DE2363180A1

DE2363180A1 - Reaktionskinetisches messgeraet

Info

Publication number: DE2363180A1
Application number: DE19732363180
Authority: DE
Inventors: Herman Bruendl; Thomas M Dr Jovin; Carl-Roland Dipl Phys Rabl; Rudolf Dr Rigler; Wolfgang Simm
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Priority date: 1973-12-19
Filing date: 1973-12-19
Publication date: 1975-06-26
Also published as: US3972627A; DE2363180C2

Description

Max-Planck-GeseiLlschaft zur Förderung der Wissenschaften

16.12.73

Re.aktionskinetisches Meßgcrät.

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Untersuchung der Kinetik schneller chemischer Reaktionen in Lösung nach dem Temperatursprung-Relaxationsverfahren mit spektralphotometrischer Beobachtung des Reaktionsablaufs unter besonderer Berücksichtigung der fluor!metrischen Meßmethode.

Bei den gebräuchlichen Temperatursprung-Meßgeräten mit spektralphotometrischer Beobachtung befindet sich die Meßlösung in einer optischen Meßzelle mit einem Kammervolumen von wenigen cm im Absorptionsstrahlengang eines Spektralphotometers. Durch sprungförmige Änderung der Temperatur wird eine Verschiebung der Gleichgewichtsparameter ausgelöst. Charakteristische Änderungen des Absorptionsspektrums nach dem Temperatursprung ermöglichen es, die. Geschwindigkeit zu messen, mit der sich das chemische System auf die geänderten Gleichgewichtsbedingungen einstellt, und die Größe der Konzentrations änderungen der Reaktionspartner zu bestimmen. Der Temperatursprung wird üblicherweise mit Hilfe einer Hochspannungs-Kondensator ent ladung über das elektrolytisch leitfähige Probenvolumen erzeugt. Zu diesem Zweck enthält die Meßzelle senkrecht zum optischen Strahlengang zwei Elektroden aus Edelstahl oder Edelmetall. Die Entladungszeit und damit die Aufheizzeit liegt in der Größenordnung von einer Mikrosekunde, die Temperaturänderung beträgt einige Grad Kelvin. (Eigen und

509826/0826

Mitarb, in: Ztschr. f. Elektrochemie Bd. 62, S. 652 (1959),M.Eigon u. L. De Maeyer in: Techniques of Organic Chemistry, Hrsg. A. Weißberger, Bd. 8/II, S. 895,_Wiley, New York 1963). Bekannte Varianten benutzen zur Aufheizung eine Kabelentladung, womit sich bei verkleinertem Kammervolumen die Aufheizzeit verkürzen läßt, oder die Aufheizung mittels eines Mikrowellenoder Infrarotlaserimpulses.

Bei niedrigen Konzentrationen und dadurch bedingter geringer optischer Absorption der Meßlösung bereitet die Messung der zeitabhängigen Konzentrationsänderungen mittels Absorptionsmessung Schwierigkeiten. Andererseits können die Konzentrationen in Abhängigkeit von der Gleichgewichtskonstanten des zu untersuchenden chemischen Systems nicht willkürlich gewählt werden. Ist z.B. die Gleichgewichtskonstante einer Reaktion erster Ordnung sehr groß, dann läßt sich mit Hilfe des Temperatursprungs nur im Gebiet niedriger Konzentrationen eine nennenswerte Änderung des Gleichgewichtes erzielen. Dieser Fall liegt insbesondere bei vielen biochemischen Reaktionen vor, wenn es sich um Substanzen handelt, die in der Natur schon in äußerst geringen Konzentrationen wirksam sind. Bei biochemischen Untersuchungen spielen weiter die Kosten der Substanzgewinnung eine große Rolle, so daß man auch aus diesem Grunde interessiert ist, reaktionskinetische Untersuchungen mit geringen Substanzmengen und damit bei niedrigen Konzentrationen ausführen zu können..

SO 9826/0826

"~ 3 —

Weiterhin ist es wichtig, die Spezifität der spektralphotometrischen Messung der Konzentrationsänderungen zu verbessern, vor allem bei Untersuchungen im ultravioletten Spektralbereich.

Bei statischen Spektralphotometern kann eine verbesserte Meßempfindlichkeit bei niedrigen Konzentrationen und eine hohe Spezifität durch Messung des Fluoreszenzlichtes erzielt werden, das viele organische Moleküle bei Anregung mit kurzwelligem, insbesondere ultraviolettem Licht aussenden.

Die Anwendung der Fluoreszen&messung bei Temperatursprungmessungen stößt aber auf außergewöhnliche Schwierigkeiten: Die Signalanstiegszeit statischer Spektralphotometer liegt in der Größenordnung einer Sekunde. Bei Temperatursprungmessungen im Mikrosekundenbereich benötigt man zur rauscharmen Messung kleiner Differenzeffekte Lichtintensitäten, die um den Faktor 1o und mehr höher liegen müssen als bei statischen Spektralphotometern. Die. Möglichkeiten, im Inter-, esse eines guten Signal-Rausch-Verhältnisses die Primärlichtintensität mit Hilfe extrem lichtstarker Gasentladungslampen und lichtstarker Monochromatoren zu erhöhen, werden aber bereits bei statischen Fluorimetern weitgehend ausgeschöpft. Eine Steigerung der Primärlichtintensität ist auch wegen der photochemischen Lichtempfindlichkeit der Probensubstanz meist nur begrenzt möglich. Diese Schwierigkeiten haben dazu geführt,

509826/0826

daß reaktionskinetische Untersuchungen nach dem Temperatur- · sprungverfahren mit fluorimetrischer Messung bisher nur in wenigen Spezialfällen erfolgräch waren. Bei niedrigen Konzentrationen ging das Meßsignal im Rauschen unter.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem rektionskinetischen Meßgerät der oben erwähnten Art auch bei Verwendung kleiner Probenvolumina ein hohes Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal zu erreichen.

Die gemäß der Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe gefundenen Maßnahmen sind in den Ansprüchen unter Schutz gestellt und werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen eines reaktionskinetischen Meßgerätes gemäß der Erfindung erläutert. Nach der Erfindung wird bei einem Temperatursprung-Meßgerät, das für fluorimetrische und zweckmäßig auch für absorptionsspek-JSotometrische Messungen eingerichtet ist, die Meßempfindlichkeit insbesondere dadurch entscheidend verbessert, daß im Emissionsstrahlengang ein immersionsoptisches Linsensystem mit extrem hoher Lichtstärke verwendet wird, das den geometrisch-optischen Wirkungsgrad handelsüblicher statischer "Spektralphotometer um das Vielfache übertrifft. Dieses Linsensystem soll in geeigneter Kombination mit anderen, z.T. bekannten Maßnahmen verwendet werden. Die hohe optische Effizienz der Meßordnung macht es darüber hinaus möglich, wahlweise polarisationsoptische Elemente in den Strahlengang zu bringen, wobei zwar Lichtverluste unvermeidlich ,sind, durch Messung der Fluo--reszenz-Polarisation aber wertvolle zusätzliche Information gewonnen werden kann, vor allem bei BindungsStudien an makromolekularen Substanzen. -

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand der Abbildungen 1 bis 6 beschrieben. Es zeigen:

5 0 9826/0826

Abb.l: Schemazeichnung der optischen Anordnung des neuen Meßgerätes; .

Abb. 2a bis c: Vertikalschnitte und Ilorizontalschnitt einer in der Anordnung gemäß Abb.l verwendeten Meßzelle Z;

Abb. 2d und e: Horizontalschnitte von anderen Meßzellen;

Abb.3: Detailzeichnung des Ecnissionsstrahlenganges in der Anordnung gemäß Abb.l und Bildung eines extrem lichtstarken immersionsoptischen Systems aus je einem Zellenfenster mit Linsenschliff 5 und einer Linse L- (Lg) im Zellenhalter HZ·;

Abb.3a:Weiterentwicklung des in Abb.3 gezeigten Linsensystems mit Zwischenabbildung des Kammervolumens der Meßzelle Z;

Abb.4: Schaltschema der optoelektronischen Kontrolleinheit zur Verarbeitung der mit der Anordnung gemäß Abb.l erhaltenen lichtelektrischen Signale;

Abb.5: Schaltung der in Abb.4 benutzten Einrichtung zur automatischen Nullpunktkorrektur NA mit wahlweise verzögerter und unverzögerter Triggerung;

Abb.6: Schaltung der in Abb.4 benutzten Eingangsverstärker V_A und V_ß mit Korrektur des Aperturfehlsrs bei polarimetrischen Messungen;

B09826/0826

.Nicht dargestellt sind der an sich bekannte Hochspannungsentladungskreis zur Erzeugung des TemperaturSprunges und

die Stromversorgungsgeräte für die Lichtquelle, für den Entfür

ladungskreis und^die optoelektronische Ausrüstung des Meßgerätes.

Die optische Anordnung ist in Fig. 1 gezeigt. Als Licht- quelle Q werden vorzugsweise Hochdruckgasentladungslampen mit Quecksilber- und/oder Xenonfüllung bei einer Anschlußleistung von etwa 2oo.Watt und mehr verwendet. Für Messungen im sichtbaren Spektralbereich kann auch eine Quarz-Jod-Wolframlampe verwendet werden. Das Licht wird mit einer Kondensorlinse oder einem Kondensorlinsensystem L.. auf den Eintrittsspalt eines Monochromators M abgebildet, für den vorzugsweise ein Gittermonochromator verwendet wird, z.B. mit einem Öffnungsverhältnis von 1 : 3,5 und einer Dispersion von 3 nm/mm. Eine Feldlinse L2 sorgt für die einwandfreie Ausleuchtung des Gitters. Ein optischer Verschluß V reduziert die Strahlenbelastung des Monochromators in den Meßpausen.

Der Austrittsspalt des Monochromators wird mittels einer KoIlimatorlinse L₃ (z.B. f - I00 mm) und einer fokussierenden Linse L₅ (z.B. f = 75 oder I00 mm) mit einem Abbildungsverhältnis von 1 : 1 oder etwas weniger in der Probenkammer der Meßzelle Z abgebildet. Die Position einer dieser beiden Lin-

50 9 826/08 2 6

sen kann zum Ausgleich der Wellenlängenabhängigkeit des Brennpunktes axial justiert werden. Das die" Meßzelle durchsetzende Licht wird mit einer Sammellinse Lg auf die Kathode des Photodetektors D fokussiert, der für Absorptionsmessungen verwendet wird (z.B. eine Photodiode oder ein Photovervielfacher mit seitlichem Lichteintritt und Innenkathode auf Metallsubstrat, die hohe Kathodenströme zuläßt, z.B. der Typ RCA 1P28). Die Linse L₆ kann bei fluorimetrisehen Messungen, wenn gleichzeitige Absorptionsmessungen nicht benötigt werden, durch einen Konkavspiegel S ersetzt werden, wodurch sich die Lichtintensität in der Meßzelle verdoppeln läßt. Das von der Probe emittierte Fluor es zenizlicht wird beiderseitig des Anregungsstrahlenganges von einer Linsenkombination (L^ bzw. Lg mit je einem Fenster der Meßzelle Z) auf die Photokathoden der Fluoreszenz-Photovervielfacher . D 'und D„ gelenkt, wobei es spektral durch die Filter F_A und F_R gefiltert wird. Diese Photovervielfacher sollen eine möglichst homogene, von OrientierungseffeWen. freie Photokathode mit hoher Quantenausbeute im UV und im sichtbaren Gebiet besitzen, während die Kathodenbelastbarkeit geringer sein darf als im Falle des Detektors D_Q (z.B.EMI 9558Qmit Tri-Alkali-Fensterkathode vom Typ S2O -ÜV). Ein Teil des Primärlichtes

wird von einem Strahlenteiler T (z.B. eine dünne Quarzglasplatte) und einer Linse L₄ auf den Referenzphotodetektor Dp gelenkt, der gleiche Spezifikationen wie der Detektor D aufweisen soll. Die Fluoreszenz von Meßproben, die extrem stark absorbieren, kann auch in Auflichttechnik

509826/0826

.gemessen werden, wenn für den Strahlenteiler T ein dichroitischer Spiegel verwendet wird und der Fluoreszen -.-Photovervielfacher D_A einschließlich des Filters F. in die gestrichelt gezeichnete linke Position verbracht wird. Alle Linsen, die Platte des Strahlenteilers T und die Fenster der Meßzelle Z sind aus spannungs- und fluoreszen^armem Quarzglas hergestellt (z.B. das unter dem Handelsnamen Spectro^il B bekannte Material).

Für Messungen der Fluoreszenz-Polarisation wird ein Polarisationsprisma P auf der rechten oder der linken Seite der Linse L₅ in den Primärstrahl eingesetzt, z.B. ein Glan-Thompson oder ein Glan-Luft-Prisma aus Kalkspat. Als Analysatoren F' und F' im Emissionsstrahlengang dienen Vorzugsweise UV-durchlässige Polarisationsfolien (z.B. Käsemann Polarx Typ KS-W68 oder Polacoat Typ UV 1o5). Die Fassungen des Polarisators P und der Analysatoren Fi und F' sind drehbar angeordnet, wobei die Stellungen 0°, und 90° und 35,3° bzw. 54,7° als Raststellungen vorgesehen sind.

Alle optischen Elemente, die rechts vom Monochromator angeordnet sind, können in einem Probenhaus untergebracht werden, an das die Photodetektoren D_Q, D_A, D_ß und D^ angeflanscht werden.

509826/0826

Die Temperatursprungzelle Z ist in Abb. 2 dargestellt. Abb. 2a zeigt den Vertikalschnitt in der Achse des Anregungsstrahlenganges und Abb. 2b den Vertikalschnitt in der Achse des Emissionsstrahlenganges. Tn Abb. 2c ist der Horizontalschnitt dargestellt. Abb. 2d und e zeigen Weiterbildungen.

Die dargestellte Konstruktion erfüllt, außer der schon erwähnten maximalen Ausbeute des Fluoreszenslichtes, insbesondere folgende Forderungen: niedrige Eigenfluoreszens und

größtmögliche Spannungsfreiheit der optischen Elemente, ge-

. substanzsparende

ringes Zellenvolumen sowie einfachste, Handhabung bei Konzentrationsreihenuntersuchungen (Titrationen).

Der Zellenkörper besteht aus einem Mantel aus Edelstahl 1 und einem Kern 2 aus PTFE ("Teflon"), schwarzem Polyacetalharz ("Dynal") oder ähnlichem Kunststoff, der auf der Unter-

seite das Profil eines Hochspannungsisolators 7 aufweist. Alternativ kann der gesamte Zellenkörper aus einem Stück Polyacetalharz oder dgl. hergestellt werden. Die konischen Zellenfenster m Anregungsstrahlengang 3 und im Emissionsstrahlengang 5 haben auf der Innenseite einen Durchmesser von z.B. 6 mm und werden auf der Außenseite von Schraubringen 4 bzw. 6 gehalten. Der Konuswinkel, gegen die Achse . gedssen-, beträgt vorzugsweise 15° im Falle der Fenster 3 und 40° im Falle der Fenster 5. Um auch bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten größtmögliche Freiheit von mechanischen Spannungen und gleichzeitig eine einwandfreie Dichtung zu erzielen, werden die Fenster abweichend von der bisher üblichen Technik, den Konusmantel einzufetten und anzupressen, mit einer lösungs- .

■ 50 9 826/0 826

mittelbeständigen gummielastischen Kleb- oder Dichtmasse eingesetzt, vorzugsweise mit einer polymerisierenden Silikonkautschukmasse. Diese wird schwarz eingefärbt, wodurch Lichtreflexionen an den Konuswänden und Fluoreszens der Dichtmasse weitestgehend unterdrückt werden. Eine gleiche oder ähnliche Dichtmasse wird beim Einsetzen der unteren Zellenelektrode 8 verwendet, an der der Hochspannungsimpuls angelegt wird. Auf der Oberseite dieser Elektrode ist als eigentliches Elektrodenmaterial eine' Platte aus Edelmetall aufgelötet (fett gezeichnet). Die obere Elektrode 9, die geerdet wird, trägt auf ihrer Unterseite eine Kappe aus gleichem Edelmetall. Der Elektrodenschaft besitzt eine Sacklochbohrung zur Aufnahme eines Temperaturfühlers.

Die Meßzelle wird mit Hilfe eines Schraubklemmringes oder dgl. in dem Zellenhalter HZ (Abb. 1) aufgenommen, über den auch die Thermostatierung erfolgt. Elektrode 9 kann mit Hilfe eines Bajonettverschlusses 1o und 11 mit Feder 12 aus der Zelle herausgenommen werden. Da,durch ist es im Gegensatz zu älteren Zellenkonstruktionen möglich, die Zelle zu öffnen und bei Konzentrationsreihenuntersuchungen Substanz zuzugeben, ohne daß die Zelle selbst aus dem Halter heraus-

hnlhn genommen werden muß. Dies ist dank des^kugeligen Ausgleichs-

14-volumens/über Zellenkammer 13 vor allem bei fluorimetrischen Arbeiten vorteilhaft, wo man mit sehr geringen Substanzzugaben aus einer Mikroliterspritze auskommt. Bekannte Zellen-

50 9826/0826

konstruktionen, die besondere Füllbohru^en besitzen, gewährleisten den Vorteil der genauen Sub: i.anzzugabe und die · Möglichkeit der einwandfreien Durchmisch--ng der Probenlösung nicht entfernt.im gleichen Maße.

Die Zellenkammer 13 besitzt vorzugsweise quadratischen Querschnitt, z.B. 7x7 mm. Das Füllvolumen der dargestellten Ausführung beträgt dann etwa o,7 cm .

Die Verwendung von konischen Zellenfenstern mit sphärischem Linsenschliff bei Fluoreszena-Temperatursprungmeßgeräten ist

bekannt/ dabei können bei den Zellenfenstern zusätzliche Linsen vorgesehen sein, über deren Zweck, Dimensionierung und Anordnung j edoch keine Angaben gemacht werden (G. Czerlinski, Rev.Sci.Instr.J33, S. 1184 (1962)).

Im Gegensatz zu dieser bekannten Zellenkonstruktion, die vier identische Zellenfenster im Anregungs- und im Emissionsstrahlengang verwendet, ist die Meßzelle des neuen Meßgerätes in beiden Strahlengängen sehr unterschiedlich dimensioniert. Die freie öffnung der Fenster 3 im Anregungsstrahlengang, die in ähnlicher Form· von Temperatursprung-Meßzellen für ausschließliche Absorptionsmessungen bekannt sind, ist gerade so groß gewählt, daß das von einem Monochromator großer Apertur (z.B. 1 : 3,5) und der zugehörigen Beleuchtungsoptik L₃ und L₅ gelieferte Lichtbündel die Meßzelle ungehindert durchsetzen kann. Für die Fenster 5 im Emissionsstrahlengang wird deshalb bei gegebenen Anforderungen an die mechanische Stabilität der Meßzelle ein wesentlich größerer Konuswinkel verfügbar.

60 9826/0826

Die Besonderheit des neuen Meßgerätes ergibt sich aus der • Kombination der Zellenfenster mit Kugelschliff 5 und weiteren Linsen L₇ und Lg im Zellenhalter in unmittelbarer Nähe der Zellenfenster, die' als zusammengehöriges optisches System berechnet und in Abb.3 als Detailzeichnung dargestellt ist. Sie gewährleistet einen optimalen Strahlengang sowie die Vermeidung elektrischer Störungen , wie im folgenden noch näher erläutert wird.

Die Krümmungsradien des in Fig. 3 gezeigten Linsensystems betragen z.B. P-j = 16,2 mm beim Zellenfenster 5 und p₂ = 23,4 mm bei der Linse L-; die Abstände der Krümmungsmittelpunkte·vom Zellenmittelpunkt sind im gleichen Falle a = 8,8 mm und b = 18,0 mm. Bei einem . Brechnungsindex des verwendeten Quarzglases von η = 1,5 und einem Brechungsindex des Lösungsmittels von η = 1,33 (Wasser) liegt der Brennpunkt dieses immersionsoptischen Systems, das eine numerische Apertur von etwa 0,75 aufweist, kurz vor dem Zellenmittelpunkt. Strahlen, die vom

509826/0826

Zellenmittelpunkt ausgehen, durchsetzen deshalb die Filter F_A und F^ in leicht konvergenten/ fast parallelem Strahlengang, was z.B. für die Verwendung von Interferenz-Filtern wichtig ist. Da die Dimension des Linsensystems groß sind gegenüber den Dimensionen der- Zellenkammer, ist der fast parallele Strahlengang aber auch für Lichtstrahlen gewährleistet, die von anderen Volumenelementen innerhalb der Zellenkammer ausgehen. Die freie öffnung der Linse L- hat einen ungefähren Durchmesser von 40 mm und ist an den wirksamen Kathodendurchmesser des verwendeten 2"-Photovervielfacher s D_A optimal angepaßt. Diese Anpassung und der fast parallele Strahlengang ermöglichen es, einen größeren Abstand zwischen Meßzelle und Photovervielfacher einzuhalten, was die elektrische Abschirmung vereinfacht. Durch geeignete Wahl dieses Abstandes (z.B. ^ 15 cm) wird zugleich erreicht, daß Elektrolumineszenzeffekte , die während des Entladungsvorden Zellenelektroden auftreten können und die Fluoreszenzmessungen bei älteren Konstruktionen empfindlich stören, am Ort der Photokathode kaum mehr nachzuweisen sind.

Bei besonders hohen Anforderungen an die Streulichtfreiheit des Meßsystems kann es zweckmäßig sein, das in Abb. 3 gezeigte Linsensystem gemäß Abb. 3a durch Hinzufügen einer weiteren Linse LJ derart zu ergänzen, daß eine Abbildung des Zellenvolumens in dem Raum zwischen dem Linsensystem und der

SQ9826/0826

Photokathode zustandekommt. Die Brennweite der Linse Ll soll hierbei gleich oder größer sein als die Brennweite der Linse L , so daß eine vergrößerte Abbildung entsteht. Aus dieser Abbildung werden" mittels ein oder vorzugsweise zweier Blenden E- und E- die für die Messung interessierenden Volumenelemente herausgeblendet. Z.B. kann Streulicht unterdrückt worden, das von den Kanten dor Zellenfcnster 3 ausgeht, nci dor in Fig. 3a gezeigten Anordnung wird z.B. die Eintritts-, pupille des linken Zellenfensters 5' am Ort der Blende E^ abgebildet und die Eintrittspupille des rechten Zellenfensters 5 am Ort der Blende E-. Da der Abbildungsmaßstab in beiden Fällen verschieden ist, werden Blenden unterschiedlicher öffnung verwendet. Die Blende E₂ kann dabei entfallen, wenn der Durchmesser der benötigten Blende dem' Durchmesser der Photokathode selbst entspricht. Es kann weiterhin zweckmässig sein, bei einem solchen 3-fachen Linsensystem die Flächen der Linsen L- und Li optisch zu vergüten, z.B. für den bei biochemischen Untersuchungen bevorzugten Fluoreszenzspektralbereich von 320 bis 500 nm. - Dem in Fig.3.a nicht dargestellten Photovervielfacher D ist sinngemäss eine Linse L| mit den entsprechenden Blenden zuzuordnen.

Zur Optimalisierung des spektralen Wirkungsgrades sollen bevorzugt Kantenabsorptionsfilter als Emissionsfilter F und F verwendet werden, die das. kurzwellige Anregungslicht sperren und das langwelligere Emissionslicht durchlassen,Diese Maßnahme ist bekannt, um die integrale Lichtintensität der Emissionsbanden zu erfassen.. Bei dem vorliegenden Meßaerät

509826/0 826"

werden für Intensitätsmessungen normalerweise beide Photovervielfacher D und D_ß parallelgeschaltet und mit gleichen Filtern F_A und F_ß betrieben, wobei das Signal-Rausch-Verhältnis um den Faktor ψλ verbessert wird (Benutzung des Summenmesskanales Y in Abb.4). Es ergibt sich für den Benutzer

aber auch die Möglichkeit, in beiden Messkanälen verschiedene Kantenfilter F und F zu verwenden und durch Differenzbildung beider Messignale die Durchlasscharakteristik nicht erhältlicher breitbandiger Interferenz-Bandfilter zu simulieren,;um die Emissionsbanden verschiedener Reaktionspartner voneinander zu trennen. (Benutzung des normalerweise nur bei Polarisationsmessungen benötigten Differenzkanales X in Abb.4.)

'Weiterentwicklung der Meßzelle: Es hat sich gezeigt, daß die Streulichteigenschaften der Meßzelle selbst in hohem Maße abhängig sind von der Abbildungsqualität des primären Strahlenganges in der Meßzelle und insbesondere von der Form der Fenster im primären Strahlengang. An der Rückseite des Fensters auf der Lichtaustrittsseite (rechts) tritt eine Reflexion von etwa 4 % auf, die bei Fenstern mit Linsenschliff bei ungünstigem Krümmungsradius erhebliches Streulicht in die Fenster im Emissionsstrahlengang eintreten läßt. Beiderseits plangeschliffene Fenster 3 wie in Abb.2a bis c sind in dieser Hinsicht weniger kritisch, noch bessere Streulichtverhältnisse ergeben sich jedoch bei Fenstern mit Linsenschliff, dessen Krümmungsradius ungefähr dem Abstand des Scheitels vom Zellenmittelpunkt entspricht oder geringfügig größer ist.Durch eine solche, bezüglich des Zellenmittelpunktes im wesentlichen zentrierte, sphärische Linsenfläche wird

509826/0826

das Licht rait abbildender Qualität in die Zellenkammer zurückreflckticrt/ wo es zum primären Nutzlicht beiträgt. Diese Ausführung ist als Querschnittszeichnung in Abb.2d dargestellt. Der optimale Krümmungsradius ist der, bei dem die Außenfläche eines jeden Fensters 3 die innere öffnung des gegenüberliegenden Fensters in sich abbildet. Die Dicke der Fenster 3 sollie möglichst groß sein, also in der Praxis größer als in der Zeichnung Abb,2d dargestellt ist.

Die in Fig. 2e gezeigte Ausfuhrungsform der Heßzelle hat nur drei Fenster; das eine der in Abb.2d dargestellten

Fenster 5 im Emissionsstrahlengang ist durch einen sphärisch geschliffenen Quarzglaskonus 15 mit Außenverspiegelung ersetzt. Anstelle des Schraubringes 6 in Fig. 2d wird eine Abdeckkappe 16 verwendet. Diese Ausführung gewährleistet hohe Lichtausbeute bei Meßgeräten mit nur einem Photodetektor im Emissionsstrahlengang, bei denen auf die Möglichkeit reaktionskinetischer Untersuchungen mit Messung der Fluoreszenzpolarisation verzichtet wird. Der Krümmungsradius der Spiegelfläche des Quarzglaskonus 15 soll unter Berücksichtigung der Brechungsindexdifferenzen von Glas und Lösung vorzugsweise so bemessen sein, daß das Zentrum der Meßzelle in sich selbst abgebildet, wird.

Die anhand von Abb.2a bis 3a erläuterten Fenster- und Meßzellenkonstruktionen und Linsensysteme lassen sich mit Vorteil auch bei anderen reaktionskinetischen Meßgeräten, als sie hier beschrieben sind, verwenden, z.B. bei Geräten, die mit Strömungsverfahren und dgl. arbeiten.

S09826/08 2'6

Abb. 4 zeigt das Schaltschema einer zu der Einrichtung gemäß Abb. 1 passenden opto-elekironischen Kontrolleinheit, die weitgehend jln bekannter Operationsverstärker-Schaltungstechnik aufgebaut sein kann -(Summen- und Differenzbildung, kontinuierlich und stufenweise variable Verstärkungsfaktoren, elektronische Division). Die dargestellte Anordnung verfügt über zwei Eingänge A. und B. zum Anschluß zweier Photodetelctoren im primären und/oder sekundären Strahlengang, z.B. D, und D , und einen Eingang.C. zum Anschluß des Referenzdetektors D . Wegen der im Vergleich zu herkömmlichen Spektralphotometern ungewöhnlich hohen Lichtintensitäten im primären und im sekundären Strahlengang werden vorzugsweise Photovervielfacher mit einer Schaltungsanordnung zum Ändern des Verstärkungsgrades durch Umschalten der Anzahl der aktiven Dynoden verwendet, z.B. nach der DT-OS 2 353 573. Für die Photodetektoren D- .und Dp können auch Vakuum- oder Halbleiterphotodioden mit einem Strom-Spannungswandler und Empfindlichkeitsumschaltung durch Umschalten des Arbeitswiderstandes verwendet werden. Potentiometer.P^ und F_ß ermöglichen bei Messung sehr niedriger Lichtintensitäten die Einspeisung von Kompensationsspannungen, z.B. zur, Dunkelstromkompensation der Photodetektoren (wobei U_Q als Konstantspannung gewählt wird) oder zur Kompensation von Falschlichtanteilen (MonochromatorStreulicht^ Eigenfluoreszenz der Meßzelle Z, der Filter F_ und F_n usw., wobei U^ den Referenzsignal C proportional ist). Die Einspeisung der Kompensationsspannungen direkt an den Eingängen erlaubt es, die Verstärkung der bereinigten Signale A und B zu variieren, ohne daß die Potentiometer P„ und P neu abgeglichen werden müssen. Der Verstärker V_c besitzt zusätzlich einen stufenweise umschaitbaren (in Abb.4 getrennt dargestellten) RC-Tiefpaß TP¹ mit Zeitkonstanten im Mikrosekundenbereich" und mit einer nachfolgenden, nicht eingezeichneten Trennstufe, Dieser Tiefpaß ist dazu bestimmt, bei vergleichenden Messungen von Fluoreszenz und Absorption, bei denen stets mit geringer Pro-

50 9 8 26/0826

-IS-

benabsorption gerechnet werden muß, das Rauschen im Referenzkanal klein gegen das Rauschen im Absorptionsmeßkanal zu halten und einen optimalen Kompromiß zwischen bester Kompensation von LichtSchwankungen und geringsten optischen Rauschen, zu finden.

Um die Stufensprünge beim Umschalten der Empfindlichkeit der in Abb.4 angeschlossenen Photodetektoren D,, D_ß und D-, zu überbrücken und normerte Signale A, B und C zur Verfügung zu stellen, sind Eingangsverstärker V,, V und V_ mit kontinuierlich variablem Verstärkungsfaktor vorgesehen, z.B. mit Verstärkung *1 bis x5.

Zur Summen- und Differenzbildung der normierten Signale A und B untereinander und zur wahlweisen Differenzbildung dieser Signale mit dem normierten Referenzsignal C sind zwei Hauptverstärker V und V„ vorgesehen. Mittels Wählschalter ^SX1' ^SY1 können die Funktionen A, B, A+B und A-B bzv/. A, B (A+B)/2 und (A+2B)/2 gebildet und mittels kalibrierter Potentiometer Ρ_χ bzw. P„ einer Kompensation mit dem Referenzsignal C unterworfen werden, im Falle des Verstärkers V auch einer Kompensation mit dem Signal Y am Ausgang des Verstärkers Vy. Die Wahl der für die Kompensation verwendeten Spannung C, Y oder null, bzw. C oder null erfolgt durch Schalter S_x2 bzw. S_y2- Ein schneller Dividierer DIV (z.B. Intro'nics Type M 502) kann die Division X/Y und zusätzlich (nicht eingezeichnet) die Divisionen X/C und Y/C ausführen. Ein SchWellwertdetektor T_y schaltet den Dividierer über Relaiskontakte ab, wenn eine Division mit zu kleinem Nenner erfolgen würde, z.B. beim Schließen des Photoverschlusses V in Abb.l

Die in Abb.4 gezeigten Schalterstellungen werden z.B. benutzt bei der Messung des Polarisationsgrades ρ des Fluoreszenziichtes, der definiert ist durch

509826/0 826

U) P = (I₁.

wobei in Abb.1 das Polarisationsprisma P im Anregungsstrahlengang vertikal orientiert ist (elektrischer Schwingungsvektor orthogonal zu der durch die beiden Meßstrahlengänge definierten Ebene), und I,, und Ij die zum Anregungslicht parallel bzw. orthogonal polarisierten Fluoreszenzlichtintensitäten bezeichnen. Steht also das Analysatorfliter F^ ebenfalls vertikal und das Analysatorfilter F' horizontal, dann wird nach vorausgegangenem Abgleich der Gesamtverstärkung der Meßkanäle A und B auf gleiche Empfindlichkeiten (F' und F' in zueinander parallelen Stellungen) der Polarisationsgrad ρ erhalten in der Form

(2) ρ = X/2Y=(A- B)/(A + B) ,

wenn das Kompensationspotentiometer Ρ_χ nicht benutzt wird (Schalter ε_χ2 auf Masse). Zur Messung kleiner Differenzeffekte bei reaktionskinetischen Untersuchungen-dient dagegen die kompensierte Form:

(A-B)-p (A+B)

(3) <5p = ρ - - ■■ °

O A + B '

wobei der kompensierte statische Polarisationsgrad ρ an der Skala des Potentiometers V abgelesen werden kann (Schalter S₀ auf Stellung "Y").-Bei gleichen. Polarisator- und Analy-.en.

satorstelluncp dient die Funktion Y = (A + 2B) /2 mit Kompensation durch C zur Messung von Änderungen der Fluoreszenzquantenausbeute, wobei Einflüsse von Änderungen des Polarisationsgrades vollständig unterdrückt sind. Andere Polarisator- und Analysatorstellungen unter den vorzugsweise rastbaren Winkeln 35,3° und 54,7° entsprechen einem Verhältnis von Vertikal- zu Horizontalintensitäten von 2:1 bzw. 1:2 und eignen sich in bekannter Weise dazu, die aufgrund theoretischer Ableitungen notwendigen .Gewichtsfaktoren beider Intensitäten auf optischem

509 8 26/0826

statt elektronischen Wege zu erzeugen. - Bei Berichtigung des weiter unten angegebenen Polarisationsiehlers bei großer Apertur wird im Emissionastrahlengang mit WinkelStellungen von 53° statt 54,7° gearbeitet.

Die beiden Verstärker ν_χ und V„ haben zusätzlich eine stufenweise umschaltbare Verstärkung von z.B. x1, x2, x5 und xlO. Die Anwendung von Verstärkungsfaktoren, die wesentlich größer

als eins sind,steht in ursächlichem Zusammenhang mit der in Gl. (3) zum Ausdruck gebrachten Differenzbildung von Dividend und Divisor vor Ausführung der eigentlichen Division: sie erlaubt es, den Pegel des zu dividierenden Signales soweit anzuheben, daß das Rauschen, die Nullpunktsdrift und die Nicht-.linearität des Dividierers selbst bei sehr empfindlichen Differenzmessungen vernachlassLgbar klein gehalten werden.

Die durch die beschriebene Schaltung ermittelte Ausgangsgröße wird über einen Wahlschalter S₁₇ einem Ausgangsteil zugeführt, der eine anhand von Abb.5 beschriebene Schaltung NA zur automatischen Nullpunktskorrektur, die über einen Trigger T„ wahlweise unverzögert und verzögert betrieben werden kann, und einen umschaltbaren RC-Tiefpaß TP enthält, der in bekannter Weise zur optimalen Filterung und Rauschbefreiung der Meßsignale verwendet wird.

Das in Abb.4 gezeigte Schema kann erweitert werden durch einen vierten Eingangsverstärker, so daß alle in Abb.l gezeigten Photodetektoren gleichzeitig angeschlossen werden können, durch zwei v/eitere Hauptverstärker ähnlich den Verstärkern V_v und V_v, evtl. weitere Dividierer und insbesondere weitere Ausgangsschaltungen NA und TP, so daß eine simultane Erfassung aller spektralphotometrisch interessierenden Größen im Mehrkanalbetrieb möglich ist (z.B. Absorption, Fluoreszenzintensität und Fluoreszenzpolarisation, oder Absorption und Fluoreszenzintensitäten bei verschiedenen Emissionswellenlängcn). Bei

5 09826/0826

gleichzeitiger Messung von Fluoreszenzintensitäten und Absorption ist es zweckmäßig, das Fluoreszenzsignal durch den arithmetischen Mittelwert aus dem norrcierten Referenzsignal und dem normierten Signal des Absorptionsdetektors D zu dividieren. Der sogenannte innere-Filtereffekt aufgrund endlicher Absorption der Meßlösung wird hierdurch bei Relaxationsexperimenten weitgehend unterdrückt und die quantitative Auswertung des Fluoreszenzsignales erleichtert.

Die Schaltung gemäß Abb.4 enthält vorzugsweise weiterhin einen nicht eingezeichneten Meßsteil' en schalter, mit dem sämtliche durch einen Kreis bezeichneten Signalpositionen: A. ,B. , C. ; A, B, C; X, Y, X/Y mit einem Digitalvoltmeter kontrolliert werden können. Die -Erfassung der statischen Meßwerte, besonders A. , B.. und C-. , ist bei Konzentrationsreihenuntersuchungen, bei denen unmittelbar in der Meßzelle 7 titriert wird, unerläßlich für die Analyse der kinetischen Meßwerte..

Die z.T. sehr komplexen Meßvorgänge und die Vielfalt der erhaltenen Signale machen eine Steuerung des neuen Meßwertes durch,einen Prozessrechner mit nachfolgender digitaler Datenverarbeitung wünschenswert. Die in Abb.4 dargestellte Kontrolleinheit ist für eine Prozessrechnersteuerung besonders vorteilhaft geeignet. Für die Steuerung der Anordnung gem. Abb.4 durch einen Prozeßrechner sind folgende Ergänzungen bzw. Ab-, änderungen vorzunehmen: Vor jeder reaktionskinetischen Messung werden sämtliche Signale an den mit einem Kreis bezeichneten Stellen mittels Multiplex-Schalter (z.B. Mosfet-Kanalschalter) und eines mittelschnellen Analog-Digital-Wandlers überprüft. Zum Verstärkungsabgleich der Eingangsverstärker V-, V_ß und Vp werden Digital-Analog-Wandler im Gegenkopplungszweig dieser Verstärker verwendet, weitere Digital-Arialog-Wandlar anstelle der Potentiometer P„, P , Ρ_χ und P_y zum Abgleich der Kompensationsspannungen. Mittels digitaler Halteschaltungen

509826/0826

werden die eingestellten Verstärkungs- und Teilungsfaktoren festgehalten. Der Abgleich auf normierte Signale A, B und C ist für den Einsatz der Digital-Analog-Wandler besonders günstig und wichtiger als bei rein analoger Datenverarbeitung; sogenannte multiplizierende Digital-Analog-Wandler sind vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Halbleiter-Schalter mit Halteschaltungen werden ferner anstelle sämtlicher Wahlschalter sowie im Gegenkopplungsnetzwerk der Verstärker V und Vy zur Einstellung geeigneter Verstärkungsfaktoren verwendet. Die Zeitkonstante des Tiefpasses TP¹ im Referenzkanal wird über Halbleiter-Schalter gesteuert. Für alle diese Einstellungen genügen relativ langsame Steiervorgänge, die in wenigen Millisekunden ablaufen können. An den Ausgängen der Hauptverstärker V„ und V„ sollte jeweils eine eigene NuIlpunkts-Korrekturschaltung NA liegen. Diese, wird entbehrlich, wenn der für die kinetische Messung im Multiplex-Betrieb anzuschließende sehr schnelle Analog-Digital-Wandler eine hinreichende Amplitudenauflösung besitzt. Der Dividierer DIV und der Tiefpaß TP können entfallen; Division und Mittelwertbildung der Ausgangssignale werden zweckmäßig digital durchgeführt.

Die in Abb. 5 gezeigte Schaltung zur automatischen-Nullpunktskorrektur, in Abb.4 mit NA bezeichnet, kann als das duale Gegenstück -einer sogenannten "Sample and hold"-Schaltung aufgefaßt werden. Bekannte Schaltungen zur Nullpunktskorrektur sind erheblich aufwendiger und/oder für die Zwecke von Fluoreszenz-Relaxationsexperimenten weniger vielseitig einzusetzen. Die gezeigte Schaltung besteht aus einem leckstromarmen Haltekondensator C-, einem Folgeverstärker V^ mit sehr hochohmigem Eingang (Eingangsstrom z.B. 1 pA) , einem Widerstand R- in Reihe mit dem Kondensator C. und einem Widerstand R2 in Reihe mit einem Feldeffekttransistor FET, der als steuerbarer Schalter zwischen dem Verstärkereingang und Masse liegt (z.B. ein p-Ea-

■ 509826/0826

nal-Mosfet-Transistor mit Bahnwiderstand R^₁ <· 200 Ohm in leitendem Zustand). Der FET-Transistor wird beim Anlegen einer Torspannung U„ (die in üblicher Weise zum Zeitpunkt der die

Reaktion auslösenden Störung erzeugt wird)

über den Trigger T_n wahlweise unverzögert oder um die Zeit At verzögert geöffnet, wobei ein.Transistor T- über einen Kondensator C, von wenigen Picofarad an der oberen Bahnelektrode des FET einen Ladungsimpuls erzeugt, der den über die Steuerelektrode des FET einwirkenden kapazitiven Segaltimpuls kompensiert (z.B. mit R, .* R3/3) .

Bei leitendem Transistor FET stellt Abb.5 eine Differenzierschaltung mit der Zeitkonstanten

(4) τ_ = C₁ · (R- + R₉ + Rp)

SI I / ·£

dar. Die Elemente C-, gegebenenfalls auch R- und R₂, und die Triggerverzögerungszeit At , die z.B. im Intervall 10 ysec. 10 msec in Stufen von z.B. 1:/2 gewählt werden kann, sind durch einen nicht dargestellten Schalter auf verschiedene Werte Ciehe Tabelle I) umschaltbar. Es ergeben sich drei wesentlich verschiedene Betriebsarten, für die typische Werte in Tabelle I zusammengestellt sind:

509826/0826

	ν*	0	ms	0	Tabelle	0,1	^xs m?	I	2,	.P	^R1 'kß	R₂	2,	2
Funktion	I	0	,01..		1	5		0,	2	- o	o,	15
Drift-Filter	1		,1 . .			0,01	0,	03	0	0,	47
automatische -j		1	/I * ·	10	0,03	^ ¥	05	0
Nullpunkts- .^		0	; · ·	0,1		o,			o,	82
Verschiebung Γ	1) Drift-Filter:		,01..		0,2	2,	2	0	0
Kurzschließer				15		2	6,8
m. Drift-Filter			Die						des neuen
		sehr hohe		Meßempfindlichkeit

"Gerätes bringt es mit sich, daß selbst geringe thermische Ausgleichsvorgänge und photochemische Instabilitäten der Meßlösung einen exakten, zeitlich konstanten Nullpunktsabgleich der Schaltung mit Hilfe der Potentiometer P„ bzw. Py in der Praxis unmöglich machen. Bei leitendem FET-Schalter werden solche Drifteffekte mit einer Ausgleichszeitkonstanten τ_ der Größenordnung 1 ms unterdrückt. Beim Auslösen des Relaxationsexperimentes wird der FET-Schalter unverzögert gesperrt, womit, wegen des dann sehr hohen Kanal- oder Bahnwiderstandes eine Zeitkonstante τ_ > 10 sec wirksam wird. Änderungen des Meßsignales gelangen also praktisch unverfälscht an den Ausgang, insbesondere können auch kleinste Effekte, die nicht übermäßig langsam ablaufen, mit einwandfreien Basiswert registriert werden. Der Widerstand R₀ verhindert Störungen bei geringfügig verzögertem Sperren des FET-Schalters.

2) Automatische Nullpunkts verschiebung: Driften des Meßsignales vor dem Relaxationsexperiment wird ähnlich wie im Falle 1) unterdrückt. Die Ausgleichszeitkonstante τ_ ist hier jedoch kleiner oder höchstens gleich einer endlichen Triggerverzögerungszeit

50 9826/082 6

At gewählt. Hierdurch werden schnelle Signaländerungen, die während der Zeit At erfolgen,.weitgehend unterdrückt. Insbesondere können langsame kleine Relaxationseffekte nach größeren schnellen Effekten, die aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Quantenausbeute fluoreszierender Moleküle für Fluoreszenz-Temperatursprungmessungen typisch sind, mit voller Verstärkung des angeschlossenen Oszillograplf'Vegistriert werden. Die obere Grenze von τ ist durch At gegeben, die untere Grenze wird durch das dem Nutzsignal überlagerte Rauschen bestimmt, das bei zu kleinem τ_ zu willkürlichen Schwankungen des Ausgangssignales führt. Es hat sich daher als zweckmäßig erwiesen, die Zeitkonstante τ gekoppelt mit der Verzögerungszeit At umzuschalten. Während der Verzögerungszeit wird der Schreibstrahl des Oszillographen über einen Anschluß U_n des Triggers dunkelgesteuert; eine zwischengeschaltete Verstärkerstufe V . sorgt für eine ausreichende Steueramplitude*. Der endliche Wert des Widerstandes R₂ dient dazu, eine gut 'definierte Zeitkonstante T_r zu gewährleisten, und trägt gleichzeitig in Verbindung mit dem Kondensator C. dazu bei/ Schaltimpulse beim Sperren des FET-Schalters, die über den Kondensator C, nicht vollständig kompensiert werden, vom Eingang des Verstärkers V_n fernzuhalten. ."■_-"

3) Kurzschließer kombiniert mit Drift-Filter; Das Meßsignal wird für die Dauer der eingestellten Verzögerungszeit At mit R₁>>Rp und R₂ = 0 kurzgeschlossen. Auf diese Weise lassen sich bei Messungen höchster Empfindlichkeit restliche Störungen durch Elektrolumineszenzeffekte in der Meßzelle, die in gewissen Lösungen während der Hochspannungsentladung auftreten können, von der Registriereinrichtung fernhalten; insbesondere v/erden Ausgleichsvorgänge im Tiefpaß TP vermieden. Im Gegensatz zu der unter Punkt 2) beschriebenen Betriebsart findet wegen der sehr großen Ausgleichszeit τ >>At praktisch keine NullpunktsVerschiebung statt, und schnelle sprungförmige Signaländerungen können nach Ablauf der Verzögerungszeit mit unverfälschter Amplitude nachgewiesen werden. Der Oszillograph

509826/0826

wird während der Verzögerungszeit dunkelgesteuert.

Die sehr große Apertur der beschriebenen Meßzelle Z im Eraissionsstrahlengang erfordert bei genaueren Messungen der Fluoreszenz-Polarisation eine Korrektur, die in erster Ijinie die Messung der parallel zum Anregungslicht polarisierten Fluoreszenzkomponente In in Gl.(1) betrifft. Bei paralleler Stel-

bei einem effektiven Aperturwinkel von 34 das normierte Sig-

lung von Polarisator P und Analysatorfilter F' (Abb.l) wird bei einem effektiven Aperturwinkel von -'. nal 4 nämlich nicht gleich In , sondern

(5) A = 0,92 I|| + 0,08 I| '

während B x^eiterhin nahezu gleich Ij gesetzt werden kann. Ohne Berücksichtigung dieses "Aperturfehlers" mißt man also anstelle des wahren Polarisationsgrades ρ den scheinbaren Polarisationsgrad p¹ '

^p A + B 0,92 I + 1,08 I^ 1-0,08p

Es ist also eine besondere Umrechnung erforderlich. Diese Umrechnung wird entbehrlich, wenn man mittels besonders ausgelegter Differenz- und Summationsnetzwerke der beiden Hauptwerstarker V_v und V_v eine elektronische Korrektur des Signales Ά aus-

Λ X

führt. Noch zweckmäßiger ist es, bereits im Eingangsverstärker V_A ein korrigiertes Signal A_korr herzustellen. Eine Schaltung, die dies in besonders einfacher und spezifischer Weise ermöglicht, ist in Abb.6 dargestellt. Sie beruht darauf, daß idie Fehlerkomponente, die im Falle des oben genannten Apertmrwinkels den Wert 0,08 Ii hat, durch Differenzbildung mit einem .Teil des normierten Signales B eliminiert und die Verstärkung für das verbleibende Signal 0,92 ijj um den Faktor 1/0,92 angehoben wird. Dargestellt sind die beiden Eingangsverstärker V-. and V„

509826/08 2 6

(Abb.4) mit Gegenkopplung über regelbare Widerstände I*_A und R_ß zur Einstellung des Verstärkungsgrades und feste Widerstände R₄, R₅, R₅ und R₅ ¹, wobei 1/R₅ = 1/Rl + I/Rjj. Befindet sich der Schalter S_p in seiner normalen oberen Stellung, dann wird die Verstärkung des Verstärkers V_A

(7) V= (R₄ + R₅ + R_A4

Entsprechendes gilt für den Verstärker V_ß. Typische Werte für Verstärkungen ν = 1,5..7,5 sind z.B.: R₄ = 1,6 kOhm, R₅ = 820 Ohm, R, und R„ = O.. IO kOhm. Befindet sich der Schalter S_p dagegen in seiner unteren Stellung, dann wird das Ausgangssignal

⁽⁸⁾ A= A_1n · ν · R₅/R₅ - B · R₅VR₅.

Dieses Signal stell das korrigierte Signal Ä. dann dar, wenn sich die Leitwerte 1/R₅ und l/R" zueinander verhalten wie die Intensitäten der parallel und der orthogonal polarisierten Komponente im unkorrigierten Α-Signal (z.B. R₅ = 891 Ohm und R" = 10,3 kOhm), und wenn zuvor die Verstärkung beider Meßkanäle bei gleich orientierten Analysatorfiltern F' und F' auf gleiche normierte Werte A und B eingestellt wurde. Wird das Signal B abgeglichen, bevor A abgeglichen wird, dann ist es nicht erforderlich,den Schalter Sp zum Abgleich von A in seine obere, normale Stellung zu bringen. Die in Abb.6 gezeigte Schaltung hat deshalb den Vorzug besonders einfacher Bedienung, Zur Korrektur des Polarisationsfehlers bei Messung mit Zellen beliebiger Apertur < 34° kann der Widerstand Rj. an den Abgriff eines geeichten Potentiometers gelegt werden, das zwischen die Ausgänge der Verstärker V, und V_ß gelegt wird, wobei zweckmäßig ein TrennVerstärker für eine niedrige Quellimpedanz des Potentiometerabgriffes sorgt. In Abb.6 beim Verstärkers V_ gestrichelt eingezeichnete Elemente R_g, R^ und P_ß zeigen, wie eine Eingangskompensationsspannung ohne Beeinflussung durch die Einstellung des Verstärkungsgrades durchgeführt werden kann.

50 98 26/082 6

Us ist erforderlich, daß R,-/^ = Rt/Ri-· Am Abgriff des Potentiometers P-, kann ein Trenn verstärker eingefügt v/erden. Die Ver-

s tärkungs formel Gl. (7) wird mit dieser Schaltung etwas modifiziert, doch bleibt bei Anwendung dieser Kompensationsschaltung auf den Verstärker V_ die oben genannte Bedingung für das Verhältnis der Leitwerte 1-/Rc und 1/R" unverändert.

509826/0826

Claims

Patentansprüche

1.\ Reaktionskinetisches Messgerät, zur optischen Untersuchung schnell verlaufender, durch.eine äussere Störung ausgelöster chemischer Reaktionen, mit einem Anregungsstrahlengang, einem sich mit diesem kreuzenden Emissionsstrahlengang, einer Messzelle, die eine von den Strahlengängen durchsetzte Kammer fürjeine zu untersuchende Probenflüssigkeit , zwei im Anregungsstrahlengang angeordnete Fenster und mindestens ein im Emissionsstrahlengang angeordnetes, eine als Linsenfläche ausgebildete Aussenseite aufweisendes Fenster hat, deren Querschnitt * sich zur Kammer hin verjüngt, und mit mindestens einer weiteren Linse im Emissionsstrahlengang, dadurch gekenneeichnet,

dass das Zellenfenster (5) im Emissionsstrahlengang einen wesentlich grösseren öffnungswinkel und für durch den Kammermittelpunkt gehende Stsählen eine grössere Brechkraft aufweist als die Fenster (3) im. Anregungs strahlengang.

2. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenneaichnet dass das Zellenfenster (5) im Emissionsstrahlengang und die in einem Zellenhalter (HZ) angeordnete weitere Linse (L₇) ein immersionsoptisches System bildet, dessen Brennpunkt vor dem Kammermittelpunkt liegt.

3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Eintrittsfläche des immersionsoptischen Systems wenigstens annährend gleich der zum Anregungsstrahlengang parallelen Abmessang der Kammer (13) ist.

4. Messgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Apertur des immersionsoptischen Systems mindestens o,7

■ beträgt.

5. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass die Messzelle (Z) vier Fenster (3, 5) hat und dass der Emissiansstr-ahlengang zu beiden Seiten der Messzelle im wesentlichen symmetrisch ist.

5098 28/0826

Patentansprüche 6 f.

6. Messgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungsstrahleng'ang und die beiden im wesentlichen symmetrischen Teile des Emissionsstrahlenganges jeweils ein polarisationsoptisches Element (P, F', F') enthalten, von denen mindestens eines um 90 drehbar um die Strahlengangachse gelagert ist.

7. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem Fenster (5) im Emissionsstrahlengang ein Glaskörper (15) angeordnet ist, der eine sphärische ' und verspiegelte Aussenflache hat, deren Krümmungsmittelpunkt wenigstens annähe.rnd mit dem Kammermittelpunkt zusammenfällt.

8. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Anregungsstrahlengang angeordneten Fenster (3) eine sphärische Aussenflache haben, deren Krümmungsmittelpunkt wenigstens annähernd mit dem Kammermittelpunkt zusammenfällt. *

9.Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die im Anregungsstrahlengang angeordneten Fenster (3) eine sphärische Aussenflache haben, deren Krümmung ~ derart bemessen ist", dass die innere Öffnung des gegenüberliegenden Fensters auf sich selbst abgebildet wird.

10. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ dadurch gekenneeichnet, dass die Fenster (3,5) konische Mantelflächen haben und unter Zwischenlage einer gummiel-astischen Dichtmasse in einem Zellenkörper (2) gehaltert sind.

11. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass an den zur Ebene der Strahlengänge parallelen Seiten der Kammer jweils eine Elektrode (8, 9) angeordnet ist, von denen die eine durch eine leicht lösbare Verriegelungsvorrichtung (10, 11, 12) gehaltert ist.

509826/0826

Patentansprüche, 12 f.

12. Iⁱiessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anregungsstrahlengang auf der einer Lichtquelle (Q) entgegengesetzten Seite der Messzelle (Z) ein sphärischer Spiegel (S) angeordnet ist, der den Kammermittelpunkt oder den Innenrand des auf der Seite der Lichtquelle angeordneten Fensters (3) auf sich selbst abbildet.

13. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Zellenfenster (5) im Emissionsstrahlengang, die in einem Zellenhalter (ZII) angeordnete weitere Linse (LO und eine zusätzliche Linse (LI) ein iinmersionsoptisches System bilden, das zwischen den Linsen im wesentlichen telezentrisch ist und das Kammervolumen im Raum vor einem Photodetektor (D_A) abbildet und dass im Ablbildungsbereich mindestens eine Gesichtsfeldblende (E₁, E₂) angeordnet ist.

14. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei Messtrahlungsphotodetektoren (D₇., D , D) und einem Referenzlichtphotodetektor (D_,) , eine Schaltungsanordnung (V ", V„) zur Bildung der Summe und/oder Differenz der Ausgangssignale zweier- Messlihhtdetektoren und eine Schaltungsanordnung (P._r, P_v) zum Subtrahieren einer Grosse, die dem Ausgangssignal des Referenzlichtphotodetektors proportional ist, von dem Ausgangssignal der ersterwähnten Schaltungsanordnung (V_x, Vy) ,

15. Messgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass

das durch die letztgenannte Differenzbildung erzeugte Äusgangssignal einem Differenzierglied zugeführt ist, dessen Zeitkonstante durch ein Steuersignal (U~) steuerbar ist.

16. Messgerät nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (U_T) dem Differenzierglied über ein Verzögerungsglied (T ) zugeführt ist.

509826/0826

Patentansprüche 17, f.

17. Messgerät nach Anrspruch 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass die •Zeitkonstante des Differenziergliedes zwischen einem Wert der gross ist gegenüber der Verzögerungsdauer ist und einem Wert,

. deryin^giefⁿ§rossenSfänung der Verzögerungsdauer liegt, umschaltbar ist. ■■ . - - ■

18. Messgerät nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass

die beiden symmetrischen Teile des Emissionsstrahlenganges jeweils

ein polarisationsoptisches Element (F', F') und einen Photodetektor (D,, D) ■ enthalten, die Ausgangssignale liefern, die im wesentlichen senkrecht zueinander polarisierten Strahlungskomporienten entsprechen; dass die Ausgänge der Photodetektoren jeweils mit dem Eingang eines gegengekoppelten Verst>-ärkers (V , V_n) verbunden sind; dass die Ausgänge der Verstärker durch zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R*, R") verbunden sind, und dass der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände mit dem Gegerikopplungszweig desjenigen Verstärkers (V,) verbunden ist, der das Signal von dem Photodetektor (D ) erhält, der die zur Polarisation der Anregungsstrahlung parallel polarisierte Komponente der Emissionsstrahlung erfassen soll.

5 0 9 8 2 6/0826

Patentanspruch -19

19. Messgerät nach Anspruch 14 oder 14 und einem der Ansprüche 15 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden symmetrischen Teile des Emissionsstrahlenganges jeweils ein polarisationsoptisches Element (F', F') und einen Photödetektor (D,/ D) enthalten, die Ausgangssignale liefern, die im wesentlichen zueinander senkrecht polarisierten Strahlungskomponenten entsprechen? dass die Ausgänge dieser Photodetektoren mit zwei Eingängen einer Subtrahierschaltung (V ) über je einen Verstärker (V , V^) mit veränderbarem Verstärkungsgrad gekoppelt sind; dass die Ausgänge dieser Verstärker ausserdcm mit den Eingängen einer Summierschaltung verbunden sind; dass das Ausgangssignal der Summierschaltung über einen verstellbaren Abschwächer (P_v) einem dritten Eingang der Subtrahierschaltung zugeführt ist, um das abgeschwächte Summensignal von der Differenz der beiden Verstärkerausgangssignale (A, B) abzuziehen und dass die Ausgänge der Subtrahier- und der Sumirubrschaltung mit einem den Quotienten aus Differenz und Summe bildenden Dividierschaltung gekoppelt sind.

509826/0826