DE102018129807A1

DE102018129807A1 - Verfahren und System zur Klassifizierung chemischer und biologischer Stoffe

Info

Publication number: DE102018129807A1
Application number: DE102018129807.2A
Authority: DE
Inventors: Carsten Pargmann; Florian Gebert; Frank Duschek; Thomas Fischbach; Jürgen Handke
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Charakterisierung chemischer und/oder biologischer Stoffe.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klassifizierung chemischer und biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Klassifizierung chemischer und biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen.
Es ist bekannt, chemische Stoffe mittels zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie zu untersuchen und zu klassifizieren. Ist beispielsweise in der US 6,272,376 B1 , in der US 8,743,356 B1 , in der WO 2014/145786 A1 sowie in der US 2010/0067003 A1 beschrieben.
Zur Detektion von Gefahrstoffen können jedoch auch andere spektroskopische Verfahren wie zum Beispiel die Raman-Spektroskopie oder die laserinduzierte Plasmaspektroskopie eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise in der US 8,665,433 B2 offenbart.
Nachteile bekannter zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie-Verfahren ist insbesondere, dass eine Datenaufnahme sehr lange dauert. Für einen Messzyklus werden etwa 6 Minuten benötigt. Die Messzeit kann sich noch weiter verlängern, wenn bei unterschiedlichen Anregungswellen spektroskopiert wird. Zudem sind Aufbauten hierfür hochkomplex.
Bei Raman-spektroskopischen Verfahren ergeben sich aufgrund der dem Verfahren typischen geringen Signalintensität sehr lange Messzeiten.
Bei der laserinduzierten Plasmaspektroskopie werden zudem für die Erzeugung des Plasmas sehr hohe Laserintensitäten benötigt. Dies ermöglicht keinen augensicheren Betrieb und limitiert dadurch insbesondere eine Anwendung für die Gefahrstoffdetektion, beispielsweise bei Personenkontrollen an Flughäfen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Systeme zur Klassifizierung chemischer und biologischer Stoffe zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Klassifizierung chemischer und biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, bei welchem Verfahren eine mindestens einen chemischen Stoff enthaltende, umfassende oder tragende Probe mit mindestens einem Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einem Laserpuls, einer Anregungswellenlänge zur Fluoreszenz angeregt wird, bei welchem Verfahren eine Intensität von von der Probe aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung wellenlängenabhängig gemessen wird und bei welchem Verfahren ein Abfall der Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich zeitabhängig gemessen wird, bei welchem Verfahren mindestens ein Referenzspektrum in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen und/oder biologischen Stoffs und in Form mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs bereitgestellt wird, wobei die gemessene wellenlängenabhängige Intensität und die gemessene zeitabhängige Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum verglichen werden zum Bestimmen, ob die Probe den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es auf einfache Weise, chemische und biologische Stoffe zu detektieren und sicher zu klassifizieren, indem sowohl ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum der Probe aufgenommen als auch eine Zeitabhängigkeit der Fluoreszenzstrahlung der Probe gemessen werden. Fluoreszenzsignaturen sind spektral sehr breit, so dass beispielsweise können unterschiedliche Bakterien nur unter sehr eingeschränkten Bedingungen voneinander unterschieden werden. Durch die beiden unterschiedlichen Messmethoden können quasi zwei nicht redundante Signaturen der Probe genommen und mit entsprechenden Referenzspektren verglichen werden. Insbesondere können diese Messungen gleichzeitig oder praktisch gleichzeitig erfolgen, so dass eine Messzeit im Vergleich zu bekannten Verfahren deutlich reduziert werden kann. Insbesondere können so chemische Stoffe praktisch in Echtzeit klassifiziert werden. Es sind hierfür nur einige wenige Sekunden Messzeit erforderlich. Durch die wellenlängenabhängige Messung einerseits und die zeitabhängige Messung andererseits können Proben in kürzerer Zeit wesentlich zuverlässiger klassifiziert werden. Durch die Anwendung der Fluoreszenzspektroskopie mit Anregung im ultravioletten Spektralbereich können insbesondere augensichere Strahlungsquellen eingesetzt werden, wodurch es ermöglicht wird, das Verfahren zur Echtzeituntersuchung von Personen auf eine Kontamination mit Gefahrstoffen beispielsweise bei Sicherheitskontrollen einzusetzen.
Günstig ist es, wenn die wellenlängenabhängige Messung der Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung und die Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise hat insbesondere den Vorteil, dass die Messzeit insgesamt zur Detektion und Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe signifikant reduziert werden kann. Das wellenlängenabhängige Spektrum und das zeitabhängige Spektrum werden also nicht nacheinander aufgenommen, sondern gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig. Auf diese Weise kann zudem erreicht werden, dass die aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Puls emittierte Fluoreszenzstrahlung sowohl wellenlängenabhängig als auch zeitaufgelöst gemessen wird. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Signale auch tatsächlich von derselben Probe stammen. Beispielsweise kann ein Teil der Fluoreszenzstrahlung vor der wellenlängenabhängigen Messung mit einem Spektrometer über einen Strahlteiler ausgekoppelt werden, um das Zeitsignal, also den zeitlichen Verlauf des Abfalls der Fluoreszenzstrahlung, zu messen.
Vorteilhafterweise wird die Probe mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Fluoreszenz angeregt. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Anregungspulsen eingesetzt werden. Die Messungen können so beispielsweise mit einer hohen Wiederholrate durchgeführt werden, wodurch es ermöglicht wird, die Messsignale aufzuaddieren und zeitlich zu mitteln. Dies ermöglicht es insbesondere, ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Die mindestens zwei Anregungspulse magnetischer Strahlung können insbesondere dieselbe Wellenlänge aufweisen.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Probe mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Probe angeregt wird. Beispielsweise können zwei zeitlich voneinander beabstandete Anregungspulse mit unterschiedlicher Anregungswellenlänge die Probe zur Fluoreszenz anregen. Es werden dann zu jedem Anregungspuls sowohl ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum als auch ein zeitaufgelöster Verlauf des Fluoreszenzsignals gemessen. Auch diese Vorgehensweise kann mit einer hohen Wiederholrate durchgeführt werden, so dass für zwei unterschiedliche Anregungswellenlängen sowohl ein zeitlich gemitteltes wellenlängenabhängiges Spektrum als auch ein zeitaufgelöstes Spektrum bestimmt werden können. Auf diese Weise lassen sich Proben noch besser charakterisieren, da so insgesamt vier oder mehr charakteristische Spektren der Probe bestimmt werden können. Dieses Vorgehen lässt sich grundsätzlich auch mit drei, vier oder mehr Anregungspulsen, die jeweils eine unterschiedliche Anregungswellenlänge aufweisen, durchführen. Allerdings verlängert sich dann die Messzeit insgesamt entsprechend.
Um ein hinreichend starkes Fluoreszenzsignal zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn der der mindestens eine Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung einer Anregungswellenlänge mit mindestens einem Anregungslaser erzeugt wird. Insbesondere kann hier auch nur ein einziger Anregungslaser eingesetzt werden.
Vorzugsweise werden die mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle erzeugt. Dies vereinfacht einen Aufbau eines Systems zur Durchführung eines Verfahrens zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe signifikant.
Günstigerweise werden die mindestens zwei Anregungspulse unterschiedlicher Wellenlänge mit einer monochromatischen Strahlungsquelle im Zusammenwirken mit einer nichtlinearen Optik erzeugt. Es können auch monochromatische Strahlungsquellen, also insbesondere Laser, eingesetzt werden, die monochromatische elektromagnetische Strahlung mit zwei oder mehr definierten Wellenlängen emittieren.
Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens zwei Anregungspulse von der Strahlungsquelle gleichzeitig erzeugt und anschließend zeitlich separiert werden. Dies ermöglicht insbesondere einen einfachen Systemaufbau insofern, als eine zeitliche Korrelation der mindestens zwei Anregungspulse, insbesondere wenn diese eine unterschiedliche Wellenlänge aufweisen, nicht durch eine komplexe Ansteuerung, insbesondere Triggerung, des Lasers erfolgen muss. Vielmehr kann eine definierte zeitliche Separation beispielsweise durch eine Verzögerungseinrichtung in Form einer Verzögerungsstrecke erreicht werden.
Vorzugsweise werden die die mindestens zwei Anregungspulse zeitlich derart separiert werden, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe. So kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Spektren der Probe, die wellenlängenabhängig und zeitabhängig gemessen werden, jeweils nur einem der mindestens zwei Anregungspulse zugeordnet werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die zwei Anregungspulse unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
Günstigerweise wird mit den mindestens zwei Anregungspulsen derselbe räumliche Bereich der Probe angeregt. So kann insbesondere erreicht werden, dass stets dieselben an der Probe anhaftenden Stoffe detektiert werden. Insbesondere bei Anregung mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen kann so sichergestellt werden, dass die gemessenen Spektren demselben Stoff zugeordnet werden können.
Vorteilhaft ist es, wenn die aufgrund des mindestens einen Anregungspulses von der Probe emittierte Fluoreszenzstrahlung mit einen Spektrometer wellenlängenabhängig gemessen wird. Auf diese Weise kann insbesondere ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum auf einfache Weise ermittelt werden. Mit dem Spektrometer wird die Fluoreszenzstrahlung räumlich aufgespalten, beispielsweise mit einem dispersiven optischen Element wie einem Gitter oder einem Prisma. Durch diese wellenlängenabhängig räumliche Aufspaltung der Fluoreszenzstrahlung kann dann mit einem oder mehreren Detektoren die Intensität der Fluoreszenzstrahlung für unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche auf einfache Weise detektiert und in elektrische beziehungsweise elektronische Messsignale umgewandelt werden.
Eine Auswertung, insbesondere eine automatische Auswertung, der ermittelten Spektren lässt sich insbesondere dadurch vereinfachen, dass mit dem Spektrometer wellenlängenabhängig elektronische Messsignale erzeugt werden.
Günstig ist es, wenn ein Teil der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale ausgekoppelt und ein Intensitätsverlauf derselben zeitabhängig gemessen wird. Dies kann insbesondere mit einem Oszilloskop oder einer schnellen Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer erfolgen. Mit dieser Vorgehensweise wird also nicht ein Teil der Fluoreszenzstrahlung ausgekoppelt und deren zeitlicher Verlauf gemessen, sondern ein Teil der bereits erzeugten elektronischen Messsignale wird ausgekoppelt und deren zeitlicher Verlauf gemessen. Auf diese Weise wird kein Einfluss auf die Messung des wellenlängenabhängigen Fluoreszenzspektrums genommen. Zudem kann so insbesondere sichergestellt werden, dass die Messung sowohl des wellenlängenabhängigen Spektrums als auch des zeitabhängigen Spektrums gleichzeitig erfolgt. Des Weiteren lässt sich so ein Aufbau eines Systems zur Durchführung des Verfahrens zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe signifikant vereinfachen.
Vorteilhafterweise werden die wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum gemittelt. Auf diese Weise lassen sich sowohl wellenlängenabhängige als auch zeitabhängige Fluoreszenzspektren mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis messen. Dadurch lassen sich chemische Stoffe sicher und mit hoher Genauigkeit in kurzer Zeit klassifizieren.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein System zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, welches System mindestens eine elektromagnetische Strahlungsquelle, insbesondere in Form eines Lasers, zum Erzeugen mindestens eines Anregungspulses zum Anregen einer mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff enthaltenden, umfassenden oder tragenden Probe zur Fluoreszenz umfasst, welches System eine erste Spektroskopieeinrichtung zum wellenlängenabhängigen Messen einer Intensität von von der Probe aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung und eine zweite Spektroskopieeinrichtung zum zeitabhängigen Messen einer Intensität der von der emittierten Fluoreszenzstrahlung für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich umfasst, welches System eine Speichereinrichtung zum Speichern mindestens eines Referenzspektrums in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen Stoffs und mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs umfasst und welches System eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der gemessenen wellenlängenabhängigen Intensität und der gemessenen zeitabhängigen Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum umfasst zum Bestimmen, ob die Probe den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht.
Bei einem solchen System kann im Vergleich zu bekannten Systemen bei gleicher Genauigkeit beziehungsweise Treffsicherheit bei der Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe wesentlich schneller ermittelt werden, ob die Probe einer bestimmten chemischen und/oder biologischen Stoffklasse zugeordnet werden kann. Durch die zeitabhängige Fluoreszenzspektroskopie können zusätzliche Informationen zur Charakterisierung chemischer Stoffe ermittelt werden, die für diese charakteristisch sind. So kann beispielsweise eine bessere Unterscheidung erreicht werden zwischen unterschiedlichen Stoffen, die sehr ähnliche wellenlängenabhängige Fluoreszenzspektren aufweisen. Umgekehrt können sehr ähnliche Zeitabhängigkeiten der Fluoreszenz unterschiedlicher Stoffe deutlicher unterschieden werden, wenn zu diesen gleichzeitig wellenlängenabhängige Fluoreszenzspektren aufgenommen werden. Ferner ist es insbesondere möglich, mit einem derartigen System in Echtzeit Proben zu untersuchen, beispielsweise lokalisierte Aerosole oder Kontaminationen auf entfernten Oberflächen, zum Beispiel von Autos, zu charakterisieren.
Günstig ist es, wenn dass das System ausgebildet ist zum zeitgleichen oder im Wesentlichen zeitgleichen Durchführen der wellenlängenabhängigen Messung der Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung mit der ersten Spektroskopieeinrichtung und der Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung mit der zweiten Spektroskopieeinrichtung. Insbesondere kann die erste Spektroskopieeinrichtung die zweite Spektroskopieeinrichtung mindestens teilweise umfassen. Beispielsweise kann ein optischer Aufbau beiden Spektroskopieeinrichtungen gemeinsam sein oder von diesen gemeinsam genutzt werden. Die zeitgleiche oder im Wesentlichen zeitgleiche Durchführung der Messungen ermöglicht es insbesondere, sicherzustellen, dass die untersuchte Fluoreszenzstrahlung tatsächlich von denselben Stoffen der Probe stammt. Zudem wird so signifikant Zeit bei der Messung gewonnen, so dass diese in Echtzeit innerhalb weniger Sekunden ein zuverlässiges Ergebnis liefern kann, ob die Probe einen bestimmten chemischen Stoff umfasst, enthält oder trägt.
Günstig ist es, wenn das System ausgebildet ist zum Anregen der Probe zur Fluoreszenz mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander. Insbesondere kann das System ausgebildet sein zur Durchführung und wiederholter Anregung der Probe, so dass die Messsignale über die Gesamtmesszeit aufaddiert und gemittelt werden können, um ein Signal-Rausch-Verhältnis der Messung zu optimieren. Die mindestens zwei Anregungspulse können insbesondere identische oder unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
Vorteilhaft ist es, wenn das System ausgebildet ist zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander. So kann mit einem ersten Anregungspuls ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum und ein zeitabhängiges Fluoreszenzspektrum aufgenommen werden, wenn die Probe mit der ersten Anregungswellenlänge angeregt wird. In einem kurzen Zeitabstand danach wird die Probe mit einem zweiten Anregungspuls mit anderer Anregungswellenlänge angeregt und zu diesem Anregungspuls ebenfalls ein wellenlängenabhängiges Fluoreszenzspektrum und ein zeitabhängiges Fluoreszenzspektrum aufgenommen. Auf diese Weise können innerhalb des definierten kurzen Zeitabstands vier Messungen durchgeführt werden, die charakteristische Ergebnisse für die zu detektierenden und zu klassifizierenden chemischen und/oder biologischen Stoffe liefern. Diese Doppelmessungen können dann auch wiederum mehrfach hintereinander in identischer Weise durchgeführt werden mit einer hohen Wiederholrate, wobei vorzugsweise sichergestellt wird, dass sich die einzelnen Messungen nicht zeitlich überlappen. Durch eine mehrfache Durchführung der Messungen über einige wenige Sekunden können insbesondere die jeweiligen Spektren aufaddiert und gemittelt werden, um ein Signal-Rausch-Verhältnis der Untersuchungsergebnisse zu verbessern.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Strahlungsquelle in Form eines Anregungslasers ausgebildet. Mit einem Laser lassen sich ausreichend hohe Anregungsintensitäten erzeugen, im speziellen auch auf Distanzen von einigen bis zu einigen 100 Metern, um gut messbare Fluoreszenzsignale von der Probe zu erhalten. Insbesondere können auch zwei oder mehr unterschiedliche Strahlungsquellen und insbesondere Anregungslaser vom System umfasst sein, um Anregungspulse mit entsprechend unterschiedlichen Anregungswellenlängen zu erzeugen.
Vorteilhaft ist es, wenn das System ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle. Auf diese Weise lässt sich ein Gesamtaufbau des Systems deutlich vereinfachen. Vorzugsweise können mit der einzigen Strahlungsquelle Anregungspulse mit unterschiedlicher Wellenlänge generiert werden. Hierfür können insbesondere Laser einsetzt werden, welche zwei oder mehr Emissionslinien aufweisen.
Günstig ist es, wenn das System mindestens eine monochromatische Strahlungsquelle und eine mit dieser zusammenwirkende nichtlineare Optik umfasst zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen unterschiedlicher Wellenlänge. Wird beispielsweise als monochromatische Strahlungsquelle ein Laser eingesetzt, kann mit einer mit diesem zusammenwirkenden nichtlinearen Optik eine Emissionslinie des Lasers durch Frequenzvervielfachung zu einer anderen Wellenlänge hin verändert werden. So kann auf einfache Weise mit einer einzigen Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das System ausgebildet ist zum gleichzeitigen Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse und dass das System eine Verzögerungseinrichtung umfasst zum zeitlichen Separieren der gleichzeitig erzeugten mindestens zwei Anregungspulse. Eine derartige Verzögerungseinrichtung vereinfacht den Aufbau des Systems, da insbesondere keine aufwendige Triggerung der Anregungspulse erforderlich ist. Werden die beiden Anregungspulse gleichzeitig emittiert, können sie durch die Verzögerungseinrichtung, beispielsweise eine optische Verzögerungsstrecke, zeitlich separiert werden, indem einer der beiden Pulse direkt auf die Probe geschickt wird, der andere Puls zunächst die Verzögerungseinrichtung durchläuft. So lassen sich definierte zeitliche Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen hochpräzise vorgeben, nämlich insbesondere durch Einstellung einer Länge einer Verzögerungsstrecke der Verzögerungseinrichtung.
Günstig ist es, wenn die Verzögerungseinrichtung ausgebildet ist zum zeitlichen Separieren der mindestens zwei Anregungspulse derart, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Fluoreszenz der Probe infolge der Anregung mit einem ersten Puls vollständig abgeklungen ist, wenn die Probe mit einem zweiten, darauf folgenden Puls, erneut zur Fluoreszenz angeregt wird. So lassen sich zudem auch die Emissionen der Probe infolge der Anregungen mit den unterschiedlichen Pulsen vollständig voneinander trennen, so dass insbesondere bei Anregung mit unterschiedlicher Anregungswellenlänge definiert getrennte Spektren aufgenommen werden können.
Um sicherzustellen, dass die Fluoreszenzspektren, die infolge Anregungen mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen gemessen werden, auch von denselben Stoffen der Probe stammen, ist es günstig, wenn das System ausgebildet ist zum Anregen desselben räumlichen Bereichs der Probe mit den mindestens zwei Anregungspulsen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass ein optischer Aufbau so vorgesehen wird, dass optische Achsen für die aufeinanderfolgenden Anregungspulse zusammenfallen.
Günstig ist es, wenn die erste Spektroskopieeinrichtung eine wellenlängenabhängige Detektionseinrichtung umfasst. Insbesondere kann es sich dabei um ein Elektronenvervielfacher-Array handeln. Beispielsweise kann die erste Spektroskopieeinrichtung in Form eines optischen Spektrometers ausgebildet sein, welches ein dispersives Element, insbesondere ein optisches Gitter oder ein Prisma, umfasst, um die von der Probe emittierte Fluoreszenzstrahlung spektral zu zerlegen, also insbesondere räumlich aufzuspalten. So können mehrere räumlich nebeneinander angeordnete Detektoren Strahlungsintensitäten für eine Mehrzahl von Wellenlängenbereichen detektieren. Oder es kann hierfür ein Elektronenvervielfacher-Array eingesetzt werden, mit dem räumlich selektiv Strahlungsintensitäten in elektronische Signale umgewandelt werden können.
Um die Ergebnisse der Messungen schnell und vollautomatisch auswerten zu können, ist es günstig, wenn die Detektionseinrichtung ausgebildet ist zum wellenlängenabhängigen Erzeugen elektronischer Messsignale. Insbesondere können die Messsignale einzelnen Wellenlängen oder Wellenlängenbereich zugeordnet sein.
Vorteilhaft ist es, wenn das System eine Signalverarbeitungseinrichtung umfasst zum Auskoppeln eines Teils der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale und zum Messen eines zeitabhängigen Intensitätsverlaufs der ausgekoppelten Messsignale. Eine derartige Ausbildung des Systems ermöglicht es insbesondere, mit einem einzigen optischen Spektrometer auszukommen. Zudem ist keine Aufspaltung des optischen Fluoreszenzsignals erforderlich, wodurch die Messergebnisse verfälscht werden könnten. Es wird sozusagen ein zeitlicher Verlauf erst nach Wandlung des optischen Signals der auftreffenden optischen Strahlung in elektronische Signale gemessen. So wird zudem sichergestellt, dass sowohl das wellenlängenabhängige Spektrum als auch der zeitliche Intensitätsverlauf von derselben Fluoreszenzemission der Probe stammen. Beispielsweise kann ein Teil der Fluoreszenzstrahlung vor der wellenlängenabhängigen Messung mit einem Spektrometer über einen Strahlteiler ausgekoppelt werden, um das Zeitsignal, also den zeitlichen Verlauf des Abfalls der Fluoreszenzstrahlung, zu messen.
Auf einfache Weise lässt sich ein zeitlicher Verlauf der Intensität der ausgekoppelten Messsignale messen, wenn die Signalverarbeitungseinrichtung ein Oszilloskop und/oder eine schnelle Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer umfasst. Insbesondere kann es sich dabei um ein sehr schnelles Oszilloskop handeln mit einer Zeitauflösung von deutlich unter 0,1 ns.
Das System kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ferner derart ausgebildet sein, dass die Signalverarbeitungseinrichtung eine Integrationseinrichtung umfasst zum Mitteln der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum. Mit der Integrationseinrichtung können die einzelnen elektronischen Signale insbesondere aufaddiert und über den Messzeitraum gemittelt werden. Auf diese Weise lässt sich ein Signal-Rausch-Verhältnis der Messung zur Charakterisierung chemischer Stoffe verbessern.
Ferner wird die Verwendung eines der oben beschriebenen Systeme zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren vorgeschlagen.
Auf diese Weise können insbesondere chemische und biologische Stoffe, beispielsweise Gefahrstoffe, einfach und schnell klassifiziert werden. So kann das System, mit dem eines der oben beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, insbesondere eingesetzt werden zur Echtzeitüberprüfung von Passagieren an Sicherheitskontrollen. So lässt sich schnell feststellen, ob Personen und/oder deren Gepäck mit Gefahrstoffen, insbesondere Explosivstoffen, in Kontakt waren oder nicht.
Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Verfahren und Systemen zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe:

1. Verfahren zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, bei welchem Verfahren eine mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff enthaltende, umfassende oder tragende Probe (16) mit mindestens einem Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einem Laserpuls, einer Anregungswellenlänge zur Fluoreszenz angeregt wird, bei welchem Verfahren eine Intensität von von der Probe (16) aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung (24) wellenlängenabhängig gemessen wird und bei welchem Verfahren ein Abfall der Intensität der von der Probe (16) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich zeitabhängig gemessen wird, bei welchem Verfahren mindestens ein Referenzspektrum in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen und/oder biologischen Stoffs und in Form mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs bereitgestellt wird, wobei die gemessene wellenlängenabhängige Intensität und die gemessene zeitabhängige Intensität der von der Probe (16) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum verglichen werden zum Bestimmen, ob die Probe (16) den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht.
2. Verfahren nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenlängenabhängige Messung der Intensität der von der Probe (16) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) und die Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Satz 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (16) mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Fluoreszenz angeregt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (16) mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Fluoreszenz angeregt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung einer Anregungswellenlänge mit mindestens einem Anregungslaser (14) erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Sätze 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle (12) erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der Sätze 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse unterschiedlicher Wellenlänge mit einer monochromatischen Strahlungsquelle (12) im Zusammenwirken mit einer nichtlinearen Optik erzeugt werden.
8. Verfahren nach Satz 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse von der Strahlungsquelle (12) gleichzeitig erzeugt und anschließend zeitlich separiert werden.
9. Verfahren nach einem der Sätze 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse zeitlich separiert werden derart, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe (16).
10. Verfahren nach einem der Sätze 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit den mindestens zwei Anregungspulsen derselbe räumliche Bereich der Probe (16) angeregt wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgrund des mindestens einen Anregungspulses von der Probe (16) emittierte Fluoreszenzstrahlung (24) mit einem Spektrometer (34) wellenlängenabhängig gemessen wird.
12. Verfahren nach Satz 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Spektrometer (34) wellenlängenabhängig elektronische Messsignale erzeugt werden.
13. Verfahren nach Satz 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale ausgekoppelt und ein Intensitätsverlauf derselben zeitabhängig gemessen wird, insbesondere mit einem Oszilloskop (50) oder einer schnellen Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer.
14. Verfahren nach Satz 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum gemittelt werden.
15. System (10) zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, welches System (10) mindestens eine elektromagnetische Strahlungsquelle (12), insbesondere in Form eines Lasers (14), zum Erzeugen mindestens eines Anregungspulses zum Anregen einer mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff enthaltenden, umfassenden oder tragenden Probe (16) zur Fluoreszenz umfasst, welches System (10) eine erste Spektroskopieeinrichtung (34) zum wellenlängenabhängigen Messen einer Intensität von von der Probe (16) aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung (24) und eine zweite Spektroskopieeinrichtung (34) zum zeitabhängigen Messen einer Intensität der von der emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich umfasst, welches System (10) eine Speichereinrichtung zum Speichern mindestens eines Referenzspektrums in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen und/oder biologischen Stoffs und mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs umfasst und welches System (10) eine Vergleichseinrichtung (44) zum Vergleichen der gemessenen wellenlängenabhängigen Intensität und der gemessenen zeitabhängigen Intensität der von der Probe (16) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum umfasst zum Bestimmen, ob die Probe (16) den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht.
16. System nach Satz 15, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum zeitgleichen oder im Wesentlichen zeitgleichen Durchführen der wellenlängenabhängigen Messung der Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) mit der ersten Spektroskopieeinrichtung (34) und der Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) mit der zweiten Spektroskopieeinrichtung (34).
17. System nach Satz 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum Anregen der Probe (16) zur Fluoreszenz mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander.
18. System nach einem der Sätze 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander.
19. System nach einem der Sätze 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strahlungsquelle (12) in Form eines Anregungslasers (14) ausgebildet ist.
20. System nach einem der Sätze 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle (12), insbesondere mit unterschiedlicher Wellenlänge.
21. System nach einem der Sätze 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) mindestens eine monochromatische Strahlungsquelle (12) und eine mit dieser zusammenwirkende nichtlineare Optik umfasst zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen unterschiedlicher Wellenlänge.
22. System nach einem der Sätze 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum gleichzeitigen Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse und dass das System (10) eine Verzögerungseinrichtung (18) umfasst zum zeitlichen Separieren der gleichzeitig erzeugten mindestens zwei Anregungspulse.
23. System nach Satz 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungseinrichtung (18) ausgebildet ist zum zeitlichen Separieren der mindestens zwei Anregungspulse derart, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe (16).
24. System nach einem der Sätze 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum Anregen desselben räumlichen Bereichs der Probe (16) mit den mindestens zwei Anregungspulsen.
25. System nach einem der Sätze 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spektroskopieeinrichtung (34) eine wellenlängenabhängige Detektionseinrichtung (54) umfasst, insbesondere in Form eines Elektronenvervielfacher-Arrays (56).
26. System nach Satz 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (54) ausgebildet ist zum wellenlängenabhängigen Erzeugen elektronischer Messsignale.
27. System nach Satz 26, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Signalverarbeitungseinrichtung (40) umfasst zum Auskoppeln eines Teils der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale und zum Messen eines zeitabhängigen Intensitätsverlauf der ausgekoppelten Messsignale.
28. Vorrichtung nach Satz 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (40) ein Oszilloskop (50) oder eine schnelle Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer umfasst.
29. System nach einem der Sätze 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (40) eine Integrationseinrichtung umfasst zum Mitteln der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum.
30. Verwendung eines Systems nach einem der Sätze 15 bis 29 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Sätze 1 bis 14.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems zur Klassifizierung chemischer Stoffe;
2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Teils einer Verzögerungseinrichtung;
3: eine schematische Darstellung gemessener Laserleistung von Laserpulsen bei einer Wellenlänge von 266 nm (erster Puls) und 355 nm (zweiter Puls) für unterschiedliche Anzahlen von Reflexionen im Bereich der Verzögerungseinrichtung;
4: Fluoreszenzspektren für bacillus thuringiensis (gepunktete Linie), micrococcus luteus (gestrichelte Linie) und oligella urethralis (durchgezogene Linie);
5: Fluoreszenzpektren mit Anregungspulsen mit einer Wellenlänge von 355 nm für bacillus thuringiensis (gepunktete Linie), micrococcus luteus (gestrichelte Linie) und oligella urethralis (durchgezogene Linie);
6: zeitlicher Intensitätsverlauf der Fluoreszenz bei Anregung mit Anregungspulsen mit Wellenlänge von 266 nm für bacillus thuringiensis (gepunktete Linie), micrococcus luteus (gestrichelte Linie) und oligella urethralis (durchgezogene Linie);
7: zeitlicher Intensitätsverlauf der Fluoreszenz bei Anregung mit Anregungspulsen mit Wellenlänge von 355 nm für bacillus thuringiensis (gepunktete Linie), micrococcus luteus (gestrichelte Linie) und oligella urethralis (durchgezogene Linie);
8: Tabelle mit Klassifikationsergebnissen, wobei a) wellenlängenabhängige Spektroskopiedaten berücksichtigt, b) zeitabhängige Fluoreszenzspektroskopiedaten und c) kombinierte wellenlängenabhängige und zeitabhängige Spektroskopiedaten; Spalten zeigen Vorhersagewerte und Zeilen Referenzwerte an;
9: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Systems zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe;
10: eine Darstellung gemessener Laserleistung am Ausgang des Lasers für 355 nm für unterschiedliche transversale Positionen eines Metallkeils, gemessen in einem Abstand von 2,1 m vom Ausgang des Anregungslasers mit der sogenannten Knife-Edge-Methode;
11: eine Darstellung des Strahldurchmessers für verschiedene Distanzen des Metallkeils relativ zum Ausgang des Anregungslasers;
12: eine Darstellung der Abhängigkeit der zeitlichen Verzögerung der Laserpulse in Abhängigkeit von der Anzahl an Durchläufen durch die Verzögerungseinrichtung entsprechend 3;
13: eine schematische Darstellung des Aufbaus zur Detektion von Fluoreszenzsignalen;
14: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Ladungsintegrationseinheit vom Typ Vertilon Photoniq mit Steuerung;
15: eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Ladungsintegration mit der Ladungsintegrationseinheit aus 14;
16: eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Ausführungsbeispiels eines Computerprogramms zur Steuerung eines Systems zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe;
17: eine schematische Darstellung des Ablaufs der Messprozedur für eine kontinuierliche Messung;
18: eine schematische Darstellung der Messprozedur für eine Einzelmessung;
19: eine schematische Darstellung der Messprozedur für eine spektrale und zeitliche Messung;
20: eine tabellarische Darstellung einer Abklingzeit verschiedener Proben bei Anregung mit unterschiedlichen Wellenlängen, nämlich 266 nm und 355 nm, mit einfacher exponentieller Anpassung;
21: Fluoreszenzspektren von Fluorescin in Wasser bei Anregung mit 266 nm und 355 nm;
22: zeitabhängige Fluoreszenzspektren von Fluorescin in Wasser von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen;
23: Fluoreszenzspektren von Diesel in Wasser bei Anregung mit 266 nm und 355 nm;
24: zeitabhängige Fluoreszenzsignale von Diesel in Wasser von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen;
25: Fluoreszenzspektren von Curcumin in Aceton bei Anregung mit 266 nm und 355 nm;
26: zeitabhängige Fluoreszenzsignale von Curcumin in Aceton von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen;
27: Fluoreszenzspektren von NADH und Tryptophan in Wasser bei Anregung mit 266 nm und 355 nm;
28: zeitabhängige Fluoreszenzsignale von NADH und Tryptophan in Wasser von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen;
29: Fluoreszenzspektren von bacillus thuringiensis bei Anregung mit 266 nm und 355 nm;
30: zeitabhängige Fluoreszenzsignale von bacillus thuringiensis von vier Messkanälen entsprechend vier Wellenlängenbereichen;
31: einen Beispielaufbau;
32: eine interne Taktung des Ladungsintegrators in Abhängigkeit zu den Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge;
33: einen experimentellen Aufbau;
34: eine schematische Darstellung der optischen Verzögerungsstrecke;
35: eine Verzögerung von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen mit unterschiedlichen Wellenlängen;
36: Tabellen a) bis c);
37: eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus; die Laserstrahlen des 266 nm und des 355 nm Ausgang werden zur Leistungsanpassung zuerst durch eine Wellenplatte und ein Glan-Taylor Prisma geleitet; Abkürzungen: GT: Glan-Taylor Prisma;
38: Bild der Verzögerungsstrecke; und
39: eine Programmoberfläche des Experimentkontrollprogramms.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Systems 10 zum Klassifzierung chemischer und/oder biologischer Stoffe. Es umfasst eine Strahlungsquelle 12 in Form eines Lasers 14 zum Erzeugen von elektromagnetischen Anregungspulsen bei insgesamt vier Wellenlängen, nämlich 266 µm, 355 nm, 532 nm und 1064 nm. Beim Laser handelt es sich um einen Nd:YAG-Laser.
Die Anregungspulse mit einer Anregungswellenlänge von 266 nm werden über eine optische Anordnung mit Spiegel- und Glan-Taylor-Prismen (GT) sowie λ/2-Plättchen (λ/2) zur Probe geleitet. Die vom Laser 14 erzeugten Anregungspulse bei der Wellenlänge 355 nm werden zunächst über eine Verzögerungseinrichtung 18 mit zwei um einen Winkel β gegeneinander geneigten Spiegeln 20 und 22 geleitet, um den Anregungspuls bei 355 nm zeitlich vom Anregungspuls bei 266 nm zu separieren. Die Verzögerung kann durch Verändern des Winkels β wie schematisch in Figur b dargestellt, verändert werden. Abhängig vom Neigungswinkeln β ergeben sich mehr oder weniger Reflexionen für die Pulse mit Wellenlänge 355 nm zwischen den beiden Spiegeln 20 und 22.
2 zeigt schematisch die Funktionsweise der Verzögerungseinrichtung 18 mit den beiden Spiegeln 20 und 22. Mit jeder Reflexion einer der beiden Spiegel 20 beziehungsweise 22 wird der Reflexionswinkel α_i des Strahlengangs immer kleiner, bis sich die Ausbreitungsrichtung umdreht und die Anregungspulse mit Wellenlänge 355 nm die Verzögerungseinrichtung 18 auf der Seite, wo sie in diese eingetreten sind, wieder verlassen.
Die so zeitlich gegenüber den Anregungspulsen mit 266 nm verzögerten Anregungspulse mit Wellenlänge 355 nm werden mit ihren Strahlengängen überlappend zur Probe 16 geschickt.
Fluoreszenzstrahlung 24 von der Probe 16 wird mit einer Nachweisoptik 26 umfassend einen Parabolspiegeln 28 gesammelt und in zwei Faserbündel 30 und 32 eingekoppelt.
Mit dem Faserbündel 30 wird ein Teil der Fluoreszenzstrahlung zu einer ersten Spektroskopieeinrichtung 34 umfassend ein Gitterspektrometer 36 geleitet.
Vom Gitterspektrometer 36 werden die Daten über eine Signalleitung 38 zu einer Datenerfassungseinrichtung 40 geleitet, die wiederum über eine Datenleitung 42 an einen Computer 44 verbunden ist.
Das zweite Faserbündel 32 ist mit einer Photovervielfacherröhre (PMT) 46 verbunden, die über eine Signalleitung 48 elektrische Signale an ein Oszilloskop 50 weiterleitet. Das Oszilloskop 50 ist über eine weitere Signalleitung 52 ebenfalls mit dem Computer 44 verbunden.
3 zeigt beispielhaft zeitliche Abstände von Anregungspulsen mit 266 nm und 355 nm, die vom Winkel β der Verzögerungseinrichtung 18 abhängen. Die von oben nach unten dargestellten zeitlichen Verläufe unterscheiden sich um jeweils vier Reflexionen voneinander, so dass insgesamt zeitliche Abstände von bis zu 120 Nanosekunden mit der Verzögerungseinrichtung 18 eingestellt werden können.
4 zeigt wellenlängenabhängige Fluoreszenzspektren von drei Bakterienproben, nämlich Bacillus thuringiensis (gepunktete Line), Micrococcus luteus (gestrichelte Linie) und Oligella urethralis (durchgezogene Linie). Die Proben wurden mit Anregungspulsen mit einer Wellenlänge 266 nm angeregt.
5 zeigt wellenlängenabhängige Spektren der drei Proben von Bakterien bei einer Anregung mit Laserpulsen mit 355 nm.
In 6 sind zeitabhängige Fluoreszenzspektren der drei Proben bei Anregung mit Anregungspulsen bei einer Wellenlänge von 266 nm dargestellt.
7 zeigt zeitaufgelöste Spektren der drei Proben mit Anregungspulsen bei einer Wellenlänge von 355 nm.
Insbesondere die in 7 dargestellten Spektren unterscheiden sich für die drei Proben deutlich voneinander. Ebenso die wellenlängenabhängigen Spektren, die in 5 dargestellt sind. Die zeitlichen Verläufe der Spektren, die in 6 für die drei Proben dargestellt sind, unterscheiden sich praktisch nicht. Die wellenlängenabhängigen Spektren von Bacillus thuringiensis und Micrococcus luteus die in 4 dargestellt sind, sind ebenfalls nur schwer voneinander zu unterscheiden, jedoch deutlich vom Spektrum der Oligella urethralis.
8 zeigt Tabellen von Klassifikationsergebnissen, wobei in der Tabelle a) lediglich die wellenlängenabhängigen Fluoreszenzdaten berücksichtigt wurden, in Tabelle b) die zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopiedaten, und in Tabelle c) die kombinierten Datensätze. Die Klassifikation erfolgte unter Verwendung eines C5.0 Entscheidungsbaum-Algorithmus . Für die wellenlängenabhängigen Daten wurde eine Genauigkeit für die Zuordnung von ungefähr 97% erreicht, für die zeitaufgelösten Daten sowie die kombinierten Daten eine Genauigkeit von etwa 98%.
9 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems 10 zum Klassifizieren chemischer und/oder biologischer Stoffe. Es umfasst einen Laser 14 zum Erzeugen von Anregungspulsen mit Wellenlängen von 266 nm und 355 nm. Die gleichzeitig erzeugten, den Laser 14 räumlich getrennt verlassenden Anregungspulse unterschiedlicher Anregungswellenlängen werden einerseits, nämlich die Anregungspulse mit Wellenlänge 266 nm, direkt zur Probe 16 über eine optische Anordnung mit Spiegeln, Glan-Taylor-Prisma (GT) und λ/2-Plättchen (λ/2) geleitet, die Anregungspulse mit Wellenlänge 355 nm über eine optische Anordnung umfassend eine Verzögerungseinrichtung 18 mit zwei um einen kleinen Winkel β gegeneinander verkippten planen Spiegel 20 und 22. Die Strahlengänge für die beiden unterschiedlichen Anregungspulse sind zur Deckung gebracht und treffen auf der Probe 16 in räumlich identischen Bereichen auf.
Die von der Probe 16 emittierte Fluoreszenzstrahlung 24 wird über einen Parabolspiegel 28 in ein Faserbündel 30 eingekoppelt und zur ersten Spektroskopieeinrichtung 34 in Form eines Gitterspektrometers 36 geleitet. Über die Signalleitung 38 werden die von einer Detektionseinrichtung 54 der Spektroskopieeinrichtung 34 in Form einer 32-Kanal-Photoelektronenvervielfacher-Röhren-Arrays (PMT-Array) 56 zur Datenerfassungseinrichtung 40 in Form eines Vertilon Photoniq Messgeräts geleitet.
Ein Teil der über die Signalleitung 38 zugeführten elektronischen Signale wird vor der Datenerfassungseinrichtung 40 kapazitiv ausgekoppelt und über eine Signalleitung 58 zum Oszilloskop 50 geleitet. Die Signalleitung 58 umfasst insgesamt vier Signalleitungen, um vier Spektralbereiche voneinander zeitlich in ihrem Verlauf aufzulösen. Dieser Teil des Systems bildet einen Teil einer zweiten Spektroskopieeinrichtung zur Messung zeitabhängiger Intensitätsverläufe der emittierten Fluoreszenzstrahlung 24.
10 zeigt beispielhaft eine gemessene Laserleistung am Ausgang des Lasers 14 mit der Wellenlänge 355 nm für unterschiedliche Transversalpositionen eines Metallkeils in einem Abstand von 2,1 m vor dem Laserausgang. Die Messung erfolgte auf Basis der sogenannten Knife-Edge Methode. Dabei wird die Laserleistung während der Translation eines scharfkantigen eloxierten Metallkeils durch den Laserstrahl für unterschiedliche transversale Positionen des Keils gemessen.
In 11 ist ein Strahldurchmesser für verschiedene Distanzen des Metallkeils relativ zum Ausgang des Lasers dargestellt. Aus den Messungen wurden der Strahldurchmesser am Ausgang des Lasers 14 zu etwa 7,3 mm und eine Divergenz des Strahlungsfelds zu 0,35 mrad bestimmt. Aufgrund der kleinen Divergenz ist der Einsatz der Verzögerungseinrichtung 18 mit den beiden Spiegeln 20 und 22 möglich, da sich hierdurch das Strahlungsfeld auch nach dem Zurücklegen einer Distanz von mehreren 10 m nicht zu sehr aufweitet.
Eine Pulslänge der Laserpulse wurde mit einer schnellen Photodiode zu etwa 500 ps bestimmt.
12 zeigt beispielhaft die Verzögerungszeit in ns in Abhängigkeit der Anzahl der Reflexionen der Anregungspulse mit Wellenlänge 355 nm in der Verzögerungseinrichtung 18, also zwischen den Spiegeln 20 und 22. Erwartungsgemäß ergibt sich hier eine lineare Abhängigkeit. Wie beschrieben kann die Zahl der Reflexionen durch Variation des Winkels β zwischen den beiden Spiegeln 20 und 22 verändert werden, sodass sich unterschiedliche Laufzeiten ergeben.
In 13 ist schematisch ein Aufbau eines Teils eines Ausführungsbeispiels eines Systems 10 zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe dargestellt, und zwar insbesondere derjenige Teil, mit dem die durch das Faserbündel 30 geleitete Fluoreszenzstrahlung von der Probe 16 spektral und zeitlich analysiert wird.
Die Fluoreszenzstrahlung 24 wird über ein Teleskop in das Faserbündel 30 eingekoppelt und zum Gitterspektrometer 36 geleitet. Die im Gitterspektrometer 36 aufgespaltene Fluoreszenzstrahlung 24 wird mit dem 32-Kanal-PMT-Array 56 in elektronische Signale umgewandelt.
Über Signalleitungen 38 werden die vom PMT-Array 56 erzeugten Signale auf insgesamt vier Speicherbänke der Datenerfassungseinrichtung 40 geleitet.
Die Datenerfassungseinrichtung 40 umfasst einen Prozessor mit 32 parallelen Kanälen zur Datenvorverarbeitung, von dem diese dann an einen 16-bit Digital-Signal-Prozessor sowie an einen Prozessor- Expansion-Interface weitergeleitet werden. Diese stehen miteinander und einem SDRAM in Verbindung.
Die Ansteuerung erfolgt getriggert über einen Triggerpuls der Lasersteuerung 60, die wiederum vom Computer 44 angesteuert wird. Die in der Datenerfassungseinrichtung 40 aufgenommenen Messdaten werden über die Datenleitung 42 zum Computer 44 geleitet.
Der zeitliche Ablauf der Integration der Messsignale in der Datenerfassungseinrichtung 40 ist schematisch in 15 dargestellt. Im Zeitpunkt t₀ wird ein Anregungspuls mit 266 nm auf die Probe 16 geschickt. Mit einer Laufzeitverzögerung entsprechend t₀ + t_propagation trifft die Fluoreszenzstrahlung 24 an der Spektroskopieeinrichtung 34 ein. Die mit dem PMT-Array 56 erzeugten Messsignale werden in den Bänken 1 und 2 der Datenerfassungseinrichtung 40 gespeichert.
Im Zeitpunkt t_delay wird ein Anregungspuls 355 nm auf die Probe 16 geschickt. Die Verzögerungszeit t_delay entspricht der Laufzeit des Anregungspulses durch die Verzögerungseinrichtung 18. Wiederum zeitlich versetzt um die Laufzeit t_propagation trifft die Fluoreszenzstrahlung 24 als Antwort auf den Anregungspuls mit Wellenlänge 355 nm an der Spektroskopieeinrichtung 34 ein. Die elektrischen Signale des PMT-Arrays 56 werden in der Datenerfassungseinrichtung 40 in den Bänken 3 und 4 abgespeichert.
In 16 ist schematisch ein Ablauf eines Computerprogramms zur Steuerung des Experiments, also der Fluoreszenzmessung zur Charakterisierung der Probe 16 dargestellt. Das Programm basiert auf dem grafischen Programmiersystem-LabVIEW und dient der Steuerung des Experiments und der Datenspeicherung.
Über ein Transistor-Transistor-Logik (TTL) Signal, das von einer National Instruments (NI) Multifunktions-Datenerfassungskarte generiert wird, steuert das Computerprogramm einen Lasershutter, welcher die Probe 16 vor unerwünschter Laserstrahlung schützt. Weiterhin werden die oben beschriebenen Komponenten der Datenerfassungseinrichtung, nämlich das Vertilon PhotoniQ und das Oszilloskop initialisiert und ausgelesen. Die verwendete „State-Machine-Programmstruktur“ ermöglicht es, nach Initialisierung des Programms auf Ereignisse zu warten und dann je nach Ereignis unterschiedliche Schleifen zu durchlaufen. Dies ermöglicht es, Parameter für die Datenaufnahme zu ändern und den Lasershutter zu kontrollieren. Nach Start einer Messung, je nach Einstellung von Messfolge-Variablen, werden die in den 17 bis 19 schematisch dargestellten Messprozeduren durchlaufen.
Die in 17 schematisch dargestellte kontinuierliche Messung dient in erster Linie zur Justage des Systems. Dabei werden nach dem Start aufeinanderfolgende Einzelmessungen durchgeführt und grafisch dargestellt.
Bei der schematisch in 18 dargestellten Einzelmessung wird nur eine spektrale Information ausgelesen und, falls gewünscht, auch gespeichert.
Der Messablauf für eine spektrale und zeitliche Messung ist schematisch in 19 dargestellt. Dabei werden sowohl das Oszilloskop 50 als auch der Ladungsintegrator der Datenerfassungseinrichtung 40 ausgelesen und die Ergebnisse grafisch dargestellt. Optional können die ermittelten Daten in zwei unterschiedlichen Dateien gespeichert werden.
In den 21 bis 30 sind wellenlängenabhängige und zeitlich aufgelöste Messungen an insgesamt fünf Proben dargestellt.
In den 21, 23, 25, 27 und 29 sind spektral aufgelöste Spektren für die unterschiedlichen Anregungswellenlängen 266 nm und 355 nm dargestellt, und zwar in Abhängigkeit des jeweiligen Kanals des PMT-Arrays 56.
In den 22, 24, 26, 28 und 30 ist die Zeitabhängigkeit der Fluoreszenz von vier Kanälen in Abhängigkeit der Messzeit aufgetragen. Nach jeweils etwa 20 ns ist das Fluoreszenz-Signal zu sehen, welches durch die Anregung des Laserpulses mit einer Wellenlänge von 266 nm erzeugt wird. Das Signal bei 140 ns wird durch den Laserpuls mit einer Wellenlänge von 355 nm erzeugt. Die zeitliche Verschiebung von etwa 120 ns zwischen den Signalen ergibt sich aufgrund der Länge der Verzögerungsstrecke der Verzögerungseinrichtung 18 wie oben beschrieben.
Untersucht wurden fünf Proben, nämlich Fluorescin in Wasser (21 und 22), Diesel in Wasser (23 und 24), Curcumin in Aceton (25 und 26), NADH und Tryptophan in Wasser (27 und 28) sowie Bacillus Thuringiensis (29 und 30).
Für die fünf untersuchten Proben wurden unterschiedliche Zeitkonstanten für die beiden Anregungswellenlängen bestimmt. Die aus einer einfachen exponentiellen Anpassung gewonnen Abklingzeiten sind in der Tabelle in 20 für die jeweiligen Proben dargestellt. Die in 20 angegebenen Werte entsprechen nicht direkt denen, die insbesondere mittels zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung bestimmter Fluoreszenzlebensdauern entsprechen, da bei dem vorliegend durchgeführten Verfahren auch andere Faktoren berücksichtigt werden müssen. Hier setzen sich die gemessenen Verläufe als Faltung des Anregungspulses, der gemittelten Fluoreszenzlebensdauer und der zeitlichen Gerätefunktion der Datenerfassungseinrichtung 40 sowie der Detektionseinrichtung 54 zusammen.
Wie insbesondere die unterschiedlichen wellenabhängigen Fluoreszenzspektren sowie die signifikanten Unterschiede der zeitaufgelösten Spektren zeigen, können unterschiedliche Stoffe mit dem beschriebenen System 10 sowie dem beschriebenen Verfahren sicher unterschieden werden. Dies alles ist insbesondere mit Messzeiten von wenigen Sekunden möglich mit einer Trefferwahrscheinlichkeit, die nahe bei 100 % liegt.
Wird eine Datenbank bereitgestellt, die in einer Speichereinrichtung des Systems 10 hinterlegt ist, können die gemessenen spektralen und zeitabhängigen Daten mit dem Computer 44 automatisch mit Referenzspektren bestimmter chemischer und/oder biologischer Stoffe verglichen werden und beispielsweise über eine Ausgabeeinrichtung, insbesondere eine mit dem Computer 44 verbundenen Bildschirm, einer Bedienperson angezeigt werden. So ist es insbesondere möglich, das System 10 zur Detektion und Klassifizierung von Gefahrstoffen einzusetzen. Beispielsweise können mit einem derartigen System in Echtzeit Proben untersucht werden, insbesondere lokalisierte Aerosole oder Kontaminationen auf entfernten Oberflächen, zum Beispiel von Autos, charakterisiert und klassifiziert werden. So können in Echtzeit ohne aufwendige chemische Nachweisverfahren bekannte Gefahrstoffe mit einer sehr hohen Trefferwahrscheinlichkeit definierten Stoffklassen zugeordnet werden.
Derartige Systeme lassen sich insbesondere in der Sicherheitsforschung einsetzen, wo Gefahrstoffe aus größeren Abständen detektiert werden müssen. Systeme lassen sich auch bei der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie und -mikroskopie einsetzen sowie zur medizinischen Diagnostik und Prozessüberwachung. Auch zur Materialcharakterisierung lassen sich die beschriebenen Systeme und Verfahren nutzen.
BESCHREIBUNG WEITERER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1:
Die Erfindung dient insbesondere der Verbesserung der berührungsfreien und langreichweitigen Früherkennung von chemischen und biologischen Gefahrstoffen mittels einer Kombination zweier Laser induzierter Fluoreszenz-Verfahren. Die Laser induzierte Fluoreszenzspektroskopie ist eine bewährte Methode zur Analyse von Stoffkonzentrationen von Gasen und Flüssigkeiten und kann zur Stoffklassifizierung genutzt werden. Mit angepassten experimentellen Aufbauten können mittels zeitaufgelöster oder Frequenzmodulations-Techniken Fluoreszenzlebensdauern bestimmt werden, die ebenfalls eine Stoffunterscheidung ermöglichen. Das entwickelte System kombiniert diese beiden Methoden. Es werden in einem Prozessdurchlauf elektronische Signale gemessen, welche dem spektralen und temporalen Verhalten der Laser-induzierten-Fluoreszenz (LIF) zugeordnet werden können, die durch zwei oder mehr Laserpulse elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge angeregt wird. Hierdurch kann in einem sehr kurzen Zeitraum eine große Menge an nichtredundanter Information zur Unterscheidung unterschiedlicher Gefahrstoffe bereitgestellt werden.
Fluoreszenzspektroskopie ist ein etabliertes Verfahren und wird unter anderem in der Biochemie, der Chemie und der Medizin zur Analyse von organischen Stoffen benutzt. Hierfür wird die Probe mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, meist im ultravioletten Spektralbereich, und das zurückgestreute Licht spektral analysiert. Die Methode zeichnet sich im Vergleich zu anderen spektroskopischen Verfahren, wie zum Beispiel Raman-Spektroskopie durch eine sehr hohe Sensitivität aus wodurch sie sehr gut zur berührungsfreien, langreichweitigen Ferndetektion geeignet ist (Lakowicz, J. R., „Principles of Fluorescence Spectroscopy“, 3rd Edition, Springer Science+Business Media, New York, 2006). Nachteilig dabei ist:

• Relativ geringer Informationsgehalt.
• Es muss überprüft werden in wie weit man mit dem Informationsgehalt eine große Menge an Stoffen unterscheiden kann.

Aufbauten zur Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer können in zwei Klassen unterteilt werden, die Zeit- und die Frequenzdomänen Messungen. Bei ersterer wird die Probe mittels kurzer Laserpulse angeregt und die Abklingzeit direkt aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz extrahiert, zum Beispiel mit der Methode der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung. Bei der zweiten Klasse wird die Intensität der kontinuierlich anregenden Strahlung zeitlich moduliert und die Abklingzeit aus der Phasenverschiebung der emittierten zur anregenden Strahlung bestimmt. Beide Verfahren wurden für die Identifikation von biologischen und chemischen Proben verwendet (Lakowicz, J. R., „Principles of Fluorescence Spectroscopy“, 3rd Edition, Springer Science+Business Media, New York, 2006; Kinkennon, A.E. & McGown, Fluorescence Lifetime Characterization of Bacteria Using Total Lifetime Distribution Analysis with the Maximum Entropy Method, L.B. Journal of Fluorescence 7: 201 (1997) doi:10.1007/BF02758220). Nachteilig dabei ist:

• Für Frequenzdomänen-Messungen aufwendige Verfahren benötigt, so dass das Signal nicht in Echtzeit erfasst werden kann.
• Bei der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung ist eine große Statistik erforderlich, was zu einer sehr langen Messzeit führt.

Außerdem kann die Messung des zeitlichen Verhaltens des Fluoreszenzsignals über eine im Nanosekundenbereich getaktete iCCD Kamera erfolgen (T. Fischbach, F. Duschek, A. Hausmann, C. Pargmann, V. Aleksejev,L. Poryvkina, I. Sobolev, S. Babichenko, and J.Handke.Standoff detection and classifcation procedure for bioorganic compounds by hyperspectral laser-induced fluorescence, may 2015). Nachteilig dabei ist:

• Für direkte Messung aufwendige und teure Taktung der Kamera zur Zeitmessung nötig.
• Keine Messung in Echtzeit möglich.

Andere spektroskopische Verfahren wie zum Beispiel Raman-spektroskopie können für die Detektion von Gefahrstoffen verwendet werden ( US 201113150757 Standoff explosives detector using deep-uv raman spectroscopy). Nachteilig dabei ist:

• Geringe Signal Intensität und daraus resultierende lange Messzeiten.

Vorteile der Erfindung

• Erhöhung des Informationsgehaltes, durch Messung des spektralen und des temporalen Fluoreszenzsignals mit mehreren Laserpulsen mit einer unterschiedlichen Trägerfrequenz.
• Messung mit hoher Repetitionsrate, durch Messung des spektralen und des temporalen Fluoreszenzsignals innerhalb eines Prozessdurchlaufes.
• Es werden die spektralen und die zeitlichen Fluoreszenzsignale in einem einzelnen Prozess erzeugt und ausgelesen, so dass das Signal das von jeweils einzelnen Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt wird, aufgenommen werden können.
• Zur Erhöhung des Informationsgehaltes und der daraus resultierenden schnellen Datenaufnahme werden die Fluoreszenzspektroskopie und die Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer kombiniert.

Vorgehensweise
Zunächst werden zwei oder mehr von einer Laserquelle gleichzeitig bereitgestellte Laserpulse die jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen zeitlich separiert. Im Fall von zwei genutzten Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge wird ein Laserpuls in eine Verzögerungsstrecke bestehend aus zwei leicht zu einander verkippten Spiegeln eingekoppelt, so dass die Pulse die zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert werden und auf der Seite die Verzögerungsstrecke verlassen auf der Sie eingekoppelt wurden. Dadurch weisen die Laserpulse einen zeitlichen Abstand zueinander auf, der größer sein sollte als die zu Messende Fluoreszenzabklingzeit. Diese liegt normalerweise unterhalb von 50 Nanosekunden, was einer zurückgelegten Strecke von ca. 15m entspricht. Nach der zeitlichen Trennung werden die Strahlengänge der Pulse unterschiedlicher Wellenlängen überlagert, so dass die beiden Laserpulse nacheinander an der gleichen räumlichen Position auf die Probe treffen. Das in der Probe generierte Fluoreszenzsignal wird mittels eines Parabolspiegels in ein Spektrometer eingekoppelt und hier über ein optisches Gitter spektral zerlegt, bevor es in Abhängigkeit von der Wellenlänge mittels unterschiedlicher Kanäle eines Detektors detektiert wird. Das von dem Detektor generierte elektrische Signal wird an einen Integrator geleitet, welcher von einem Computer ausgelesen werden kann. Die Idee sieht nun vor, dass ein Teil des Signals vom Detektor vor dem Integrator für die direkte Messung des zeitlichen Verlaufs kapazitiv ausgekoppelt wird. Dieses Signal wird an ein schnelles Oszilloskop weitergeleitet mit dessen Hilfe es zeitaufgelöst gemessen werden kann und die Daten ebenfalls von einem Computer ausgelesen werden können.
In 31 ist ein Ausführungsbeispiel für die beschriebene Erfindung schematisch dargestellt. Die durch einen gepulsten Laser ausgegebenen kurzen Laserpulse (<1ns) mit einer Wellenlänge λ₂ werden in eine Verzögerungsstrecke gekoppelt. Nach dem Durchlauf durch die Strecke wird der Strahlengang dieses Laserpulses mit dem Strahlengang des Laserpulses mit einer Wellenlänge λ₁ überlagert, so dass ein Pulszug aus zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge die zueinander um 50-100 ns zueinander verzögert sind entsteht (siehe 31). Die beiden Laserpulse treffen nacheinander auf die Probe und erzeugen dort eine Anregung, die zur Fluoreszenz führt. Das Fluoreszenzstrahlung wird von der Probe in alle Richtungen ausgestrahlt und ein Teil wird über einen Detektionsspiegel in eine Glasfaser gekoppelt mit deren Hilfe die Fluoreszenzstrahlung in das Spektrometer geleitet wird. In dem Spektrometer wird die Fluoreszenzstrahlung über ein Beugungsgitter spektral zerlegt und wellenlängenspezifisch auf ein 32 Kanal Photoelektronenvervielfacher-Array geleitet in dem die gemessenen Photonen in elektronische Signale umgewandelt werden. Diese Signale werden an einen Ladungsintegrator weitergeleitet, wobei dieser von der Firma Vertilon so entwickelt wurde, dass er über eine interne Taktung verfügt. Dies ermöglicht die Kontrolle des zeitlichen Abstandes aufeinanderfolgender Integrationen im Nanosekundenbereich mit Integrationszeiten von mindestens 50 ns. Die 32 Eingänge des Integrators sind 4 sogenannten Bänken zugeordnet, wobei die Daten jedes Eingangs an zwei Bänke weitergeleitet werden und jeweils 16 Eingänge einer Bank zugeordnet werden. Wie in zu sehen ist, werden die Bänke 1 & 2 so angesteuert, dass das Signal des Fluoreszenzspektrums nach Anregung mit Laserstrahlung der Wellenlänge 266nm zu einer Zeit t₀+t_propagation über 50 ns integriert wird. Nach einer Verzögerung von t_delay die in Abhängigkeit von der Justage des Verkippungswinkel der Verzögerungsstrecke eingestellt werden kann, wird dann die Integration der Bänke 3&4 gestartet, bei der das Signal des Fluoreszenzspektrum nach Anregung mit Laserstrahlung der Wellenlänge 355 nm über 50 ns integriert wird. In den jeweiligen Bänken werden die Signale digitalisiert und an den Experimentkontrollcomputer weitergeleitet.
Vor dem Integrator wird ein kleiner Teil der elektronischen Signale kapazitiv ausgekoppelt. Die ausgekoppelten Signale werden genutzt, um mit einem schnellen Oszilloskop das zeitliche Verhalten der Fluoreszenz direkt zu messen. Die Messungen werden von einem Computer gesteuert, an den auch die Messdaten zur Weiterverarbeitung und Speicherung weitergeleitet werden.
Diese Messmethode ermöglicht die gleichzeitige Messung des spektralen und des zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenz, so dass hier ein erhöhter Informationsgehalt aus der Anregung zweier aufeinanderfolgenden Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge gewonnen werden kann. Das System kann auf mehrere Anregungspulse erweitert werden, wobei dann mehrere Pulse unter unterschiedlichen Winkeln in die Verzögerungsstrecke eingekoppelt werden müssten, so dass ein Pulszug aus den genutzten Pulsen unterschiedlicher Wellenlängen entsteht. Alternativ könnte ein System aus Laserquellen genutzt werden bei dem die Laser elektronisch so getaktet sind, dass der gewünschte Pulszug entsteht.
Gebiete der gewerblichen Anwendungen

• Stand-off Detektion von Gefahrstoffen
• Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie und -mikroskopie
• Prozessüberwachung
• Materialcharakterisierung

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2:
Veröffentlichung
Neues langreichweitiges Detektionssystem für die Klassifikation von chemischen und biologischen Gefahrenstoffen durch Kombination zeitlicher und spektraler laserinduzierter Fluoreszenztechniken
Einführung
Es gibt unterschiedliche Szenarien, bei denen Personen in Kontakt mit chemischen oder biologischen Gefahrstoffen kommen können. Abhängig von den jeweiligen Szenarien können die gefährlichen Substanzen auf unterschiedlichen Wegen zu Menschen gelangen, beispielsweise über die Wasserversorgung und Aerosolwolken [1, 2]. Um in der Lage zu sein, schnell Schritte gegen negative Auswirkungen auf Menschen einzuleiten, sind eine schnelle und langreichweitige Detektion, also aus einem sicheren Abstand, und ein Identifikationssystem für Quellen biologischer Lösungen essentiell. Unterschiedliche optische Techniken können als Basis für ein solches Detektionssystem verwendet werden. Einige von diesen sind in den Literaturstellen [3, 4] untersucht worden.
Einer der am verbreitetsten eingesetzten Techniken für die langreichweitige Detektion biologischer und chemischer Proben aus einem sicheren Abstand ist die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) Spektroskopie. Diese stellte eine hohe Signalstärke bereit mit schnellen Detektionszeiten und großen Detektionsbereichen [5-9]. Für Aerosolproben wird die LIF-Spektroskopie häufig kombiniert mit sogenannten LIDAR-Messungen („light detection and ranging“). LIDAR Messungen basieren auf Photonen-Laufzeitmessungen. Diese Techniken sind in der Lage, eine Bedrohung schnell zu lokalisieren und die Verteilung von Wolken und ihrer Ausbreitung zu kartieren, wie dies beispielsweise in verschiedenen Feldversuchen gezeigt wurde [3, 7, 9]. Abhängig vom jeweiligen Szenario ist ein vielversprechender Ansatz die Kombination von langreichweitigen Detektionssystemen mit Punktsensoren, um die Detektionssicherheit zu erhöhen [10].
Hier wird nun ein neuartiger Aufbau präsentiert, bei dem zeitliche und spektrale LIF-Techniken kombinert werden, um die Spezifizität der Klassifikationsalgorithmen, die eingesetzt werden, um Bakterienproben zu unterscheiden, zu verbessern. Für wellenlängenabhängig aufgelöste LIF-Messungen erlauben die eher breiten spektralen Eigenschaften der untersuchten Proben eine Verringerung der spektroskopischen Auflösung von 1024 Spektralkanälen in Referenz [5] auf 32 spektrale Kanäle ohne Verringerung der Klassifikationsleistung wie in Referenz [11] präsentiert. Aber im Vergleich zu anderen Techniken gestattet der eher geringe Informationsgehalt nur beschränkte Identifikationsaussichten. Laserpulse mit unterschiedlichen Mittenwellenlängen können eingesetzt werden, um unterschiedliche Fluorophore [5, 12] anzuregen, zum Beispiel Aminosäuren Tryptophan und Tyrosin, unter Verwendung einer Laserwellenlänge von unter anderem 266 nm, oder Moleküle, die beim Stoffwechsel lebender Zellen auftreten, wie reduziertes Nikotin-Amid-Adenin-Dinukleotid (NADH) und Flavin-Adenin- Dinukleotid (FAD), unter Verwendung einer Laserwellenlänge von unter anderem 355 nm. Die verschiedenen spektralen Formen der Fluoreszenzsignale nach Anregung mit diesen unterschiedlichen Laserpulsen liefern eindeutige Informationen für die nachfolgende Klassifikationsprozedur. Durch Kombination von Datensätzen beider Anregungsprozesse kann die Klassifikationsleistung deutlich verbessert werden [5, 11, 13]. Um die Spezifizität im vorgestellten System weiter zu verbessern, wurden gleichzeitig zeitlich aufgelöste LIF-Signale für jeden Anregungspuls unter Verwendung schneller Elektroniken akquiriert. Da das zeitliche Verhalten der Fluoreszenz von den involvierten Komponenten und insbesondere deren Mikroumgebungen abhängt, können die Ergebnisse sogar zwischen Substanzen mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung variieren [12, 14, 15]. Wie nachfolgend gezeigt, liefert diese Variation ausreichende Vielfalt für eine Unterscheidung von drei gewählten Bakteriensuspensionen, die angeregt und gemessen wurden aus einem Abstand von 3,5 m mit einer Genauigkeit von 98 %. Die Unterscheidbarkeit von weiteren unterschiedlichen Bakterienproben wird in der Zukunft untersucht werden. Die Kombination von zeitlich aufgelösten Fluoreszenzdaten von Bakterienproben, die aus einem vorgegebenen Abstand bestimmt wurden, wurde erstmalig zur nachfolgenden Klassifikation herangezogen. Die Klassifikationsleistung ist vergleichbar mit der, wenn gleichzeitig spektral aufgelöste LIF-Daten akquiriert werden und mit der bei einer Kombination beider Datensätze.
Experimenteller Aufbau
In ist schematisch ein Ausführungsbeispiel des Aufbaus dargestellt. Ein Nd:YAG-Lasersystem vom Typ Innolas Picolo Magna EVO III wird dabei eingesetzt, welches Laserpulse mit vier unterschiedlichen Mittenwellenlängen mit einer Repetitionsrate von 100 Hz bereitstellt. Die Pulsdauern aller Laserpulse liegen unter 0,7 ns. Für LIF-Anregung wurden Pulse im ultravioletten Spektralbereich bei 266 nm und 355 nm eingesetzt. Nach Durchlaufen einer Anordnung zum Kontrollieren der Intensität der Pulse wurden die Pulse mit einer Wellenlänge von 355 nm zeitlich verzögert unter Verwendung einer optischen Verzögerungsstrecke [16]. Diese umfasst zwei nahezu parallele Spiegel, die um einen kleinen Winkel β gegeneinander verkippt sind, wie dies in .a) dargestellt ist. Daher werden die Reflexionswinkel α_i des Laserstrahlengangs für jede nachfolgende Reflexion kleiner, sodass nach einer bestimmten Anzahl von Reflexionen, abhängig vom Neigungswinkel β, der Laserpuls seine Ausbreitungsrichtung ändert und zu der Seite der Verzögerungsstrecke zurückkehrt, wo er in diese eingetreten ist. Auf diese Weise kann die Ausdehnung der Spiegel doppelt genutzt werden, wodurch sich die Größe des Aufbaus verringert. Nach räumlichem Überlappen der Strahlengänge der Laserpulse mit den Wellenlängen 266 nm und 355 nm werden diese auf die Probe geschickt.
Der kombinierte Strahlengang wird auf eine schnelle Photodiode geleitet und die sich ergebenden Messungen sind in .b) dargestellt. Eine Verzögerung von bis zu 120 ns wird erreicht, was einer Laufstrecke von 32 m mit einem Spiegelabstand d von ungefähr 0,8 m entspricht. Beim Experiment wird eine Verzögerung von ungefähr 100 ns zwischen zwei Pulsen und einer Wiederholrate der Pulszüge von 100 Hz genutzt.
33: zeigt einen experimentellen Aufbau: Ein Nd:YAG-Laser erzeugt gleichzeitig Laserpulse mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen im ultravioletten Spektralbereich. Nach Verzögerung der Pulse mit Wellenlänge 355 nm, werden ihre Strahlengänge mit den Laserpulsen mit einer Wellenlänge von 266 nm zusammengeführt und zur Probe geschickt. Die Fluoreszenzantwort der Probe wird gemessen mit einem Aufbau umfassend optische Filter und Photovervielfacher-Röhren (PMT) und ein Spektrometer mit einem PMT-Array. Anschließend werden die elektronischen Signale mit einem Datenerfassungssystem und einem schnellen Oszilloskop ausgelesen (λ/2: (λ/2-Plättchen; GT: Glan- Taylor-Prisma).
34 zeigt eine schematische Darstellung der optischen Verzögerungsstrecke, 35 eine Verzögerung von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen mit unterschiedlichen Wellenlängen gemessen mit einer schnellen Photodiode: von oben nach unten wurde der Winkel β verringert, um vier zusätzliche Reflexionen für jede nachfolgende Messung zu ermöglichen.
Die Fluoreszenz-Antwort wird auf zwei Glasfaserbündel mit einem Durchmesser von ungefähr 2 mm fokussiert unter Verwendung eines Parabolspiegels mit einem Durchmesser von 101,6 mm. Eines der Faserbündel leitet die Strahlung zu einem kompakten Gitter-Spektrometer (Hamamatsu A10766), welches mit einem 32-Kanal-Photovervielfacher-Röhren (PMT)-Array (Hamamatsu H7260) kombiniert ist. Die elektrischen Signale werden durch ein angepasstes Datenerfassungssystem (Vertilon Photoniq IQSP482) ausgelesen. Das Datenerfassungssystem stellt ein schnelles internes Gating bereit, um das Sammeln der spektralen Fluoreszenzdaten aufeinanderfolgender Laserpulse mit 266 nm und 355 nm zu ermöglichen. Mit anderen Worten umfasst es zwei sogenannten Bänke und jede Bank ist mit den 32 PMT-Kanälen verbunden. Nach einer einstellbaren Zeit, die der Laufzeit der Strahlung entspricht, um von der Probe zum Detektor zu gelangen, wird die erste Bank getriggert und startet die Integration für 50 ns. Nach einer Zeitverzögerung, die sich durch die Verzögerung der zwei aufeinanderfolgenden Laserpulse ergibt, wird die zweite Bank getriggert und integriert die Fluoreszenzsignale der zweiten Anregung ebenfalls für 50 ns. Das zweite Faserbündel leitet die Strahlung zu einer Anordnung bestehend aus optischen Filtern und Photovervielfacher-Röhren, die mit einem schnellen Oszilloskop (Keysight DSO-X 6004a) verbunden sind zum Aufnehmen der zeitlichen Fluoreszenzdaten mit einer Auflösung von 0,05 ns. Die Zeitbasis der Datenerfassung ist ein Triggerpuls der durch die Lasersteuerung erzeugt wird. Die Datenerfassungsparameter werden über ein selbstentwickeltes LabView [17]-Programm gesteuert.
Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
Die Identifikationsmöglichkeiten unter Einsatz des beschriebenen Systems wurden für Bakterienproben untersucht durch Messungen von drei unterschiedlichen Bakterienlösungen. Die Messungen wurden bei einem Abstand von 3,5 m und mit optischen Pulsenergien von ungefähr 30 µJ und 50 µJ für Laserpulse bei 266 nm und 355 nm durchgeführt. Die Proben wurden wie in Referenz [5] beschrieben präpariert, jedoch wurde eine Agar 1-Nährlösung (Sifin, Berlin, Deutschland) ohne Blut anstelle von Blut Agar-Platten eingesetzt. Die Bakterienlösungen wurden mit Phosphat-gepufferter Salzlösung (PBS) verdünnt, um eine Konzentration in der Größenordnung von 10⁸ bis 10⁹ Kolonie bildenden Einheiten pro ml zu erhalten.
Die Messungen wurden innerhalb von zwei Stunden nach der Präparierung durchgeführt, da eine abnehmende Nahrungsversorgung einen Einfluss auf die spektrale Form der Bakterienproben haben kann, wie dies in Referenz [18] untersucht wurde. In 4 und 5 wurden für jede drei Proben hundert aufeinanderfolgende Einzelanregungspektren und ihr Mittelwert dargestellt. Für die Anregung bei Energien entsprechend einer Wellenlänge von 266 nm sind die spektralen Eigenschaften von Bacillus thuringiensis und Micrococcus luteus nahezu ähnlich, sodass eine eindeutige Zuordnung unmöglich ist. Allerdings zeigen die Daten für Oligella urethralis ein unterschiedliches spektrales Verhalten, wie in 4 zu erkennen. Für die Anregung bei 355 nm (siehe 5), ist die Unterscheidbarkeit der Fluoreszenzsignale für die drei Proben deutlicher. Durch Verwendung der vollständigen spektralen Datensätze ist die Spezifizität der Klassifikation verbessert und dadurch eine nahezu eindeutige Zuordnung der Bakterienproben möglich.
4 bis 7: Spektral (4 und 5) und zeitlich (6 und 7) aufgelöste LIF-Signale nach Anregung mit Laserpulsen bei Wellenlängen von 266 nm (4 und 6) und 355 nm (5 und 7). Um zeitaufgelöste LIF-Signale zu erhalten, wurden optische Bandpassfilter um 310 nm ( 6) und 460 nm (7) eingesetzt. Für eine bessere Sichtbarkeit der Unterschiede innerhalb der Datensätze zeigen die opaken Linien den Mittelwert von 100 Spektren, die innerhalb einer Sekunde akquiriert wurden und die transparenten Linien zeigen 100 Einzelanregungsspektren, um Anregungsvariationen zu illustrieren. Punktierte Linie: Bacillus thuringiensis; gestrichelte Linie: Micrococcus luteus; durchgezogene Linie: Oligella urethralis.
In Figurgen 6 und 7 sind die korrespondierenden zeitaufgelösten Fluoreszenzdaten dargestellt. Für die Messungen wurden unterschiedliche optische Filter bei 310 nm und 460 nm mit einer optischen Bandbreite von 10 nm vor die Photovervielfacher-Röhren angeordnet. Das zeitabhängige Fluoreszenzsignal der unterschiedlichen Proben, die bei 266 nm angeregt und bei 310 nm gemessen wurden, kann nicht voneinander unterschieden werden. Bei Anregung von 355 nm zeigen die Zeitsignale unterscheidbare Formen.
Die Identifikationsleistung des Systems wurde unter Verwendung des C5.0-Unterscheidungsbaum-Algorithmus bewertet. Ein Datensatz umfasst 500 Einzelpuls-, spektrale und zeitliche LIF-Messungen für jede Bakterienprobe, die analysiert wurde. Innerhalb des Datensatzes wurden 75 % der Daten für Trainingszwecke und 25 % für Testzwecke verwendet. Die Ergebnisse der Klassifikation sind in den Tabellen a) bis c) der 36 dargestellt.
Tabelle der 36: Klassifikationsergebnisse unter Verwendung von a) den spektralen LIF-Daten, b) den zeitaufgelösten LIF-Daten und c) dem kombinierten Datensatz. Spalten: Vorhersagen; Reihen: Referenzen.
Für die spektralen Daten wurde eine Genauigkeit von 97 % erreicht, wohingegen die zeitlichen Daten eine Genauigkeit von 87% lieferten. Für den kombinierten Datensatz beträgt die Genauigkeit 98%, was anzeigt, dass der Fluoreszenzzerfall die Leistung der Klassifikation bestimmt, wenn der kombinierte Datensatz für die drei gewählten Proben verwendet wird.
Literatur

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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 3:
Bericht
Einleitung
In der heutigen Zeit ist die Früherkennung von chemischen und biologischen Gefahrstoffen sowie von Explosivstoffen aufgrund der steigenden Zahl an u.a. Industrieunfällen und terroristisch motivierten Anschlägen ein sehr wichtiges Thema. Speziell die berührungsfreie Detektion von Gefahrstoffen gewinnt immer mehr an Bedeutung, da hierdurch die Gefährdung durch Kontamination beziehungsweise Kontakt von Menschen mit den jeweiligen Gefahrstoffen vermieden werden kann. Hier ist die laserbasierte Ferndetektion eine der vielversprechendsten Methoden, da sie die gezielte, langreichweitige Propagation von relativ hohen Energien erlaubt, was eine Informationsabfrage auf große Distanz ermöglicht. Diesbezüglich wurde am Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Lampoldshausen ein Demonstrationsexperiment zur berührungsfreien Detektion und Klassifizierung von Gefahrstoffen aufgebaut (4).
Aufbauend auf diesem Experiment wurde vorgeschlagen, weiterführende Experimente an einem neuen Versuchsaufbau durchzuführen. In diesen Experimenten wird die Möglichkeit der Identifizierung beziehungsweise Klassifizierung unterschiedlicher Gefahrstoffe anhand von spektral und temporal aufgelösten Fluoreszenzsignalen untersucht. Dieser neue Aufbau wird in diesem Bericht vorgestellt.
Die Abklingzeit der Fluoreszenz in den verantwortlichen chemischen Zusammensetzungen, Fluorophore genannt, liegt meist im niedrigen Nanosekundenbereich (7). Sie kann jedoch auch stark hiervon abweichen und chemisch beeinflusst werden, so dass Lebensdauern von einigen Picosekunden bis hin zu Millisekunden gemessen wurden (2, 5). Für Gemische können die zeitlichen Verläufe der Fluoreszenz aufgrund der unterschiedlichen Beiträge der enthaltenen Fluorophore spektral stark variieren. Dies wurde zum Beispiel für Dieselgemische gezeigt, wobei Lebensdauern im Bereich von 7 ns bis 100 ns in einem Spektralbereich von 300 nm-423 nm gemessen wurden (3). Für Bakterien wurden Fluoreszenzlebensdauern im Bereich von 0.5 ns bis 15 ns gemessen (6). Hier hängt die Abklingzeit stark von der Mikroumgebung der Fluorophore in den Bakterien ab, wodurch eine Unterscheidung einer kleinen Anzahl von untersuchten Bakterien anhand der gemessenen Tryptophan-Fluoreszenzlebensdauer getroffen werden konnte (1).
Es soll untersucht werden in wie weit die Messung der Fluoreszenzlebensdauer als zusätzliche Information zur spektralen Fluoreszenzmessung, bei der Unterscheidung unterschiedlicher chemischer und biologischer Gefahrstoffe genutzt werden kann. Außerdem soll untersucht werden, ob die Klassifizierung mit Hilfe eines kompakteren Aufbaus im Vergleich zu dem vorhandenen Demonstrator-Experiments realisiert werden kann. Es wurde der in 38 schematisch dargestellte experimentelle Aufbau geplant und realisiert.
Für die Klassifizierung der unterschiedlichen Proben wurden in dem Demonstrator-Experiment hoch aufgelöste Spektren mittels einer Kamera basierend auf einer verstärkten ladungsträgergekoppelten Schaltung ("intensified Charge Coupled Device iCCD) aufgenommen. Danach wurde das Fluoreszenzsignal zur Verringerung der Datenmenge über einen gewissen Spektralbereich integriert und analysiert. Um den Aufbau in dem hier untersuchten Experiment kompakter zu realisieren wird zur Aufnahme der Fluoreszenzsignale ein 32 Kanal Photo-Elektronenvervielfachendes Röhren-Array ("Photomultiplier Tube PMT, Hammamatsu 7260a) anstelle einer hochauflösenden iCCD-Kamera verwendet. Dieses liefert anstelle der 1024 Kanäle der iC-CD 32 Kanäle und stellt eine starke Vereinfachung des Systems dar. Jedoch ermöglicht es dieser Aufbau durch die sehr hohe Sensitivität der PMTs (Einzelphotonendetektion) die Echtzeitmessung des zeitlichen Verhaltens der Fluoreszenz mit einer Auflösung im Nanosekunden-Bereich nach Anregung durch einen einzelnen Laserpuls. Damit das Fluoreszenzsignal zeitlich aufgelöst werden kann sollte der Anregungslaserpuls kürzer sein als die Fluoreszenzlebensdauer. Deshalb wurde ein neues Kurzpuls-Lasersystem beschafft, welches Laserpulse mit einer Pulsdauer von <500 ns zur Verfügung stellt. Dieses System wird in Kapitel 2 näher beschrieben. Während des Demonstrator-Experimentes hat sich gezeigt, dass sich die Fluoreszenzsignale bei Anregung mit Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlängen im ultravioletten Spektralbereich unterscheiden, wodurch zusätzliche Informationen für die Charakterisierung genutzt werden können. Deshalb werden in dem hier untersuchten Aufbau ebenfalls zwei Anregungswellenlängen verwendet. Es wird der frequenzverdreifachte und der frequenzvervierfachte Ausgang eines Nd:YAG Lasers der Firma Innolas eingesetzt, wobei zwei Laserpulse mit Ausgangswellenlängen von 266 nm und 355 nm gleichzeitig bereitgestellt werden. Für die Untersuchungen der Zeitabhängigkeit der Fluoreszenz müssen die Laserpulse gegeneinander zeitlich verzögert auf die Probe treffen. Um die Laserpulse zeitlich zu separieren, wurde eine Verzögerungsstrecke geplant, aufgebaut und untersucht. Diese Untersuchungen werden in Kapitel 3 vorgestellt. Nach dem Aufbau und der Charakterisierung des Anregungslasers und der Verzögerungsstrecke wurde das Detektionssystem aufgebaut und ein Experimentierkontrollprogramm entwickelt mit dessen Hilfe die gemessenen Signale aufgenommen und gespeichert werden können. Der Detektionsaufbau wird in Kapitel 4 und die Funktionsweise des Computerprogramms wird in Kapitel 5 vorgestellt. Nach Fertigstellung des experimentellen Aufbaus konnten erste spektrale und zeitliche Verläufe der Fluoreszenz aufgenommen werden, die in Kapitel 6 vorgestellt werden. Am Ende des Berichts in Kapitel 7 werden die bisherigen Ergebnisse zusammengefasst und Zukunftsperspektiven des Experiments diskutiert.
Lasersetup
Für die Untersuchungen wurde das Lasersystem mit den folgenden Spezifikationen ausgeschrieben und beschafft.

• Innolas picolo Magna DPSS:
• Wellenlängen: 266 nm und 355 nm
• Pulsenergie: >30 mJ (266 nm); >30 mJ (355 nm)
• Pulsdauer: <700 ps
• Energiestabilität bei 266 nm <1.5 %
• Energiestabilität bei 355 nm <1.5 %
• Divergenz: <0.5 mrad bei 355 nm
• Strahldurchmesser: ca. 6 mm

Nach der Installation des Lasersystems wurde die Energiestabilität der unterschiedlichen Ausgänge überprüft und die Pulsdauer gemessen. Für die Standardabweichung der Energiestabilität ergaben sich 1.29 % für den 266 nm Ausgang und 1.85 % für den 355 nm, was den Anforderungsgrenzwert leicht überschreitet, sich jedoch nicht negativ auf die Messungen auswirken sollte, da die Stabilität deutlich besser als im Demonstrator-Experiment ist. Des Weiteren wurde die Strahlgröße und die Divergenz (bestimmbar aus der Strahlgröße an zwei voneinander entfernten Positionen) des Laserstrahles mittels der sogenannten Knife-Edge Methode gemessen. Hierbei wurde die Laserleistung während der Translation eines scharfkantigen eloxierten Metallkeils durch den Laserstrahl für unterschiedliche transversale Positionen des Keils gemessen. Mit Hilfe der gemessenen Leistung kann der Strahldurchmesser aus der Anpassung der Parameter der folgenden Funktion an die Messwerte extrahiert werden: $P_{m e a s u r e d} = \frac{P 1}{2} [1 \pm e r f (\frac{\sqrt{2} (X - P 2)}{P 3})]$
Dabei entspricht P1 der maximal gemessenen Leistung, P2 einem Strahl-Positionsparameter und P3 dem zu bestimmenden 1/e-Strahlradius. Wird die Messung an zwei oder mehr Positionen durchgeführt, kann aus der Änderung des Strahldurchmessers der Divergenzwinkel, d.h. die Aufweitung des Laserstrahls relativ zur Strahlausbreitung, bestimmt werden. Die Ergebnisse der Messung sind in den 10 und 11 dargestellt.
10 zeigt die gemessene Laserleistung des 355 nm Ausgangs des Lasers für unterschiedliche transversale Positionen des Metallkeils, gemessen in einem Abstand von 2.1 m von dem Laserausgang.
11 zeigt einen Strahldurchmesser für verschiedene Distanzen des Metallkeils relativ zum Laserausgang.
Aus den Messungen wurde der Strahldurchmesser am Ausgang des Lasers zu ca. 7.3 mm und die Divergenz zu 0.35 mrad bestimmt. Die sehr kleine Divergenz ermöglicht die Nutzung der in Kapitel 3 beschriebenen Verzögerungsstrecke, da sich hierdurch der Strahl auch nach dem Zurücklegen einer Distanz von mehreren 10 m nicht zu sehr aufweitet. In einer weiteren Messung zur Charakterisierung des Lasersystems wurde die Laserpulslänge mittels einer sehr schnellen Photodiode zu ca. 500 ps bestimmt. Dieser Wert liegt unter dem Geforderten und reduziert den Einfluss der Laseranregung auf die Messung der Fluoreszenzlebensdauer im Vergleich zum Demonstrator-Experiment deutlich.
Verzögerungsstrecke
38 zeigt ein Bild der Verzögerungsstrecke. Der Laserstrahl wurde mittels flüssigem Stickstoff sichtbar gemacht. Im Hintergrund sind der Detektionsaufbau (schwarze Einhausung), das Spektrometer (grau auf der schwarzen Einhausung) und das Vertilon PhotoniQ Messgerät (auf dem Laser) zu sehen.
Es wurde eine Verzögerungsstrecke entworfen und aufgebaut, durch die die simultan ausgegebenen Laserpulse mit Wellenlängen von 266 nm und 355 nm um bis zu 120 ns zeitlich separiert werden können. Sie besteht aus zwei leicht zueinander verkippten planaren Spiegeln, wobei der einfallende Laserstrahl durch die Verkippung der Spiegel zueinander zunächst bei jeder aufeinanderfolgenden Reflexion einen kleineren Reflexionswinkel aufweist. Nach einer durch den Verkippungswinkel bestimmten Anzahl an Reflexionen kommt es zu einem Punkt, an dem der Strahl umkehrt und sich der Reflexionswinkel bei den folgenden Reflexionen wieder vergrößert, bis er die Verzögerungsstrecke verlässt. Über den Verkippungswinkel kann zusätzlich ausgewählt werden, in welche Richtung der Strahl aus der Strecke ausgekoppelt wird. Dies ist in veranschaulicht und in zusammen mit Teilen des Versuchsaufbaus dargestellt.
Um die Spiegel in den experimentellen Aufbau zu integrieren und zueinander justieren zu können, wurden zwei Spiegelhalter in unserem Institut entworfen und angefertigt. Diese wurden an die Abmessungen und Justage-Anforderung angepasst, wobei im speziellen die Winkel der beiden Spiegel zueinander sehr genau einstellbar sein mussten. So zeigten theoretische Voruntersuchungen zum Beispiel, dass zur nötigen Separation des Laserstrahls nach der letzten Reflexion, der Winkel der Spiegel zueinander in der horizontalen Achse auf ca. 10 |jrad einstellbar sein muss, was einer Positionierung der Spiegelkanten mit einer Genauigkeit von 2.5 µm entspricht. Um die Justage-Anforderung zu erfüllen wurden die beiden Spiegelhalter so konstruiert, dass ein Spiegelhalter die horizontale Ausrichtung der beiden Spiegel zueinander höchst genau und der andere Spiegelhalter die vertikale Ausrichtung der Spiegel zueinander erlaubt.
Nach der Integration der Strecke in den optischen Aufbau wurde der Strahlengang der Laserpulse des 266 nm und des 355 nm Ausgangs nach dem Durchlaufen der Verzögerungsstrecke überlagert und ihre Leistung mittels einer Photodiode (Bandbreite >7 GHz) zeitaufgelöst gemessen. Die Messung ist in 3 dargestellt.
3 zeigt die gemessene Laserleistung der Laserpulse bei 266 nm (erster Puls) und 355 nm (zweiter Puls). Aus der gemessenen Leistung wurde die zeitliche Verzögerung für eine verschiedene Anzahl an Durchläufen durch die Verzögerungsstrecke bestimmt.
12 zeigt die zeitliche Verzögerung der Laserpulse in Abhängigkeit von der Anzahl an Durchläufen durch die Verzögerungsstrecke.
Aus der Messung wurde die Verzögerung in Abhängigkeit von der Anzahl an Durchlaufen durch die Verzögerungsstrecke bestimmt, die durch die unterschiedliche Weglänge hervorgerufen wird. Es konnten bei einem Spiegelabstand von etwa 85 mm bis zu 40 Reflexionen an den Spiegeloberflächen erreicht werden, was zu einer Verzögerung des zweiten Laserpulses um ca. 120 ns gegenüber dem ersten Laserpuls führt.
Detektionsaufbau und Timing
In 13 ist der Aufbau zur Detektion des Fluoreszenzsignals schematisch dargestellt.
Das von der Probe gestreute Licht wird über einen Parabolspiegel in das in 13 dargestellte Faserbündel gekoppelt und von diesem in das Spektrometer geleitet. Hier wird es über optische Gitter spektral zerlegt und in Abhängigkeit von der Wellenlänge mittels unterschiedlicher Kanäle des PMT-Arrays detektiert. Die dort durch das Fluoreszenzsignal erzeugten elektrischen Signale werden an einen, im nächsten Absatz näher beschriebenen, Ladungsintegrator der Firma Vertilon (PhotoniQ IQSP482) weitergeleitet, wobei vorher jeweils ein Teil des Signals aus vier Kanälen kapazitiv ausgekoppelt wird. Die ausgekoppelten Signale werden genutzt, um mit einem schnellen Oszilloskop das zeitliche Verhalten der Fluoreszenz direkt zu messen. Die Messungen werden von einem Computer gesteuert, an den auch die Messdaten zur Weiterverarbeitung und Speicherung weitergeleitet werden. Der Aufbau, der zur Ladungsintegration benutzt wird, ist in 14 genauer dargestellt.
Die 32 Signale, die von dem PMT-Array aufgenommen werden, werden über eine Schnittstelle (SIB323) an ein Kabel (SBC090P) und über eine weitere speziell angefertigte Schnittstelle (CIB3264) an die 32 Eingänge des Ladungsintegrators weitergeleitet. Die einzelnen Eingänge sind 4 Bänken zugeordnet, wobei jeweils 16 Eingänge einer Bank zugeordnet werden und die Daten jedes Eingangs an zwei Bänken weitergeleitet werden. Wie in 14 zu sehen ist, werden die Bänke 1&2 so angesteuert, dass das Signal des Fluoreszenzspektrums nach Anregung mit Laserstrahlung der Wellenlänge 266 nm zu einer Zeit t₀ + t_propagation über 50 ns integriert wird. Nach einer Verzögerung von t_delay = 120 ns (diese Zeit wird je nach Justage des Verkippungswinkel der Verzögerungsstrecke eingestellt) wird dann die Integration der Bänke 3&4 gestartet, bei der das Signal des Fluoreszenzspektrum nach Anregung mit Laserstrahlung der Wellenlänge 355 nm über 50 ns integriert wird. In den jeweiligen Bänken werden die Signale digitalisiert und dann über einen 32 Kanal parallelen Prozessor und einen 16 bit Signal-Prozessor an den Experimentkontrollcomputer weitergeleitet.
14 ist eine schematische Darstellung der Ladungsintegrationseinheit vertilon Photoniq und Steuerung. 15 zeigt das Timing der Ladungsintegration.
Experimentkontrollprogramm
Es wurde ein Programm mittels des grafischen Programmiersystems Lab-VIEW zur Steuerung des Experiments und zur Datenspeicherung geschrieben. Eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Programmes ist in 16 dargestellt.
16 zeigt eine schematische Darstellung des Computerprogrammes zur Steuerung des Experiments.
Über ein Transistor-Transistor-Logik (TTL) Signal, das von einer National Instruments (NI) Multifunktions-Datenerfassungskarte generiert wird, steuert das Computerprogramm einen Lasershutter, der die Probe vor ungewollter Laserstrahlung schützt. Weiterhin werden die im Kapitel 4 beschriebenen Datenaufnahmegeräte (Vertilon PhotoniQ und Oszilloskop) initialisiert und ausgelesen. Es wurde eine sogenannte "State-machine-Programmstruktur verwendet, bei der nach der Initialisierung des Programms auf Ereignisse gewartet wird und dann je nach Ereignis unterschiedliche Schleifen durchlaufen werden. So können Parameter für die Datenaufnahme geändert und der Lasershutter kontrolliert werden. Wird eine Messung gestartet, werden je nach Einstellung der "measurement sequence Variablen die in genauer dargestellten Messprozeduren durchlaufen.
Die 17 bis 19 zeigen schematische Darstellungen der Messprozedur.
Die kontinuierliche Messung dient hauptsächlich zur Justage des Systems, hier werden nach dem Start aufeinanderfolgende Einzelmessungen durchgeführt und grafisch dargestellt. Bei der Einzelmessung wird nur die spektrale Information ausgelesen und, wenn gewollt, gespeichert. Bei der "spektralen und zeitlichen Messung werden sowohl das Oszilloskop als auch der Ladungsintegrator ausgelesen, die Ergebnisse grafisch dargestellt und, wenn gewünscht, die Daten in zwei unterschiedliche Dateien gespeichert.
In 39 ist die Programmoberfläche zur Kontrolle des Experiments dargestellt.
In der oberen linken Ecke können die Parameter für die Messung eingestellt und die Messprozedur gewählt werden. Die nächsten beiden Unterteilungen dienen der Parametereinstellung des Ladungsintegrators und des Oszilloskops. In der letzten Unterteilung der ersten Zeile können die Parameter wie u.a. der Dateiname für die Speicherung eingestellt werden. In der größeren Unterteilung links können noch generelle Einstellungen wie die Shutterposition kontrolliert werden und es wird hier der aktuelle Systemzustand angegeben. In der Hauptanzeige, im Zentrum, werden die Messergebnisse grafisch dargestellt, wobei die vier kleineren Diagramme die zeitabhängigen Messungen der ausgekoppelten Kanäle darstellen und das größere die spektrale Messung. Am rechten unteren Rand kann das Programm gestoppt werden. Werden Einzelmessungen oder kontinuierliche Messungen durchgeführt wechselt das Programm den Reiter im zentralen Feld und die spektrale Messung wird größer dargestellt.
Vorläufige Ergebnisse
Es wurden erste Messungen an fünf verschiedenen Proben für einen Abstand von 3 m zwischen Probe und Parabolspiegel beziehungsweise Laser durchgeführt. Während der Messungen wurde die Pulsenergie der Laserpulse nicht manuell verändert, wobei die niedrigste Pulsenergie, die mit unserem Energiemessinstrument gemessen werden konnte, ca. 10 µJ war. Da bei dieser Pulsenergie die PMTs von der Fluoreszenz gesättigt waren wurde ein Neutraldichtefilter (ND) der Stärke ND2, also mit einer Durchlässigkeit von 1 %, in den Strahlengang vor der Probe eingebaut und die Pulsenergie vor diesem Filter gemessen. Für die Laserpulse des 266 nm Laserausgangs wurde eine Pulsenergie von 40 µJ gemessen, was einer Pulsenergie von 400 nJ auf der Probe entspricht. Für die Laserpulse des 355 nm Laserausgangs wurde eine Pulsenergie von 15 µJ gemessen, was einer Pulsenergie von 150 nJ auf der Probe entspricht.
In den Spektren sind mehrere Signale auffällig. Zum einen ist bei den Fluoreszenzmessungen bei einer Anregungswellenlänge von 266 nm ein Einbruch des Signals auf Kanal 8 des PMT-Arrays zu sehen. Dies kommt durch einen vor dem Fasereingang befindlichen Kerbfilters zustande. Zusätzlich ist ein starkes Signal auf Kanal 21 zu sehen, welches durch Streulicht des frequenzverdoppelten Ausgangs und eines Restanteils des frequenzverdoppelten Lichts in dem frequenzvervierfachten Ausgang des Lasers hervorgerufen wird. Dies soll zukünftig durch weitere Einhausung des optischen Aufbaus reduziert werden. Weiterhin sind für beide Anregungswellenlängen Einbrüche auf den Kanälen 4, 12 20, 28 zu sehen. Diese kommen durch die kapazitive Auskopplung des Zeitsignals zu Stande. Diese Einbrüche sollen in Zukunft über eine Verbesserung der elektronischen Komponenten und durch eine Überarbeitung der Auskopplungsmechanismen verringert werden.

In den 21 bis 30 zur Zeitabhängigkeit der Fluoreszenz sieht man die vier Kanäle über der Messzeit aufgetragen. Nach ca. 20 ns ist das Fluoreszenzsignal zu sehen, welches durch die Anregung des Laserpulses mit einer Wellenlänge von 266 nm erzeugt wird. Das Signal bei 140 ns wird durch den Laserpuls mit einer Wellenlänge von 355 nm erzeugt, wobei die beiden Laserpulse durch die Verzögerungsstrecke um ca. 120 ns zueinander zeitlich verschoben wurden. Bei den fünf untersuchten Proben können unterschiedliche Zeitkonstanten für die beiden Anregungswellenlängen bestimmt werden. Die aus einem einfachen exponentiellen Fit gewonnen Abklingzeiten sind in Tabelle 1 dargestellt. Die angegebenen Werte entsprechen nicht direkt denen, durch zum Beispiel zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung bestimmten Fluoreszenzlebensdauern, da bei unseren Messungen noch andere Faktoren mit berücksichtigt werden müssen. Die gemessenen Verläufe setzen sich als Faltung des Laserpulses, der gemittelten Fluoreszenzlebensdauer, und der zeitlichen Gerätefunktion der Detektionseinheit zusammen. Weitere Effekte, die die Messungen beeinflussen sind zum Beispiel, eine Sättigung der PMT Signale (zu sehen bei der Messung von Fluorescin), ein Übersprechen der PMT-Kanäle und wie wir vermuten ein sogenannter "Ringing-Effekt der Elektronik des Detektionssystems. Letzterer führt zu den in der Curcumin Messung deutlich zu sehenden Signalschwingungen. Die Sättigung der PMTs und das Übersprechen der Kanäle führt zu einer Veränderung der gemessenen Zeitabhängigkeiten mit der Laserleistung, so dass diese Effekte über eine geschickte Wahl der Laserleistung für möglichst viele Proben so gut wie möglich vermieden und über die gleichzeitige Messung der Laserleistung berücksichtigt werden müssen. Es muss jedoch auch gesagt werden, dass für die Unterscheidung der Proben über das gemessene zeitliche Verhalten der Fluoreszenz die Fluoreszenzlebensdauer nicht genau gemessen werden muss, sondern reproduzierbar unterscheidbare zeitliche Verläufe für die Identifizierung genutzt werden können. Insgesamt zeigt die Unterschiedlichkeit der gemessenen Zeitabhängigkeiten, dass ein Informationsgewinn für die Detektion und die Klassifizierung der untersuchten Stoffe durch die Aufnahme des zeitlichen Verlaufs der Fluoreszenz vorhanden ist. In wie weit diese Unterscheidbarkeit für die Klassifizierung genutzt werden kann muss über Reproduzierbarkeitsmessungen und eine Erweiterung der untersuchten Stoffe untersucht werden. Tabelle 1: Abklingzeit bestimmt aus einfachem exponentiellen Fit

Probe	Fluorescin	Diesel	Curcumin	Tryptophan &NADH	Bacillus Thuringiensis
266nm
Kanal 1	-	9.1	-	-	5.1
Kanal 2	-	10.5	3.8	6.1	-
Kanal 3	9.6	11.8	-	1.2	-
Kanal 4	8.6	-	-	-	-
355nm
Kanal 1	-	-	-	-	-
Kanal 2	-	10.4	3.9	1.9	7.8
Kanal 3	7.7	12.1	2.7	1.9	6.4
Kanal 4	7.9	-	-	-	-

21 und 22: Fluorescin in Wasser. 21 zeigt gemessene Spektren, 22 gemessene Zeitabhängigkeiten.
23 und 24: Diesel in Wasser. 23 zeigt gemessene Spektren, 24 gemessene Zeitabhängigkeiten.
25 und 26: Curcumin in Aceton. 25 zeigt gemessene Spektren, 26 gemessene Zeitabhängigkeiten.
27 und 28:NADH und Tryptophan in Wasser. 27 zeigt gemessene Spektren, 28 gemessene Zeitabhängigkeiten.
29 und 30:Bacillus Thuringiensis. 29 zeigt gemessene Spektren, 30 gemessene Zeitabhängigkeiten.
Zusammenfassung und Ausblick
In den vorstehenden Abschnitten 1 bis 6 des Berichts wurde der aufgebaute und charakterisierte experimentelle Aufbau zur Identifikation beziehungsweise Klassifizierung von Gefahrstoffen vorgestellt. Hierfür wurden zunächst der gesamte optische Aufbau und die Charakterisierung des beschafften Lasers beschrieben. Danach wurde die selbst entwickelte Verzögerungsstrecke sowie deren Halterung vorgestellt und Messungen der Funktion der Strecke beschrieben (Abschnitt 3). Danach wurde in Abschnitt 4 der für die Detektion der spektralen und temporalen Fluoreszenzsignale benutzte optoelektronische Aufbau vorgestellt und das Versuchstiming näher beschrieben. In dem darauffolgenden Abschnitt 5 wurde das selbsterstellte Programm zur Steuerung des Experiments beschrieben. Im letzten Kapitel wurden dann erste Messergebnisse für fünf verschiedene Stoffe vorgestellt und es konnte gezeigt werden, dass für diese Stoffe ein Informationsgewinn durch die Aufnahme der Zeitabhängigkeit der Fluoreszenz erlangt werden kann. Nach einer Untersuchung der Verbesserungsmöglichkeiten der Detektionselektronik soll in Zukunft die Reproduzierbarkeit der zeitlichen Messungen untersucht werden. Außerdem soll eine größere Menge an Gefahrstoffen untersucht und ein Klassifizierungsalgorithmus für diese Stoffe implementiert werden, so dass dieses System als Gefahrstoffdetektionseinheit genutzt werden kann.
Literatur
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Bezugszeichenliste

10: System
12: Strahlungsquelle
14: Laser
16: Probe
18: Verzögerungseinrichtung
20: Spiegel
22: Spiegel
24: Fluoreszenzstrahlung
26: Nachweisoptik
28: Parabolspiegel
30: Faserbündel
32: Faserbündel
34: Spektroskopieeinrichtung
36: Gitterspektrometer
38: Signalleitung
40: Datenerfassungseinrichtung
42: Datenverteilung
44: Computer
46: PMT
48: Signalleitung
50: Oszilloskop
52: Signalleitung
54: Detektionseinrichtung
56: PMT-Array
58: Signalleitung
60: Lasersteuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims

Verfahren zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, bei welchem Verfahren eine mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff enthaltende, umfassende oder tragende Probe (16) mit mindestens einem Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einem Laserpuls, einer Anregungswellenlänge zur Fluoreszenz angeregt wird, bei welchem Verfahren eine Intensität von von der Probe (16) aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung (24) wellenlängenabhängig gemessen wird und bei welchem Verfahren ein Abfall der Intensität der von der Probe (16) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich zeitabhängig gemessen wird, bei welchem Verfahren mindestens ein Referenzspektrum in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen und/oder biologischen Stoffs und in Form mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs bereitgestellt wird, wobei die gemessene wellenlängenabhängige Intensität und die gemessene zeitabhängige Intensität der von der Probe (16) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum verglichen werden zum Bestimmen, ob die Probe (16) den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die wellenlängenabhängige Messung der Intensität der von der Probe (16) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) und die Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden und/oder b) die Probe (16) mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Fluoreszenz angeregt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (16) mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander zur Fluoreszenz angeregt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Anregungspuls elektromagnetischer Strahlung einer Anregungswellenlänge mit mindestens einem Anregungslaser (14) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle (12) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse unterschiedlicher Wellenlänge mit einer monochromatischen Strahlungsquelle (12) im Zusammenwirken mit einer nichtlinearen Optik erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anregungspulse von der Strahlungsquelle (12) gleichzeitig erzeugt und anschließend zeitlich separiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens zwei Anregungspulse zeitlich separiert werden derart, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe (16) und/oder b) mit den mindestens zwei Anregungspulsen derselbe räumliche Bereich der Probe (16) angeregt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgrund des mindestens einen Anregungspulses von der Probe (16) emittierte Fluoreszenzstrahlung (24) mit einem Spektrometer (34) wellenlängenabhängig gemessen wird, wobei insbesondere mit dem Spektrometer (34) wellenlängenabhängig elektronische Messsignale erzeugt werden, wobei weiter insbesondere a) ein Teil der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale ausgekoppelt und ein Intensitätsverlauf derselben zeitabhängig gemessen wird, insbesondere mit einem Oszilloskop (50) oder einer schnellen Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer, und/oder b) die wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum gemittelt werden.
System (10) zur Klassifizierung chemischer und/oder biologischer Stoffe, insbesondere von Gefahrstoffen, welches System (10) mindestens eine elektromagnetische Strahlungsquelle (12), insbesondere in Form eines Lasers (14), zum Erzeugen mindestens eines Anregungspulses zum Anregen einer mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff enthaltenden, umfassenden oder tragenden Probe (16) zur Fluoreszenz umfasst, welches System (10) eine erste Spektroskopieeinrichtung (34) zum wellenlängenabhängigen Messen einer Intensität von von der Probe (16) aufgrund der Anregung mit dem mindestens einen Anregungspuls emittierter Fluoreszenzstrahlung (24) und eine zweite Spektroskopieeinrichtung (34) zum zeitabhängigen Messen einer Intensität der von der emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) für mindestens eine Wellenlänge und/oder einen Wellenlängenbereich umfasst, welches System (10) eine Speichereinrichtung zum Speichern mindestens eines Referenzspektrums in Form mindestens eines wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums mindestens eines chemischen und/oder biologischen Stoffs und mindestens eines zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrums des mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoffs umfasst und welches System (10) eine Vergleichseinrichtung (44) zum Vergleichen der gemessenen wellenlängenabhängigen Intensität und der gemessenen zeitabhängigen Intensität der von der Probe (16) emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) mit dem mindestens einen wellenlängenabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum und dem mindestens einen zeitabhängigen Referenzfluoreszenzspektrum umfasst zum Bestimmen, ob die Probe (16) den mindestens einen chemischen und/oder biologischen Stoff einer Stoffklasse enthält oder nicht.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum zeitgleichen oder im Wesentlichen zeitgleichen Durchführen der wellenlängenabhängigen Messung der Intensität der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) mit der ersten Spektroskopieeinrichtung (34) und der Messung des zeitabhängigen Abfalls der von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahlung (24) mit der zweiten Spektroskopieeinrichtung (34).
System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass a) das System (10) ausgebildet ist zum Anregen der Probe (16) zur Fluoreszenz mit mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung in einem kurzen Zeitabstand voneinander und/oder b) dass das System (10) ausgebildet ist zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Anregungswellenlänge in einem kurzen Zeitabstand voneinander und/oder c) die mindestens eine Strahlungsquelle (12) in Form eines Anregungslasers (14) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse mit einer einzigen Strahlungsquelle (12), insbesondere mit unterschiedlicher Wellenlänge.
System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) mindestens eine monochromatische Strahlungsquelle (12) und eine mit dieser zusammenwirkende nichtlineare Optik umfasst zum Erzeugen von mindestens zwei Anregungspulsen unterschiedlicher Wellenlänge.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum gleichzeitigen Erzeugen der mindestens zwei Anregungspulse und dass das System (10) eine Verzögerungseinrichtung (18) umfasst zum zeitlichen Separieren der gleichzeitig erzeugten mindestens zwei Anregungspulse, wobei insbesondere die Verzögerungseinrichtung (18) ausgebildet ist zum zeitlichen Separieren der mindestens zwei Anregungspulse derart, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anregungspulsen größer ist als eine Fluoreszenzabklingzeit der Probe (16).
System nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ausgebildet ist zum Anregen desselben räumlichen Bereichs der Probe (16) mit den mindestens zwei Anregungspulsen.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spektroskopieeinrichtung (34) eine wellenlängenabhängige Detektionseinrichtung (54) umfasst, insbesondere in Form eines Elektronenvervielfacher-Arrays (56).
System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (54) ausgebildet ist zum wellenlängenabhängigen Erzeugen elektronischer Messsignale.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Signalverarbeitungseinrichtung (40) umfasst zum Auskoppeln eines Teils der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale und zum Messen eines zeitabhängigen Intensitätsverlauf der ausgekoppelten Messsignale, wobei insbesondere die Signalverarbeitungseinrichtung (40) a) ein Oszilloskop (50) oder eine schnelle Analog-Digital-Wandler-Karte für einen Computer umfasst und/oder b) die Signalverarbeitungseinrichtung (40) eine Integrationseinrichtung umfasst zum Mitteln der wellenlängenabhängig erzeugten elektronischen Messsignale über einen Messzeitraum.
Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 10 bis 19 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.