Monochromator - Berthold Technologies GmbH & Co.KG

Was ist ein Monochromator?

Ein Monochromator ist ein optisches Gerät, das polychromatisches Licht (z.B. Sonnenlicht oder Licht aus einer Lichtquelle) in einen Bereich von Einzelwellenlängen (monochromatisches Licht) trennt und die Auswahl eines schmalen Bandes dieser Einzelwellenlängen ermöglicht. Das Licht des gewünschten Wellenlängenbandes wird dann auf eine Probe, einen Detektor oder andere Komponenten des optischen Systems gelenkt.

Prinzip eines Monochromators

Die Zerlegung von Licht in seine Wellenlängenbestandteile nennt man Dispersion. Ein Element mit dieser Eigenschaft wird als dispersives Element bezeichnet. Um ein schmales Band dieser Wellenlängen auszuwählen, kann ein Spalt verwendet werden, der die unerwünschten Wellenlängen blockiert. Je schmaler der Spalt, desto schmaler ist das Wellenlängenband. Im Allgemeinen besteht ein Monochromator aus einem dispersiven Element, einem Eingangsspalt, Spiegeln zur Erzeugung eines parallelen, dem Sonnenlicht ähnlichen Strahls, einem Ausgangsspalt und Spiegeln zur Extraktion des monochromatischen Lichts.

Durch Fixierung des Schlitzes und Drehung des dispersiven Elements wird die Richtung des gestreuten Lichts so gedreht, dass sich die Farbe des resultierenden monochromatischen Lichts ändert: Wie Sie in Abbildung 1 in der oberen Tafel sehen können, bewirkt die Position des dispersiven Elements, dass orange-rotes Licht aus dem Schlitz austritt, während sich in der unteren Tafel das dispersive Element dreht, so dass das aus dem Schlitz austretende Licht cyanfarben ist.

Abbildung 1: Prinzip eines Monochromators

Die verschiedenen Monochromatortypen

Abhängig von der Art des verwendeten dispersiven Elements und der optischen Anordnung des Systems können Monochromatoren in verschiedene Typen eingeteilt werden:

Prismen-Monochromatoren

Bei Prismenmonochromatoren ist das dispersive Element ein Prisma. Prismen haben eine hohe Lichtausnutzungseffizienz und erzeugen kein Licht höherer Ordnung und sehr geringes Streulicht. Die Dispersion ist jedoch von der Wellenlänge (hoch für UV, niedrig für IR) und der Temperatur abhängig.

Abbildung 2: Prinzip eines Czerny-Turner-Monochromators

Gitter-Monochromatoren

In Gittermonochromatoren ist das dispersive Element ein reflektierendes Beugungsgitter. Es bietet eine konstante Dispersion für alle Wellenlängen und eine geringe Abhängigkeit von der Temperatur. Sie erzeugen jedoch relativ große Mengen an Streulicht und erfordern den Einsatz von Filtern, um Licht höherer Ordnung zu blockieren. Aufgrund ihrer überlegenen Dispersionseigenschaften werden Beugungsgitter häufig in modernen Geräten eingesetzt.

Die beliebteste Ausführung für Gitter-Monochromatoren in Mikroplatten-Lesegeräten und Spektrophotometern ist der Czerny-Turner-Monochromator. Dieser Monochromatortyp verwendet gekrümmte Spiegel, so dass das vom Spiegel reflektierte Licht aus dem Spalt kollimiert wird (Abbildung 2).

Monochromator-Anwendungen

Monochromatoren werden häufig in Messgeräten wie Spektrometern und Mikroplatten-Readern verwendet. Sie sind ein beliebtes Bauelement für die Wellenlängenauswahl in einer Reihe von Detektionstechnologien, wie z.B. Absorption und Fluoreszenzintensität.

Einzel-, Doppel- und "Vierfach"-Monochromatoren

Ein wichtiges Merkmal jedes Wellenlängenauswahlsystems ist seine Blockierungseffizienz, d.h. die Fähigkeit, andere Wellenlängen als die gewünschten zu blockieren. Monochromatoren leisten eine sehr gute Arbeit bei der Auswahl der gewünschten Wellenlänge, aber nicht so gut bei der Blockierung unerwünschter Wellenlängen: die Lichtmenge bei unerwünschten Wellenlängen, die den Monochromator durchläuft, beträgt typischerweise 1/1000 der Gesamtmenge. Mit anderen Worten, ein typischer (einzelner) Monochromator hat eine Blockierungseffizienz von 10^-3.

Das mag wie eine gute Effizienz erscheinen, ist es aber nicht, wenn der Monochromator in Fluoreszenz-basierten Anwendungen eingesetzt wird, da das Emissionslicht 1000 Mal schwächer ist als das Anregungslicht. Das bedeutet, dass bei einer Blockierung von 10^-3 das Licht, das den Detektor erreicht, zu 50 % aus emittiertem Licht und zu 50 % aus unerwünschtem Licht bestehen würde! Daher wären Messungen, die mit diesem Aufbau durchgeführt werden, nicht zuverlässig. Dieses Problem kann durch die Verwendung von zwei in Reihe geschalteten Monochromatoren gelöst werden, deren mechanische Systeme hintereinander geschaltet sind, so dass beide die gleiche Wellenlänge wählen: Die Kombination von 2 Einzelmonochromatoren mit einer Blockierungseffizienz von 10^-3 ergibt einen sogenannten "Doppel"-Monochromator mit einer Blockierungseffizienz von 10^-6. Dieser Blockierungsgrad stellt sicher, dass das unerwünschte Licht, das den Detektor erreicht, niedrig genug ist, um zuverlässige Ergebnisse zu liefern.

Einige Instrumente verwenden den Begriff "Quad"- oder "Vierfach"-Monochromatoren, was aber nicht bedeutet, dass sie 4 Einzelmonochromatoren für eine supereffiziente Blockierung von 10^-12 kombinieren. In Wirklichkeit haben sie 2 Doppelmonochromatoren, einen für Absorption und Anregung und einen weiteren für die Emission, wie der Tristar 5.

Alternativen zu Monochromatoren

In Mikroplatten-Readern sind Monochromatoren nicht die einzige Möglichkeit, einen bestimmten Wellenlängenbereich auszuwählen. Es gibt andere beliebte Alternativen:

Filter

Filterbasierte Instrumente sind erschwinglich und bieten dank der hohen Durchlässigkeit und Blockiereigenschaften von Filtern eine gute Sensitivität. Ihnen fehlt es jedoch an Flexibilität, da Filter eine feste Wellenlänge und Bandbreite haben, so dass für die Messung mehrerer Wellenlängen in der Regel mehrere Filtersätze erforderlich sind.

LED

Die meisten Instrumente verwenden als Lichtquelle Wolfram- oder Xenonlampen, die weißes Licht liefern. Es ist jedoch auch möglich, stattdessen LEDs zu verwenden, die monochromatisches Licht liefern. Ihre Flexibilität ist jedoch noch begrenzter als die von Filtern, da für jede einzelne Wellenlänge eine andere Lichtquelle benötigt wird und sie daher normalerweise nur in preiswerten Instrumenten zur Messung spezifischer Assays eingesetzt werden.

Laser

Laser erzeugen auch hoch monochromatisches Licht hoher Intensität, sind aber teuer und nur einige Laser sind leicht abstimmbar, so dass normalerweise für jede gewünschte Wellenlänge ein anderer Laser benötigt wird. Sie sind normalerweise auf sehr spezifische Assays, wie z.B. AlphaScreen® beschränkt.

Spektrograph/Polychromator

Wenn ein bildgebendes Gerät den Ausgangsspalt ersetzt, ist das Ergebnis die Grundkonfiguration eines Spektrographen. Diese Konfiguration ermöglicht die gleichzeitige Analyse der Intensitäten einer breiten Farbpalette durch die Verwendung einer Anordnung von Fotodetektoren wie z.B. eines CCD. Ein solches Instrument kann das gesamte Spektrum ohne mechanische Abtastung (und damit recht schnell) aufzeichnen, obwohl es möglicherweise Kompromisse in Bezug auf Auflösung oder Empfindlichkeit gibt, und ist normalerweise nur für die Absorption geeignet.

Der Begriff Polychromator wird manchmal anstelle von Spektrographen verwendet, aber sie sind nicht genau gleich: Polychromatoren haben mehrere Ausgangsspalte, von denen jeder eine andere Wellenlänge durchlässt, und hinter jedem Spalt ist ein Detektor angeordnet, so dass das Licht bei jeder Wellenlänge von einem anderen Detektor gemessen wird; Spektrographen, wie oben erklärt, verwenden keine Ausgangsspalte, sondern einen einzigen räumlich selektiven Detektor.

Hybridinstrumente

Um eine kompromisslose Leistung zu bieten, kombinieren fortschrittliche Mikroplatten-Lesegeräte verschiedene Mittel zur Wellenlängenauswahl, so dass für jeden Assay das beste ausgewählt werden kann. Der Tristar 5 verfügt beispielsweise über Filter und Monochromator, und zusätzlich über einen Laser für AlphaScreen®-Messungen.

Möchten Sie mehr über die Verwendung von Monochromatoren in Mikroplatten-Readern und ihre wichtigsten Spezifikationen für Absorptions- und Fluoreszenzmessungen erfahren? Dann lesen Sie den folgenden Artikel:

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