionellen Geräten konkurrieren kann. Die vorgenannten Anforderungen an das Gitter 5 werden von holographisch erzeugten Konkavgittern erfüllt.

Eine dem Aufbau des Simultanspektrometers 1 angepaßte Beleuchtungseinrichtung 6 ist in Fig. 1 dargestellt. Damit das Spektrometer 1 mit größtmöglichem Wirkungsgrad ausgenutzt werden kann, ist grundsätzlich die gleiche Anordnung wie im Spektrometer gewählt, wobei an die Stelle des hochgeöffneten Hologrammgitters 5 ein asphärischer (Ellipsoid)-Spiegel 7 gleicher Öffnung tritt. Damit eine "vollständige Abbildung" erreicht wird, also die streng konjugierte Folge von Quellenblende-Objektivblende usw., erhält der Spiegel 7 die Dimension des Gitters 5. Von der Lichtquelle L und dem Bild der Lichtquelle L′, das zugleich Eintrittsblende in das Meßgerät ist, wird verlangt, daß diese sehr klein sind. Dafür wird von der Lichtquelle L eine möglichst hohe Leuchtdichte gefordert. Diese Bedingung erfüllen beispielsweise Xenonlampen der niedrigsten Leistungsklasse von 30 bis 40 Watt bei einem Leuchtfelddurchmesser von 0,3 bis 0,5 mm. Für das Ultraviolett-Gebiet sind Deuteriumlampen mit Leuchtfelddurchmessern von 0,5 mm mit hoher Leuchtdichte und 35 Watt Leistungsaufnahme erhältlich.

Zwischen der Blende 4 mit dem Lichtquellenbild L′ und dem Eintrittsspalt 3 des Spektrometers 1 liegt der Objektraum 8, in dem eine gerichtete Beleuchtung eines Objekts bzw. einer Probe 9, die in einer Küvette angeordnet ist, mit geringer Strahlneigung gegen die optische Achse, im Idealfall telezentrische Beleuchtung, gefordert wird.

Zur Erreichung dieses Zieles wurden bisher vor der Probe 9 und hinter dieser je eine durch die Linsen 10, 11 repräsentierte Optik angebracht. Man erreicht damit aber keinen nennenswerten energetischen Wirkungsgrad, und es ist auch nicht möglich, am Eintrittsspalt 3 des Spektrometers 1 die erforderliche Apertur wiederherzustellen, die zum Erreichen der spektralen Auflösung (Rayleigh-Kriterium) nötig ist. Dies bedeutet, daß man in der Praxis die an sich gegebenen hervorragenden Möglichkeiten des Simultanspektrometers 1 nicht nutzen kann.

Man hat daher versucht, durch den Einsatz von Lichtleitern 12, 13 im Objektraum 8, wie in Fig. 2 gezeigt, das vorgenannte Problem zu lösen. Die Lichtleiter werden auch als Lichtwellenleiter bezeichnet.

Die Lichtleiter 12, 13 können starre oder flexible Monofasern oder Faserbündel sein. Lichtleiter können die hier interessierende Apertur α im UV-Bereich von 30° oder mehr und im sichtbaren von bis zu 90° problemlos übertragen.

Führt man am Ort des Bildes L′ der Lichtquelle das Licht in den Lichtleiter 12 ein, dann verläßt das Lichtbündel den Lichtleiter an seinem anderen Ende mit der gleichen Apertur und Intensitätsverteilung.

Eine gerichtete Beleuchtung der Probe 9 mit geringerer als der Eingangsapertur kann der Lichtleiter 12 jedoch nicht erbringen. Im optischen Sinn ist seine Austrittsöffnung zwar ein konjugierter Ort zur Eintrittsfläche, aber auch wenn am Eintritt ein echtes optisches Bild der Lichtquelle liegt, ist das am Austritt nicht der Fall, da jeder Querschnitt durch den Lichtleiter gleichwertig, aber nicht bildfähig ist. Die Austrittsfläche wirkt daher optisch als Loch. Erhalten bleibt jedoch die Lichtleitgeometrie, d. h. die Apertur. Weil das Lichtleiterende, wie gesagt, nicht abbildungsfähig ist, läßt sich auch mit nachgeschalteten Linsen- oder Spiegeloptiken keine definierte Abbildung schaffen. Man muß sich daher damit abfinden, daß das Problem der reversiblen Aperturwandlung in der Kombination von Lichtleitern mit konventioneller Linsen- oder Spiegeloptik nicht zu lösen ist, auch wenn erfolglos verschiedene diesbezügliche Versuche unternommen wurden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein spektroskopisches System für die Spektralpolarimetrie zu schaffen, das eine optimale Energieübertragung ermöglicht.

Die gesuchte Rotationsdispersion, also der Drehverlauf der optischen Aktivität als Spektralfunktion ergibt sich zu:

Man ersieht, daß wegen der Verhältnisbildung alle spektralen Apparatefunktionen eliminiert sind. Beachtenswert ist außerdem, daß der Mittelwert der Photoströme im Nenner der Gleichung exakt das Absorptionsspektrum der Substanz darstellt, welches leicht über die Software der im Rahmen dieser Anmeldung nicht näher diskutierten Auswerteinrichtung abgerufen werden kann.

Die Erfindung ermöglicht eine wirkungsvolle und schnelle Messung der Rotationsdispersion auch bei kleinen Probemengen, die von größter biochemischer Bedeutung ist. Sie überwindet die bisherigen, überwiegend energetisch bedingten Schwierigkeiten in der Spektralpolarimetrie, wodurch schnelle Spektrenmessungen oder Mikromethoden praktisch ausgeschlossen waren, weil polarimetrische Strahlengänge noch stärker als andere aperturempfindlich sind.

Mit der Erfindung wird daher die Möglichkeit erschlossen, ein wirksames Mikro-Spektralpolarimeter zu bauen.

In dem erfindungsgemäßen spektroskopischen System sind die Lichteintrittsöffnung und die Lichtaustrittsöffnung des Aperturwandlers vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse verlaufende Querschnittsöffnungen.

Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der kleineren Querschnittsöffnung des Aperturwandlers zumindest ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters vorgeschaltet, dessen Querschnitt, vorzugsweise im Anlagebereich an den Aperturwandler, dessen kleinerer Querschnittsöffnung entspricht, zur Ankoppelung des Aperturwandlers an die Lichtquelle bzw. deren Bild oder den Eintrittsspalt des Spektrometers. Der Lichtleiter ist dabei vorzugsweise zumindest zwischen seinen Endbereichen als vorzugsweise flexibles Lichtleitkabel ausgebildet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in der Spektralanalytik nur energetisch-optische Fragestellungen zu lösen sind (Frequenz, Amplitude, Geschwindigkeit, Azimut und Achsenverhältnis der elektromagnetischen Strahlung), so daß alle Fragen nach der Bildlage, der Bildschärfe usw. zurückstehen können und daß man sich daher auf die Forderung beschränken kann, das Licht bzw. die Strahlung so verlustarm wie möglich durch den Objektraum zu führen sowie mit geeigneten Mitteln die Strahlneigungen, also die Aperturen, der Meßmethode anzupassen. Brechungs- und Beugungseffekte sind dispersionsbehaftet, also nicht achromatisch, und deshalb sind darauf beruhende Mittel auszuschließen. Als Mittel der Wahl verbleiben daher Reflexionsmittel, wobei man vorzugsweise von der Totalreflexion Gebrauch macht, die in den Lichtleitern ohnehin ausgenutzt wird.

Der Einsatz der Aperturwandler, der sich auch als konsequente Reduzierung eines koaxialen Teleskops mit Innenwandreflexionen auf einen sehr kleinen trichterförmigen bzw. kegelartigen Aperturwandler verstehen läßt, ermöglicht eine achromatische optische Energieübertragung. Der Aperturwandler kann in einfacher Weise an die bei vielen Ausführungsformen des spektroskopischen Systems ohnehin zweckmäßigerweise verwendeten Lichtleiter angekoppelt werden. Wie leicht zu ersehen ist, verändert die kegelartige Ausgestaltung des Aperturwandlers die Apertur des durchfallenden Lichts immer in dem Sinn, daß am kleinen Querschnitt die Apertur groß und am großen Querschnitt klein ist.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist der größeren Querschnittsöffnung des Aperturwandlers ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters vorgeschaltet, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler dessen größerer Querschnittsöffnung entspricht, zur Ankoppelung des Aperturwandlers an die Probe, beispielsweise mittels Ankitten.

Für den Energietransport im Objektraum ist es besonders günstig, wenn das dem jeweiligen Ende des Aperturwandlers vorgeschaltete Ende eines zylindrischen Lichtleiters aus dem gleichen Material besteht wie der Aperturwandler.

Der jeweilige Lichtleiter kann als Monofaser oder Lichtleitstab ausgebildet sein oder auch als optisches Faserbündel, wobei im zuletzt genannten Fall das an den Eintrittsspalt des Spektrometers angrenzende Faserbündel in diesem Endbereich in Form eines Spaltes ausgebildet sein kann, welcher einen separaten Eintrittsspalt des Spektrometers ersetzt. Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn der halbe Kegelwinkel β des Aperturwandlers derart gewählt ist, daß bei der Objektbeleuchtung eine geringe Strahlenneigung gegenüber der optischen Achse erzielt ist.

Dabei ist mit Vorteil der halbe Kegelwinkel des Aperturwandlers kleiner oder gleich dem halben maximalen Lichtaustrittswinkel aus dem Lichtleiter, welcher von der Lichtquelle bzw. deren Bild zu dem zwischen Lichtquelle bzw. deren Bild und der Probe gelegenem Aperturwandler führt. Der Lichtaustrittswinkel dieses Lichtleiters ist, wie bereits vorstehend erwähnt, durch die Apertur des Beleuchtungssystems bestimmt, da im Lichtleiter die Lichtleitgeometrie, d. h. die Apertur, erhalten bleibt.

Falls das System für die UV-Spektroskopie vorgesehen ist, dienen als Aperturwandler Quarztrichter, wobei die diesen gegebenenfalls vorgeschalteten Lichtleiter ebenfalls aus Quarz bestehen. Bei dieser bevorzugten derartigen Anordnung und einer Apertur der Beleuchtung von α = 26° ist der halbe Kegelwinkel des Aperturwandlers β 6,5° und beträgt vorzugsweise 5,5°.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems, die dann von besonderer Bedeutung ist, wenn das System in der Mikroanalytik, insbesondere der HPLC, eingesetzt wird, dient als Beleuchtungsanordnung eine punktförmige oder quasi punktförmige Lichtquelle, die mittels eines asphärischen Spiegels, vorzugsweise eines Ellipsoid- Spiegels, auf die Eintrittsöffnung des zwischen Lichtquelle und Objekt angeordneten Aperturwandlers oder des diesem vorgeschalteten Lichtleiters abgebildet wird.

Dabei wird als Spektrometer vorzugsweise eine aus einem Beugungsgitter und einer Empfängereinheit bestehende Anordnung verwendet, wobei bevorzugt als Beugungsgitter ein holographisches Konkavgitter und als Empfänger eine Photodiodenzeile dienen.

Es ist besonders günstig, wenn der Spiegel der Beleuchtungseinrichtung und das Konkavgitter des Spektrometers die gleiche Apertur aufweisen und/oder wenn eine 1 : 1-Abbildung der Lichtquelle auf die Dioden der Photodiodenzeile erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Systems ist im Objektraum zumindest eine Kapillarküvette angeordnet, an deren Eingang und Ausgang ein Aperturwandler mit seiner größeren Querschnittsöffnung direkt oder auch anwendungsbedingt über Strahlenteiler oder Analysator- bzw. Polarisatoranordnungen angeschlossen ist und die in Längsrichtung durchstrahlt wird.

Die zumindest eine Küvette ist mit Vorteil als Durchflußküvette ausgebildet.

Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in schematisierter Darstellung ein spektroskopisches System nach dem Stand der Technik, in welchem ein Simultanspektrometer Verwendung findet;

Fig. 2 zeigt eine Variante für den Objektraum des in Fig. 1 gezeigten Systems nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 zeigt in schematisierter Darstellung eine Weiterbildung des in Fig. 1 gezeigten spektroskopischen Systems in einer Anordnung zur Absorptionsmessung, bei dem ein Simultanspektrometer Verwendung findet;

Fig. 4a zeigt im Längsschnitt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß verwendeten Aperturwandlers;

Fig. 4b zeigt im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß verwendeten Aperturwandlers mit einem daran angeschlossenen Lichtleiter, der zum Anschluß des Aperturwandlers an eine Probenküvette dient;

Fig. 5 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Bereich des Objektraumes von einem spektroskopischen System bei der Absorptionsmessung, wobei in den Fig. 5a bis 5d die Wirkung zunehmend kleinerer Kegelwinkel bei den Aperturwandlern dargestellt ist;

Fig. 6 erläutert in schematisierter Darstellung die ringpupillenartige Wirkung des Aperturwandlers;

Fig. 7 zeigt im Längsschnitt einen Bereich des Objektraums von einem erfindungsgemäßen spektroskopischen System in seiner Anordnung als Polarisations-Spektrometer.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Polarisations- Spektrometers wird im folgenden zunächst anhand von Fig. 3 eine Weiterbildung des in Fig. 1 dargestellten spektroskopischen Systems beschrieben, wobei der in Fig. 1 gezeigte und vorstehend beschriebene Grundaufbau verwendet ist und wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der zwischen dem Spektrometer 1 und der Beleuchtungseinrichtung 6 gelegene Objektraum 8 enthält eine Probe 9, die in einer Durchflußküvette aufgenommen ist. Beiderseits der Probe 9 ist je ein Aperturwandler 14, 15 angebracht, der aus einem koaxialen kegelförmigen Lichtleiter oder Spiegel besteht, mit einer Lichteintritts- und einer Lichtaustrittsöffnung und einer spiegelnden bzw. totalreflektierenden Innenfläche. Der zwischen dem Bild L′, der Lichtquelle L und der Probe 9 angeordnete Aperturwandler 14 ist mit seiner die Lichteintrittsöffnung bildenden kleineren Querschnittsöffnung bzw. -fläche in der Ebene des Bildes L′ der Lichtquelle L angeordnet, während seine die Lichtaustrittsöffnung bildende größere Querschnittsöffnung bzw. -fläche gegebenenfalls über ein Stück 16 eines Lichtleiters an das Eintrittsfenster der die Probe 9 enthaltenden Küvette angekoppelt ist. Der zwischen der Probe 9 und dem Eintrittsspalt 3 des Spektrometers 1 angeordnete Aperturwandler 15 entspricht hinsichtlich seines Aufbaus identisch dem Aperturwandler 14, wobei er, bezogen auf die Probe 9, spiegelsymmetrisch zu letzterem eingebaut ist, so daß seine von der kleineren Querschnittsöffnung bzw. -fläche gebildete Lichtaustrittsöffnung in die Ebene des Eintrittsspalts 3 zu liegen kommt, während sich seine von der größeren Querschnittsöffnung bzw. -fläche gebildete Lichteintrittsöffnung gegebenfalls über ein Stück 16 eines Lichtleiters an die Austrittsöffnung der die Probe 9 enthaltenden Küvette angekoppelt ist.

Die in Fig. 4a und Fig. 4b gezeigten speziellen Maße und Dimensionen der Aperturwandler 14, 15 betreffen ein spezielles, für die UV-Spektroskopie bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Quarz-Aperturwandlers, das im folgenden anhand der Fig. 5a bis 5d noch näher erläutert wird.

Die in den Fig. 5a bis 5d gezeigten Beispiele beziehen sich auf eine besonders gut UV-durchlässige sogenannte Quarz- Quarz-Faser, welche am langwelligen Spektralende nur eine Apertur von 26° zuläßt. Diese High-Tech-Faser wird mit 0,6 mm Durchmesser als Monofaser gefertigt.

Bei einer Apertur von 2 α= 26° entspricht ein halber Kegelwinkel von β = α/2 = 6,5° gerade dem größten Nutzquerschnitt des Aperturwandlers. Nun ist aber in der Mikroanalytik, z. B. der HPLC, nicht der größte, sondern der kleinste mögliche Querschnitt gesucht und diesen erhält man durch Verkleinerung des halben Kegelwinkels β, allerdings um den Preis einer verkürzten Nutzlänge. Das Optimum ergibt sich aus der Geometrie des vorgegebenen Probenraumes, der meistens eine Durchflußküvette ist. Man erkennt, daß der Aperturwandler 14 von Fig. 5b mit einem halben Kegelwinkel β = 5,5° ein Optimum erreicht.

Bezüglich des energetischen Wirkungsgrades ist festzustellen, daß der Aperturwandler das einfachste Spiegelobjektiv ist. Er weist daher zwangsläufig eine Ringapertur bzw. Ringpupille auf mit einer optisch toten Zone, wie sie durch die Schraffur 17 in Fig. 3 dargestellt ist.

Bezogen auf das vorstehende Beispiel werden, wie aus Fig. 5 ersichtlich, alle Strahlen mit einer Neigung < 6,5° gegen die Achse bis zur Grenze von 13° reflektiert und durchsetzen die Probe. Im Kern des Strahlenbüschels gibt es eine kleine Zone, in der die Strahlen ohne Reflexion die Probe durchsetzen. Dazwischen ist eine Ringzone, die verlorengeht. Dieser Tatbestand ist auch in Fig. 6 schematisch dargestellt.

Die in Fig. 6 dicht schraffierte Verlustzone macht ohne Berücksichtigung der Kernzone etwa 25% des Querschnitts aus, d. h. der energetische Übertragungsgrad des Aperturwandlers beträgt zumindest 0,75. Man kann diesen Übertragungsgrad steigern, wenn man den halben Kegelwinkel β verkleinert und eine zweite Reflexion hinzunimmt. Damit steigen allerdings auch die Herstellungsanforderungen.

Die Querschnittsverhältnisse Lichtleiteraustrittsfläche = Küvettenquerschnitt ergeben sich nach dem Strahlensatz.

Weil, wie vorstehend angeführt, in der wissenschaftlichen Analytik nie nach dem größt-, sondern nach dem kleinstmöglichen Küvettenvolumen gefragt ist, folgt, daß bei vollständiger Abbildung folgende Bedingung gelten muß:

Empfängerfläche = Spaltfläche = kleinere Kegelöffnung des Aperturwandlers.

Die Empfängerfläche (z. B. Reticon S-Zeile) beträgt für maximale Auflösung 0,0625 mm² (25 µm Breite und 2,5 µm Höhe). Diese ergibt einen Durchmesser für die Kegelspitze des Aperturwandlers von 0,14 mm bzw. bei einer Faser von rund 0,15 mm Kerndurchmesser. Bei einer Apertur von ∼26° aus dem vorstehenden Beispiel würde sich ein Küvetteninnendurchmesser von rund 0,4 bis 0,5 mm ergeben, was einem Querschnitt von 0,2 mm² entspricht. Dies bedeutet bei 10 mm Schichtlänge ein Füllvolumen der Küvette von gerade 2 µl.

Die "tote Zone" der Aperturwandler 14, 15 kann zu einer definierten Befestigung benutzt werden. Diese Fixierung kann an der Küvette und/oder am flexiblen Lichtleiter 12, 13 erfolgen. An der Küvette befestigt, kann die Kegelendfläche des Aperturwandlers direkt als Küvettenfenster benutzt werden. Nachteilig ist jedoch dabei, daß die Aperturwandler das Schicksal der Küvette teilen und bei deren Verschmutzung ausgetauscht werden müssen. In der Regel wird man daher die Aperturwandler 14, 15 an den Enden der Lichtleiter 12, 13 befestigen. Dabei kommen dann die Aperturwandler in einem gewissen Mindestabstand vor den Küvettenfenstern zu liegen. Zur Vermeidung von Interferenzen, wenn es auf maximale Energieausnutzung ankommt, kann der Abstand durch Immersion überbrückt werden.

Die vorstehenden Erläuterungen anhand der Fig. 3 und 5 betrafen den Einsatz des erfindungsgemäßen spektroskopischen Systems bei Absorptionsmessungen von in jeweils einer Kapillarküvette befindlichen Proben.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen spektroskopischen Systems, das eine Messung der Rotationsdispersion ermöglicht. Das System ist als Polarisations-Spektrometer aufgebaut, von dem in Fig. 7 jedoch nur ein Teil des Objektraumes 8 dargestellt ist. Das Spektrometer 1 mit seinem Eintrittsspalt 3 und die Beleuchtungseinrichtung 6 mit dem Bild L′ der Lichtquelle L am Ort 4 entsprechen in ihrem Grundaufbau der in Fig. 3 dargestellten Ausführung. Vor der Küvette mit der Probe 9 ist ein Polarisator 23 angebracht und hinter derselben ein Analysator 24, welcher die beiden Vergleichsstrahlengänge zum einen über den Aperturwandler 15 und den Lichtleiter 13 zum Eintrittsspalt 3 des Spektrometers 1 leitet, zum anderen über einen weiteren Aperturwandler 25 und einen an diesen angeschlossenen weiteren Lichtleiter 26 zu dem Eintrittsspalt eines weiteren Spektrometers, das in der Fig. 9 jedoch nicht dargestellt ist, aber hinsichtlich seines Aufbaus dem Spektrometer 1 von Fig. 3 entspricht.

Die Erfindung ermöglicht mit dem in Fig. 9 skizzierten Aufbau eine wirkungsvolle und schnelle Messung der Rotationsdispersion, auch bei kleinen Probenmengen, die von größter biochemischer Bedeutung ist. Sie überwindet die bisherigen, überwiegend energetisch bedingten Schwierigkeiten in der Spektralpolarmetrie, wodurch schnelle Spektrenmessungen oder Mikromethoden praktisch ausgeschlossen waren, weil polarimetrische Strahlengänge noch stärker als andere aperturempfindlich sind.

Durch den Einsatz der Aperturwandler wird die Möglichkeit erschlossen, ein Mikro-Spektralpolarimeter zu bauen, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Strahlengang und Küvette entsprechen den aus Fig. 5 schon bekannten Verhältnissen.

Ein Polarisator 23, z. B. vom Glan-Typ, mit nur 3 mm Kantenlänge kann ohne technische Änderungen der Lasertechnik entnommen werden. Der Analysator 24, welcher gleichzeitig Strahlenteiler ist, steht mit seinen beiden Schwingungsrichtungen unter +45° bzw. -45° zur einfallenden Schwingungsrichtung. Die beiden Simultanspektrometer, welche über die Lichtleiter 13 und 26 mit den Aperturwandlern 15 und 25 an den Analysator 24 angekoppelt sind, liefern für jede Wellenlänge der Diodenzeile 2 der Spektrometer einen Photostrom Φ(x)₁ bzw. Φ(x)₂. Die gesuchte Rotationsdispersion, also der Drehverlauf der optischen Aktivität als Spektralfunktion, ergibt sich, wie bereits vorstehend erwähnt, zu:

Claims

1. Spektroskopisches System, in welchem zumindest eine Probe mittels von einer Lichtquelle ausgehendem Licht gerichtet beleuchtet und das von der Probe ausgehende Licht auf den Eintrittsspalt zumindest eines Spektrometers, gebündelt wird, wobei im Objektraum zwischen der Lichtquelle bzw. deren Bild und der Probe und zwischen der Probe und dem Eintrittsspalt je ein Aperturwandler vorgesehen ist, der jeweils aus einem koaxialen, kegelförmigen Lichtleiter oder Spiegel mit einer Lichteintritts- und einer Lichtaustrittsöffnung besteht, wobei die größere der Öffnungen jeweils der Probe zugekehrt ist, dadurch gekennzeichnet, daß, in Richtung des Beleuchtungsstrahlengangs gesehen, vor der zu untersuchenden Probe (9) eine Polarisationseinrichtung (23) und hinter der zu untersuchenden Probe eine Analysatoreinrichtung (24) über je einen Aperturwandler (15, 25) je ein Spektrometer angeschlossen ist zur Bestimmung der Rotationsdispersion und des Absorptionsspektrums der Probe (9) aus den von den Spektrometern erhaltenen Photoströmen (Φ(x)₁ und (Φ(x)₂).

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsöffnung und die Lichtaustrittsöffnung des Aperturwandlers (14, 15, 25) senkrecht zur optischen Achse verlaufende Querschnittsöffnungen sind.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den kleineren Querschnittsöffnungen des Aperturwandlers zumindest ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters (12, 13; 26) vorgeschaltet ist, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler (14, 15; 25) der kleineren Querschnittsöffnung entspricht, zur Ankoppelung des Aperturwandlers (14, 15; 25) an die Lichtquelle (L) bzw. deren Bild (L′) oder den Eintrittsspalt (3).

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (12, 13; 26) zumindest zwischen seinen Endbereichen als vorzugsweise flexibles Lichtleitkabel ausgebildet ist.

5. System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den größeren Querschnittsöffnungen des Aperturwandlers (14, 15) ein Stück (16) eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters vorgeschaltet ist, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler (14, 15) der größeren Querschnittsöffnung entspricht, zur Ankoppelung des Aperturwandlers (14, 15) an die Probe (9).

6. System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dem jeweiligen Ende des Aperturwandlers (14, 15; 25) vorgeschaltete Stück eines zylindrischen Lichtleiters (12, 13, 16, 26) aus dem gleichen Material besteht wie der Aperturwandler (14, 15; 25).

7. System nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (12, 13; 16; 26) als Monofaser oder Lichtleitstab ausgebildet ist.

8. System nach Anspruch 4 oder einem der von Anspruch 4 abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (12, 13, 26) als optisches Faserbündel ausgebildet ist.

9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Kegelwinkel β des Aperturwandlers (14, 15) derart gewählt ist, daß bei der Objektbeleuchtung eine geringe Strahlenneigung gegenüber der optischen Achse erzielt ist.

10. System nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Kegelwinkel β des Aperturwandlers (14, 15; 25) kleiner oder gleich dem halben maximalen Lichtaustrittswinkel α/2 aus dem Lichtleiter (12) ist, welcher von der Lichtquelle (L) bzw. deren Bild (L′) zu dem zwischen Lichtquelle (L) bzw. deren Bild (L′) und der Probe (9) gelegenen Aperturwandler (14) führt.

11. System nach einem der vorstehenden Ansprüche mit Eignung für die UV-Spektroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß die Aperturwandler (14, 15; 25) Quarztrichter sind, und daß diesen gegebenenfalls vorgeschaltete Lichtleiter (12, 13; 16; 26) ebenfalls aus Quarz bestehen.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Apertur der Beleuchtung von α = 26° für den halben Kegelwinkel β des Aperturwandlers (14, 15; 25) die Beziehung gilt: β 6,5°, wobei vorzugsweise β = 5,5° gilt.

13. System nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Durchführung der Mikroanalytik, insbesondere der HPLC, dadurch gekennzeichnet, daß als Beleuchtungsanordnung (6) eine punktförmige oder quasi punktförmige Lichtquelle (L) verwendet ist, die mittels eines asphärischen, vorzugsweise eines Ellipsoid-Spiegels (7), auf die Eintrittsöffnung des zwischen Lichtquelle und Objekt (9) angeordneten Aperturwandlers (14) oder des diesem vorgeschalteten Lichtleiters (12) abgebildet ist.

14. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Spektrometer (1) eine aus einem Beugungsgitter (5) und einer Empfängereinheit (2) bestehende Anordnung verwendet ist.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter (5) ein holographisches Konkavgitter und als Empfänger eine Photodiodenzeile (2) dienen.

16. System nach Anspruch 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (7) der Beleuchtungseinrichtung (1) und das Konkavgitter (5) des Spektrometers (1) die gleiche Apertur aufweisen.

17. System nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine 1:1-Abbildung der Lichtquelle (L) auf die Dioden der Photodiodenzeile (2).

18. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Objektraum (8) zumindest eine Kapillarküvette angeordnet ist, an deren Eingang und Ausgang ein Aperturwandler (14, 15) mit seiner größeren Querschnittsöffnung angeschlossen ist und die in Längsrichtung durchstrahlt wird.

19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Küvette als Durchflußküvette ausgebildet ist.