DE3424108C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kugelförmige Probenaufnahmean­ ordnung für die Ramanspektroskopie, aus durchsichtigem und schlierenfreiem Material mit Probenzu- und abführung.

Der RAMAN-Effekt ist extrem lichtschwach. Um RAMAN-Spek­ tren von empfindlichen Proben bei Anregung mit LASER- Strahlung mit einem Diodenzeilenspektrometer simultan registrieren zu können, benötigt man eine extrem licht­ starke Probenanordnung. Theoretische Betrachtungen zeigen (Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage 1980, Seite 303-372, Verlag Chemie, Weinheim), daß es dazu erforderlich ist, die zur Anregung verwendete LASER-Strah­ lung zu fokussieren und die Probe in diesen Fokus zu brin­ gen. Nach Aussage der Gleichungen 53 und 56 in diesem Artikel ist die Strahlungsleistung, die die Probe über das Spektrometer zum Strahlungsempfänger sendet, umgekehrt proportional dem Durchmesser des LASER-Strahls im Fokus, proportional der Strahlungsleistung des LASERs und eben­ falls proportional dem Raumwinkel der von der Probe ausge­ henden RAMAN-Strahlung, die vom Spektrometer erfaßt wird. Dies besagt, daß intensivste Spektren von extrem kleinen Proben (Dimensionen einige Mikrometer) geliefert werden, wenn man sie mit einer an den Lichtleitwert des Spektrome­ ters angepaßten Abbildungsoptik mit extrem hohem Öffnungs­ verhältnis in den Eintrittsspalt eines lichtstarken Spek­ trometers abbildet.

In herkömmlichen RAMAN-Spektrometern befinden sich die Proben in rechteckigen, seltener in zylindrischen Küvetten (Firmenschriften der Firmen Spex Industries, München; Instruments S.A., München; Jenaoptik, Jena; Applied Photo­ physics, Londen und Biotronik, München sowie Ullmanns Enc., 1980). Diese Probenanordnungen sind nicht geeignet zur Ausleuchtung von extrem lichtstarken Spektrometern. Infolge der Lichtbrechung am Probenfenster wird nämlich nur ein geringer Teil der von der Probe ausgesandten Strah­ lung in den Öffnungskegel der lichtstark abbildenden Optik gesandt. Außerdem ist, ebenfalls infolge der Lichtbrechung am Probenfenster, der Fokus der Randstrahlen des Öffnungs­ kegels gegenüber dem der Strahlen in der Nähe der opti­ schen Achse versetzt. Daher kann eine kleine Probe in einer derartigen Küvette nicht lichtstark in den Spalt des Spektrometers abgebildet werden. - Auch der Fokusbereich des zur Beleuchtung verwendeten LASER-Strahls wird durch die Lichtbrechung am Probenfenster "verschmiert". - Schließ­ lich lassen sich LASER-Strahl und Abbildungsoptik nur schwierig optimal zueinander justieren. Darüber hinaus ändern sich die optimalen Justierparameter, wenn sich der Brechungsindex der Probe ändert. Routineuntersuchungen sind daher schwierig.

Handelsübliche Probenanordnungen für Mikroproben verwenden gewöhnliche Mikroskopobjektive. Da deren Lichtleitwert aber bereits kleiner als der normale Spektrometer ist, sind sie überhaupt nicht zur Untersuchung von Mikroproben mit extrem lichtstarken Spektrometern geeignet.

Analoge Argumente gelten auch für die anderen Methoden der Spektrometrie: Die herkömmlichen rechteckigen oder zylindri­ schen Küvetten ermöglichen nicht den optimalen Anschluß einer Mikroprobe an ein Spektrometer mit extrem hohem Licht­ leitwert.

Aus der DD-PS 1 39 164 ist eine hohlkugelförmige Küvette zur ramanspektroskopischen Bestimmung des inneren Feldef­ fektes bekanntgeworden. Es handelt sich hierbei um eine Hohlkugel mit einem Flüssigkeitsvolumen, das wesentlich größer ist als der Bereich des Laser-Fokus. Die Strahlengänge verlaufen auch abseits vom Fokus in der Probenflüssigkeit. Die Kugel wird durch Verkleben eines aufgeschnittenen Rundkolbens mit einem Miniskus hergestellt, ist schwer herstellbar und nicht für die Untersuchung von Mikroproben geeignet.

Aus der GB-PS 21 25 181 A ist bekanntgeworden, eine Durch­ flußzelle für Fluoreszenzmessungen herzustellen, die zur Ver­ meidung von Streueffekten kugelausschnittförmige Elemente be­ sitzt, durch die der Materialfluß verläuft. Auch hier dient die Ausbildung eines Teils der Küvette in Kugelsegmentform dazu, die Streuung beim Strahlungsein- und -austritt durch Minimalisierung der Lichtbrechung zu vermindern und Divergenz der Strahlung durch Streuphänomene möglichst zu vermeiden.

Aus Chem. Ing. Techn. Jahrgang 39, Heft 17, S. 1008 bis 1016 (1967) "Dr. Bernhard Schrader: Fortschritte in der Technik der Ramanspektroskopie" sind teilkugelförmige Küvetten bekannt­ geworden, wobei auch dort beschrieben ist, daß die kugel­ förmige Oberfläche die Streuung des ein- und ausfallenden Lichtes optimal verringert.

Auch aus Meßtechnik 5/72, S. 119 ff, W. Meier, B. Schrader et al: "Einfaches, lichtstarkes Ramanspektrometer mit Laser-Licht­ quelle" sind hohlkugelförmige Küvetten bekanntgeworden, die relativ dünne Wände, verglichen zum Probevolumen, besitzen und wobei lediglich die günstigen Lichtbrechungs­ eigenschaften einer kugelförmigen Oberfläche ausgenutzt werden.

Die bisher beschriebenen Küvetten eignen sich jedoch nicht dazu, kleine Probemengen, wie sie insbesondere in der Bio­ chemie o. ä. von empfindlichen Substanzen vorliegen, in ein­ facher Weise zu vermessen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnungen besteht darin, daß sie zusätzliche Optiken zur optimalen Beleuchtung der Probe benötigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für Routineuntersuchungen geeignete Probeanordnung für die RAMAN-Spektrometrie zu entwickeln, die von Proben in beliebi­ gem Aggregatzustand einen größtmöglichen Strahlungsfluß der zu untersuchenden Strahlung dem Spektrometer zuleitet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Proben­ anordnung, wobei die Probenaufnahmeanordnung eine Vollkugel aus dem durchsichtigen und schlierenfreien Material mit einem im Kugelmittelpunkt angeordneten, ein im Verhältnis zum Volu­ men der Vollkugel kleines Volumen aufweisenden Probenaufnahme­ raum ist und daß mindestens eine Probenleitung durch die Voll­ kugel zum Probenaufnahmeraum verläuft.

Das durchsichtige und schlierenfreie Material ist bevorzugt Saphir, Diamant, Glas, Quarz, ein Salz oder ein makromolekularer Stoff. Die thermische Belastung der Probe kann dabei stark vermindert werden, wenn diese an gut wärmeleitendes Material, z. B. Saphir, angelegt wird, durch das die Beobachtung erfolgt.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kugeloberfläche reflexmindernd vergütete und verspiegelte Bereiche auf­ weist.

Es kann vorteilhaft sein, daß die Vollkugel aus zwei Ku­ gelhälften gebildet ist. Dabei kann bspw. die Probenauf­ nahmeanordnung zwischen den ebenen Halbkugeloberflächen, gegebenenfalls unter Einsatz einer bekannten Immersions­ flüssigkeit verschiebbar angeordnet sein.

Der Probenaufnahmeraum weist bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung eine mindestens bis zum Kugelmit­ telpunkt reichende zylindrische oder kegelförmige Ausspa­ rung auf.

Die Probenaufnahmeanordnung kann auch um eine durch ihren Mittelpunkt verlaufende Achse drehbar gelagert sein.

Die erfindungsgemäße Probenanordnung läßt sich auch in der Lumineszenz-, Fluoreszenz-, Phosphoreszenz, RAMAN-, sowie der Absorptions- und Streuungsspektroskopie einset­ zen. Der optimale Anschluß einer Mikroprobe an ein Spek­ trometer mit extrem hohem Lichtleitwert wird erfindungsge­ mäß erreicht durch einen im wesentlichen kugelförmigen Probenbehälter aus transparentem Material, in dessen Mitte das Probenmaterial angeordnet ist, durch Abbildung der Mitte der Kugel durch eine extrem lichtstarke Optik in das Spektrometer, durch Fokussierung des Beleuchtungsstrahl im Zentrum der Kugel, durch Entspiegelung der Bereiche der Oberfläche, durch die die Probe beleuchtet oder beobachtet wird und gegebenenfalls durch Verspiegelung von Teilen der Oberfläche der Kugel. Eine solche aplanatische Probenan­ ordnung gewährleistet, daß der Fokus der Beleuchtungsoptik und der Abbildungsoptik für Strahlen, die einen großen Winkel zur optischen Achse haben, mit dem Fokus der Strah­ len übereinstimmt, die nur einen kleinen Winkel zur opti­ schen Achse haben. Dazu kommen weitere Vorteile:

• 1. Auf die Kugeloberfläche aufgebrachte Spiegel werfen die vom Zentrum der Kugel (also vom Ort der Probe) ausge­ hende Beleuchtungs- und Lumineszenz-Strahlung auf das Zentrum zurück. Dadurch wird der vom Spektrometer aufge­ nommene Strahlungsfluß, zum Beispiel der RAMAN-Strahlung, vervielfacht.
• 2. Die auf die Kugeloberfläche aufgebrachten Spiegel haben ihren Krümmungsmittelpunkt am Ort der Probe. Man braucht sie also nicht gesondert zu justieren. Sie können auch nicht verschmutzen.
• 3. Die Justierung der Kugel zum Spektrometer erfolgt einfach durch "rückwärtige Ausleuchtung": Die von einer Lichtquelle am Ort des Eintrittsspaltes in Richtung auf die Probe ausgesandte Strahlung kehrt bei optimaler Justierung der Probenanordnung genau an diesen Ort zurück.
• 4. Analog erfolgt die Justierung des Beleuchtungs-Strahls durch die Beobachtung der von der Probenanordnung reflek­ tierten Strahlung. Hin- und Rückweg müssen bei optimaler Justierung identisch sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine kugelförmige Probenküvette;

Fig. 2 eine Probenanordnung für Flüssigkeiten;

Fig. 3 eine Durchflußküvette mit zylindrischer Probe;

Fig. 4 eine Durchflußküvette mit kugelförmiger Probenan­ ordnung;

Fig. 5 eine Probenanordnung mit einer in einem Röhrchen eingeschmolzenen Probe;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Probenanordnung;

Fig. 7 eine weitere Probenanordnung für verschlossene Probenbehälter;

Fig. 8 und 9 Probenbehälter für inhomogene Proben;

Fig. 10 eine Probenanordnung, insbesondere für Matrixunter­ suchungen.

In Fig. 1 ist die kugelförmige Probenküvette 1 im Schnitt gezeigt. Sie enthält im Zentrum die Probe 2. Die Strah­ lung, die von der Probe in den Raumwinkelbereich 3 ausge­ sandt wird, wird vom Spektrometer erfaßt. Zur Anregung von Lumineszenz kann die Probe im Winkel von 0, 90, 180 Grad (4, 5, 6) oder beliebigen anderen Winkeln zur Beobach­ tungsrichtung beleuchtet werden.

Von dieser Grundkonzeption abgeleitete Varianten werden in den folgenden Anwendungsbeispielen beschrieben.

Eine Probenküvette für die RAMAN-Spektrometrie von Flüs­ sigkeiten ist in Fig. 2 gezeigt. Eine Vollkugel 1 aus transpa­ rentem Material, z. B. Saphir, enthält im Zentrum einen Probenaufnahmeraum 2. Eine Sammellinse 7 fokussiert den Be­ leuchtungs-Strahl im Zentrum der Kugel. Diese Strahlung trifft dann auf den, einen sphährischen Spiegel bildenden verspiegelten Oberflächenbereich 8 der Kugel, der die LASER- Strahlung in das Zentrum zurückwirft. Die von der Probe in den Raumwinkelbereich 3 ausgesandte RAMAN-Strahlung wird von einer Eingangsoptik dem Spektrometer zugeleitet. Die in entge­ gengesetzter Richtung von der Probe ausgesandte RAMAN- Strahlung wird vom sphärischen Spiegel 9 in die Probe zurückgeworfen und gelangt somit zusätzlich in das Spek­ trometer. Die Spiegel 8 und 9 bewirken eine Erhöhung des vom Spektrometer erfaßten Strahlungsflusses der RAMAN- Strahlung nahezu um den Faktor 4. Der Wirkungsgrad dieser Anordnung wird zusätzlich erhöht, wenn man die Oberfläche der Kugel in den Bereichen 10 reflexmindernd vergütet.

Varianten der Anordnung nach Fig. 2 sind in den Fig. 3 bis 7 gezeigt, als Schnitt A-B in den Fig. 3 bis 7. Gleiche Gegenstände sind dabei mit denselben Bezugs­ zeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Durchflußküvetten mit zylindri­ scher bzw. kugelförmiger Anordnung der Probe. Sie lassen sich herstellen durch Bohren bzw. durch Ansprengen zweier vorbearbeiteter Kugelhälften. Sie eignen sich zur Detek­ tion von Proben mit Hilfe ihrer Lumineszenz (Chemolumines­ zenz, Fluoreszenz, Phosphoreszenz), TYNDALL-, RAYLEIGH-, MIE- oder RAMAN-Streuung, zur Prozeßkontrolle und bei automatischer Probennahme. Dabei kann sich die Probe bei unterschiedlichen Drücken oder Temperaturen befinden. Die gleichen Küvetten eignen sich auch zur optimalen Anpassung von Mikroproben in den Strahlengang lichtstarker Infrarot- oder UV/VIS-Spektrometer zur Messung der Absorption der Probe.

Fig. 5 zeigt die Probe in einem Kapillarröhrchen (Schmelz­ punktsrohr), das durch einen Tropfen Immersionsflüssigkeit 12 in optischen Kontakt mit der Kugel gebracht werden kann.

Fig. 6 zeigt eine mit einem Stopfen verschließbare Proben­ küvette.

Fig. 7 zeigt eine Variante von Fig. 5. Beide Varianten eignen sich zur zerstörungsfreien Untersuchung kostbarer, empfindlicher oder aggressiver Proben in verschlossenen Probenbehältern. Fig. 7 ist besonders geeignet zur Kon­ trolle von Produkten in geschlossenen Ampullen, zum Bei­ spiel in der pharmazeutischen Industrie sowie zur Unter­ suchung unbearbeiteter oder fertig bearbeiteter Edelstei­ ne. Die Erregerstrahlung kann dabei auf dem Wege 5 und 6 eingestrahlt werden. Die zu untersuchende Probe befindet sich in einer geeigneten Immersionsflüssigkeit 12. Die Anordnung gemäß Fig. 7 kann sich auch räumlich getrennt vom Spektro­ meter befinden, jedoch mit ihm optisch mit einem Lichtlei­ terkabel verbunden.

Zur Untersuchung der Lumineszenzspektren von Kristallpul­ vern oder anderen, insbesondere inhomogenen Proben eignen sich die Varianten nach Fig. 8 und 9. Die Probenanordnung besteht aus zwei transparenten Halbkugeln mit einer kalot­ tenförmigen Vertiefung im Zentrum, die durch einen innen reflektierenden Probenhalter getrennt sind. Die Halbkugel 15 ist, mit Ausnahme einer kleinen Öffnung für den Durch­ tritt des LASER-Strahl, auf der ganzen Oberfläche verspie­ gelt, Halbkugel 16 entsprechend, jedoch mit einer größeren Öffnung für die austretende Lumineszenzstrahlung. Diese Spiegel werfen die zunächst nicht genutzte Erreger- und Lumineszenzstrahlung in die Probe zurück. Dadurch wird der vom Spektrometer erfaßte Strahlungsfluß der Lumineszenz­ strahlung vervielfacht. Zur Anordnung nach Fig. 8 gehören Probenhalter verschiedener Dicke. Bei der Anordnung nach Fig. 9 wird die optimale Schichtdicke durch seitli­ ches Verschieben des Probenhalters eingestellt.

Fig. 10 zeigt eine Probenanordnung, bestehend aus einer Kugel, aus der ein Kegel herausgeschnitten ist, dessen Öffnungswinkel wenig größer ist, als der des vom Spektro­ meter erfaßten Strahlungskegels. Die gesamte Kugeloberflä­ che ist verspiegelt 19, mit einer kleinen Aussparung für den Durchtritt der LASER-Strahlung zur Anregung der Lumines­ zenz auf dem Wege 4 oder 5 in Fig. 1. In die Spitze des Kegels wird die Probesubstanz, rein oder zusammen mit einer matrixbildenden Substanz, aufgedampft. Die Proben­ anordnung kann dabei durch Kontakt mit einer Kühlvorrich­ tung bis in den Bereich des absoluten Nullpunktes abge­ kühlt werden (Matrixisolationstechnik).

Bei allen Varianten kann man die Lumineszenz mit linear oder circular polarisierter Strahlung anregen und den Polarisationszustand der Lumineszenzstrahlung analysieren. Dadurch erhält man z. B. Informationen über die Polarisa­ tionseigenschaften der Probe, die Orientierung ihrer Mole­ küle und ihre chiralen Eigenschaften.

Ramanspektren absorbierender Substanzen können bekanntlich ohne die Gefahr einer Zersetzung gewonnen werden, wenn man durch Rotation der Probe dafür sorgt, daß der Probenort jeweils nur kurzzeitig vom Fokus des LASER-Strahls getrof­ fen wird. Dies läßt sich auch durchführen, indem man Pro­ benanordnungen gemäß Fig. 5-7 um geeignete Achsen ro­ tieren läßt.

Claims (7)

1. Kugelförmige Probenaufnahmeanordnung für die Raman­ spektroskopie, aus durchsichtigem und schlierenfreiem Mate­ rial mit Probenzu- und abführung, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenaufnahmeanordnung eine Vollkugel (1) aus dem durchsichtigen und schlierenfreien Material mit einem im Kugelmittelpunkt angeordneten, ein im Verhältnis zum Volu­ men der Vollkugel (1) kleines Volumen aufweisenden Proben­ aufnahmeraum ist und daß mindestens eine Probenleitung durch die Vollkugel zum Probenaufnahmeraum (2) verläuft.

2. Probenaufnahmeanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kugeloberfläche reflexmindernd ver­ gütete (10) und verspiegelte Bereiche (8, 9, 15, 16, 19) auf­ weist.

3. Probenaufnahmeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vollkugel aus zwei Kugelhälften gebildet ist.

4. Probenaufnahmeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Probenaufnahmeraum eine mindestens bis zum Kugelmittelpunkt reichende zylindrische oder kegelförmige Aussparung aufweist.

5. Probenaufnahmeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenaufnahme­ anordnung (1), um eine durch ihren Mittelpunkt verlaufende Achse drehbar gelagert ist.

6. Probenaufnahmeanordnung nach Anspruch 3 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Probe zwischen den ebenen Halbkugeloberflächen, gegebenenfalls unter Einsatz einer bekannten Immersionsflüssigkeit (12) verschiebbar ange­ ordnet ist.

7. Probenaufnahmeanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige und schlierenfreie Material Saphir, Diamant, Glas, Quarz, ein Salz oder ein makromolekularer Stoff ist.