Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur photometrischen Bestimmung von organisch-chemischem Material in Mikrobereichen von ≳ 5 µm Meßfleckgröße einer Probe, durch Absorptionsmessung in einem Mikroskopphotometer in Transmission oder Reflexion sowie auf ein dafür geeignetes Mikroskopphotometer bzw. einen dafür geeigneten Mikroskopaufsatz und besonders zweckmäßigen Monochromator.

Die ortsauflösende Ermittlung der chemischen Be­schafenheit ist in einer Vielzahl von Fällen von großem Interesse. Im Bereich der anorganischen Chemie haben sich bereits eine Vielzahl von ele­mentspezifischen Mikrosonden für qualitative und quantitative Analysen etabliert. Im Bereich der organischen Chemie besteht dagegen ein erheblicher Nachholbedarf an ortsauflösenden Analysenmethoden, obwohl sich diverse Anwendungsfälle anbieten, wie der Kontaminationsnachweis in der Halbleiterferti­gung, Probleme bei der Kunstfaser- und Folienher­stellung sowie der Bereich der Forensik und der Erdölexploration.

Bekannt ist bereits eine ortsauflösende Infrarot­spektroskopie, für die Fourier-Transform-Infra-­ Rot-(FTIR)-Geräte in Verbindung mit Spiegelmikro­skopzusätzen angeboten werden, mit denen eine ortsauflösende Analyse in Mikrobereichen möglich ist, wobei allerdings ein Meßfleckdurchmesser von typischerweise ca. 50 µm und hohe Gerätekosten in Kauf genommen werden müssen.

Ferner gibt es (etwa doppelt so teure) Laser-Raman-­Mikrosonden, mit denen ähnliche Informationen bei Spotgrößen von minimal 1 µm erhalten werden können, allerdings nur von nichtfluoreszierendem Probenma­terial, das trotz der hohen lokalen Strahlenbela­stung keine photochemischen Veränderungen erleidet.

Der breitgestreute Einsatz so teurer Geräte in Bereichen mit begrenzter Aufgabenstellung, wie z. B. der Untersuchung des Abdecklacks (bzw. von Lackresten) auf Siliciumwafern in der Halbleiter­industrie, Homogenitätsüberprüfung von Kunststoff­isolierfolien, Identitätskontrolle von Kunststoff­beschichtungen auf Verpackungsmaterialen, Menge des aliphatischen Kohlenstoffs in Erdölmutterge­steinen, verbietet sich weitgehend von selbst.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein mit sehr viel geringerem Aufwand zu reali­sierendes Verfahren für eine ortsauflösende Be­stimmung von organisch-chemischem Material, insbe­sondere von Kohlenwasserstoffen, vorzusehen, das für zahlreiche Fragestellungen einsetzbar ist.

Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Absorption mit hoher Rauschunterdrückung im Wellenlängenbereich von 1600 bis 1800 nm und/oder 1400 bis 1600 nm ermit­telt.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß Lichtmikroskope mit Glaslinsenbestückung, insbesondere aber solche mit Quarzlinsenbestückung, bis ins nahe Infrarot von λ > 1000 nm (NIR) transparent sind. In diesem Spektralbereich absorbieren Kohlenwasserstoffe wegen Kombinations-und Obertönen von C-H-Schwingungen bei Wellenlängen zwischen 1600 und 1800 nm, insbe­sondere 1640 bis 1800 nm, so daß diese Absorption für die analytische Bestimmung ausgenutzt werden kann. Daneben sind Absorptionen im N-H-Schwingungs­bereich von 1400 bis 1600 nm, insbesondere 1450 bis 1580 nm für analytische Zwecke ausnutzbar. Die Meßfleckgröße liegt dabei über etwa 5 µm, insbeson­dere bei etwa 25 µm und größer.

Um die NIR-Absorptionen für den analytischen Nach­weis befriedigend ausnutzen zu können, ist eine besonders gute Rauschunterdrückung zweckmäßig, da die NIR-Absorptionen relativ schwach sind (etwa um den Faktor 20 schwächer als die Absorptionen im mittleren IR). Bei einem ausreichend hohen Signal/­Rauschverhältnis kann jedoch die NIR-Absorptions­messung vergleichbar gute Ergebnisse oder sogar noch bessere liefern.

Wesentlich sind die spektrale Leistungsdichte der Lichtquelle im NIR, die z. B. durch Halogenlampen befriedigend gewährleistet werden kann und die hohe Empfindlichkeit des Detektors, der vorzugs­weise im Wechsellichtbetrieb bzgl. Intensität oder Wellenlänge in Verbindung mit Lock-In-Technik betrieben wird.

Zwar sind Mikroskopphotometer an sich bereits bekannt (siehe DE-OSen 26 28 551 und 27 42 957), ihr Einsatz und spezielle Anpassung für die Be­stimmung von organischem Material, insbesondere in der Kohlepetrographie wurde jedoch bislang nicht in Erwägung gezogen.

Grundsätzlich ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch einen der Ermittlung von NIR-Absorptionen angemessenen Mono­chromator gekennzeichnet, der als Zusatz zu einem Lichtmikroskop im Strahlengang vor oder hinter dem Objekttisch angeordnet ist, sowie einen NIR-Detek­tor am bildseitigen Ausgang des Mikroskops sowie eine Meßfeldblende und vorzugsweise eine Intensi­täts- oder Wellenlängenmodulation, speziell bei wechselstromempfindlichen Detektoren, die zusammen mit frequenz-und phasenempfindlicher Signalverstär­kung in Lock-In-Technik für eine besonders bevor­zugte Erhöhung des Signal/Rauschverhältnisses geeignet sind.

Als Monochromator wird insbesondere ein angepaßtes Interferenzfilter mit Einrichtungen zur Veränderung seines Winkels im Strahlengang zwischen 0 und 90° vorgesehen. Ein solcher Monochromator kann beson­ders klein ausgeführt werden, wenn er in der Bild­ebene oder einer dazu konjugierten Ebene angeordnet wird. Bei Stellung senkrecht zum Strahlengang sollte das Durchlaßmaximum insbesondere bei 1800 nm (für C-H-Absorptionsmessungen) oder bei 1600 nm (für N-­H-Absorptionsmessungen) liegen und die Bandbreite ≾ 20 nm sein und insbesondere ca. 10 nm ausmachen. Zusätzlich kann auch die Absorption im O-H-Schwingungsbereich von 1900 - 1950 nm mit einem entsprechenden Filter mit Durchlaßmaximum bei ∼ 2000 nm wahrgenommen werden.

Weitere Besonderheiten gehen aus den Patentan­sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen hervor; es zeigen schema­tisch:

• Fig. 1 - 3 erfindungsgemäß ausgerüstete Lichtmikroskope;
• Fig. 4 ein Schaltschema für die Versorgung und Steuerung der erfindungsgemäßen Elemente zur NIR-Absorptionsmessung mit der Signalverarbeitung bzw. -verstärkung und -ausgabe;
• Fig. 5 Interferenzfilter-Durchlaßkurven für unterschiedliche Winkelstel­lungen des Filters relativ zum Strahlengang;
• Fig. 6 eine Absorptionskurve für Tasmanales-­Algen;
• Fig. 7 und 8 zwei unterschiedliche Filterdreh­anordnungen; und
• Fig. 9 Kurven für die relative Extinktion von Copolymeren aus Styrol und rein aliphatischem Monomeren mit unter­schiedlichen Styrolanteilen.

Gemäß Figur 1 ist ein handelsübliches Mikroskop 1, z. B. der Firma Carl Zeiss, mit einer Halogenlampe 2 für Transmissionsstrahlengang und 3 für Auflicht-­Mikroskopie versehen. Ein Monochromator 4 für die gewünschten NIR-Meßbereiche kann entweder direkt vor der jeweiligen Halogenlampe (4₁ und 4₂) vorge­sehen sein oder in Stellung 4₃ am Kamera- bzw. Photometerausgang. An diesem Ausgang sitzt ab­schließend ein NIR-Detektor 5, der insbesondere durch einen peltiergekühlten PbS-Detektor oder irgendeinen anderen rauscharmen NIR-Detektor ge­bildet werden kann. Der als Beispiel genannte PbS-­Detektor benötigt pulsierenden Lichtstrom, weshalb insbesondere zusammen mit dem Monochromator ein (nicht näher gezeigter) Chopper (Lichtzerhacker) vorgesehen wird, der an allen 3 Monochromatorposi­tionen vorgesehen sein kann oder auch unmittelbar zusammen mit dem Detektor. Dieser Chopper ist für die bevorzugte Arbeitsweise in Lock-In-Technik nützlich, mit der besonders zweckmäßige Signal/­Rauschverhältnisse erzielt werden können (wie weiter unten näher angegeben ist). Eine Intensitäts­modulation kann ggf. auch mittels einer entsprechend geeigneten Beleuchtungsquelle (z. B. Xe-Lampe) durch Modulation des Lamp-enstroms erreicht werden.

An Stelle der Intensitätsmodulation kann aber auch eine Modulation mit dem Filter allein (ohne Chopper) erreicht werden: eine kleine Vibration um die Arbeitsposition der gewählten Wellenlänge führt zu einem wellenlängenmodulierten Signal. Mißt man das Signal am Lock-In-Verstärker nur mit der doppelten Referenzfrequenz, so erhält man ein Signal, das proportional zur Ableitung des Absorptionsspektrums und damit auch konzentrations­proportional ist. Auf diese Weise kann auch ohne Chopper gearbeitet werden und eine größere Un­empfindlichkeit bezüglich der Drift der Basis­linie und des Rauschanteils erreicht werden.

Bei Mikroskopen ohne eigenen Photometerkopf über­nimmt eine Blende im Detektor die Begrenzung des bildseitigen Meßflecks.

Figur 2 zeigt als Einfachversion für Standard­mikroskope mit Durchlichtbeleuchtung 2 ohne Photo­meterkopf ein komplettes Modul 7 aus Monochromator, Chopper, Meßfeldblende und NIR-Detektor am Kamera­ausgang des Mikroskops.

Figur 3 zeigt einen im Bereich der Kohle- und Sedimentmikroskopie bekannten Mikroskop-Photometer­meßplatz mit Fluoreszenzbeleuchtung mit Anpassung an NIR-Absorptionsmessungen gleichzeitig mit der Vitrinitreflexionsbestimmung, bei dem bildseitig ein Photometerkopf mit variabler Meßfeldblende montiert ist. Dieser umfaßt eine UV-Auflichtlampe 8 für die Fluoreszenzbeobachtung sowie eine Halo­genlampe 8′, welche über das Schaltspiegelhaus 16 zur Durchlicht-und Auflichtbeleuchtung dient und vom Chopper 9 moduliert wird. Der Photometerkopf­ausgang ist mit einem Monochromator 10 versehen, an den über einen Strahlteiler 11 (oder Klapp­spiegel) ein NIR-Detektor 5 sowie ein Photomulti­plyer 6 anschließen. Der Photomultiplyer dient zur Messung der Vitrinitreflexion.

Alternativ zur Kombination aus Strahlteiler 11, NIR-Detektor 5 und Photomultiplyer 6 kann ein kombinierter Detektor 17 verwendet werden, der aus einem Si-Diode/PbS-Zelle-Sandwich-Detektor besteht. Die statt des Photomultiplyers vorgesehene Si-­Diode mißt die Vitrinitreflexion, was trotz der geringeren Empfindlichkeit durch Lock-In-Meßtechnik ermöglicht wird. Gleichzeitig schützt sie die gegen UV und sichtbares Licht empfindliche PbS-­Zelle, indem sie nur NIR-Strahlung durchläßt. Die Selektion der für die Vitrinitreflexion erforder­lichen Wellenlänge von 546 nm erfolgt durch ein in den Strahlengang einschaltbares Filter. Bei geeig­ neter Herstellung des Filters im Monochromator 10 kann dieser auch diese Funktion übernehmen.

Figur 4 zeigt ein Schaltungsschema für Versorgung und Steuerung des erfindungsgemäßen Mikroskop­photometers mit angeschlossener Signalverarbeitung: Die Halogenlampe 8′ wird von einem hochstabili­sierten Netzgerät versorgt, wie es für Vitrinit­reflexionsmeßplätze üblich ist. Wahlweise kann das Netzgerät zur Erhöhung der Lampenstabilität mit einem Eingang für einen optischen Meßfühler ver­sehen sein, mit dessen Hilfe die optische Licht­abgabe der Lampe konstant gehalten wird.

Der Chopper wird über einen Kontroller hochkonstant auf einer Chop-Frequenz gehalten, die kein Viel­faches der Netzfrequenz oder anderer niederfrequen­ter Störungen sein soll. Vorzugsweise entspricht der Betrag einer Primzahl. Im Testaufbau wurden für den gekühlten PbS-Detektor als Chop-Frequenz 141 Hz verwendet, für Raumtemperaturdetektoren erwies sich 523 Hz als günstig. Vom Kontroller wird ein Referenzsignal an den frequenz- und pha­senempfindlichen Verstärker (Lock-In-Verstärker) abgegeben.

Der Miniatur-Monochromator wird weiter unten be­schrieben. Die gewünschte Wellenlänge wird elek­trisch über einen Kontroller eingestellt, der von einem Kleinrechner angesteuert wird.

Der Detektorkopf wird über ein Versorgungsmodul mit Spannung für den internen Vorverstärker sowie Strom für die elektrische Peltierkühlung versorgt. Der Wechselspannungsanteil des NIR-Meßsignals wird dem Lock-In-Verstärker zugeführt und dort in fester Frequenz- und Phasenbeziehung zur Chop-Frequenz (Referenzsignal) verstärkt. Andere nicht frequenz-­und phasensynchrone Signale werden vom Lock-In-­Verstärker unterdrückt. Diese Anordnung verhindert Falschlichteinfluß durch Umgebungslicht (das Mi­kroskop ist optisch "offen"), so daß ohne Abdunk­lung gemessen werden kann, und reduziert andere Störsignale wie Detektorrauschen etc.

Der Kleinrechner übernimmt die Ansteuerung des Monochromators, die Meßwertaufnahme sowie die Meßwertauswertung. Die Ergebnisse können dann auf einem Plotter sowie einem Drucker dargestellt werden.

Als Monochromator, der insbesondere bei Anordnung in der Bildebene oder einer dazu konjugierten Ebene besonders klein ausgeführt werden kann und daher im nachfolgenden als "Miniatur-Monochromator" bezeichnet wird, dient ein speziell angefertigtes Interferenzfilter, das sowohl im Beleuchtungs- wie auch im bildseitigen Strahlengang eingesetzt werden kann. Durch Veränderung des Winkels dieses Inter­ferenzfilters zum Strahlengang von 90° bis 0° wird die Durchlaßkurve desselben geändert, wie in Figur 5 für C-H-Aborptionsmessungen angedeutet ist, die unterschiedliche Durchlaßkurven für unterschied­liche Winkelstellungen des Filters zeigt. Wie man sieht, wird die maximale Durchlässigkeit mit zu­nehmender Verkippung (α) gegenüber der Senkrecht­stellung zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben. (Bei α = 90° ist das Filter aus dem Strahlengang geschwenkt und es können dann in konventioneller Weise Beobachtungen unter normalem (Weiß) licht in Transmission oder Reflexion durchgeführt werden.)

Figur 6 zeigt eine NIR-Absorptionskurve für fossile Algen, die in der Erdölexploration von Bedeutung sind. Diese Kurve wurde mit einem Interferenzfilter mit einem Durchlaßmaximum in senkrechter Stellung von 1800 nm und einer mittleren Bandbreite von etwa 12 nm aufgenommen, wobei durch Verkippen des Filters ein Spektralbereich von etwa 1650 bis 1800 nm abgefragt werden konnte.

Wie Figuren 7 und 8 zeigen, hat ein solcher Mono­chromator ein etwa würfelförmiges Gehäuse 12 mit zwei einander gegenüberliegenden Öffnungen 13, 14, die mit mechanischen Adaptern für das jeweilige Mikroskop versehen sind. Im Inneren des Gehäuses befindet sich ein drehbar gelagertes (und je nach Verwendungszweck - d. h. Lage der Absorption - ­auswechselbares) Interferenzfilter 15, das über ein nicht näher gezeigtes spielfreies mechanisches Untersetzungsgetriebe von einem 5-Phasen-Schritt­motor angetrieben wird. Der Schrittmotor wird über den Kontroller im Halbschrittbetrieb angesteuert (1000 Schritte pro Umdrehung). Zusammen mit der 1 : 100 Getriebeuntersetzung wird so eine Positions­genauigkeit von etwa einer Winkelminute erreicht, wie sie für Kippwinkel von 0 bis 45° und größer bei einer Feinabstimmung des Monochromators notwendig ist.

An Stelle des erwähnten Schrittmotors mit Getriebe kann ein Mikroschrittantrieb ohne Getriebe, ein Galvanometer-Drehantrieb, ein Piezoelement oder ein andere Vorrichtung zur präzisen Drehung des Filters (mit entsprechendem Kontroller) eingesetzt werden.

Der Zusammenhang zwischen Kippwinkel und Durchlaß­wellenlänge ist nichtlinear. Er wird mit einem herkömmlichen externen Spektrometer für jedes Filter individuell bestimmt und als Punktetabelle dem Kleinrechner eingegeben (mit anschließender Interpolationsmöglichkeit zwischen gemessenen Werten). Zur visuellen Beobachtung im Weißlicht kann das Filter ganz aus dem Strahlengang ge­schwenkt werden, weshalb diese Bauform (Figur 7) speziell für die beleuchtungsseitige Montage in­teressant ist.

Figur 8 zeigt eine mögliche Bauform für einen bildseitigen Monochromator, bei dem kein freier Durchgang des Monochromators erforderlich ist. Diese Bauform kann extrem klein gebaut werden (Filtergröße < 10 mm Durchmesser).

Dem Nachteil der eng betrenzten Bandbreite von etwa 60 bis 150 nm dieses Miniaturmonochromators steht der gerade in der Mikroskop-Spektralphoto­metrie unerhört wichtige Vorteil des großen geo­metrischen Lichtleitwertes (im Vergleich zu üb­lichen Gittermonochromatoren) gegenüber, der nicht durch das Öffnungsverhältnis wie beim Gittermono­chromator, sondern durch das Mikroskop selbst bestimmt wird, so daß bei gleicher Bandbreite ein etwa um den Faktor 10 größerer Lichtwert erreicht wird.

Mit der gezeigten Anordnung kann insbesondere die mikroskopische Transmission von Dünnschliffen bzw. Mikrotomschnitten im Bereich des ersten C-H-Ober­tons bei etwa 1,7 µm gemessen und je nach Frage­stellung aus dem spektralen Verlauf der Extinktion auf Art und Menge des organischen Materials ge­schlossen werden. Organische Materialien auf Halb­leitern wie z. B. Siliciumwafern können wegen der NIR-Transparenz der Wafer auch in Transmission erfaßt werden. In Auflicht-Reflexion ist das nur bei spiegelnden Unterlagen möglich (z. B. bei Lackierungen auf Autoblechen).

Das Meßverfahren basiert prinzipiell darauf, daß die Absorption bzw. Extinktion der Probe wie bei makroskopischen Messungen auch durch Anwendung des Lambert-Beer-Gesetzes bestimmt wird: T = I/I₀ = exp(-Kd)

mit:      T Transmission

    I Intensität der Probe

    I₀ Intensität der Referenz (z. B. Glasträger)

    d Schichtdicke des organischen Materials

    K Extinktionsmodul, (K = kα)

    k Konzentration

    α spezifischer Extinktionskoeffizient

Da aber die Schichtdicke nicht oder nur mit großem Aufwand bestimmbar ist, wird nicht die absolute Konzentration, sondern nur eine der Konzentration proportionale, dickenunabhängige Größe Ω bestimmt, die aus der Normierung auf eine "Grundextinktion" gewonnen wird:

Ω = K() / K(₀)

ln ( l/T() ) = K()d

ln ( l/T(₀) ) = K(₀)d mit ₀ Wellenlänge vor der Absorption.

    z.B. 1650 nm

Dieses Verfahren ist insbesondere bei Überprüfung einer bestimmten begrenzten Probengesamtheit sinn­voll, z. B. bei der Überprüfung der Zusammenset­ zungen von unterschiedlichen Copolymaren aus Sty­rol und einem rein aliphatischen Monomeren (Fig. 9), bei denen relative Angaben wie die integrale relative Extinktion verschiedener Proben über den C-H-Absorptionsbereich ausreichen.