DE2537494C2

DE2537494C2 - Photometer

Info

Publication number: DE2537494C2
Application number: DE19752537494
Authority: DE
Inventors: John G. Redding Conn. Atwood; Charles F. West Redding Conn. DeMey III; Hamilton W. Ridgefield Conn. Marshall jun.
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1974-08-22
Filing date: 1975-08-22
Publication date: 1987-02-26
Also published as: JPS5847654B2; GB1514507A; DE2537494A1; JPS5155284A

Description

Die Erfindung betrifft ein Photometer mit einer einen Lichtstrahl vorbestimmter Wellenlänge erzeugenden Lichtquelle, mit einem Strahlenteiler zur Auftrennung des Lichtstrahls in einen ersten, durch eine in einer Zelle enthaltenen Probe verlaufenden Lichtstrahl und einen zweiten, als Referenzstrahl dienenden Lichtstrahl, mit getrennten Detektoren, auf die der erste und der zweite Lichtstrahl auftreffen, mit an die Detektoren angeschlossenen Verstärkern sowie mit einer Einrichtung zur Erzeugung des Logarithmus des Quotienten der beiden von den Verstärkern erhaltenen Signale und somit zur Erzeugung eines zu der Extinktion der Probe proportionalen Ausgangssignals.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Photometer, wie es zur automatischen Analyse eingesetzt werden kann. Mit einem solchen Gerät läßt sich das Absorptionsvermögen bzw. die Extinktion von Flüssigkeiten messen.
Mit solchen Photometern kann man sehr geringe Mengen eines Gemisches, das miteinander reagierende Bestandteile enthält, selbsttätig analysieren. Diese Gemische enthalten beispielsweise eine Serumprobe, der ein gemischtes Verdünnungsmittel und Reagenzien zugesetzt werden.
Bei einem solchen Photometer werden reaktionsfähige Serumproben in eine Strömungszelle eingeführt, durch die ein Lichtstrahl verläuft. Gleichzeitig wird ein anderer Teil des Lichtstrahls, der als Bezugsstrahl bzw. Vergleichsstrahl verwendet wird, in einem weiteren optischen Strahleneingang geführt. Damit die Lichtenergie des Strahls nach dem Durchgang durch das reagierende Gemisch zur Bestimmung der Extinktion des Gemischs ausgenutzt werden kann, muß eine Einrichtung vorgesehen werden, um die Helligkeit des Lichtes festzustellen und die gemessene Größe auf einen Spannungswert zu verstärken, der eine entsprechende Größe hat. Es sind bereits verschiedene Einrichtungen zur Erzeugung eines solchen Ausgangssignals entwickelt worden. Im allgemeinen enthalten diese Einrichtungen neben verschiedenen Verstärkerstufen einen Photodetektor. Um das richtige Ausgangssignal zu erhalten, muß die Verstärkung auch Verstärker mit logarithmischem Eingang oder Rückkopplung umfassen, damit ein Ausgangssignal entsteht, das proportional zur Extinktion ist. Obwohl viele solcher Systeme entwickelt worden sind, haben sie alle eine wenig befriedigende Genauigkeit und/oder ein schlechtes Verhältnis Signal/ Rauschen.
Bei den herkömmlichen empfindlichen und stabilen Photometern zur Messung geringer Änderungen des Absorptionsvermögens bzw. der Extinktion von Proben wurde diese Empfindlichkeit und Stabilität durch die Verwendung eines Doppelstrahls und eines optischen Modulationssystems erreicht, wobei ein Strahl mit spektralgefilterter Strahlung oder Teile des Strahls von der Quelle abwechselnd längs eines Strahlengangs durch die Probe gerichtet werden, während das Licht des Vergleichsstrahls nicht durch die Probe verläuft. Die sich in den beiden Strahlengängen fortpflanzenden Strahlen werden auf einem einzigen Detektor kombiniert, um ein Signal zu erzeugen, das sich periodisch mit der Zeit ändert. Dieser zwangsweise erforderliche Aufbau beruht im wesentlichen auf den begrenzten Möglichkeiten der bisher verwendeten Photodetektoren. Das periodische Signal wird dann demoduliert, um ein Signal zu erzeugen, das ein Maß für den Unterschied der Extinktion in dem Proben- bzw. Vergleichsstrahlengang ist. Die untere Meßgrenze für ein solches Photometer liegt bei 5 × 10^{- 4} Absorptions- bzw. Extinktionseinheiten; d. h. also, daß das Photometer als untere Grenze noch eine Änderung der Absorption von näherungsweise 5 × 10^{- 4} Extinktionseinheiten feststellen kann. Weiterhin mußten bei diesen Photometern relativ große Probemengen eingesetzt werden.
Aus der DE-OS 22 20 231 ist bereits ein Photometer der eingangs erwähnten Art bekanntgeworden. Bei der Entwicklung dieses Photometers hatte man sich die Aufgabe gestellt, eine kontinuierliche Kompensation von Helligkeitsschwankungen der Beleuchtungsquelle zu ermöglichen. Dies wurde bei dem genannten Photometer dadurch erreicht, daß ein Referenzstrahl ausgeblendet wird, aufgrund dessen die Helligkeitsschwankungen kompensiert werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein solches bekanntes Photometer noch weiter derart zu verbessern, daß eine höhere Genauigkeit, insbesondere bei der Messung der Extinktion von äussert kleinen Probenmengen, erreicht werden kann, indem das Verhältnis Signal/Rauschen verbessert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im Strahlengang vor dem Strahlenteiler eine Feldblende und eine Aperturblende vorgesehen sind, daß eine die Feldblende in der Nähe des Eingangs der Probenzelle und die Aperturblende in der Nähe des Ausgangs der Probenzelle in der Weise abbildende Linsenanordnung vorgesehen ist, daß der erste Lichtstrahl beim Durchgang durch die Probenzelle ihre Seitenwände nicht berührt, daß die Aperturblende jeweils vollständig auf dem empfindlichen Bereich der Detektoren abbildende erste und zweite optische Elemente vorgesehen sind, daß die Detektoren jeweils aus PIN-Detektoren bestehen, daß die Verstärker jeweils aus parametrischen Verstärkern bestehen, daß die Ausgangssignale der parametrischen Verstärker jeweils als Eingangssignale auf eine den Logarithmus berechnende Schaltung, die aus einem Operationsverstärker mit logarithmischer Rückkopplung besteht, gegeben wird, und daß eine Einrichtung zur Bildung der Differenz der Ausgangssignale der den Logarithmus berechnenden Schaltungen vorgesehen ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß ein Photometer mit dem hier vorgeschlagenen Aufbau äußerst stabil ist und eine sehr hohe Empfindlichkeit hat, wodurch äußerst geringe Mengen gemessen werden können. Die erhöhte Meßempfindlichkeit für äußerst geringe Änderungen der Extinktion einer flüssigen Probe läßt sich mit einer bestimmten, interessierenden Wellenlänge erhalten. Weiterhin wird auch die Meßempfindlichkeit für die Geschwindigkeit der Änderung der Extinktion einer flüssigen Probe während einer kurzen Zeitspanne erhöht, wie es bei kinetischen Messungen der Geschwindigkeit von Reaktionen erforderlich ist, die durch Enzyme katalysiert werden. Weiterhin wird der dynamische Bereich der Extinktion verbreitert, in dem eine kleine Änderung der Extinktion gemessen werden kann; dabei müssen nur kleine Volumina im Bereich von 100 Mikrolitern oder weniger verwendet werden. Außerdem ist bei dem Photometer nach der Erfindung keine Modulation erforderlich, wobei trotzdem eine Empfindlichkeit erreicht wird, die eine Größenordnung besser ist als die bei herkömmlichen Photometern. Mit diesem Gerät lassen sich nämlich Änderungen der Extinktion von flüssigen Proben bis herab zu 5 × 10^{- 5} Absorptions- bzw. Extinktions- Einheiten messen. Diese Vorteile werden durch ein sehr stabiles, optisches System mit einem unmodulierten Doppelstrahl sowie eine genaue elektronische Schaltung erreicht.
Dabei wird Licht von einer Quelle mit vorher ausgewählter Wellenlänge zu einem Strahl geformt, dessen Strahlenraum definiert wird. Der Strahl wird dann in zwei getrennte Strahlen aufgeteilt, von denen einer durch die Probenzelle auf einen ersten Detektor gerichtet wird, wobei der Strahl so durch die Zelle verläuft, daß er nicht die Wände der Zelle berührt; die beiden Strahlen werden so auf ihre jeweiligen Detektoren abgebildet, daß sie vollständig in ihren empfindlichen Bereichen liegen.
Die Detektoren an den Ausgängen des Photometers sind PIN-Diodendetektoren, deren Ausgangssignale als Eingangssignale auf parametrische Verstärker gegeben werden. Diese Kombination führt überraschend zu einer Signalgenauigkeit, die weit über der Genauigkeit liegt, die für die einzelnen Bauteile erwartet werden konnte. Die Ausgangssignale der parametrischen Verstärker werden auf Operationsverstärker mit logarithmischen Elementen in ihren Rückkopplungswegen gekoppelt, wobei der Logarithmus der jeweiligen Ausgangssignale gebildet wird. Die zwei so erzeugten Logarithmen werden substrahiert, so daß schließlich ein Ausgangssignal entsteht, das proportional zu der Extinktion bzw. dem Absorptionsvermögen in der Probenzelle ist. Die Genauigkeit läßt sich weiter steigern, indem wenigstens die logarithmischen Verstärker in einem thermostatischen Gehäuse eingeschlossen werden, dessen Temperatur in einem vorher bestimmten Schwankungsbereich um einen gewünschten Wert gehalten wird.
Die PIN-Diodendetektoren sind deshalb besonders gut geeignet, weil die Ansprechempfindlichkeit über ihre aktive Fläche relativ konstant ist. Weiterhin hängt ihre Ansprechempfindlichkeit nicht wesentlich von dem Verlauf der Beleuchtung ab, d. h. also, sie speichern die eingefallenen Lichtstrahlen nur in sehr geringem Maße; außerdem führt ihre Ansprechempfindlichkeit bei jeder gegebenen Temperatur zu reproduzierbaren Ergebnissen. Solche PIN-Diodendetektoren haben jedoch einen äußerst kleinen aktiven Bereich, so daß ein optisches System erforderlich ist, wie es hier beschrieben wurde; mit einem solchen System können die Lichtstrahlen sehr genau auf diese empfindlichen Bereiche ausgerichtet werden. Durch diese Kombination des optischen Teils und des elektronischen Teils des Photometers lassen sich also eine äußerst hohe Genauigkeit, eine bessere Empfindlichkeit und gute Reproduzierbarkeit erreichen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Darstellung des optisch-mechanischen Teils des Photometers;
Fig. 2 im Detail einen Querschnitt durch die Probenzelle nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt der Einrichtung, die zur Steuerung der Probentemperatur verwendet werden kann;
Fig. 4 ein Blockschaltbild der Detektor- und Verstärkerschaltung; und
Fig. 5 im einzelnen ein Blockschaltbild der Detektor- und Verstärkerschaltung nach Fig. 4.
Die Probenzelle ist zusammen mit den optischen Elementen des Photometers in Fig. 1 dargestellt, die schematisch den optisch-mechanischen Aufbau zeigt. Bei dem Photometer wird aufgrund der Verwendung bestimmter, besonders zweckmäßiger Teile eine verbesserte Empfindlichkeit und Stabilität erreicht. Am Beginn des Strahlengangs ist eine Lichtquelle vorgesehen, die Licht mit vorher bestimmten Wellenlängen emittiert. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform werden eine Hohlkathodenlampe 271 a, eine Mangan- Lichtquelle, und eine Hohlkathodenlampe 271 b, eine Kobaltlichtquelle, verwendet; die Mangan-Lichtquelle ist so ausgewählt, daß sie Licht bei ungefähr 404 nm abstrahlt, während die Kobaltlichtquelle Licht bei ungefähr 340 nm abstrahlt. Da es sich bei den emittierten Wellenlängen um die der Atome der Lichtquellen-Kathoden handelt, sind diese Wellenlängen äußerst stabil und reproduzierbar, was wesentlich zu der Stabilität des Photometers beiträgt. Vor den Lichtquellen 271 a und 271 b sind jeweils Linsen 272 a bzw. 272 b vorgesehen, so daß Lichtstrahlen entstehen. Ein 404 nm-Filter 273 ist vor der Linse 272 a angeordnet. Die beiden Strahlengänge schneiden sich an einem Punkt 275. An diesem Punkt ist ein um eine Achse 279 drehbarer Spiegel 277 angeordnet. Welche der Lichtquellen eingesetzt wird, hängt von dem durchzuführenden Versuch ab. In Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Auswahl wird der Spiegel durch ein Ausgangssignal von einem Parameter-Speicher oder einem Hilfseinstellpult in die mit durchgezogenen Linien gezeigte Lage für Licht bei 404 nm oder die mit gestrichelten Linien gezeigte Lage für Licht bei 340 nm gedreht. In Verbindung damit ist ein bewegliches Filter 281 so angeordnet, daß es nur einen Wellenbereich durchläßt, der die ausgewählte Wellenlänge enthält. Der Lichtstrahl mit der ausgewählten Wellenlänge pflanzt sich dann längs der optischen Achse in Richtung auf eine Zelle 71 fort. Als nächster wesentlicher Schritt wird der Strahlenraum, also die Ausdehnung, insbesondere Form und Querschnitt, des Strahls definiert. Dies ist wesentlich, damit ein Strahl mit bekanntem und gesteuertem Lichtdurchfluß erzeugt wird; dadurch ist es weiterhin möglich, den Strahl in einen Signalstrahlengang und einen Bezugsstrahlengang aufzuspalten, wobei jeder Strahlengang ebenfalls wieder einen bekannten und gesteuerten Lichtdurchfluß hat. Für die Definition des Strahlenraums und zur Erzeugung des Strahls ist es wesentlich, daß die Lichtquelle einen Bereich mit im wesentlichen gleichförmiger Helligkeit hat; weiterhin muß die Abbildung dieses Bereichs mit gleichförmiger Helligkeit so groß sein, daß sie eine größere Fläche als die erste Blende hat, auf die sie abgebildet wird; dann hat der gesamte Querschnitt des Strahls trotz kleiner mechanischer Bewegungen der Quelle die gleiche, gleichmäßige Helligkeit. Der Strahlenraum wird durch die Verwendung einer Feldblende S 1 und einer Aperturblende S 2 definiert, zwischen denen eine Linie 285 angeordnet ist. Bevor der Lichtstrahl auf die Blenden S 1 und S 2 fällt, passiert er einen Verschluß 284. Der Verschluß wird normalerweise geschlossen gehalten und nur während einer vorher bestimmten Zeitspanne geöffnet, während der die Messung durchgeführt wird; die Gründe hierfür sollen im folgenden beschrieben werden. Der Verschluß wird durch das Ausgangssignal eines geeigneten Zeitschaltwerkes gesteuert. Der Strahl mit so definiertem Strahlraum wird dann auf einen Strahlenteiler gerichtet, wobei zweckmäßigerweise ein beschichteter Strahlenteiler verwendet wird; durch wird eine gleichmäßige Bestrahlung in beiden Strahlengängen sichergestellt. Der Strahlenteiler 287 ist beschichtet, so daß er näherungsweise 90% des Strahls durchläßt und die übrigen 10% des Strahls reflektiert. Die beiden so gebildeten Strahlen haben also eine geringere Intensität als der ursprüngliche Strahl; beide haben jedoch über ihre jeweiligen Querschnitte eine sehr gleichmäßige Beleuchtungsstärke. Der durchgelassene Anteil des Strahls, d. h., der Anteil, der 90% der Energie enthält, tritt in die Zelle 71 ein, wobei er zunächst eine Linse 289 passiert. Die Linse 285 bildet die Feldblende S 1 auf eine Fläche in der Nähe des Eingangs der Zelle als Bild S&sub1;&min; ab, während die Linse 289 die Aperaturblende S 2 auf eine Fläche in der Nähe des Ausgangs der Zelle als Bild S&sub2;&min; abbildet. Diese Linsen sind nur als Beispiele erwähnt; selbstverständlich kann auch irgendeine andere, äquivalente Linsenanordnung verwendet werden, die die Blenden in dieser Weise abbildet. Durch diese Abbildung soll sichergestellt werden, daß der Strahlengang des Lichtes von den Seiten der Zelle weg gehalten wird; weiterhin sollen die Grenzen des Strahls genau definiert werden, so daß kleine mechanische Bewegungen der Teile geschehen können, ohne daß die Strahlen entweder auf die Wände der Zelle oder auf die Randbereiche von optischen Teilen treffen können. Dadurch wird der Durchfluß des Lichtes in dem Strahl in Bezug auf kleine mechanische oder optische Störungen stabil. Eine weitere Linse 291 ist an dem Ausgangsende der Zelle 71 vorgesehen. Diese Linse bildet das Bild S ₁&min; der Blende S 1 auf eine Kondensorlinsenanordnung 300 als Bild S ₁&min;&min; ab. Die als zwei Linsen dargestellte Kondensorlinse 300 bildet die Blende S 2 auf einen Detektor 295 ab. Es ist wesentlich, daß diese Linsen einen Einfallswinkel umfassen, der so groß wie möglich ist, damit sie soviel gestreutes Licht wie möglich sammeln können. Obwohl die Fortpflanzung des Strahls durch die Zelle 71 sehr genau definiert ist, kann die darin enthaltene Flüssigkeit den Strahl in gewissem Maße streuen; die mit dem Photometer nach der vorliegenden Erfindung erhaltenen verbesserten Ergebnisse beruhen wenigstens teilweise auf dieser Fähigkeit, nahezu das gesamte gestreute Licht zu sammeln. Weiterhin ist wesentlich, daß die Linsen 300 das Licht sehr genau innerhalb der Grenzen des aktiven Bereichs des Detektors 295 abbilden, so daß trotz kleiner mechanischer Bewegung der optischen Teile, die eine Bewegung des Strahls bewirken, nahezu die gesamte, von der Zelle abgegebene Lichtenergie gemessen wird. Das an dem Strahlenteiler 287 reflektierte Licht wird durch eine Linse 297 und ein Paar Kondensorlinsen 298 gerichtet. Die Linse 297 bildet die Feldblende S 1 auf die erste Linse und die Aperturblende S 2 auf die zweite Linse ab, wodurch die Bilder S&sub1;&min; und S&sub2;&min; Blenden S&sub1; und S ₂ entstehen. Die zweite Kondensorlinse bildet die Abbildung S&sub1;&min; von S 1 auf einem zweiten Detektor 299 als Bild S ₁&min;&min; ab. Dabei ist wieder wesentlich, daß der gesamte Strahl innerhalb des empfindlichen Bereichs des Detektors 299 abgebildet wird.
Wie sich aus dem folgenden im einzelnen ergibt, wird das Ausgangssignal des Detektors 299, eines Bezugsdetektors, dazu verwendet, aus dem Ausgangssignals des Detektors 295, des Signaldetektors, alle Änderungen des Ausgangssignals auszufiltern bzw. zu kompensieren, die sich aus Variationen der Lichtquellen 271 a und 271 b ergeben. Alle Änderungen, die vor der Teilung des Strahls 287 auftreten, können in dieser Weise gefiltert werden. Die Signale von den Detektoren werden jeweils in Verstärkern 296 und 294 verstärkt und dann auf eine im folgenden zu beschreibende Weise verarbeitet. Der Verschluß 284 wird nur während eines Meßzyklus geöffnet. Das heißt also, wenn Proben eingegeben oder entnommen werden, bleibt der Verschluß geschlossen. Dadurch werden Ungenauigkeiten aufgrund eines Ansprechzeiteffektes der Detektoren 295 und 299 vermieden. Das heißt also, daß die Detektoren gleichzeitig mit den entsprechenden Lichtpegeln beaufschlagt werden. Würde der Verschluß offen gelassen, so würde der Bezugsdetektor 299 immer durch Licht beaufschlagt, während der Detektor 295 unter Umständen nur verzögert auf eine Probe ansprechen würde, die in die Zelle eingegeben worden ist. Unter solchen Umständen könnten sich Fehler wegen des Unterschiedes im Bestrahlungsverlauf der beiden Detektoren ergeben.
Werden die oben angegebenen Maßnahmen sehr sorgfältig durchgeführt, so wird das Verhältnis der in den beiden Strahlen festgestellten Signale im wesentlichen nur durch eine Veränderung der Absorptionsfähigkeit bzw. Extinktion der Probe beeinflußt.
Trotz aller Vorsichtsmaßnahmen treten kleine mechanische und optische Störungen auf; einige dieser Störungen können bewirken, daß sich die Abbildungen bewegen oder auf den empfindlichen Bereichen der Detektoren ihre Größe ändern. Es ist deshalb vorteilhaft, wenn die Detektoren über ihre gesamte aktive Fläche eine gleichmäßige Ansprechempfindlichkeit für Licht haben.
Da weiterhin die Ansprechempfindlichkeit der Detektoren für Licht von ihrer Temperatur abhängt, ist wesentlich, daß die beiden Detektoren auf der gleichen Temperatur gehalten werden, und daß sich diese Temperatur während der Messung nicht ändert. In Fig. 2 ist eine detaillierte Darstellung der Zelle 71 gezeigt. Die Zelle selbst besteht aus Silber, wobei der Bereich, in dem sich die Probe während der Messung befindet, gemäß der Darstellung mit einer Aussparung versehen ist. Die Zelle hat im wesentlichen Zylinderform, wobei an den Rändern Ausschnitte 903 vorgesehen sind, mit denen die Zelle in einem Kunststoffblock aufliegt, wie im folgenden beschrieben werden soll. In der Zelle sind zwei Öffnungen 904 und 905 vorgesehen, durch die die Probe eingeführt bzw. entnommen werden kann. In jede der Öffnungen 904 und 905 ist ein Nippel 906 aus rostfreiem Stahl eingesetzt. Silber wird wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit als Material für die Zelle verwendet. Es ist wesentlich, daß die Probe während der Messung auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird. Es ist jedoch noch wichtiger, daß sich die Temperatur während der Messung nicht im geringsten ändert. Dabei reicht es aus, wenn die Temperatur der Probe in der Zelle sich bis auf 0,2°C der gewünschten Temperatur, 30°C, nähert. Die Temperatur während des Meßintervalls sollte sich jedoch nicht mehr als 0,01°C ändern.
Fig. 3 zeigt eine durch einen Thermostaten gesteuerte Anordnung 67, um die Probe auf eine gewünschte Temperatur zu bringen und sie auf dieser Temperatur zu halten. Dabei ist ein Grundblock 907 aus Aluminium vorgesehen, dessen Temperatur geregelt wird. Dieser Block enthält einen zylindrischen Durchgang 909, in den ein Rohr 911 aus rostfreiem Stahl eingesetzt ist. Das obere Ende des Rohrs 911 aus rostfreiem Stahl ist mit einer flexiblen Kunststoffleitung an einen Nippel 906 angeschlossen, der die Verbindung mit der Zelle 71 herstellt. Die Zelle selbst liegt auf einem V-förmigen Kunststoffblock 913 auf, der an der Oberseite des Blocks 907 angebracht ist. Ein ebenfalls aus Aluminium bestehender Deckel 915 enthält eine Aussparung 917 für den Block 913, die Zelle 71 und die Leitungen und wird über dem Block 907 angeordnet und mittels Bolzen in seiner Lage fixiert. In dem Block 907 ist ein Einschnitt 919vorgesehen, in den ein Thermistor 921 eingeführt wird. An der Seite des Blocks ist unter dem Thermistor eine Wärmepumpe 923 angebracht, die nach einer bevorzugten Ausführungsform ein Peltier-Element ist. Der Thermistor 921 ist an eine Steueranordnung 925 angeschlossen, die Ausgangssignale für den Betrieb bzw. die Steuerung der Wärmepumpe 923 liefert. Auf der anderen Seite der Wärmepumpe 923 ist ein weiterer Metallblock 927 mit einem Durchgang 929 vorgesehen, durch den Wasser fließt; dadurch kann die Wärme von der Wärmepumpe abgeleitet werden, wenn sie im Kühlbetrieb arbeitet. Diesen Aufbau umgibt eine Isolation 931, z. B. aus Kunststoffschaum. Die Wärmepumpe 923 steuert die Temperatur des Aluminiumblocks 907 auf den gewünschten Wert. Dies führt dazu, daß der Raum in der Aussparung 917 näherungsweise den gewünschten Wert hat, d. h., nahe genug bei diesem Wert liegt, um genaue Ergebnisse zu ermöglichen. Wie oben erwähnt wurde, darf jedoch die Probe ihre Temperatur während der Messung nicht ändern. Dies wird durch die Verwendung der Silberzelle und ihrer Isolierung durch den V-förmigen Kunststoffblock 913 sichergestellt. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Silbers bewirkt, daß sie sehr rasch die Gleichgewichtstemperatur mit der Probe erreicht. Die Wärmepumpe ändert die Temperatur des Aluminiumblocks proportional dazu in geringem Maße, d. h., wenn die Temperatur des Blocks etwas abfällt, erhöht die Wärmepumpe ihre Wärmeströmung, um die Temperatur zu erhöhen. Die Temperatur ändert sich nur in einem engen Bereich; diese kleine Änderung reicht jedoch aus, die Messung zu beeinflussen, wenn sie sich an der Zelle bemerkbar macht. Der Einbau des V-förmigen Kunststoffblocks 913, der ein guter Isolator ist, verhindert, daß diese kleinen Änderungen in dem Block 907 die Probe in der Zelle 91 erreichen und auf sie einwirken, d. h. also, er wirkt als Wärmefilter. Die Detektoren, die sich ebenfalls in der Aussparung befinden, werden auch auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten.
Ein Prinzipschaltbild der Anordnung aus Detektoren und Vorverstärkern für das Photometer ist in Fig. 4 dargestellt. Neben den Verstärkerstufen 294 und 296 werden die Detektoren 299 und 295 eingesetzt. Den Verstärkern werden jeweils Ausgangssignale von den Meßstellen zugeführt, die mit E ref bzw. E sig bezeichnet sind. Diese Ausgangssignale werden auch auf eine logarithmische Schaltung gegeben, wobei die einzelnen logarithmischen Schaltungen mit 301 und 303 bezeichnet sind. Die Schaltung 301 berechnet den Logarithmus des Bezugssignals und die Schaltung 303 den Logarithmus des Signals. Diese beiden logarithmischen Signale werden auch als Ausgangssignale zu Meßstellen geführt, die mit L ref bzw. L sig bezeichnet sind. Aus diesen beiden Werten wird das Absorptionsvermögen bzw. die Extinktion berechnet, indem in einem Analog-Subtraktionsglied 305 der Logarithmus des Bezugssignals von dem Logarithmus der Signalenergie abgezogen wird. Das Ausgangssignal tritt dann auf einer Leitung 306 auf.
Der Aufbau dieser Schaltungsanordnung ist im einzelnen in Fig. 5 dargestellt. Die Detektoren 295 und 299, an denen die Meßsignale entstehen, geben Eingangssignale zu den Verstärkern 294 bzw. 296. Die Detektoren sind Silizium PIN-Photodioden. Diese Detektoren haben einen empfindlichen Bereich mit gleichmäßiger Ansprechempfindlichkeit, hängen nicht besonders von dem vorherigen Verlauf der Bestrahlung ab und liefern bei einer bestimmten Temperatur reproduzierbare Ergebnisse. Jeder der Verstärker 294 und 296 weist einen parametrischen Verstärker 401 mit Gegenkopplung durch einen Rückkopplungswiderstand 403 auf. Der parametrische Verstärker 401 ist ein Festkörper-Elektrometer-Verstärker mit niedrigem Rauschpegel. Parallel zu dem Rückkopplungswiderstand ist ein Rückkopplungskondensator 405 vorgesehen. Typische Werte für die Widerstände 403 sind 1000 MOhm für den Verstärker 296 und 3000 MOhm für den Verstärker 294. Der Kondensator 405 kann eine Kapazität von 5 Picofarad haben. Jedem der Verstärker werden positive und negative Speisespannungen zugeführt, die im allgemeinen bei ± 15 V liegen. Zwischen den positiven und negativen Speisespannungen und Erde sind Entkopplungskondensatoren 407 vorgesehen. Diese Kondensatoren haben eine Kapazität von 6,8 Mikrofarad. Jedem Verstärker ist auch ein Abgleich- bzw. Abstimmpotentiometer 409 zugeordnet, dessen Schleifkontakt mit dem Eingang eines entsprechenden Verstärkers gekoppelt ist. Die Abgleich-Potentiometer liegen zwischen der positiven und negativen Speisespannung, wie sich aus Fig. 5 entnehmen läßt.
Die Ausgangssignale der Verstärker 296 und 294 werden über Widerstände 411 auf die entsprechenden Meßpunkte gegeben. Weiterhin werden sie auch über Widerstände 412 zu den logarithmischen Schaltungen 301 bzw. 303 geführt. Jede der logarithmischen Schaltungen enthält einen Operationsverstärker 413, dessen nicht-invertierter Eingang geerdet ist, während das Eingangssignal auf den invertierenden Eingang gegeben wird.
Die Eingangswiderstände zwischen den Verstärkern 294 und 296 und den logarithmischen Stufen, d. h., die Eingangswiderstände 412 können einen Widerstand von 100 kOhm haben. Durch entsprechende Rückkopplungsschaltungen wird eine logarithmische Funktion erhalten. Dabei wird das Ausgangssignal eines jeden Verstärkers zunächst durch einen Kondensator 415 zu seinem invertierenden Eingang zurückgekoppelt. Nach der Kopplung durch einen Widerstand 417 wird das Ausgangssignal ebenfalls durch einen Transistor 419, dessen Basis geerdet ist, und durch eine Diode 421 rückgekoppelt, die parallel zu dem Transistor geschaltet ist. Typische Bauteile sind Transistoren, von denen jede Hälfte eine 75 pico- Farad Kapazität hat. Die Widerstände 417 können einen Widerstandswert von 5 kOhm haben. Die an den Ausgängen der logarithmischen Schaltungen erzeugten Signale werden über Widerstände 423 zu Meßpunkten geführt. Die beiden Ausgangssignale werden ebenfalls durch ein abgestimmtes Paar von Widerständen 425 zu einem Summierverstärker 305 gegeben. Das Ausgangssignal von der logarithmischen Schaltung 303 wird zu dem nicht-invertierenden Eingang geführt, während das Bezugssignal von der logarithmischen Schaltung 301 zu dem invertierenden Eingang geführt wird.
In dem Rückkoppelungsweg des Verstärkers 305 ist ein Widerstand 427 vorgesehen, um eine entsprechende Teilung bzw. Bereichänderung zu ermöglichen. Schließlich werden noch entsprechende Kompensationsschaltungen mit einem Widerstand 429, einem Kondensator 431, einem Kondensator 432 und einem Widerstand 433 verwendet. Das Ausgangssignal des Subtrahiergliedes wird über einen Widerstand 435 abgenommen, so daß auf der Leitung 306 das oben erwähnte Ausgangssignal auftritt. Ein zweites Ausgangssignal, das bei Bedarf in einem Meßgerät verwendet werden kann, wird über einen zweiten Widerstand 435 abgenommen. Der Widerstand 427 kann einen Widerstandswert von 49,9 kOhm haben, während der Widerstand 435 einen Widerstandswert von 47 Ohm haben sollte.

Claims

1. Photometer
mit einer einen Lichtstrahl vorbestimmter Wellenlänge erzeugenden Lichtquelle,
mit einem Strahlenteiler zur Auftrennung des Lichtstrahls in einen ersten, durch eine in einer Zelle enthaltenen Probe verlaufenden Lichtstrahl und einen zweiten, als Referenzstrahl dienenden Lichtstrahl,
mit getrennten Detektoren, auf die der erste und der zweite Lichtstrahl auftreffen,
mit an die Detektoren angeschlossenen Verstärkern sowie mit einer Einrichtung zur Erzeugung des Logarithmus des Quotienten der beiden von den Verstärkern erhaltenen Signale und somit zur Erzeugung eines zu der Extinktion der Probe proportionalen Ausgangssignals,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Strahlengang vor dem Strahlenteiler (287) eine Feldblende (S ₁) und eine Aperturblende (S ₂) vorgesehen sind,
daß eine die Feldblende (S ₁) in der Nähe des Eingangs der Probenzelle (71) und die Aperturblende (S ₂) in der Nähe des Ausgangs der Probenzelle (71) in der Weise abbildende Linsenanordnung (285, 289) vorgesehen ist, daß der erste Lichtstrahl beim Durchgang durch die Probenzelle (71) ihre Seitenwände nicht berührt,
daß die Aperturblende (S ₂) jeweils vollständig auf den empfindlichen Bereich der Detektoren abbildende erste und zweite optische Elemente (298, 300) vorgesehen sind,
daß die Detektoren (295, 299) jeweils aus PIN-Detektoren bestehen,
daß die Verstärker (294, 296) jeweils aus parametrischen Verstärkern bestehen,
daß die Ausgangssignale der parametrischen Verstärker (294, 296) jeweils als Eingangssignale auf eine den Logarithmus berechnende Schaltung (301, 303), die aus einem Operationsverstärker mit logarithmischer Rückkopplung besteht, gegeben werden, und
daß eine Einrichtung (305) zur Bildung der Differenz der Ausgangssignale der den Logarithmus berechnenden Schaltungen (301, 303) vorgesehen ist.

2. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur der den Logarithmus berechnenden Schaltungen (301, 303) vorgesehen ist.

3. Photometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein abgeschlossener Raum vorgesehen ist, dessen Temperatur geregelt wird und der wenigstens die Verstärker umschließt.

4. Photometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (305) zur Bildung der Differenz einen Summierverstärker aufweist.

5. Photometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die PIN-Detektoren (295, 299) aus Siliciumphotodioden bestehen.