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WO1997008598A1 - Simultaneous, phase-sensitive digital detection process for time-resolved, quasi-simultaneously captured data arrays of a periodically stimulated system - Google Patents

Simultaneous, phase-sensitive digital detection process for time-resolved, quasi-simultaneously captured data arrays of a periodically stimulated system Download PDF

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WO1997008598A1
WO1997008598A1 PCT/CH1996/000293 CH9600293W WO9708598A1 WO 1997008598 A1 WO1997008598 A1 WO 1997008598A1 CH 9600293 W CH9600293 W CH 9600293W WO 9708598 A1 WO9708598 A1 WO 9708598A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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psd
phase
stimulation
array
original data
Prior art date
Application number
PCT/CH1996/000293
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Urs Peter Fringeli
Original Assignee
Gff Technopark
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gff Technopark filed Critical Gff Technopark
Publication of WO1997008598A1 publication Critical patent/WO1997008598A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

Definitions

  • the present invention relates to a method and its application for the simultaneous, digital phase-sensitive detection of time-resolved, quasi-simultaneous data arrays of a periodically stimulated system according to claim 1, and a device according to claim 16.
  • Phase-sensitive detection is an analytical measurement method that enables the selective and time-resolved detection of the periodic response of a system to a periodic change in external parameters, such as pressure (p), temperature (T), concentration (c), and electric field (E), electrical current density (j), radiation flux density (I) etc.
  • the information content on the dynamics (kinetics) of the stimulated process is in the frequency dependence of the signal amplitudes, as well as the phase shifts of the signals with respect to the external stimulation.
  • the selectivity of the method is given by the fact that only signals with the stimulation frequency ⁇ and their overtones n ⁇ are detected with PSD. All other signals are suppressed.
  • PSD processes have been used in a variety of ways and have been described in various ways (Hs.H. Günthard, Modulation Specroscopy, Ber. Bunsengesellschaft Phys.Chemie, 78, 1110-1115 (1974); Ch. J. Manning and PR Griffiths , Step-Scanning Interferometer with Digital Signal processing, Applied Specroscopy, 47, 1345-1349 (1993)).
  • FFT frequency sensitive detection
  • PSD phase sensitive detection
  • the object of the invention is to acquire and process measurement data arrays simultaneously or quasi-simultaneously, i.e. to proceed with the measurement data arrays as if they were individual measurement points.
  • the measuring time can be considerably shortened without any significant loss of accuracy.
  • the main area of application of the vectorial analysis method according to the invention is in modulation spectroscopy using Fourier transform and diode array spectrometers.
  • Output signal of the PSD during demodulation with the stimulation frequency ⁇ (fundamental tone frequency, index 1).
  • the signal is dependent on the phase shift ⁇ , the fundamental component of S (t) (see FIG. 1A), and on the choice of the phase angle of the PSD, ⁇ PSD _ ,.
  • ⁇ j is the system-related phase angle of the system response with the frequency ⁇ (see also FIG. 2A and modulation spectra).
  • Output signal of the PSD with simultaneous detection with the stimulation frequency ⁇ (fundamental tone frequency, index 1).
  • the signal is dependent on the phase shift ⁇ n of the fundamental component of the i-th data array component of S (t) (see FIG. IB), and on the choice of the phase angle of the PSD, ⁇ PSD> 1 . .phi..sub.i is the system ⁇ related phase angle array of the portion of the system response ⁇ with frequency. It consists of the components ⁇ llr where l ⁇ i ⁇ I (see also Fig. 2B and modulation spectra).
  • Support point array Support point spectra
  • S k Data array assigned to an interval k or coaddition of M data arrays with I components each, where 1 ⁇ k ⁇ N and 1 ⁇ i ⁇ I (see FIG. IB).
  • Period generated mean (see FIG. 2B).
  • the original data array S (t) (FIG. IB) consists of spectra, for example FIG. 5, fundamental and harmonics of the output signals of the PSD, respectively.
  • tion spectra of an FFT as Modula ⁇ refers to the corresponding result (see fundamental, harmonic, ORIGINAL DATA array).
  • Multiparametric stimulation multi-parametric stimulation of the system by simultaneously changing more than one external parameter.
  • the signal is dependent on the difference between the absolute phase shift ⁇ n of S (t) with regard to the stimulation and the phase setting ⁇ PSD, n at the PSD.
  • Output signal array (Fig. IB, item 20), the PSD when stimulated with the fundamental frequency ⁇ and simultaneous demodulation with the n-fold frequency (n ⁇ , (nl) th overtone).
  • the signal is dependent on the difference between the absolute phase shifts ⁇ 1R of the individual data array component S, (t) with regard to the stimulation and the phase setting ⁇ PSD> n on the PSD (see also FIG. 2A and modulation spectra).
  • the original data array consists of I components S, (t), (where 1 ⁇ i ⁇ I), for example the intensities, absorbances or transmittances in the wavenumbers v ,, or. the intensities an interferogram at the corresponding mirror positions of an interferometer.
  • I components S, (t), (where 1 ⁇ i ⁇ I) for example the intensities, absorbances or transmittances in the wavenumbers v ,, or. the intensities an interferogram at the corresponding mirror positions of an interferometer.
  • Each of these components shows a time dependency characteristic of the system.
  • each array component can be described by a Fourier series in the steady state. The corresponding Fourier coefficients are experimentally accessible through a PSD or FFT.
  • Thermodynamic parameters such as pressure p, temperature T, concentration c, electric field E, electric current density j, radiation flux density I, etc.
  • Phase shift of the system response with the frequency n ⁇ with respect to the stimulation Measure of the delay in the system response due to the dynamic properties of the periodically excited system (eg chemical reaction) with respect to the stimulation.
  • Each interpolation point is therefore assigned as many phase angles ⁇ n as there are demodulation frequencies.
  • phase array 1 .22 phase array, phase vector, phase angle array, ⁇ "
  • ⁇ n is composed of components I ⁇ nl and is a measure of the rule by the Dynami ⁇ properties of the excited system periodically (for example chemical reaction) induced delay of the system response.
  • Each interpolation point is therefore assigned as many phase vectors ⁇ n as there are demodulation frequencies. 1 . 23 phase resolution ⁇
  • phase resolution can be refined approximately arbitrarily by interpolation.
  • phase angle of the PSD switching function freely selectable by the experimenter based on the use of external stimulation.
  • n 1 there is the fundamental and for n> 1 the overtones.
  • the corresponding phase angles are, ⁇ PSD; 1 , ⁇ PSD . 2 / ⁇ PSD . 3 '/ ⁇ PSD. ⁇
  • the frequency is limited by the sampling theorem n ⁇ N / 2.
  • sampling time, sampling time, X
  • Time to acquire a data array e.g. of a spectrum.
  • Object e.g. chemical reaction mixture that can be influenced by changing external parameters.
  • thermodynamic equilibrium If a system that is in thermodynamic equilibrium is exposed to a periodic external stimulation, after a settling time t E (see there) it reaches a state that can be described component by component by Fourier series and is called stationary. See system response and Fig. IB, item 20.
  • the data acquisition in modulation experiments should only take place t E time units after switching on the periodic, external stimulation (see stationary state).
  • Theorems must be n ⁇ N / 2. N Number of intervals into which a period is divided
  • FIG. IA Schematic representation of a known method for conventional modulation spectroscopy
  • a one-component measuring device 1 which can be, for example, an FTIR spectrometer or a diode array spectrometer, contains a sample 2 or a system which is to be analyzed.
  • the sample 2 is periodically excited or stimulated via a stimulation and reference unit 3 with the frequency ⁇ , while the demodulation by the PSD at the frequencies ⁇ , 2 ⁇ , ... n ⁇ ,
  • the data acquisition unit 4 thus contains the time course of a one-component signal as a system response to a periodic, external one
  • the system response S (t) is demodulated in accordance with the reference signal S ref .
  • the system is characterized by the amplitudes of the DC term, the fundamental ( ⁇ ), the overtones (2 ⁇ ... n ⁇ ) and the corresponding phase shifts with respect to the excitation ( ⁇ ,, ⁇ 2 , ..., ⁇ n ).
  • the output unit 10 thus are the outputs of the PSD function of the freely chosen on the reference unit phases ⁇ angle ⁇ PSD and the typical system, absolute Phasenverschiebun ⁇ gen ⁇ , (root), ⁇ 2, ..., ⁇ n (overtones) for Grouting.
  • the corresponding components have the following designation: A Q for the DC component, Aj for the fundamental with the frequency ⁇ and A 2 , ..-. , A n for the overtones with the corresponding frequencies 2 ⁇ ..., n ⁇ .
  • IB shows a schematic representation of the method according to the invention for a simultaneous, multicomponent modulation spectroscopy.
  • Sample 2 stimulation and reference unit 3 and line 8 with the reference signal S ref correspond to FIG. 1A.
  • a multicomponent measuring device 11 or array measuring device which can be, for example, an FTIR spectrometer or a diode array spectrometer, contains a sample 2 or a system which is to be analyzed.
  • the sample 2 is periodically excited or stimulated by means of a stimulation and reference unit 3 with the frequency ⁇ .
  • Such periodic stimulation via an external parameter (p, T, c, E, j, I, etc.) triggers periodic reactions in the system.
  • the time profile of a multi-component signal is thus recorded as a system response to a periodic, external stimulation in the stationary state.
  • Each component S x (t) corresponds to a signal according to FIG. 1A.
  • a typical signal curve of the signals S S (t), which are recorded in the data acquisition unit 14, is shown schematically in three dimensions in FIG. 1B.
  • a digital multi-component phase-sensitive detector (PSD) 16 which is connected on the one hand via lines 17 to the data acquisition unit 14 and on the other hand via a line 8 to the stimulation and reference unit 3, the arrays are rectified in a phase-sensitive manner (Lock-m amplifier ), the reference signal S ref being fed to the PSD 16 via the line 8.
  • the digital multi-component phase-sensitive detector (PSD) is used for the simultaneous demodulation of the multi-component system response in accordance with the reference signal S ref , or. of the algorithms described.
  • the multi-component PSD works with entire signal vectors and is therefore more efficient (by a factor of one) in the number of vector components.
  • phase angle ⁇ PSD between the stimulation / reference unit 3 and the phase-sensitive detector 16 is kept constant, a data vector of the time-independent background absorption (DC component) A Q , the fundamental tone, is generated for each operation in the PSD of the signal S (t) A and the overtones A 2 , ..., A "registered.
  • the signals selectively rectified with respect to the frequencies ⁇ , 2 ⁇ ... n ⁇ are fed via lines 19 to an output unit 20, in which they are represented as a function of the phases ⁇ PSD ⁇ n , specifically as signal vectors A Q , A- ( ⁇ j — ⁇ PSD # 1 ), A 2 ( ⁇ 2 - ⁇ PSD 2 ), •
  • the multi-component output signals of the PSD are thus in the output unit 20 as a function of the difference in the freely selectable phase angle ⁇ pso. n and d of the system-typical phase vectors ⁇ n are available.
  • the corresponding output signals are: A Q for the DC components, A, for all fundamental tones (frequency ⁇ ) and A 2 , ..., A ,, for all overtones (frequencies 2 ⁇ ..., n ⁇ ).
  • the harmonic stimulation in which only one frequency is used and which is referred to below as monofrequency stimulation or single frequency stimulation (SFS), and the multifrequency Stimulation or Multiple Frequencies Stimulation (MFS), in which two or more frequencies are included in the excitation waveform. Since the excitation is periodic and can therefore be represented by a Fourier series, the MFS must be the fundamental tone frequency and the corresponding harmonic frequencies.
  • SFS has the advantage of simplicity and clarity ⁇ tion frequency arise, this is a clear indication that nonlinear processes are running in the system, which in turn allows important conclusions to be drawn about the dynamics (kinetics) of the stimulated process.
  • the range of suitable stimulation frequencies is described by equation (2), where ⁇ r min and ⁇ r max mean the shortest and the longest relaxation time of the system.
  • MFS always applies when a periodic function not re ⁇ r is harmonious.
  • the fundamental frequency ⁇ there is at least one frequency (overtone) n ⁇ with n> 2.
  • n there is at least one frequency (overtone) n ⁇ with n> 2.
  • the system responses are delayed in accordance with the characteristic relaxation times ⁇ r raln ⁇ r ⁇ r max by the phase angle ⁇ r and in parallel the corresponding amplitudes are damped.
  • the frequency dependency of both effects depends significantly on the reaction scheme on which the stimulated process is based.
  • MFS can therefore simultaneously provide information about the periodic behavior of a system at several frequencies, which means that the measurement effort involved in elucidating a reaction mechanism can be significantly reduced.
  • the generation of a sinusoidal stimulation waveform can be so complex that a harmonic excitation (see above) is intentionally dispensed with. This inevitably leads to an MFS. In this case it will be necessary to carry out a Fourier analysis of the excitation waveform in order to be able to carry out significant kinetic analyzes.
  • the function (3) results in a simultaneous excitation with the frequencies ⁇ , 3 ⁇ , 5ü), ie with the odd multiples of the
  • This waveform consists of the positive half wave of a sine function.
  • the second half wave (half period) is zero.
  • the Fourier series (4) represents:
  • Non-symmetrical rectangular stimulation broadband stimulation with possible amplitude adjustment
  • curve 26 represents a non-symmetrical rectangular stimulation that is centered in the middle of the period. It is represented by the Fourier series (5).
  • ⁇ (t) ⁇ max ⁇ / ⁇ + 2 / ⁇ ⁇ ⁇ (-l) ⁇ / ⁇ • sin ( ⁇ / ⁇ ) • sin ( ⁇ t) ⁇ (5) ⁇ -l
  • the amplitude pattern of the excitation frequencies can be influenced in a targeted manner by choosing the stimulation duration ⁇ .
  • Example 2.2.2.3 is intended to show that excitation waveforms can be assembled in order to generate certain frequency and amplitude patterns. The analysis of the response of a system to ready-made forms of stimulation can contribute significantly to elucidating the mechanism of the stimulated response.
  • Frg. 2A shows a section of a signal curve of the system response 22 of the i-th component of the data array with harmonic stimulation 21.
  • the reference zero crossing can be recognized at the beginning of the period.
  • the system response 22 here consists of the i-th component of the data array S ⁇ S.ft) with fundamental ( ⁇ ) and 1st overtone (2 ⁇ ) components.
  • the sluggishness of the system in response to the external stimulation leads to phase shifts ⁇ n ( ⁇ ) and ⁇ 12 (2 ⁇ ).
  • this process can be repeated for any number of P periods (1 ⁇ q ⁇ P), with data arrays being averaged during or after the data acquisition over each M within the interval ⁇ t, resulting in the corresponding interpolation point array arises.
  • averaging is generally carried out over P measurement cycles in the steady state (FIG. 2B).
  • the period ⁇ corresponds to the time between two successive sampling or stimulation points.
  • this process can be implemented using a PLL-controlled oscillator, item 52.
  • This control unit receives a signal, item 51, with the frequency ⁇ 0 and generates the N times the frequency Nc ⁇ t ,.
  • C ⁇ b can be, for example, the above-mentioned cosine-shaped interferogram of the monochromatic light source, the zero crossings of which determine the time when the sample is stimulated.
  • the zero crossings of the output signal of the frequency multiplication unit (frequency NC ⁇ f c)
  • the time-resolved data acquisition of the N interferogram points S ki to the respective ith reference points is triggered via a line, item 53, see FIG. 10.
  • the support points are recorded as in section 3.1.2. described.
  • This averaging process can improve the signal / noise ratio by a factor of 1 / "VP.
  • FTIR Fourier transform infrared
  • the system characteristic waves for pay ⁇ indicate the corresponding components of S kl the in Figure 2B behavior shown schematically, but which is still masked by the dominating, non-modulated background 42 (FIG. 6).
  • M 12 spectra were added and assigned to the k-th support point.
  • the numbering (k) of the spectra 27 (FIG. 4) gives the assignment to the corresponding reference points, the 1st and 17th spectrum being identical because of the periodicity of the process.
  • the N support points (arrays) (Fig. 2B) are with a rectangular switching function (6)
  • R (t) 4 / ⁇ ⁇ (i / 2 ⁇ + i) sin [(2 ⁇ + l) ( ⁇ t- ⁇ PSD / 1 )]; 6) ⁇ 0 multiplied.
  • R (t) takes the value +1 during one half-period and -1 during the following half-period. After that, the mean must be formed over a full period.
  • This switching function represents a Fourier series, the result still having to be scaled by the factor ⁇ / 2 in order to ensure a 1: 1 amplitude transmission.
  • ⁇ PSD ⁇ l is the phase setting that can be selected by the experimenter at the reference unit of the PSD.
  • phase resolution .DELTA..phi.
  • the overtones with angular frequencies 2 ⁇ , 3 ⁇ ,, n ⁇ result analogously, the corresponding periods being ⁇ / 2, ⁇ / 3,, ⁇ / n, with n ⁇ N / 2 (sampling theorem).
  • the original data can therefore be evaluated 2, 3, and n times to ensure that
  • the phase resolution is reduced accordingly, unless new interpolation points are approximated.
  • the number of interpolation points N should therefore be chosen such that N / 2, N / 3,, N / n are integers, which can also be achieved approximately by interpolation (preferably trigonometric).
  • the demodulation method described with square-wave switching functions has the great advantage of simplicity, since it mainly requires addition and subtraction operations. It is therefore usually possible to use commercial array acquisition systems (eg diode array spectrometers, CCD methods, array detectors in X-ray diffractometers), as well as with, without additional device modification.
  • fast registering devices quadsi-array detection, for example conventional Fourier transform (FT) spectrometer, rapid-scan FT spectrometer and rapid-scan dispersion spectrometer
  • FT Fourier transform
  • a disadvantage of square wave demodulation is, however, that due to the odd overtones present in the switching function R (t) (see Eq. (6)), corresponding overtones of the signal ((2 ⁇ + l) ⁇ ), which are caused by the system's orharmonicity caused by anharmonic stimulation (see also MFS) are demodulated into the fundamental tone array A, ( ⁇ j- ⁇ p sD i).
  • this disadvantage is hardly significant if no exact analysis of the dynamics (kinetics) of the stimulated process is required, ie if an exact phase / amplitude frequency analysis does not have to be carried out. Because of the general importance and the simple feasibility, the demodulation of the fundamental tone of a periodic signal 28 (FIG. 4) will be discussed in more detail here.
  • the DC component 31 of the demodulated signal 32 becomes maximally positive if the freely selectable PSD phase angle ⁇ PSD, n> and the phase shift ⁇ n caused by the system dynamics are the same size, 30, FIG. 5A, ie ⁇ n - ⁇ PSD .
  • Modulation signals can therefore have a positive or negative sign. In addition, they can disappear completely at a phase difference of ⁇ 90 °.
  • the demodulated signal 41 assumes an intermediate amplitude A n 40, A n max > -A n > A n min .
  • the N support points (arrays) (Fig. 2B) are component by component with the harmonic switching function (7)
  • the multiplier (8) results for each component S kl of the interpolation point array S k
  • the averaging takes place analogously to the rectangular demodulation, with a harmonic factor of 2 having to be taken into account in the harmonic demodulation so that the signal amplitudes are transmitted 1: 1.
  • the overtones with the angular frequencies 2 ⁇ , 3 ⁇ ,, n ⁇ result analogously, the corresponding periods being ⁇ / 2, ⁇ / 3,, ⁇ / n and can therefore be evaluated 2, 3,, n times in the original data array.
  • the phase resolution is reduced accordingly.
  • the number of interpolation points N should therefore be chosen such that N / 2, N / 3,, N / n are integers, which is also approximate
  • Interpolation (preferably trigonometric) can be achieved.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • modified algorithms applied to the N reference point arrays of a wave train also lead to the desired results, namely DC term, fundamental and overtone arrays (FIG. IB), whereby, as in the PSD method, the maximum evaluable number of overtones is limited by the sampling theorem n ⁇ N / 2.
  • the disadvantage of the FFT compared to rectangular or harmonic demodulation is the greater computing effort and memory requirement; Boundary conditions that are not always met by commercial device computers.
  • Double stimulation of the system by simultaneous external change of any two parameters is considered as an example.
  • the different frequencies were used to differentiate the corresponding system responses used.
  • Parts of the system that only respond to parameter P 1 react with the frequency and their overtones, while those that only respond to P 2 have only the frequency ⁇ in the system response and their overtones.
  • System parts that respond to both parameters react as usual with double modulation with the sums and differences of the corresponding frequencies, namely: and the same applies to the overtones and to all other possible linear combinations of the two fundamental frequencies.
  • double demodulation with a switching function of the frequency ( ⁇ ⁇ and ⁇ 2 is required. 5.
  • the intensity spectra 27 (FIG. 4), which lie between an initial and end wave number, v lt and . v ⁇ , recorded in a time ⁇ s per scan and possibly accumulated M times, correspond to the support points (data arrays) according to FIGS. 2A and 2B.
  • the i-th component of the k-th support point can be described as follows:
  • the question generally arises as to the behavior of the concentrations of the reaction participants, ie according to the respective phase and amplitude, or. according to the Fourier coefficients used to describe the behavior over time.
  • the Lambert-Beer law (9) shows that the relationship between the measured quantity S ki and the concentration c k is not linear. If the concentration c (t) changes periodically due to external stimulation, S (t) is also a periodic function and can therefore be described with a Fourier series. The corresponding Fourierko ⁇ modified Bessel functions of entire order are effective. These can be calculated from the Fourier coefficients of c (t) using the Jacobi-Anger theorem (E. Jahnke and F. Emde, Tables of Functions with Formulae and Curves, Dover Publication
  • a kl is the i-th component of the k-th absorption support array. For the entire array, this results from GI. (11)
  • the array of DC components 44, a 0 is shown in FIG. 6, while the 17 (N + l) time-resolved absorption spectra a k mod are shown in FIG. 7.
  • the index k stands for the kth support point.
  • the spectrum 45 in FIG. 7 forms, for example, the 7th support point of the period.
  • the experimentally relevant equation (20) requires numerical integration, which, however, is generally based on elementary arithmetic operations. can be carried out with the standard software of commercial spectrometer computers without any problems.
  • the reference point arrays used for the PSD are shown in FIG. 7. They were calculated according to equation (20).
  • the signal arrays appearing in the output unit 20, FIG. 1B are determined as follows:
  • the DC term A Q results from averaging (eg through numerical integration and scaling) via the absorbance
  • the basic tone array Aj ( ⁇ , - ⁇ PSD, ⁇ ) is obtained by forming the
  • ⁇ PSD . I 22.5 ° results from analog processing of the support point arrays 2 to 10, respectively. 10 to 2 of FIG. 7.
  • the periodicity of the steady-state process has to be taken into account, i.e. as soon as a node number exceeds the value of N, subtract N from it.
  • the periodicity of the steady-state process must be taken into account, ie as soon as a node number exceeds N, the value N must be subtracted from it.
  • a k m ° d The modulated, time-dependent portion (FIG. 7, item 45) of the absorption support points of the sample was calculated in accordance with equation (20).
  • a Q The DC term of the absorption spectrum of the system response corresponds to a c (see above).
  • Aj phase-resolved fundamental spectra which correspond to the fundamental part of the modulated absorbance of the system response. They were determined by phase-sensitive detection at the fundamental tone frequency ⁇ using a square-wave switching function (6). See section 5.3. above.
  • a 2 Phase-resolved 1st harmonic spectra which correspond to the proportion of the first harmonic of the modulated absorbance of the system response. They were determined by phase-sensitive detection at the frequency 2 ⁇ (1st overtone) with a square-wave switching function (6). See section 5.3. above.
  • Fourier transform devices deliver interferograms as original data arrays S k . With a Fourier transformation, these must be converted into interpretable spectra.
  • the original data arrays are acquired as shown in FIG. 2A.
  • the interpolation point arrays S k of a period q are, however, not continuously accumulated, but are stored and demodulated after this period, ie during the period q + 1, according to one of the methods described in the two sections below.
  • the results A Q , A ⁇ , A 2 ,, A “are continuously accumulated, ie with the
  • the evaluation is carried out off-line by reading stored data from the buffer during data acquisition and storage and processing it using one of the demodulation methods described below.
  • a u A 2 ,, A. can be determined in two ways, but in which the original data must always be logarithmized:
  • the original data arrays are directly logarithmic and then fed to the PSD.
  • FIG. 11 shows a device for carrying out a temperature (T) modulation experiment.
  • An FTIR spectrometer or a diode array spectrometer serves as the analytical instrument (60).
  • the system (2) or the sample is located on both reflection surfaces of an ATR (attenuated total reflection) crystal, of which only half of the ATR plate (70) is shown.
  • the incident into the ATR plate (70) beam of light (71) originates from an interferometer (64) or diode array spectrometer ⁇ Spec. After one or more total reflections in the ATR plate (70), in which the system absorbs light a k (see equation (14)), the emerging light beam (72) is guided onto a detector (61) or detector array, in which the optical signal is converted into an electrical signal.
  • the analytical instrument (60) exists - in addition to the interferometer (64) or monochromator - from the detector (61) and a computer unit (65), which in turn from a data acquisition
  • the control and monitoring unit (63) is connected via lines (73) to the interferometer (64) or monochromator, via which all signals necessary for the operation of the analytical instrument are carried, e.g. those for controlling the mirror position of an interferometer.
  • the detector (61) is connected via lines (74) to the data acquisition (14) of the computer unit (65), via which the original data arrays S (t) are fed to the data acquisition (14).
  • a stimulation / reference unit (3) is provided for the external stimulation of the system (2), which is indicated by the arrow
  • the PSD (not shown), one of which maintains the circulating fluid at a temperature T and the other at a temperature T 2 .
  • the heat transfer to the system or to the cuvette takes place via a metallic heat exchanger plate, which is connected to the thermostats via hose connections.
  • the control of the reference / reference unit (3) takes place via lines (76) which connect the former to the computer unit (65).
  • the monochromator can be arranged in the beam path either in front of the system (2) or before the sample, or after the system (2) or after the sample .
  • FIG. 12 shows a device for carrying out an XRD X-ray diffraction-moisture (c) modulation experiment in a schematic representation.
  • the system (2) is a crystal and is located on a goniometer attachment (90).
  • An x-ray source (84 ') which is connected via line 86 to the control unit (84) of an x-ray diffractometer (80), is arranged to the system (2) in such a way that the x-ray (x-ray) (91) hits the crystal hits and creates a diffraction pattern.
  • the diffracted X-rays (92) hit a two-dimensional matrix detector (81) which is part of the X-ray diffractometer (80).
  • the crystal is influenced from the outside by a periodic change in a parameter, for example by changing the air humidity, which is done by the stimulation / reference unit (3) and is indicated schematically by the arrow (95).
  • This also modulates reflections from crystal regions that are influenced by the external modulation.
  • the signals which are time-resolved on the matrix detector (81) are fed to a simultaneous, digital PSD.
  • the remaining reference numerals in FIG. 12 correspond to those in FIG. 11 and have been described there.
  • Phase-resolved modulation data arrays are also the basic data for 2D correlation analyzes (2D spectroscopy). If the stimulated process runs too quickly to carry out a time-resolved acquisition of the original data arrays, the new method still provides very precise static information about the state of the system when one or off stimulation. This enables quasi-drift-free differential measurements, which has proven to be a significant advantage over previous methods. 8.2. Special applications
  • the task of optical spectroscopy includes the identification and the determination of the concentration and structure of chemical and biochemical substances. This also enables the determination of reaction schemes for processes that are triggered by a periodic, external stimulation.
  • the equilibrium of a chemical reaction can be influenced via the pressure p, provided the total volume of the reactants involved changes during the reaction.
  • a periodic p-modulation can therefore trigger periodic reactions, the maximum oscillation between the states caused by the lower, respectively. upper limit pressure are determined, p-modulation can e.g. to investigate reaction mechanisms of homogeneous and heterogeneous processes in the following areas:
  • Biotechnology interaction of gases with cell cultures and cell colonies.
  • the equilibrium of a chemical reaction can be influenced via the temperature T, provided that the reaction produces a heat (heat of reaction).
  • a periodic T modulation can therefore trigger periodic reactions, whose maximum oscillation between the states, which are determined by the lower, respectively. upper limit temperature are determined.
  • T-modulation can be used, for example, to investigate the reaction mechanisms of homogeneous and heterogeneous processes in the following areas:
  • Biotechnology growth dynamics of cell cultures and cell colonies.
  • Liquid-crystal (LC) technology analysis of phase changes and the interaction between LC and electrode.
  • the periodic change in the concentration of a reactant causes a periodic course of all reactions of the system in which the externally c-modulated reactant is involved.
  • the maximum concentration amplitudes of the reactants move between the equilibrium values that the upper, respectively. correspond to the lower concentration of the externally modulated reactant.
  • c-modulation can e.g. to investigate the reaction mechanisms of homogeneous and heterogeneous processes in the following areas:
  • Biotechnology interaction of active substances with cell cultures and cell colonies.
  • the equilibrium of chemical reactions can be influenced via the electric field, provided that a change in the state of charge and / or total dipole moment occurs between the educts and products during the reaction.
  • molecules with electrical charges and / or dipole moments can be aligned and / or shifted in the electrical field.
  • a periodic E-field modulation can therefore trigger or influence various types of periodic reactions. E-field modulation can e.g. to investigate the reaction mechanisms of homogeneous and heterogeneous processes in the following areas:
  • Liquid crystal (LC) technology Analysis of the dynamics of the LC reorientation in the E field, as well as the interaction between the LC and the electrode.
  • I-modulation plays a role in clarifying the mechanism of photochemical reactions, as well as in the development of photosensitive elements (e.g. detectors, information storage, energy storage).
  • photosensitive elements e.g. detectors, information storage, energy storage.
  • POL modulation plays a role in the dynamic and static investigation of molecular order states.
  • X-ray diffraction Modulated diffraction patterns (data arrays) of crystals can e.g. generated by T and c modulation. In the latter e.g. humidity can be modulated to investigate the influence of water of hydration on the molecular structure.
  • XPS X-Ray Photoelectron Spectroscopy
  • ESCA X-Ray Fluorescence Spectroscopy
  • XRF X-Ray Fluorescence Spectroscopy
  • the periodic system response can be modulated onto the radio frequency (RF) field when using a continuous wave (CW) NMR spectrometer.
  • RF radio frequency
  • CW continuous wave
  • Demodulation of the RF signal generates the modulated system response r, which can be subjected to a simultaneous, digital PSD.
  • ESR Electron spin resonance spectroscopy
  • the periodic system response can be modulated onto the ESR signal ( ⁇ 100 kHz) by modulating external parameters.
  • the demodulation of this signal generates the modulated system response, which can be subjected to a simultaneous, digital PSD.
  • the modulation of external parameters can be used to modulate the quadrupole splitting, for example of iron in hamoglo am to generate in Mössbauer spectra (data arrays).

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Abstract

A process for measurement and analysis technology supplies by phase-sensitive detection the response of a system that may be periodically stimulated. For that purpose, an external thermodynamic parameter is periodically modified. Data arrays are used instead of the scalar measurement values normally used in the state of the art both for capturing and for processing data. During data processing, the period is subdivided into a determined number of supporting points that represent each a data vector at the corresponding moment in time within the period. The supporting points of at least one period are digitally stored after simultaneous phase-sensitive detection is carried out. By simultaneously processing the measurement data, the number of components of the data array is reduced in time while maintaining the signal/noise ratio at the same level. The phase angle array, which represents for each component the delay of the system response in relation to the stimulation, is an essential element to characterise the kinetics of the stimulated process. Devices for Fourier transformation infrared and X-ray diffraction modulation are disclosed. The process has application in optical spectroscopy, in diffraction methods, in image processing, and in general in measurement techniques which use unidimensional or bidimensional array detectors, or fast (almost simultaneous) serial data capture.

Description

Verfahren zur simultanen, digitalen phasenempfindlichen Detektion von zeitaufgelösten, quasi-gleichzeitig erfassten Datenarrays eines periodisch stimulierten SystemsMethod for the simultaneous, digital phase-sensitive detection of time-resolved, quasi-simultaneous data arrays of a periodically stimulated system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und dessen Anwendung zur simultanen, digitalen phasenempfindlichen Detektion von zeitaufgelösten, quasi-gleichzeitig erfassten Datenarrays eines periodisch stimulierten Systems gemäss Patentanspruch 1, sowie eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 16.The present invention relates to a method and its application for the simultaneous, digital phase-sensitive detection of time-resolved, quasi-simultaneous data arrays of a periodically stimulated system according to claim 1, and a device according to claim 16.
Phasenempfindliche Detektion (PSD) ist ein analytisches Mess¬ verfahren, das die selektive und zeitaufgelöste Erfassung der periodischen Antwort eines Systems auf eine periodische Ver¬ änderung externer Parameter, wie Druck (p) , Temperatur (T) , Konzentration (c) , elektrisches Feld (E) , elektrische Stromdichte (j), Strahlungsflussdichte (I) etc. ermöglicht. Der Informations¬ gehalt über die Dynamik (Kinetik) des stimulierten Vorgangs ist in der Frequenzabhängigkeit der Signalamplituden, sowie den Phasenverschiebungen der Signale bezüglich der externen Stimula¬ tion. Die Selektivität des Verfahrens ist dadurch gegeben, dass mit PSD nur Signale mit der Stimulationsfrequenz ω und deren Obertöne nω detektiert werden. Alle anderen Signale werden unterdrückt .Phase-sensitive detection (PSD) is an analytical measurement method that enables the selective and time-resolved detection of the periodic response of a system to a periodic change in external parameters, such as pressure (p), temperature (T), concentration (c), and electric field (E), electrical current density (j), radiation flux density (I) etc. The information content on the dynamics (kinetics) of the stimulated process is in the frequency dependence of the signal amplitudes, as well as the phase shifts of the signals with respect to the external stimulation. The selectivity of the method is given by the fact that only signals with the stimulation frequency ω and their overtones nω are detected with PSD. All other signals are suppressed.
PSD-Verfahren sind schon vielfältig im Einsatz und verschie¬ dentlich beschrieben worden (Hs.H. Günthard, Modulation Spec- troscopy, Ber. Bunsengesellschaft Phys.Chemie, 78, 1110-1115 (1974); Ch . J. Manning and P.R. Griffiths, Step-Scanning Interferometer with Digital Signal processing, Applied Spec- troscopy, 47, 1345-1349 (1993)) .PSD processes have been used in a variety of ways and have been described in various ways (Hs.H. Günthard, Modulation Specroscopy, Ber. Bunsengesellschaft Phys.Chemie, 78, 1110-1115 (1974); Ch. J. Manning and PR Griffiths , Step-Scanning Interferometer with Digital Signal processing, Applied Specroscopy, 47, 1345-1349 (1993)).
Im Folgenden soll das Verfahren an einem System mit I Messgrossen dargestellt werden. Diese Messdaten können z.B. Intensitäten, Ab- sorbancen oder Transmittancen, bei den Wellenzahlen vιr v2, ... v, ... v. sein, die in einem Array, z.B. Spektrum, zusammen¬ gefasst sind. Wird das System einer periodischen, externen Stimulation mit der Grundfrequenz ω ausgesetzt, so tritt diese Frequenz je nach der Antwort des Systems bei allen oder auch nur bei einzelnen Komponenten dieses Arrays auf. Die Antwort des Systems muss bei jeder Komponente (z.B. Wellenzahl) mindestens während einer Periode gemessen und zur Charakterisierung des Systems einer Fourieranalyse durch Fast Fourier TransformationIn the following, the procedure on a system with I measurands is presented. These measurement data can be, for example, intensities, absorbances or transmittances, with the wave numbers v ιr v 2 , ... v, ... v. be, which are combined in an array, eg spectrum, ¬ . If the system is a periodic, external Exposed to stimulation with the fundamental frequency ω, this frequency occurs with all or only with individual components of this array, depending on the response of the system. The response of the system must be measured for each component (eg wavenumber) at least during one period and to characterize the system a Fourier analysis using Fast Fourier Transformation
(FFT) oder durch phasenempfindliche Detektion (PSD) unterzogen werden.(FFT) or by phase sensitive detection (PSD).
In den bisherigen, konventionellen Messverfahren wurde dieser Prozess immer punktweise durchgeführt, d.h. dass der normaler¬ weise kontinuierliche Registriervorgang (Scan) bei jeder Komponente (z.B. Wellenzahl vL, oder definierte Spiegelposition des Interferometers) unterbrochen wurde, um das Verhalten des Systems durch PSD (Günthard (1974)) oder FFT (Manning and Griffiths (1993)) zu analysieren. Im letzteren Fall handelte es sich um ein Step-Scanning-Interferometer, bei dem die eingangs erwähnten I charakteristischen Messgrössen die I KomponentenIn the previous, conventional measuring methods, this process was always carried out point by point, ie the normally continuous registration process (scan) was interrupted for each component (e.g. wave number v L , or defined mirror position of the interferometer) in order to determine the behavior of the system by PSD ( Günthard (1974)) or FFT (Manning and Griffiths (1993)). In the latter case, it was a step scanning interferometer, in which the I characteristic measurement variables mentioned at the outset were the I components
(Intensitäten) des Interferogramms darstellen.Represent (intensities) of the interferogram.
Aufgabe der Erfindung ist es, im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Verfahren, Messdatenarrays gleichzeitig oder quasi¬ gleichzeitig zu erfassen und simultan zu bearbeiten, d.h. mit den Messdatenarrays so zu verfahren, wie wenn es sich um einzelne Messpunkte handeln würde. Dadurch kann eine beträchtliche Ver¬ kürzung der Messzeit ohne nennenswerte Einbusse der Genauigkeit erzielt werden.In contrast to the previously described methods, the object of the invention is to acquire and process measurement data arrays simultaneously or quasi-simultaneously, i.e. to proceed with the measurement data arrays as if they were individual measurement points. As a result, the measuring time can be considerably shortened without any significant loss of accuracy.
Der Hauptanwendungsbereich des erfindungsgemässen vektoriellen Analyseverfahrens liegt bei der Modulationsspektroskopie unter Verwendung von Fourier-Transformations- und Diodenarray-Spektro- metern.The main area of application of the vectorial analysis method according to the invention is in modulation spectroscopy using Fourier transform and diode array spectrometers.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels Verfahren gemass dem Wortlaut der Patentansprüche 1 - 15 und mittels Vorrichtungen gemäss dem Wortlaut der Patentansprüche 16 - 19 gelost. Der Erfindung werden die nachstehenden Begriffsdefinitionen zu Grunde gelegt . 1. Begriffsdefinitionen und SymboleAccording to the invention, this object is achieved by means of methods according to the wording of patent claims 1-15 and by means of devices according to the wording of patent claims 16-19. The invention is based on the following definitions of terms. 1. Definitions and symbols
(Vektoren werden im weiteren durch fettgedruckte Buchstaben dargestellt) .(Vectors are shown in bold letters below).
2.1 DC-Term, A0 2.1 DC term, A 0
Ausgangssignal des PSD (Fig. IA, Pos. 10), das bei Mittelung von S(t) über eine Periode entsteht. Zeitunabhängiger Anteil von S(t) .Output signal of the PSD (Fig. IA, Pos. 10), which arises when S (t) is averaged over a period. Time-independent part of S (t).
1.2 DC-Term-Array, A0 1.2 DC term array, A 0
Ausgangssignal des PSD (Fig IB, Pos. 20), das bei Mittelung der I Komponenten des Arrays S(t) über eine Periode entsteht. Zeit¬ unabhängiger Anteil der Systemantwort.Output signal of the PSD (Fig IB, item 20), which arises when the I components of the array S (t) are averaged over a period. Time-independent part of the system response.
2.3 Grundton, A, ('φi-φpsD, ι)2.3 root note, A, ( ' φi-φps D , ι)
Ausgangssignal des PSD bei Demodulation mit der Stimulations¬ frequenz ω (Grundtonfrequenz, Index 1) . Das Signal ist abhängig von der Phasenverschiebung φ, des Grundtonanteils von S(t) (siehe Fig. IA) , sowie von der Wahl des Phasenwinkels des PSD, φPSD_,. φj ist der systembedingte Phasenwinkel der Systemantwort mit der Frequenz ω (siehe auch Fig. 2A und Modulationsspektren) .Output signal of the PSD during demodulation with the stimulation frequency ω (fundamental tone frequency, index 1). The signal is dependent on the phase shift φ, the fundamental component of S (t) (see FIG. 1A), and on the choice of the phase angle of the PSD, φ PSD _ ,. φj is the system-related phase angle of the system response with the frequency ω (see also FIG. 2A and modulation spectra).
1 . 4 Grundt onarray, A- Cφj-φPSD , ι)1 . 4 basic onarray, A- Cφj-φ PSD , ι)
Ausgangssignal des PSD bei simultaner Detektion mit der Stimula¬ tionsfrequenz ω (Grundtonfrequenz, Index 1) . Das Signal ist abhängig von der Phasenverschiebung φn des Grundtonanteils der i-ten Datenarraykomponente von S(t) (siehe Fig. IB) , sowie von der Wahl des Phasenwinkels des PSD, φPSD>1. φi ist der system¬ bedingte Phasenwinkelarray des Anteils der Systemantwort mit der Frequenz ω. Er besteht aus den Komponenten φllr wobei l≤i≤I ist (siehe auch Fig. 2B und Modulationsspektren) .Output signal of the PSD with simultaneous detection with the stimulation frequency ω (fundamental tone frequency, index 1). The signal is dependent on the phase shift φ n of the fundamental component of the i-th data array component of S (t) (see FIG. IB), and on the choice of the phase angle of the PSD, φ PSD> 1 . .phi..sub.i is the system ¬ related phase angle array of the portion of the system response ω with frequency. It consists of the components φ llr where l≤i≤I (see also Fig. 2B and modulation spectra).
2.5 Intervall2.5 interval
Das Intervall ist der N-te Teil einer Periode τ, wobei das k-te Intervall innerhalb einer Periode zur Zeit tk=(k-l)Δt beginnt (Fig. 2A) . 1 . 6 Komponenten (Array-, Vektor-) , 1, 1The interval is the Nth part of a period τ, the kth interval beginning within a period at the time t k = (kl) Δt (FIG. 2A). 1 . 6 components (array, vector), 1, 1
Jeder Datenarray Sk(t), z.B. das zeitaufgelöste Spektrum an der k-ten Stützstelle, besteht aus I Komponenten Ski(t), z.B. die Intensitäten, Absorbancen oder Transmittancen bei den Wellenzah¬ len Vlf wobei 1 < i < I ist.Each data array S k (t), for example the time-resolved spectrum at the k-th support point, consists of I components S ki (t), for example the intensities, absorbances or transmittances at the wavenumbers V lf where 1 <i <I .
2.7 Messzyklus2.7 measuring cycle
(N+l) synchron zur externen Stimulation erfasste Stützstellen (Datenarrays mit je I Komponenten) innerhalb einer Periode τ. Wegen der Periodizität des Vorgangs sind die erste (k=l) und die letzte (k=N+l) Stützstelle identisch (Fig. 2B) .(N + l) support points (data arrays with I components each) recorded synchronously with the external stimulation within a period τ. Because of the periodicity of the process, the first (k = 1) and the last (k = N + 1) support point are identical (FIG. 2B).
1 . 8 Stützstelle Sk 1 . 8 support point S k
Einem Intervall k zugeordneter Funktionswert oder Koaddition von M, wobei 1 < k < N (Fig. IA) .A function value or coaddition of M assigned to an interval k, where 1 <k <N (FIG. 1A).
1 . 9 Gemittelte Stützstelle, Sj,1 . 9 Average support point, S j ,
Durch Koaddition von entsprechenden Stützstellen aus P Perioden erzeugter Funktionsmittelwert (Fig. IA) .Function mean value generated by coaddition of corresponding support points from P periods (FIG. 1A).
2.20 Stüt zstellenarray (Stützstellenspektren) , Sk Einem Intervall k zugeordneter Datenarray oder Koaddition von M Datenarrays mit je I Komponenten, wobei 1 < k < N und 1 < i < I ist (vgl. Fig. IB) .2.20 Support point array (support point spectra), S k Data array assigned to an interval k or coaddition of M data arrays with I components each, where 1 <k <N and 1 <i <I (see FIG. IB).
2.22 Ge/nitte2ter St ützstellenarray, Sjr2.22 Ge / nitte2ter support array, S j r
Durch Koaddition von entsprechenden Stützstellenarrays aus PBy coaddition of corresponding support point arrays from P
Perioden erzeugter Mittelwert (vgl. Fig. 2B) .Period generated mean (see FIG. 2B).
1 . 12 St üt zstell earray Komponente, Skl, jS^ i-te Komponente des k-ten Stützstellenarrays, resp. des gemittel- ten k-ten Stützstellenarrays. Anfang des k-ten Intervalls.1 . 12 support earray component, S kl , j S ^ i-th component of the k-th support point array, resp. of the averaged kth node array. Beginning of the kth interval.
1 . 13 Modulationsspektren, Ann-$PSD, n)1 . 13 modulation spectra, A nn - $ PSD , n )
Falls der Originaldatenarray S(t) (Fig. IB) aus Spektren besteht, z.B. Fig. 5, so werden Grund- und Obertöne der Ausgangssignale des PSD, resp. das entsprechende Resultat einer FFT als Modula¬ tionsspektren bezeichnet (siehe Grundton, Oberton, Originaldaten- array) .If the original data array S (t) (FIG. IB) consists of spectra, for example FIG. 5, fundamental and harmonics of the output signals of the PSD, respectively. tion spectra of an FFT as Modula ¬ refers to the corresponding result (see fundamental, harmonic, ORIGINAL DATA array).
1 714 Multikomponente Systemantwort, multikomponent Die Veränderung des Zustandes eines Systems manifestiert sich nicht nur in der Veränderung einer einzelnen Messgrösse (Skalar) , sondern von I Messgrössen, die man zu einem Vektor (Array) mit I Komponenten zusammenfassen und gleichzeitig oder quasi-gleich¬ zeitig experimentell erfassen kann, z.B. als Intentsitäts-, Absorbance- oder Transmittancespektrum, bei dem sich charakte¬ ristische Veränderungen bei bestimmten Wellenlängen zeigen, oder als Interferogramm, bei dem sich die entsprechenden Veränderungen bei I definierten Spiegelpositionen des Interferometers ergeben.1 714 Multicomponent system response, multicomponent The change in the state of a system manifests itself not only in the change in a single measurement variable (scalar), but also in I measurement variables, which can be combined into a vector (array) with I components and simultaneously or quasi-identically can record experimentally early, e.g. as an intensity, absorption or transmittance spectrum, in which characteristic changes are shown at certain wavelengths, or as an interferogram, in which the corresponding changes result at I defined mirror positions of the interferometer.
1 . 15 Multiparametrische Stimulation, mul tiparametrisch Stimulation des Systems durch gleichzeitige Veränderung von mehr als einem externen Parameter.1 . 15 Multiparametric stimulation, multi-parametric stimulation of the system by simultaneously changing more than one external parameter.
1 . 1 6 Oberton, A„ ($n-$PSDt π) , An 1 . 1 6 overtone, A „($ n - $ PSDt π ), A n
Ausgangssignal (Fig. IA, Pos. 10) des PSD bei Stimulation mit der Grundfrequenz ω und Detektion mit der n-fachen Frequenz (nω, (n- l)-ter Oberton) . Das Signal ist abhängig von der Differenz zwischen der absoluten Phasenverschiebung φn von S(t) bezüglich der Stimulation und der Phaseneinstellung φPSD,n am PSD.Output signal (Fig. IA, Pos. 10) of the PSD when stimulated with the fundamental frequency ω and detection with the n-fold frequency (nω, (n- l) th overtone). The signal is dependent on the difference between the absolute phase shift φ n of S (t) with regard to the stimulation and the phase setting φ PSD, n at the PSD.
2.27 Obertonarray, Ann-φpSD,J , An 2.27 Overtone array, A nn -φp SD , J, A n
Ausgangssignalarray (Fig. IB, Pos. 20), des PSD bei Stimulation mit der Grundfrequenz ω und simultaner Demodulation mit der n- fachen Frequenz (nω, (n-l)-ter Oberton) . Das Signal ist abhängig von der Differenz zwischen den absoluten Phasenverschiebungen φ1R der einzelnen Datenarraykomponente S,(t) bezüglich der Stimula¬ tion und der Phaseneinstellung φPSD>n am PSD (siehe auch Fig. 2A und Modulationsspektren) .Output signal array (Fig. IB, item 20), the PSD when stimulated with the fundamental frequency ω and simultaneous demodulation with the n-fold frequency (nω, (nl) th overtone). The signal is dependent on the difference between the absolute phase shifts φ 1R of the individual data array component S, (t) with regard to the stimulation and the phase setting φ PSD> n on the PSD (see also FIG. 2A and modulation spectra).
1 . 18 Originaldatenarray S (t )1 . 18 original data array S (t)
Antwort des Systems auf eine zeitabhängige (periodische) externe Störung. Der Originaldatenarray besteht aus I Komponenten S, (t), (wobei 1 < i < I), z.B. den Intensitäten, Absorbancen oder Transmittancen bei den Wellenzahlen v,, resp. den Intensitäten eines Interferogramms bei den entsprechendnen Spiegelpositionen eines Interferometers. Jede dieser Komponenten zeigt eine für das System charakteristische Zeitabhängigkeit. Bei einer periodischen Anregung ist jede Arraykomponente im stationären Zustand durch eine Fourierreihe beschreibbar. Die entsprechenden Fourierkoef fizienten sind experimentell durch eine PSD oder FFT zugänglich.System response to a time-dependent (periodic) external fault. The original data array consists of I components S, (t), (where 1 <i <I), for example the intensities, absorbances or transmittances in the wavenumbers v ,, or. the intensities an interferogram at the corresponding mirror positions of an interferometer. Each of these components shows a time dependency characteristic of the system. In the case of periodic excitation, each array component can be described by a Fourier series in the steady state. The corresponding Fourier coefficients are experimentally accessible through a PSD or FFT.
1 . 19 Externer Parameter, p, T, c, E, j, I, . . .1 . 19 External parameter, p, T, c, E, j, I,. . .
Thermodynamische Messgrössen wie Druck p, Temperatur T, Konzen tration c, elektrisches Feld E, elektrische Stromdichte j, Strah¬ lungsflussdichte I, etc.Thermodynamic parameters such as pressure p, temperature T, concentration c, electric field E, electric current density j, radiation flux density I, etc.
1 .20 Periode, X1 .20 period, X
Zykluszeit der Stimulation, bzw. der Systemsantwort, τ = N-Δt, wobei Δt die Intervall-Zeit ist, siehe Fig. 2A.Cycle time of the stimulation or the system response, τ = N-Δt, where Δt is the interval time, see FIG. 2A.
2.22 Phasenwinkel, φ„2.22 phase angle, φ "
Phasenverschiebung der Systemantwort mit der Frequenz nω bezüglich der Stimulation. Mass für die durch die dynamischen Eigenschaften des periodisch angeregten Systems (z.B. chemische Reaktion) bedingte Verzögerung der Systemantwort bezüglich der Stimulation.n bezeichnet den (n-l)-ten Oberton mit der Kreis¬ frequenz nω, bei der die Demodulation im PSD durchgeführt wurde (n=l : Grundton) . Jeder Stützstelle sind deshalb so viele Phasenwinkel φn zugeordnet, wie es Demodulationsfrequenzen gibt.Phase shift of the system response with the frequency nω with respect to the stimulation. Measure of the delay in the system response due to the dynamic properties of the periodically excited system (eg chemical reaction) with respect to the stimulation. N denotes the (nl) th overtone with the angular frequency nω at which the demodulation was carried out in the PSD (n = l: root). Each interpolation point is therefore assigned as many phase angles φ n as there are demodulation frequencies.
1 .22 Phasenarray, Phasenvektor, Phasenwinkelarray, φ„1 .22 phase array, phase vector, phase angle array, φ "
Array der Phasenverschiebungen (Phasenarray-Differenz) zwischenArray of phase shifts (phase array difference) between
Systemantwort mit der Frequenz nω und der Stimulation. φn besteht aus I Komponenten φnl und ist ein Mass für die durch die dynami¬ schen Eigenschaften des periodisch angeregten Systems (z.B. chemische Reaktion) bedingte Verzögerung der Systemantwort . φn kann komponentenweise (φni) variieren/ n bezeichnet den (n-l)-ten Oberton mit der Kreisfrequenz nω, bei der die Demodulation im PSD durchgeführt wurde (n=l : Grundton) . Jeder Stützstelle sind deshalb so viele Phasenvektoren φn, zugeordnet, wie es Demodula¬ tionsfrequenzen gibt . 1 . 23 Phasenauflösung ΔφSystem response with the frequency nω and the stimulation. φ n is composed of components I φ nl and is a measure of the rule by the Dynami ¬ properties of the excited system periodically (for example chemical reaction) induced delay of the system response. φ n can vary component by component (φ ni ) / n denotes the (nl) th overtone with the angular frequency nω at which the demodulation was carried out in the PSD (n = l: fundamental). Each interpolation point is therefore assigned as many phase vectors φ n as there are demodulation frequencies. 1 . 23 phase resolution Δφ
Wird durch die Anzahl Stützstellen N bestimmt: Δφ=360'/N. Durch Interpolation kann die Phasenauflösung approximativ beliebig verfeinert werden.Is determined by the number of support points N: Δφ = 360 '/ N. The phase resolution can be refined approximately arbitrarily by interpolation.
1 . 24 Phasenwinkel des PSD, PSD-Phasenwinkel , φPSD,n 1 . 24 phase angle of the PSD, PSD phase angle, φ PSD, n
Vom Experimentator frei wählbarer Phasenwinkel der PSD-Schalt- funktion bezogen auf den Einsatz der externen Stimulation. Generell ist die Detektionsfrequenz (Referenzfrequenz) das n- fache der Stimulations- (Grundton-)-frequenz (n = 1,2,3, ....N/2) . Für n=l ergibt sich der Grundton und für n>l die Obertöne. Die entsprechenden Phasenwinkeln sind, φPSD;1, ΦPSD.2/ ΦPSD.3' /ΦPSD.ΠPhase angle of the PSD switching function freely selectable by the experimenter based on the use of external stimulation. In general, the detection frequency (reference frequency) is n times the stimulation (fundamental) frequency (n = 1,2,3, .... N / 2). For n = 1 there is the fundamental and for n> 1 the overtones. The corresponding phase angles are, φ PSD; 1 , Φ PSD . 2 / Φ PSD . 3 '/ΦPSD.Π
(siehe Fig. 1) . Die Frequenz ist nach oben durch das Sampling Theorem n≤N/2 beschränkt.(see Fig. 1). The frequency is limited by the sampling theorem n≤N / 2.
1 . 25 Quasi-gleichzei tig, guasi -simul tan1 . 25 Quasi-simultaneous, guasi-simul tan
Falls eine sequentielle Erfassung der Komponenten eines Ori- ginaldatenarrays (z.B. Spektrum) in einer Abtastzeit τs erfolgt, die sehr viel kürzer ist als die Dauer einer Periode τ, also τs < τ, so wird die Datenerfassung der Komponenten als quasi-gleich¬ zeitig und die Datenverarbeitung als quasi-simultan bezeichnet. Dies bedeutet, dass die Zeit, die zwischen der Erfassung der ersten und der letzten (I-ten) Komponente des Arrays verstreicht, vernachlässigt wird.If a sequential acquisition of the components of an original data array (eg spectrum) takes place in a sampling time τ s that is much shorter than the duration of a period τ, that is, τ s <τ, the data acquisition of the components becomes quasi-identical timely and the data processing referred to as quasi-simultaneous. This means that the time that elapses between the acquisition of the first and the last (I-th) component of the array is neglected.
1 . 26 Abtastzei t , Samplingzei t, X,1 . 26 sampling time, sampling time, X,
Zeit zur Erfassung eines Datenarrays, z.B. eines Spektrums.Time to acquire a data array, e.g. of a spectrum.
2.27 Stimula ti onsperiode, x = 2π/ω2.27 stimulation period, x = 2π / ω
Zeit nach der sich der periodische Prozess wiederholt (Fig. 2A) .Time after which the periodic process repeats (Fig. 2A).
1 . 28 System1 . 28 system
Objekt, z.B. chemisches Reaktionsgemisch, das durch Veränderung externer Parameter beeinflusst werden kann.Object, e.g. chemical reaction mixture that can be influenced by changing external parameters.
1 . 29 Systemant wort (peri odische)1 . 29 Systematic word (periodic)
(Periodische) Reaktion des Systems auf eine (periodische) Ver¬ änderung eines externen Parameters (siehe auch multikomponent) . 1 . 30 Stationärer Zustand(Periodic) reaction of the system to a (periodic) change in an external parameter (see also multicomponent). 1 . 30 Stationary condition
Wird ein System, das sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, einer periodischen, externen Stimulation ausgesetzt, so erreicht es nach Ablauf einer Einschwingzeit tE (siehe dort) einen Zustand, der komponentenweise durch Fourierreihen be¬ schreibbar ist und als stationär bezeichnet wird. Siehe System antwort und Fig. IB, Pos. 20.If a system that is in thermodynamic equilibrium is exposed to a periodic external stimulation, after a settling time t E (see there) it reaches a state that can be described component by component by Fourier series and is called stationary. See system response and Fig. IB, item 20.
2.32 Einschwingzeit tE, Relaxationszei ten τf 2.32 Settling time t E , relaxation times τ f
Wird ein System, das sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, einer sprunghaften Veränderung eines externen Parame ters (siehe dort) ausgesetzt, so relaxiert das System zum neuen Gleichgewichtszustand. Dieser Vorgang ist nach einer Zeit, die der dreifachen, längsten Relaxationszeit des Systems entspricht, tE = 3τr BΛX / praktisch abgeschlossen. τr πιax wird durch die Kinetik des stimulierten Prozesses bestimmt. Die Datenerfassung bei Modulationsexperimenten sollte erst tE Zeiteinheiten nach Einschaltung der periodischen, externen Stimulation erfolgen (siehe stationärer Zustand) .If a system that is in thermodynamic equilibrium is exposed to a sudden change in an external parameter (see there), the system relaxes to the new state of equilibrium. This process is practically complete after a time that corresponds to three times the longest relaxation time of the system, t E = 3τ r BΛX / . τ r πιax is determined by the kinetics of the stimulated process. The data acquisition in modulation experiments should only take place t E time units after switching on the periodic, external stimulation (see stationary state).
2.33 Symbole2.33 symbols
Im weiteren werden die nachstehenden Symbole wie folgt definiert:The following symbols are defined as follows:
τ Länge einer Stimulationsperiode τs Zeit für einen Scan τr Vektor der Relaxationszeiten des stimulierten Systems τr min Kürzeste Relaxationszeit des stimulierten Systems τr max Längste Relaxationszeit des stimulierten Systemsτ Length of a stimulation period τ s Time for a scan τ r Vector of the relaxation times of the stimulated system τ r min Shortest relaxation time of the stimulated system τ r max Longest relaxation time of the stimulated system
Ξ(t) Stimulations-(Anregungs-)Funktion (periodische)Ξ (t) stimulation (excitation) function (periodic)
Ξ_,ax Maximaler Wert der Stimulations- (Anregungs-)Funktion exp Exponentialfunktion zur Basis 10 i Index der i-ten Komponente des Datenarrays, die z.B. derΞ_, ax Maximum value of the stimulation (excitation) function exp exponential function to the base 10 i index of the i th component of the data array, for example the
Wellenzahl vL oder der i-ten Stützstelle (Spiegelposition) eines Imterferogramms entsprichtCorresponds to wavenumber v L or the i-th reference point (mirror position) of an imterferogram
I Anzahl Vektorkomponenten pro Datenarray k k-tes Intervall innerhalb einer PeriodeI Number of vector components per data array k kth interval within a period
M Anzahl Akkumulationen pro Stützstelle bei der Datenerfas- sung n Multiplikator für die Detektionsfrequenz n-ω; n=l ergibt den Grundton, n=2 den 1. Oberton, etc. Wegen des Sampling-M Number of accumulations per support point in data acquisition solution n multiplier for the detection frequency n-ω; n = 1 gives the fundamental, n = 2 the 1st overtone, etc. Because of the sampling
Theorems muss n < N/2 sein. N Anzahl Intervalle in die eine Periode unterteilt wirdTheorems must be n <N / 2. N Number of intervals into which a period is divided
(siehe Fig. 2B) P Anzahl akkumulierte Messzyklen (Perioden), (siehe Fig. 2A) q q-ter Messzyklus, wobei 1 < q < P ist (siehe Fig. 2A) Ro Referenzspektrum (Background Spektrum) , Einkanal-Spektrum ohne Probe. Vektor (Array) mit I Komponenten. tE Einschwingzeit des periodischen Vorgangs, tE = 3τr max (see FIG. 2B) P number of accumulated measurement cycles (periods), (see FIG. 2A) q qth measurement cycle, where 1 <q <P (see FIG. 2A) Ro reference spectrum (background spectrum), single-channel spectrum without Sample. Vector (array) with I components. t E settling time of the periodic process, t E = 3τ r max
Die Erfindung wird im weiteren an Hand der Fig. 1 - 12 näher beschrieben. Es zeigen:The invention is described in more detail below with reference to FIGS. 1-12. Show it:
Fig. IA Schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens für konventionelle ModulationsspektroskopieFig. IA Schematic representation of a known method for conventional modulation spectroscopy
Fig. IB Schematische Darstellung des erfindungsgemässen Ver¬ fahrens für ModulationsspektroskopieIB Schematic representation of the method according to the invention for modulation spectroscopy
Fig. 2A Ausschnitt aus dem Verlauf der harmonischen Stimula¬ tion und der i-ten Komponente des Datenarrays der Systemantwort im stationären Zustand2A shows a section of the course of the harmonic stimulation and the ith component of the data array of the system response in the stationary state
Fig. 2B Stationäres Verhalten der i-ten Vektorkomponente eines Datenarrays nach Mittelung über P Perioden2B stationary behavior of the i-th vector component of a data array after averaging over P periods
Fig. 3 Beispiele von periodischen Funktionen zur Multifre- quenz-Stimulation (MFS)3 Examples of periodic functions for multifrequency stimulation (MFS)
Fig. 4 Zeitaufgelöste Fouriertransform Infrarot (FTIR)4 time-resolved Fourier transform infrared (FTIR)
Intensitätsspektren als Arraystützstellen (Original- datenarrays)Intensity spectra as array support points (original data arrays)
Fig. 5 Prinzip der Demodulation mit einer Rechteck-Schalt¬ funktion (siehe Gleichung (6)) . Phasendifferenzen zwischen Signal und PSD-Schaltfunktion : A. φ-φPSD=0°, B : φ-φ PSD=180 ° , C : φ-φ PSD=67 . 5 °Fig. 5 Principle of demodulation with a rectangular switching function (see equation (6)). Phase differences between signal and PSD switching function: A. φ-φ PSD = 0 °, B: φ-φ PSD = 180 °, C: φ-φ PSD = 67. 5 °
Firg. 6 Nichtmodulierter, zeitunabhängiger Anteil der Stütz¬ stellenarraysFirg. 6 Non-modulated, time-independent portion of the support array
Fig. 7 Zeitaufgelöste Absorbance-Stützstellenspektren der Probe. Periodische Systemantwort7 time-resolved absorption spectra of the sample. Periodic system response
Fig. 8 Darstellung der phasenaufgelösten Grundton-Modula¬ tionsspektren (n=l), mit N=16 Intervallen und Δφ = 22.5° Phasenauflösung8 shows the phase-resolved fundamental modulation spectra (n = 1), with N = 16 intervals and Δφ = 22.5 ° phase resolution
Fig. 9 Darstellung der phasenaufgelösten 1. Oberton-Modula¬ tionsspektren (n=2) , mit N=16 Intervallen Δφ = 45° Phasenauflösung9 representation of the phase-resolved 1st harmonic modulation spectra (n = 2), with N = 16 intervals Δφ = 45 ° phase resolution
Fig. 10 Vorrichtung zur schnellen Erfassung von Original- datenarrays bei FT-Geräten mit Hilfe einer gesteuerten Frequenz-Vervielfachungseinheit10 Device for the rapid acquisition of original data arrays in FT devices with the aid of a controlled frequency multiplication unit
Fig. 11 Vorrichtung zur Durchführung eines FTIR-Temperatur- (T) -Modulationsexperiments11 device for carrying out an FTIR temperature (T) modulation experiment
Fig. 12 Vorrichtung zur Durchführung eines XRD-Feuchtigkeits- (c) -ModulationsexperimentsFig. 12 Device for performing an XRD moisture (c) modulation experiment
Fig. IA zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens für Modulationsspektroskopie. Ein Einkomponenten- Messgerät 1, welches beispielsweise ein FTIR-Spektrometer oder ein Diodenarray-Spektrometer sein kann, enthält eine Probe 2, bzw. ein System, welches analysiert werden soll. Hierzu wird die Probe 2 über eine Stimulations- und Referenzeinheit 3 mit der Frequenz ω periodisch angeregt, bzw. stimuliert, während die Demodulation durch den PSD bei den Frequenzen ω, 2ω, ... nω,1A shows a schematic illustration of a known method for modulation spectroscopy. A one-component measuring device 1, which can be, for example, an FTIR spectrometer or a diode array spectrometer, contains a sample 2 or a system which is to be analyzed. For this purpose, the sample 2 is periodically excited or stimulated via a stimulation and reference unit 3 with the frequency ω, while the demodulation by the PSD at the frequencies ω, 2ω, ... nω,
(wobei n≤N/2) und den entsprechenden Phasen φPSD(1, ΦPSD,2^ ΦPSD.Γ, durch die Referenzeinheit 3 kontrolliert wird. Die periodische Stimulation über einen externen Parameter (p, T, c, E, j, I, etc.) löst im System periodische Reaktionen aus. In einer Datenerfassungseinheit 4, welche über Leitungen 5 mit dem Einkomponenten-Messgerät 1 verbunden ist, wird ein Messpunkt analog (Hs.H. Günthard, Modulation Spectroscopy, Ber. Bunsenge- sellschaft Phys.Chemie, 78, 1110-1115 (1974) oder digital (Ch. J. Manning and P.R. Griffiths, Step-Scanning Interferometer with Digital Signal processing, Applied Spectroscopy, 47, 1345-1349 (1993)) erfasst. Damit liegt in der Datenerfassungseinheit 4 der zeitliche Verlauf eines Einkomponentensignals als Systemantwort auf eine periodische, externe Anregung im stationären Zustand vor. Ein typischer Verlauf des Signals S=S(t) ist in Fig. IA angedeutet. In einem phasenempfindlichen Detektor (PSD) 6, welcher einerseits über Leitungen 7 mit der Datenerfassungsein¬ heit 4 und andererseits über eine Leitung 8 mit der Stimulations- /Referenzeinheit 3 verbunden ist, wird in bekannter Weise phasen¬ empfindlich gleichgerichtet (Lock-in-Verstärker, Quadraturdemodu- lator) , wobei dem PSD über die Leitung 8 das Referenzsignal Sref bezüglich der Frequenzen ω, 2ω, ..., nω und der Phasen φPSD>1, ΦPSD.2/ •••/ ΦPSD.Π zugeführt wird.(where n≤N / 2) and the corresponding phases φ PSD (1 , Φ PSD , 2 ^ Φ PSD . Γ , is controlled by reference unit 3. Periodic stimulation via an external parameter (p, T, c, E, j, I, etc.) triggers periodic reactions in the system Data acquisition unit 4, which is connected to the one-component measuring device 1 via lines 5, becomes a measuring point analog (Hs.H. Günthard, Modulation Spectroscopy, Ber. Bunsengesellschaft Phys.Chemie, 78, 1110-1115 (1974) or digital ( Ch. J. Manning and PR Griffiths, Step-Scanning Interferometer with Digital Signal processing, Applied Spectroscopy, 47, 1345-1349 (1993). The data acquisition unit 4 thus contains the time course of a one-component signal as a system response to a periodic, external one A typical course of the signal S = S (t) is indicated in Fig. 1A in a phase-sensitive detector (PSD) 6, which on the one hand via lines 7 to the data acquisition unit 4 and on the other hand via a line 8 is connected to the stimulation / reference unit 3, is phase-sensitive rectified in a known manner (lock-in amplifier, quadrature demodulator), the PSD via line 8 Reference signal S ref with respect to the frequencies ω, 2ω, ..., nω and the phases φ PSD> 1 , ΦPSD.2 / ••• / Φ P SD.Π is supplied.
Im analogen oder digitalen PSD 6 erfolgt die Demodulation der Systemantwort S(t) entsprechend dem Referenzsignal Sref. Das System wird charakterisiert durch die Amplituden des DC-Terms, des Grundtons (ω) , der Obertone (2ω... nω) und den entsprechenden Phasenverschiebungen bezuglich der Anregung (φ,, φ2, ..., φn) . Bei konstant gehaltenem Phasenwinkel φPSD,n/ mit n=l,2, ..., ≤N/2, zwischen der Stimulations-/Referenzeinheit 3 und der Schaltfunk¬ tion des phasenempfindlichen Detektors 6 wird bei konventioneller PSD des Signals S(t) pro Arbeitsgang je ein Datenpunkt der zeitunabhängigen Untergrundabsorption A0 (DC-Anteil), des Grundtons Aj und der Obertone A2, ..., An registriert. Die bezüglich der Frequenzen ω, 2ω ... nω selektiv gleichgerichteten Signale werden über eine Leitung 9 einer Ausgabeeinheit 10 zugeführt, in welcher sie z.B. in Funktion der Phase φPSD n dargestellt werden, und zwar als Signale Aj (φ1PSD<j) , A22PSD 2) , ..., AnnPSD>n) , wobei φPSD,n = nφPΞD<1 = nφPSD.In the analog or digital PSD 6, the system response S (t) is demodulated in accordance with the reference signal S ref . The system is characterized by the amplitudes of the DC term, the fundamental (ω), the overtones (2ω ... nω) and the corresponding phase shifts with respect to the excitation (φ ,, φ 2 , ..., φ n ). With a constant phase angle φ PSD, n / m with n = 1, 2, ..., ≤N / 2, between the stimulation / reference unit 3 and the switching function of the phase-sensitive detector 6, the signal S ( t) one data point per time of the time-independent background absorption A 0 (DC component), the basic tone A j and the overtones A 2 , ..., A n are recorded. The signals which are selectively rectified with respect to the frequencies ω, 2ω ... nω are fed via a line 9 to an output unit 10, in which they are represented, for example, as a function of the phase φ PSD n , specifically as signals Aj (φ 1PSD < j), A 22PSD 2 ), ..., A nnPSD> n ), where φ PSD, n = nφ PΞD <1 = nφ PSD .
In der Ausgabeeinheit 10 stehen somit die Ausgangssignale des PSD in Abhängigkeit des an der Referenzeinheit frei gewählten Phasen¬ winkels φPSD und der systemtypischen, absoluten Phasenverschiebun¬ gen φ, (Grundton), φ2, ..., φn (Obertone) zur Verfugung. Die entsprechenden Komponenten haben folgende Bezeichnung: AQ für die DC-Komponente, Aj für den Grundton mit der Frequenz ω und A2, ..-. , An für die Obertöne mit den entsprechenden Frequenzen 2ω ... , nω.In the output unit 10 thus are the outputs of the PSD function of the freely chosen on the reference unit phases ¬ angle φ PSD and the typical system, absolute Phasenverschiebun ¬ gen φ, (root), φ 2, ..., φ n (overtones) for Grouting. The corresponding components have the following designation: A Q for the DC component, Aj for the fundamental with the frequency ω and A 2 , ..-. , A n for the overtones with the corresponding frequencies 2ω ..., nω.
Fig. IB zeigt eine schematische Darstellung des erfindungs¬ gemässen Verfahrens für eine simultane, multikomponente Modula¬ tionsspektroskopie. Probe 2, Stimulations- und Referenzeinheit 3 und Leitung 8 mit dem Referenzsignal Sref entsprechen der Fig. IA. Ein Mehrkomponenten-Messgerät 11, bzw. Array-Messgerät, welches beispielsweise ein FTIR-Spektrometer oder ein Dioden- array-Spektrometer sein kann, enthält eine Probe 2, bzw. ein System, welches analysiert werden soll. Hierzu wird die Probe 2 über eine Stimulations- und Referenzeinheit 3 mit der Frequenz ω periodisch angeregt, bzw. stimuliert. Durch eine derartige periodische Stimulation über einen externen Parameter (p, T, c, E, j, I, etc.) werden im System periodisch ablaufende Reaktionen ausgelöst. In einer Datenerfassungseinheit 14, welche über Leitungen 15 mit dem Mehrkomponenten-Messgerät 11 verbunden ist, werden an Stelle der bekannten punktweisen Datenerfassung, PSD und Registrierung ganze Datenvektoren S(t) mit den Vektorkom¬ ponenten Si = Si(t) erfasst (i=l,2, ... , I) . In der Datenerfas¬ sungseinheit 14 wird somit der zeitliche Verlauf eines Mehrkom¬ ponentensignals als Systemantwort auf eine periodische, externe Stimulation im stationären Zustand erfasst. Jede Komponente Sx (t) entspricht einem Signal gemäss Fig. IA. Die Gesamtheit der Komponenten (i=l, 2, ... , I) bilden einen Array S(t) . Sie charak¬ terisieren das System durch die Amplituden des DC-Terms, des Grundtons (ω) , der Obertöne (2ω... nω) und der Phasenverschiebun¬ gen bezüglich der Anregung (φu, φ21, ..., φ) .IB shows a schematic representation of the method according to the invention for a simultaneous, multicomponent modulation spectroscopy. Sample 2, stimulation and reference unit 3 and line 8 with the reference signal S ref correspond to FIG. 1A. A multicomponent measuring device 11 or array measuring device, which can be, for example, an FTIR spectrometer or a diode array spectrometer, contains a sample 2 or a system which is to be analyzed. For this purpose, the sample 2 is periodically excited or stimulated by means of a stimulation and reference unit 3 with the frequency ω. Such periodic stimulation via an external parameter (p, T, c, E, j, I, etc.) triggers periodic reactions in the system. In a data acquisition unit 14, which is connected to the multi-component measuring device 11 via lines 15, instead of the known point-by-point data acquisition, PSD and registration, entire data vectors S (t) are acquired with the vector components Si = Si (t) (i = 1, 2, ..., I). In the data acquisition unit 14, the time profile of a multi-component signal is thus recorded as a system response to a periodic, external stimulation in the stationary state. Each component S x (t) corresponds to a signal according to FIG. 1A. The entirety of the components (i = 1, 2, ..., I) form an array S (t). They characterize the system by the amplitudes of the DC term, the fundamental (ω), the overtones (2ω ... nω) and the phase shifts with respect to the excitation (φ u , φ 21 , ..., φ ).
Ein typischer Signalverlauf der Signale S=S(t), welche in der Datenerfassungseinheit 14 erfasst werden, ist in Fig. IB schematisch 3-dimensional dargestellt.A typical signal curve of the signals S = S (t), which are recorded in the data acquisition unit 14, is shown schematically in three dimensions in FIG. 1B.
In einem digitalen Mehrkomponenten-phasenempfindlichen Detektor (PSD) 16, welcher einerseits über Leitungen 17 mit der Daten¬ erfassungseinheit 14 und andererseits über eine Leitung 8 mit der Stimulations- und Referenzeinheit 3 verbunden ist, werden die Arrays phasenempfindlich gleichgerichtet (Lock-m-Verstarker) , wobei dem PSD 16 über die Leitung 8 das Referenzsignal Sref zugeführt wird. Der digitale Mehrkomponenten-phasenempfindliche Detektor (PSD) dient der simultanen Demodulation der multikom- ponenten Systemantwort entsprechend dem Referenzsignal Sref, resp. der beschriebenen Algorithmen. Im Gegensatz zum Einkomponenten- PSD arbeitet der Mehrkomponenten-PSD mit ganzen Signalvektoren und ist deshalb um die Zahl der Vektorkomponenten (um das I- fache) effizienter.In a digital multi-component phase-sensitive detector (PSD) 16, which is connected on the one hand via lines 17 to the data acquisition unit 14 and on the other hand via a line 8 to the stimulation and reference unit 3, the arrays are rectified in a phase-sensitive manner (Lock-m amplifier ), the reference signal S ref being fed to the PSD 16 via the line 8. The digital multi-component phase-sensitive detector (PSD) is used for the simultaneous demodulation of the multi-component system response in accordance with the reference signal S ref , or. of the algorithms described. In contrast to the one-component PSD, the multi-component PSD works with entire signal vectors and is therefore more efficient (by a factor of one) in the number of vector components.
Bei konstant gehaltenem Phasenwinkel φPSD zwischen der Stimula- tions-/Referenzeinheit 3 und dem phasenempfindlichen Detektor 16 wird bei der PSD des Signals S(t) pro Arbeitsgang je ein Daten¬ vektor der zeitunabhängigen Untergrundabsorption (DC-Anteil) AQ , des Grundtons A- und der Obertöne A2, ..., A„ registriert. Die selektiv bezüglich der Frequenzen ω, 2ω ... nω gleichgerichteten Signale werden über die Leitungen 19 einer Ausgabeeinheit 20 zugeführt, in welcher sie in Funktion der Phasen φPSDιn dargestellt werden, und zwar als Signalvektoren AQ, A- (φj—φPSD#1) , A22PSD 2) ,
Figure imgf000015_0001
If the phase angle φ PSD between the stimulation / reference unit 3 and the phase-sensitive detector 16 is kept constant, a data vector of the time-independent background absorption (DC component) A Q , the fundamental tone, is generated for each operation in the PSD of the signal S (t) A and the overtones A 2 , ..., A "registered. The signals selectively rectified with respect to the frequencies ω, 2ω ... nω are fed via lines 19 to an output unit 20, in which they are represented as a function of the phases φ PSDιn , specifically as signal vectors A Q , A- (φ j —φ PSD # 1 ), A 22PSD 2 ),
Figure imgf000015_0001
In der Ausgabeeinheit 20 stehen somit die Mehrkomponenten- Ausgangssignale des PSD in Abhängigkeit von der Differenz des frei wählbaren Phasenwinkels φpso.n und der systemtypischen Phasenvektoren φn zur Verfügung. Die entsprechenden Ausgangs¬ signale sind: AQ für die DC-Komponenten, A, für alle Grundtöne (Frequenz ω) und A2, ..., A,, für alle Obertöne (Frequenzen 2ω ... , nω) .The multi-component output signals of the PSD are thus in the output unit 20 as a function of the difference in the freely selectable phase angle φpso. n and d of the system-typical phase vectors φ n are available. The corresponding output signals are: A Q for the DC components, A, for all fundamental tones (frequency ω) and A 2 , ..., A ,, for all overtones (frequencies 2ω ..., nω).
Anmerkung: Die Bearbeitung ganzer Datenvektoren S(t) führt zu einer Zeiteinsparung im Ausmass der Anzahl Komponenten des Datenvektors, was sich als besonders vorteilhaft erweist und was später detaillierter erläutert wird.Note: The processing of entire data vectors S (t) leads to a time saving in the amount of the number of components of the data vector, which proves to be particularly advantageous and which will be explained in more detail later.
2. Stimulationsformen2. Forms of stimulation
Auf Grund der Wellenform der Stimulation können grundsätzlich zwei Stimulationsformen unterschieden werden. Die harmonische Stimulation, bei der nur eine Frequenz verwendet wird und die im Folgenden mit Monofrequenz-Stimuiation oder Single Frequency Stimulation (SFS) bezeichnet wird, sowie die Multifrequenz- Stimulation oder Multiple Frequencies Stimulation (MFS) , bei der zwei oder mehr Frequenzen in der Anregungswellenform enthalten srnd. Da die Anregung periodisch ist und deshalb durch eine Fourierreihe dargestellt werden kann, muss es sich bei der MFS um die Grundtonfrequenz und die entsprechenden Obertonfrequenzen handeln.Due to the waveform of the stimulation, two types of stimulation can be differentiated. The harmonic stimulation, in which only one frequency is used and which is referred to below as monofrequency stimulation or single frequency stimulation (SFS), and the multifrequency Stimulation or Multiple Frequencies Stimulation (MFS), in which two or more frequencies are included in the excitation waveform. Since the excitation is periodic and can therefore be represented by a Fourier series, the MFS must be the fundamental tone frequency and the corresponding harmonic frequencies.
2.1. Monofrequenz-Stimulation (SFS)2.1. Monofrequency stimulation (SFS)
Bei der SFS erfolgt die Anregung rein harmonisch, d.h. als Funk¬ tion vom TypWith the SFS, the excitation is purely harmonious, i.e. as a function of type
Ξ(t) = (Ξ,„ax/2) [1 + sin(ωt - φs) ] , (1)Ξ (t) = (Ξ, " ax / 2) [1 + sin (ωt - φ s )], (1)
wobei φs einen beliebigen Phasenwinkel darstellt (φs=0' ergibt eine Sinus-Stimulation und φs=90" eine Cosinus-Stimulation) . SFS hat vom analytischen Standpunkt aus den Vorteil der Einfachheit und Übersichtlichkeit. Wenn z.B. bei SFS Obertöne zur Stimula¬ tionsfrequenz entstehen, so ist dies ein eindeutiger Hinweis dafür, dass im System nichtlineare Prozesse ablaufen, was wie¬ derum wichtige Rückschlüsse auf die Dynamik (Kinetik) des sti¬ mulierten Prozesses zulasst .where φ s represents any phase angle (φ s = 0 'results in a sinus stimulation and φ s = 90 "in a cosine stimulation). From the analytical point of view, SFS has the advantage of simplicity and clarity ¬ tion frequency arise, this is a clear indication that nonlinear processes are running in the system, which in turn allows important conclusions to be drawn about the dynamics (kinetics) of the stimulated process.
≤ ω ≤ —— (2)≤ ω ≤ —— (2)
B; nunB ; now
X rX r
SFS hat jedoch den Nachteil, dass pro Messung immer nur Informa¬ tionen zu einer Frequenz ω und deren Obertöne nω mit n=2,3, ..., N/2 anfallen. Dies bedeutet einen relativ grossen zeitlichen Auf¬ wand, da für eine kinetische Analyse des stimulierten Prozesses Messungen bei möglichst vielen Frequenzen sehr hilfreich oder gar erforderlich sind (Gunthard (1974) ) . Der Bereich der geeigneten Stimulationsfrequenzen ist durch Gleichung (2) beschrieben, wobei τr mιn und τr max die kürzeste und die längste Relaxationszeit des Systems bedeuten.However, SFS has the disadvantage that only information about a frequency ω and its overtones nω with n = 2.3,..., N / 2 are obtained per measurement. This means a relatively large expenditure of time, since measurements at as many frequencies as possible are very helpful or even necessary for a kinetic analysis of the stimulated process (Gunthard (1974)). The range of suitable stimulation frequencies is described by equation (2), where τ r min and τ r max mean the shortest and the longest relaxation time of the system.
2.2. Multifrequenz-Stimulation (MFS)2.2. Multi-frequency stimulation (MFS)
MFS trifft immer zu, wenn eine periodische Funktion nicht reιr harmonisch ist. Zur Grundfrequenz ω kommt dann mindestens noch eine Frequenz (Oberton) nω mit n>2. Als Konsequenz wird das System nicht nur mit der Grundfrquenz, sondern auch mit Multiplen davon stimuliert. Die Systemantworten werden entsprechend den charakteristischen Relaxationszeiten τr raln < τr < τr max um die Phasenwinkel φr verzögert und parallel dazu werden die entspre¬ chenden Amplituden gedämpft. Die Frequenzabhängigkeit beider Effekte hängt signifikant vom Reaktionsschema ab, das dem stimulierten Prozess zugrunde liegt. MFS kann deshalb simultan Informationen über das periodische Verhalten eines Systems bei mehreren Frequenzen liefern, wodurch der messtechnische Aufwand bei der Aufklärung eines Reaktionsmechanismus wesentlich verklei¬ nert werden kann.MFS always applies when a periodic function not reι r is harmonious. In addition to the fundamental frequency ω there is at least one frequency (overtone) nω with n> 2. As a consequence, the system is stimulated not only with the basic frequency, but also with multiples thereof. The system responses are delayed in accordance with the characteristic relaxation times τ r ralnrr max by the phase angle φ r and in parallel the corresponding amplitudes are damped. The frequency dependency of both effects depends significantly on the reaction scheme on which the stimulated process is based. MFS can therefore simultaneously provide information about the periodic behavior of a system at several frequencies, which means that the measurement effort involved in elucidating a reaction mechanism can be significantly reduced.
2.2.1. Experimentell bedingte MFS2.2.1. Experimental MFS
Die Erzeugung einer sinusförmigen Stimulationswellenform kann in gewissen Fällen so aufwendig sein, dass auf eine harmonische Anregung (siehe oben) absichtlich verzichtet wird. Dies führt zwangsläufig zu einer MFS. In diesem Falle wird es nötig sein, eine Fourieranalyse der Anregungswellenform zu machen, um signi¬ fikante kinetische Analysen durchführen zu können.In certain cases, the generation of a sinusoidal stimulation waveform can be so complex that a harmonic excitation (see above) is intentionally dispensed with. This inevitably leads to an MFS. In this case it will be necessary to carry out a Fourier analysis of the excitation waveform in order to be able to carry out significant kinetic analyzes.
2.2.2. Gezielte MFS2.2.2. Targeted MFS
Da über MFS simultan bei verschiedenen Frequenzen angeregt werden kann, birgt diese Technik ein erhebliches, zeiteinsparendes Potential in sich. Im Folgenden werden Stimulationswellenformen diskutiert, mit deren Hilfe gezielt multifrequente Informationen über Grund- und Obertöne der Systemantwort, d.h. über den Mechanismus des stimulierten Prozesses gesammelt werden können.Since MFS can be used for simultaneous excitation at different frequencies, this technology has considerable time-saving potential. In the following, stimulation waveforms are discussed, with the help of which targeted multi-frequency information about fundamental and overtones of the system response, i.e. can be collected through the mechanism of the stimulated process.
2.2.2.1 Symmetrische Rechteck-Stimulation: Ungerade Vielfache der Grundtonfrequenz Diese Wellenform tritt auf, wenn die Stimulation sprunghaft ein¬ setzt und nach einer halben Periode wieder sprunghaft ausgeschal¬ tet wird. Diese Wellenform mit Maximalwert Ξ„,ax kann durch folgen¬ de Fourierreihe (3) dargestellt werden: Ξ (t ) = <Ξ,.ax/2 ) { l + 4 /π ∑ l / (2σ+l ) - sin [ (2σ+ l ) (ωt-φ.) ] } ( 3 ) σ-o2.2.2.1 Symmetrical Rectangular Stimulation: Odd Multiples of the Fundamental Tone Frequency This waveform occurs when the stimulation starts suddenly and is switched off again suddenly after half a period. This waveform with maximum value Ξ „, ax can be represented by the following ¬ de Fourier series (3): Ξ (t) = <Ξ ,. ax / 2) {l + 4 / π ∑ l / (2σ + l) - sin [(2σ + l) (ωt-φ.)]} (3) σ-o
φs=0 bedeutet, dass die Einschaltvorgang zur Zeit t=0 erfolgt, wie in Fig. 3, Kurve 24 dargestellt ist. Bei φs>0 erfolgt der Einsatz der Stimulation um den Winkel φs verzögert. Die Funktion (3) ergibt eine simultane Anregung mit den Frequen¬ zen ω, 3ω, 5ü), , d.h. mit den ungeraden Vielfachen derφ s = 0 means that the switch-on process takes place at time t = 0, as shown in FIG. 3, curve 24. If φ s > 0, stimulation is delayed by the angle φ s . The function (3) results in a simultaneous excitation with the frequencies ω, 3ω, 5ü), ie with the odd multiples of the
Grundtonfrequenz. Als Konsequenz kann das lineare Verhalten des Systems bei diesen Frequenzen simultan ermittelt werden. Zugleich kann eindeutig abgeklärt werden, ob das System durch Nicht- linearitäten (z.B. durch Reaktionen, die nicht 1. Ordnung sind), Obertöne der Frequenzen 2ω, 4ω, 6ω, ... erzeugt.Fundamental frequency. As a consequence, the linear behavior of the system can be determined simultaneously at these frequencies. At the same time, it can be clearly clarified whether the system generates harmonics of the frequencies 2ω, 4ω, 6ω, ... through non-linearities (e.g. through reactions that are not of the 1st order).
2.2.2.2 Positive Halbwelle einer Sinus-Stimulation: Gerade Vielfache der Grundtonfrequenz2.2.2.2 Positive half-wave of a sinus stimulation: Even multiples of the fundamental tone frequency
Diese Wellenform besteht aus der positiven Halbwelle einer Sinusfunktion. Die zweite Halbwelle (Halbperiode) ist null. Die Darstellung erfolgt durch die Fourier-Reihe (4) :This waveform consists of the positive half wave of a sine function. The second half wave (half period) is zero. The Fourier series (4) represents:
Ξ(t) = Ξ^.fl/π + 1/2 sin(ωt-φ.) +Ξ (t) = Ξ ^ .fl / π + 1/2 sin (ωt-φ.) +
- 2/π ∑ l/[(2σ)2-l] cos[2σ(ωt-φs) ] ) (4)- 2 / π ∑ l / [(2σ) 2 -l] cos [2σ (ωt-φ s )]) (4)
O-lOil
Für φs=0 setzt die Stimulation am Anfang der Periode ein, d.h. in der zweiten Hälfte der Periode null, wie in Fig. 3, Kurve 25 dargestellt. Die Funktion (4) ergibt eine simultane Anregung mit den Frequenzen ω, 2ω, 4ω, , d.h. mit den geraden Vielfachen der Grundtonfrequenz. Als Konsequenz kann das lineare Verhalten des Systems bei diesen Frequenzen simultan untersucht werden. Zugleich kann eindeutig abgeklärt werden, ob das System durch Nichtlinearitäten (z.B. durch Reaktionen, die nicht 1. Ordnung sind), Obertöne der Frequenzen 3ω, 5ω, 7ω, erzeugt.For φ s = 0, stimulation begins at the beginning of the period, ie zero in the second half of the period, as shown in FIG. 3, curve 25. Function (4) gives simultaneous excitation with the frequencies ω, 2ω, 4ω, ie with the even multiples of the fundamental tone frequency. As a consequence, the linear behavior of the system can be examined simultaneously at these frequencies. At the same time, it can be clearly clarified whether the system generates harmonics of the frequencies 3ω, 5ω, 7ω through nonlinearities (eg through reactions that are not of the 1st order).
2.2.2.3 Nichtsymmetrische Rechteck-Stimulation: Breitband-Sti¬ mulation mit möglichem Amplitudenabgleich2.2.2.3 Non-symmetrical rectangular stimulation: broadband stimulation with possible amplitude adjustment
Fig. 3, Kurve 26 stellt eine nichtsymmetrische Rechteck-Stimula¬ tion dar, die in die Mitte der Periode zentriert ist. Sie wird durch die Fourier-Reihe (5) dargestellt. Ξ (t ) = Ξmax {Δτ/τ + 2/π ∑ { (-l ) σ/σ} • sin (σπΔτ / τ ) • sin (σωt ) } (5 ) σ-l3, curve 26 represents a non-symmetrical rectangular stimulation that is centered in the middle of the period. It is represented by the Fourier series (5). Ξ (t) = Ξ max {Δτ / τ + 2 / π ∑ {(-l) σ / σ} • sin (σπΔτ / τ) • sin (σωt)} (5) σ-l
Die Funktion (5) enthält alle Obertöne der Stimulationsfrequenz ω, sofern der Skalierungsfaktor sin (σπΔτ/τ)≠O ist, d.h. Δτ/τ≠n, mit n=l,2,3, , was z.B. in Falle Δτ=τ/2 für alle geradenThe function (5) contains all overtones of the stimulation frequency ω, provided the scaling factor is sin (σπΔτ / τ) ≠ O, i.e. Δτ / τ ≠ n, with n = l, 2,3, which e.g. in the case of Δτ = τ / 2 for all straight lines
Werte von σ zutrifft. In diesem Falle entsteht eine symmetrische Rechteck-Stimulation. Gleichung (5) geht über in Gleichung (3) mit φs=- π/2. Bei nicht symmetrischer Anregung, d.h. Δτ≠τ/2 kann über die Wahl der Stimulationsdauer Δτ das Amplitudenmuster der Anregungsfreqenzen gezielt beeinflusst werden. Als Beispiel soll der 1. Oberton ((5=2 ) von (5) maximale Intensität erreichen. Dies trifft zu, falls der Skalierungsfaktor sin (2πΔτ/τ) =1 ist, d.h. Δτ/τ=l/4. Aus Gleichung (5) folgt, dass bei dieser Wahl die Amplitude des Grundtons 0.200-Ξ^ beträgt, während der maximierte 1. Oberton eine Amplitude von O.Sδδ-Ξ.-a,, besitzt.Values of σ applies. In this case, symmetrical rectangular stimulation occurs. Equation (5) merges into equation (3) with φ s = - π / 2. In the case of non-symmetrical excitation, ie Δτ ≠ τ / 2, the amplitude pattern of the excitation frequencies can be influenced in a targeted manner by choosing the stimulation duration Δτ. As an example, the 1st overtone ((5 = 2) of (5) should reach maximum intensity. This applies if the scaling factor sin (2πΔτ / τ) = 1, ie Δτ / τ = l / 4. From equation ( 5) it follows that with this choice the amplitude of the fundamental tone is 0.200-Ξ ^, while the maximized 1st overtone has an amplitude of O.Sδδ-Ξ.- a ,,.
2.2.2.4 Allgemeine, periodische Stimulationsformen2.2.2.4 General, periodic forms of stimulation
Es gibt beliebig viele periodische Anregungsformen, wovon allerdings nur eine beschränkte Zahl mit zumutbarem, experimen¬ tellem Aufwand realisierbar sind. Die grosste Auswahl steht sicher bei elektrischer Stimulation zur Verfugung. Das Beispiel 2.2.2.3 soll stellvertretend zeigen, dass Anregungswellenformen konfektioniert werden können, um bestimmte Frequenz- und Amplitudenmuster zu erzeugen. Die Analyse der Reaktion eines Systems auf konfektionierte Anregungsformen kann wesentlich zur Aufklärung des Mechanismus der stimulierten Reaktion beitragen.There are any number of periodic forms of suggestion, of which, however, only a limited number can be implemented with reasonable, experimental effort. The largest selection is available for electrical stimulation. Example 2.2.2.3 is intended to show that excitation waveforms can be assembled in order to generate certain frequency and amplitude patterns. The analysis of the response of a system to ready-made forms of stimulation can contribute significantly to elucidating the mechanism of the stimulated response.
2.2.2.5 Multiparameter-Stimulation2.2.2.5 Multi-parameter stimulation
Durch gleichzeitige Stimulation des Systems über die Veränderung von zwei oder mehreren externen Parametern mit Wellenformen, wie in den Abschnitten 2.2.2.1 bis 2.2.2.4 beschrieben, jedoch mit verschiedener Frequenz fur jeden Parameter, gefolgt von ent¬ sprechender Signalverarbeitung und PSD, resp. FFT, können noch detailliertere Informationen über das System erhalten werden. 3. DatenerfassungBy simultaneous stimulation of the system by changing two or more external parameters with waveforms, as described in sections 2.2.2.1 to 2.2.2.4, but with a different frequency for each parameter, followed by appropriate signal processing and PSD, respectively. FFT, more detailed information about the system can be obtained. 3. Data acquisition
Frg. 2A zeigt einen Ausschnitt aus einem Signalverlauf der Sy¬ stemantwort 22 der i-ten Komponente des Datenarrays bei harmoni¬ scher Stimulation 21.Frg. 2A shows a section of a signal curve of the system response 22 of the i-th component of the data array with harmonic stimulation 21.
Bei der harmonischen Stimulation 21 ist der Referenz-Nulldurch¬ gang jeweils am Anfang der Periode erkennbar.In the case of harmonic stimulation 21, the reference zero crossing can be recognized at the beginning of the period.
Die Systemantwort 22 besteht hier aus der i-ten Komponente des Datenarrays S^S.ft) mit Grundton- (ω) - und 1. Oberton- (2ω) - Anteilen. Die Trägheit des Systems bei der Reaktion auf die externe Stimulation, führt zu Phasenverschiebungen φn (ω) und φ12(2ω) .The system response 22 here consists of the i-th component of the data array S ^ S.ft) with fundamental (ω) and 1st overtone (2ω) components. The sluggishness of the system in response to the external stimulation leads to phase shifts φ n (ω) and φ 12 (2ω).
Die Stimulationsperiode τ = 2π/ω wurde in N äquidistante Zeit¬ intervalle Δt unterteilt, was zu N+l Stützstellen führte. Wegen der Periodizität des Vorgangs sind die erste und die letzte Stützstelle (N+l) gleich, sobald der stationäre Zustand erreicht ist. Jedem Intervall (1 < k < N) ist mindestens ein Messdaten- array zugeordnet, repräsentativ für den Zustand des Systems zu der dem entsprechenden Intervall zugeordneten Zeit t = qτ+ (k- l)Δt. Die Erfassung der Datenarrays beginnt jeweils zu Beginn jedes neuen Intervalls. Nach Ablauf der ersten Periode im stationären Zustand kann dieser Prozess während einer beliebigen Anzahl von P Perioden (1 < q < P) wiederholt werden, wobei während oder nach der Datenerfassung über je M innerhalb des Intervalls Δt erfasste Datenarrays gemittelt wird, wodurch der entsprechende Stützstellenarray entsteht. Die kürzeste Periode wird somit durch die Abtastzeit, bzw. Samplingzeit, τs, zur Erfassung eines Datenarrays und durch die Zahl der Intervalle, N,bestimmt. Sie beträgt τmιn = N- τs; nach oben ist die Dauer einer Periode jedoch nicht beschränkt, da z.B. τ= N-M-τs mit M=l,2, ... gewählt werden kann.The stimulation period τ = 2π / ω was divided into N equidistant time intervals Δt, which led to N + l support points. Because of the periodicity of the process, the first and the last support point (N + 1) are the same as soon as the steady state is reached. At least one measurement data array is assigned to each interval (1 <k <N), representative of the state of the system at the time t = qτ + (k- l) Δt assigned to the corresponding interval. The acquisition of the data arrays begins at the beginning of each new interval. After the first period in the steady state has elapsed, this process can be repeated for any number of P periods (1 <q <P), with data arrays being averaged during or after the data acquisition over each M within the interval Δt, resulting in the corresponding interpolation point array arises. The shortest period is thus determined by the sampling time, or sampling time, τ s , for acquiring a data array and by the number of intervals, N. It is τ mιn = N- τ s ; however, the duration of a period is not restricted upwards, since τ = NM-τ s with M = 1, 2, ... can be selected.
3.1. Version mit internem Trigger3.1. Version with internal trigger
3.1.1. Scanzeit τc als Zeit-Masseinheit3.1.1. Scanning time τ c as a unit of time
Jeweils nach Ablauf einer Periode mit der Dauer τ erzeugt die Messapparatur ein Steuersignal, das eine verzugsfreie Stimulation des nächsten Messzyklus ermöglicht. Durch Ausgabe eines zweiten Steuersignals, resp. durch Ausschalten des ersten, nach der Zeit Δτ (vergl. Fig. 3) wird die Stimulation (Störung) des Systems wi-eder aufgehoben. Im allgemeinen erfolgt dieser Schritt nach einer halben Periode, d.h. Δτ=τ/2. Diese Steuersignale müssen zeitverzugsfrei verfügbar sein, damit das System im stationären Zustand bleibt. Die Periode beträgt minimal τmin = N- τs, sie kann jedoch beliebig verlängert werden, indem pro Stützstelle eine Anzahl von M Datenarrays koaddiert werden. Daraus ergibt sich für die Dauer eines Intervalls Δt = M- τs, resp. für die Periode τ = N*Δt = M- τmln = M-N-τs. Da bei diesem Verfahren die Zeitauflösung der Intervalldauer Δt entspricht, resultiert für die entsprechen¬ de Phasenauflösung Δφ = 360°/N. Die der k-ten Stützstelle im q- ten Messzyklus zugeordnete mittlere Zeit beträgt somit tk = q- τ + (k-l)-Δt mit 1 < q < P und 1 < k < N. Durch diese Approximation kann ein sehr gutes Signal/Rauschverhältnis bei minimalem Zeitaufwand erzielt werden. Dieses Verfahren ist immer zulässig, wenn die Intervalldauer klein ist gegenüber der kürzesten Relaxationszeit des stimulierten Systems: Δt < τr min. Zur Verbes¬ serung des Signal/Rausch-Verhältnisses wird im allgemeinen über P Messzyklen (Perioden) im stationären Zustand gemittelt (Fig. 2B) .Each time a period with the duration τ has elapsed, the measuring apparatus generates a control signal that enables the next measuring cycle to be stimulated without delay. By issuing a second Control signal, respectively. by switching off the first, after the time Δτ (see FIG. 3), the stimulation (disturbance) of the system is canceled again. In general, this step takes place after half a period, ie Δτ = τ / 2. These control signals must be available without delay so that the system remains stationary. The period is minimal τ min = N- τ s , but it can be extended as desired by adding a number of M data arrays per support point. This gives for the duration of an interval Δt = M- τ s , resp. for the period τ = N * Δt = M- τ mln = MN-τ s . Since the time resolution corresponds to the interval duration Δt in this method, the corresponding phase resolution results in Δφ = 360 ° / N. The mean time assigned to the kth interpolation point in the qth measurement cycle is thus t k = q- τ + (kl) -Δt with 1 <q <P and 1 <k <N. This approximation can produce a very good signal / Noise ratio can be achieved with a minimum of time. This procedure is always permissible if the interval duration is small compared to the shortest relaxation time of the stimulated system: Δt <τ r min . To improve the signal-to-noise ratio, averaging is generally carried out over P measurement cycles (periods) in the steady state (FIG. 2B).
3.1.2. Interner Timer3.1.2. Internal timer
Ein Timer des Datenerfassungssystems bestimmt die Intervalldauer Δt und löst jeweils nach einer Periode τ = N-Δt den externen Stimulationsvorgang aus. Wie in Abschnitt 3.1.1 beschrieben, erfolgt nach Δτ die Aufhebung der Stimulation. Ist der stationäre Zustand erreicht, so wird zu den Zeiten (q-l)-NΔt, mit (1 < q < P) , ein neuer Messzyklus stimuliert. Am Anfang jedes Intervalls wird die Datenerfassung für die entsprechende Stutzstelle gestartet (Fig. 2A) , wobei die Anzahl M der Koadditionen so gewählt werden muss, dass Δt > M-τs. Die Phasenauflösung kann mit diesem Verfahren, gegenüber jenem in Abschnitt 1.1 beschriebenen, auf den Wert Δφ = (360°/N) (M- τs/Δt) verbessert werden, aller¬ dings zu Lasten des Signal/Rauschverhältnisses bei gleicher Messzeit. Zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhaltnisses wird im allgemeinen über P Messzyklen im stationären Zustand gemittelt (Fig. 2B) . 3.1.3. Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Samplingpunkten des Interferograms als Zeit-Masseinheit (Rapid Scan Ver¬ fahren) Dieses experimentell aufwendigere Verfahren kommt zur Anwendung, wenn die Kinetik des stimulierten Prozesses zu schnell ist, um mit der Zeitauflösung τs des Scanners erfasst zu werden (siehe 3.1.1.) .A timer of the data acquisition system determines the interval duration Δt and triggers the external stimulation process after each period τ = N-Δt. As described in section 3.1.1, the stimulation is canceled after Δτ. If the steady state is reached, a new measuring cycle is stimulated at times (ql) -NΔt, with (1 <q <P). At the beginning of each interval, the data acquisition for the corresponding support point is started (FIG. 2A), the number M of the additions having to be selected such that Δt> M-τ s . With this method, the phase resolution can be improved to the value Δφ = (360 ° / N) (M-τ s / Δt) compared to that described in section 1.1, however at the expense of the signal / noise ratio with the same measurement time. To improve the signal-to-noise ratio, averaging is generally carried out over P measurement cycles in the steady state (FIG. 2B). 3.1.3. Time between two successive sampling points of the interferogram as a time measurement unit (rapid scan method) This experimentally more complex method is used when the kinetics of the stimulated process is too fast to be detected with the time resolution τ s of the scanner (see 3.1 .1.) .
In der optischen FT-Spektroskopie wird i.a. zur genauen Bestim¬ mung der relativen Position des beweglichen Spiegels das Inter- ferogramm, Pos. 50, Fig. 10, einer monochromatischen Lichtquelle mit der Wellenlänge λ verwendet. Dieses wird parallel zum spek¬ troskopischen Interferogramm (Originaldatenarray) im gleichen Interferometer erfasst und entspricht einer Cosinuswelle mit Nulldurchgängen bei den Spiegelpositionen x=(2m+l)λ/4, wobei m=0, 1, 2, ....ist . Diese Nulldurchgänge werden als Samplingpunkte für die Interferogramm-Stützstellen verwendet.In FT optical spectroscopy, i.a. for the exact determination of the relative position of the movable mirror, the interferogram, item 50, FIG. 10, of a monochromatic light source with the wavelength λ is used. This is recorded parallel to the spectroscopic interferogram (original data array) in the same interferometer and corresponds to a cosine wave with zero crossings at the mirror positions x = (2m + l) λ / 4, where m = 0, 1, 2, .... These zero crossings are used as sampling points for the interferogram support points.
Verwendet man diese Nullstellen zudem als Stimulationspunkte des Systems, indem das Signal über eine Leitung, Pos. 51, der Stimulations- und Referenzeinheit, Pos. 3, zugeführt wird, so erfolgen bei I Stützstellen eines Interferogramms I Stimulationen pro Scan. Je nach der gewählten Scan-Geschwindigkeit kann dadurch die Zeitauflösung um mehrere lOer-Potenzen verbessert werden. Bei diesem Verfahren entspricht somit die Periode τ der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sampling-, resp Stimulationspunkten. Um nun eine simultane, digitale PSD durchführen zu können, muss die Periode noch in N Intervalle der Dauer Δt= τ/N unterteilt werden, wobei an jeder Stützstelle Sxl die Intensität des für die Spektroskopie verwendeten Lichtes gemessen, und dem i-ten Interferogrammpunkt in der k-ten Stützstelle zugeordnet wird. Dabei ist gemäss Fig. 2: i=l, 2, ...,I und k=l, 2, ...,N, wie bei den anderen schon beschriebenen Verfahren. Dies bedeutet, dass nach jedem Scan N exakt zeitaufgelöste Interferogramme Sk als Originaldatenarrays zur Verfügung stehen, die zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses noch P-fach koaddiert werden können .If these zeros are also used as stimulation points of the system, in that the signal is fed via a line, item 51, to the stimulation and reference unit, item 3, then I stimulations per scan take place at I interpolation points. Depending on the selected scan speed, the time resolution can be improved by several powers of ten. In this method, the period τ corresponds to the time between two successive sampling or stimulation points. In order to be able to carry out a simultaneous, digital PSD, the period must still be divided into N intervals of the duration Δt = τ / N, the intensity of the light used for the spectroscopy being measured at each interpolation point S xl , and the i-th interferogram point is assigned in the kth support point. 2: i = 1, 2, ..., I and k = 1, 2, ..., N, as in the other methods already described. This means that after each scan N, exactly time-resolved interferograms S k are available as original data arrays, which can be added P times to improve the signal-to-noise ratio.
Technisch lässt sich dieses Verfahren mit Hilfe eines PLL- gesteuerten Oszillators, Pos. 52, realisieren. Diese Steuer¬ einheit empfängt ein Signal, Pos. 51, mit der Frequenz ω0 und erzeugt daraus die N-fache Frequenz Ncύt,. Cύb kann z.B. das oben erwähnte cosinus-fόrmige Interferogramm der monochromatischen Lichtquelle sein, dessen Nulldurchgänge den Zeitpunkt der Stimulation der Probe bestimmen. Mit Hilfe der Nulldurchgange des Ausgangssignals der Frequenz-Vervielfachungseinheit (Frequenz NCύfc) wird dann die zeitaufgelöste Datenerfassung der N Inter- ferogrammpunkte Ski zu den jeweils i-ten Stützstellen über eine Leitung, Pos. 53, getriggert, siehe Fig. 10.Technically, this process can be implemented using a PLL-controlled oscillator, item 52. This control unit receives a signal, item 51, with the frequency ω 0 and generates the N times the frequency Ncύ t ,. Cύ b can be, for example, the above-mentioned cosine-shaped interferogram of the monochromatic light source, the zero crossings of which determine the time when the sample is stimulated. With the aid of the zero crossings of the output signal of the frequency multiplication unit (frequency NCύ f c), the time-resolved data acquisition of the N interferogram points S ki to the respective ith reference points is triggered via a line, item 53, see FIG. 10.
3.2. Version mit externem Trigger3.2. Version with external trigger
Die Intervalldauer Δt wird durch einen externen Timer bestimmt. Nach jeder Periode τ = N-Δt wird der externe Stimulationsvorgang neu ausgelöst und nach Δτ wieder aufgehoben. Die Erfassung der Stützstellen er folgt wie in Abschnitt 3.1.2. beschrieben.The interval duration Δt is determined by an external timer. After each period τ = N-Δt, the external stimulation process is triggered again and canceled after Δτ. The support points are recorded as in section 3.1.2. described.
4. Datenverarbeitung: Phasenempfindliche Detektion (PSD)4. Data processing: phase sensitive detection (PSD)
Fig. 2B zeigt schematisch das über P Perioden gemittelte Signal 23, welches das periodische Verhalten der i-ten Vektorkomponente eines Datenarrays (z.B. Datenpunkt eines Interferogramms, oder Intensität, Absorbance, resp. Transmittance eines Spektrums bei der Wellenzahl vj an den N Stutzstellen darstellt (hier N=16) . Durch diesen Mittelungsvorgang kann das Signal/Rausch-Verhaltnis um den Faktor 1/"VP verbessert werden.2B schematically shows the signal 23 averaged over P periods, which represents the periodic behavior of the i-th vector component of a data array (e.g. data point of an interferogram, or intensity, absorbance, or transmittance of a spectrum at the wave number vj at the N support points ( here N = 16). This averaging process can improve the signal / noise ratio by a factor of 1 / "VP.
Die gemittelte l-te Vektorkomponente Si wird durch (N+l) -Stutz¬ stellen (hier N=16) im Abstand Δt (siehe Fig. 2B) digital gespeichert, wobei die Stutzstellen k=l und k=17 identisch sind.The averaged l-th vector component Si is given by (N + l) -Stutz ¬ filters (here N = 16) at a distance .DELTA.t (see Fig. 2B) stored digitally, wherein the support points k = l and k = are identical 17th
Fig. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel die als Fouriertransform Infrarot (FTIR) Intensitatsspektren (Einkanalspektren) zeitauf- gelost erfassten Stutzstellen (Datenarrays) 27 eines gemass Fig. 2B gemittelten Messzyklus mit N=16 Intervallen.4 shows, as an exemplary embodiment, the support points (data arrays) 27 of a measurement cycle averaged according to FIG. 2B with N = 16 intervals, recorded as Fourier transform infrared (FTIR) intensity spectra (single-channel spectra).
Jeder Array Sk besteht aus 1=3450 Komponenten entsprechend dem Wellenzahlenbereich von 600 cm"1 bis 4000 cm"1 mit ca. 1 cm" Abstand. An gewissen, fur das System charakteristischen Wellen¬ zahlen, zeigen die entsprechenden Komponenten Skl das in Fig. 2B schematisch dargestellte Verhalten, das jedoch durch den dominierenden nicht modulierten Untergrund 42 (Fig. 6) noch maskiert ist. In jedem Intervall k zu Δt= 16.5 s wurden M=12 Spektren koaddiert und der k-ten Stützstelle zugeordnet. N=16 Intervalle bilden eine Periode mit der Dauer τ=4.4 min. Die Mittelung erfolgte über P=10 Perioden im stationären Zustand. Zwischen den Stützstellen besteht somit eine Phasenverschiebung von Δφ = 22.5°. Die Numerierung (k) der Spektren 27 (Fig. 4) ergibt die Zuordnung zu den entsprechenden Stützstellen, wobei wegen der Periodizität des Prozesses das 1. und das 17. Spektrum identisch sind. Die Phasenverschiebung der k-ten Stützstelle gegenüber der 1. Stützstelle (Beginn des Messzyklus) beträgt somit φ0k = (k-l)-Δφ.Each array S k consists of 1 = 3450 components corresponding to the wave number range 600 cm "1 to 4000 cm" 1 cm with about 1 "distance. At certain, the system characteristic waves for pay ¬ indicate the corresponding components of S kl the in Figure 2B behavior shown schematically, but which is still masked by the dominating, non-modulated background 42 (FIG. 6). In each interval k to Δt = 16.5 s, M = 12 spectra were added and assigned to the k-th support point. N = 16 intervals form a period with the duration τ = 4.4 min. The averaging was carried out over P = 10 periods in the steady state. There is therefore a phase shift of Δφ = 22.5 ° between the support points. The numbering (k) of the spectra 27 (FIG. 4) gives the assignment to the corresponding reference points, the 1st and 17th spectrum being identical because of the periodicity of the process. The phase shift of the kth interpolation point with respect to the 1st interpolation point (beginning of the measuring cycle) is thus φ 0k = (kl) -Δφ.
Nach einer Umformung, die später im Detail beschrieben wird, kann durch eine phasenempfindliche Detektion (PSD) nun jede Komponente Si(t), mit i = 1,2, ...,I des Originaldatenarrays S(t) zerlegt werden in einen konstanten, nicht moduluierten Teil der Daten¬ arrays A0i (Mittelwert über eine Periode) , sowie in den entspre¬ chenden Grundton AunPSDj,) , mit Kreisfrequenz ω, und die Obertöne A^ (φnlPSD,n) mit den Kreisfrequenzen n-ω, wobei n=2,3, ...,N/2 ist. Die entsprechenden I Komponenten zum DC-Term, bzw. zu den Frequenzen ω, 2ω, ..., nω ergeben dann die in Fig. IB dargestellten Ausgangssignale A„(φnPSD n) des PSD. Bei spektroskopischen Experimenten sind noch gewisse Daten¬ umformungen erforderlich, auf die später eingegangen wird. Im folgenden werden Demodulationsverfahren (Schaltfunktionen) diskutiert, mit deren Hilfe Originaldatenarrays, wie in Fig. 4 dargestellt, in die soeben erwähnten Ausgangssignale 20 des PSD zerlegt werden können.After a transformation, which will be described in detail later, a phase-sensitive detection (PSD) can now be used to split each component Si (t), with i = 1,2, ..., I, of the original data array S (t) into a constant one , non-modulated part of the data arrays A 0i (mean over a period), as well as in the corresponding fundamental A unPSDj ,), with angular frequency ω, and the overtones A ^ (φ nlPSD , n ) with the angular frequencies n-ω, where n = 2,3, ..., N / 2. The corresponding I components for the DC term or for the frequencies ω, 2ω, ..., nω then result in the output signals A "(φ nPSD n ) of the PSD shown in FIG. IB. Spectroscopic experiments still require certain data transformations, which will be discussed later. In the following, demodulation methods (switching functions) are discussed, with the aid of which original data arrays, as shown in FIG. 4, can be broken down into the output signals 20 of the PSD just mentioned.
4.1. Demodulation mit Rechtecksfunktion4.1. Demodulation with a rectangular function
4.1.1. Grundton4.1.1. Root note
Die N Stützstellen (Arrays) (Fig. 2B) werden mit einer Rechteck- Schaltfunktion (6)The N support points (arrays) (Fig. 2B) are with a rectangular switching function (6)
R(t) 4/π ∑(i/2σ+i) sin[ (2σ+l) (ωt-φPSD/1) ] ;6) σ=0 multipliziert. R(t) nimmt während einer Halbperiode den Wert +1 und während der darauffolgenden Halbperiode den Wert -1 an. Danach muss der Mittelwert über eine volle Periode gebildet werden. Diese Schaltfunktion stellt eine Fourierreihe dar, wobei das Resultat noch mit dem Faktor π/2 skaliert werden muss, um eine 1:1-Amplitudenübertragung zu gewährleisten. φPSDιl ist die vom Experimentator wählbare Phaseneinstellung an der Referenzeinheit des PSD. φPSD/1 = 0 bedeutet, dass die Schaltfunktion R(t) phasen¬ gleich mit der Stimulation läuft; φPSD,ι ≠ 0 ergibt eine entspre¬ chende Versetzung des PSD-Schaltpunktes bezüglich dem Stimula¬ tionsbeginn. Aufgrund des im Abschnitt 2 beschriebenen Verfahrens zur Datenerfassung kann φPSD-1 die diskreten Werte φPSD/1 = (k-l)-Δφ annehmen, wobei 1 < k ≤ N ist.R (t) 4 / π ∑ (i / 2σ + i) sin [(2σ + l) (ωt-φ PSD / 1 )]; 6) σ = 0 multiplied. R (t) takes the value +1 during one half-period and -1 during the following half-period. After that, the mean must be formed over a full period. This switching function represents a Fourier series, the result still having to be scaled by the factor π / 2 in order to ensure a 1: 1 amplitude transmission. φ PSDιl is the phase setting that can be selected by the experimenter at the reference unit of the PSD. φ PSD / 1 = 0 means that the switching function R (t) runs in phase with the stimulation; φ PSD, ι ≠ 0 results in a corresponding shift of the PSD switching point with respect to the start of stimulation. Due to the data acquisition method described in Section 2, φ PSD-1 can assume the discrete values φ PSD / 1 = (kl) -Δφ, where 1 <k ≤ N.
Soll die Phasenauflösung Δφ verbessert werden, so muss die Zahl der Stützstellen N pro Periode entweder experimentell exakt oder approximativ durch Interpolation (bevorzugt trigonometrisch) verbessert werden.If the phase resolution .DELTA..phi.
4.1.2. Obertöne4.1.2. Overtones
Die Obertöne mit Kreisfrequenzen 2ω, 3ω, , nω ergeben sich sinngemass, wobei die entsprechenden Perioden τ/2, τ/3, , τ/n, mit n < N/2 (Sampling Theorem), betragen. Die Originaldaten können deshalb 2-, 3-, , n-fach ausgewertet werden, um dasThe overtones with angular frequencies 2ω, 3ω,, nω result analogously, the corresponding periods being τ / 2, τ / 3,, τ / n, with n <N / 2 (sampling theorem). The original data can therefore be evaluated 2, 3, and n times to ensure that
Signal/Rauschverhältnis zu verbessern. Die Phasenauflösung wird entsprechend reduziert, sofern nicht durch Interpolation neue Stützstellen approximiert werden. Die Zahl der Stützstellen N sollte deshalb so gewählt werden, dass N/2, N/3, , N/n ganzzahlig sind, was approximativ auch durch Interpolation (bevorzugt trigonometrisch) erreicht werden kann.Improve signal / noise ratio. The phase resolution is reduced accordingly, unless new interpolation points are approximated. The number of interpolation points N should therefore be chosen such that N / 2, N / 3,, N / n are integers, which can also be achieved approximately by interpolation (preferably trigonometric).
4.1.3. Bedeutung der Rechteck-Demodulation4.1.3. Meaning of rectangle demodulation
Das in den Abschnitten 4.1.1. und 4.1.2. beschriebene Demodula- tionsverfahren mit Rechteck-Schaltfunktionen hat den grossen Vorteil der Einfachheit, da es vorwiegend mit Additions- und Subtraktionsoperationen auskommt. Es kann deshalb meistens ohne zusätzliche Gerätemodifikation mit kommerziellen Array-Erfas- sungssystemen (z.B. Diodenarrayspektrometer, CCD-Verfahren, Arraydetektoren in Röntgendiffraktometer) , sowie mit. schnell registrierenden Geräten (Quasi-Array-Detektion, z.B. konventio¬ nelle Fouriertransform (FT)-Spektrometer, Rapid-Scan-FT-Spek- trometer und Rapid-Scan-Dispersionsspektrometer) verwendet werden, da die vom Gerätehersteller zur Verfügung gestellte Software durch Macroprogrammierung im allgemeinen ausreicht, um Rechteck-Demodulationen durchzuführen.That in Sections 4.1.1. and 4.1.2. The demodulation method described with square-wave switching functions has the great advantage of simplicity, since it mainly requires addition and subtraction operations. It is therefore usually possible to use commercial array acquisition systems (eg diode array spectrometers, CCD methods, array detectors in X-ray diffractometers), as well as with, without additional device modification. fast registering devices (quasi-array detection, for example conventional Fourier transform (FT) spectrometer, rapid-scan FT spectrometer and rapid-scan dispersion spectrometer) are used, since the software provided by the device manufacturer is macro-programmed in the is generally sufficient to perform rectangular demodulations.
Ein Nachteil der Rechteck-Demodulation liegt jedoch darin, dass wegen der in der Schaltfunktion R(t) (siehe GI . (6)) vorhandenen ungeraden Obertöne entsprechende Obertöne des Signals ((2σ+l)ω), die durch Anharmonizität des Systems oder durch anharmonische Stimulation (siehe auch MFS) entstanden sind, in den Grundton- array A, (φj-φpsDi) demoduliert werden. Dieser Nachteil fällt jedoch kaum ins Gewicht, wenn keine exakte Analyse der Dynamik (Kinetik) des stimulierten Prozesses gefordert ist, d.h. wenn keine exakte Phasen-/Amplituden-Frequenzanalyse durchgeführt werden muss. Wegen der allgemeinen Bedeutung und der einfachen Durchführbar¬ keit soll hier die Demodulation des Grundtons eines periodischen Signals 28 (Fig. 4) detaillierter diskutiert werden. Die Recht¬ eck-Schaltfunktion 29 hat ihre positive Flanke (Beginn der Demodulation) bei k=3, d.h. dass der Phasenwinkel ΦPSD.I =67.5' beträgt. Da die Demodulation durch Multiplikation des Signalar- rays 28 mit der Schaltfunktion 29 erfolgt, bleibt das Signal 28 zwischen den Stützstellen k=3 und k=ll unverändert (Multiplika¬ tion mit +1) , während in der restlichen Halbperiode (k=ll bis k=3) die Stützstellen invertiert werden (Multiplikation mit -1) . Der DC-Anteil 31 des demodulierten Signals 32 wird maximal positiv, wenn der frei wählbare PSD-Phasenwinkel φPSD,n> und die durch die Systemdynamik bedingte Phasenverschiebung φn gleich gross sind, 30, Fig. 5A, d.h. φnPSD.n =0* • Entsprechend wird der DC-Anteil 34 des demodulierten Signals 35 maximal negativ, wenn φnPSD-n=±180 ° ist, d.h. wenn zwischen Signal und Demodulation eine halbe Periode Phasenverschiebung 33 liegt, siehe Figur 5B. Der DC-Anteil 37 des demodulierten Signals 38 verschwindet, wenn zwischen dem Signal 28 und der Schaltfunktion eine Phasendiffe¬ renz von φnPSD,n 90° besteht 36, Fig. 5C. Modulationssignale können demzufolge positives oder negatives Vorzeichen haben. Zudem können sie bei einer Phasendifferenz von ±90° vollständig verschwinden. Fig. 5D zeigt noch den allgemeineren Fall φPSD,-=0°/ d.h. Stimulation und PSD-Schaltfunktion setzen zeitgleich ein, was im konkreten Beispiel 39 zu einer Phasendifferenz φnPSD,ι= ~ 67-.5" führt. In diesem Falle nimmt das demodulierte Signal 41 eine intermediäre Amplitude An 40 an, An max>-An>An min. Die Phase kann nun schrittweise, im konkreten Fall hier mit einer Auflösung von Δφ=22.5* (360 */N) verändert werden, was zu phasen¬ aufgelösten Modulationsspektren (siehe Fig. 8 und 9) führt. Diese Signalumformung erzeugt eine pulsierende Gleichspannung 32, 35, 41, von der durch Integration über eine ganze Periode der Gleich¬ spannungsanteil 31, 34, 40 herausgemittelt wird. Bei der Demodulation des n-ten Obertons wird analog vorgegangen. Das Signal 28 wird mit einer Rechteck-Schaltfunktion der Frequenz nωmultipliziert . Da die Periode der Schaltfunktion n-Mal kurzer ist als die Periode des Signals, betragt die Phasenauflösung nun Δφ=n-22.5*. Eine approximative Verbesserung der Phasenauflösung ist durch Interpolation möglich.A disadvantage of square wave demodulation is, however, that due to the odd overtones present in the switching function R (t) (see Eq. (6)), corresponding overtones of the signal ((2σ + l) ω), which are caused by the system's orharmonicity caused by anharmonic stimulation (see also MFS) are demodulated into the fundamental tone array A, (φj-φp sD i). However, this disadvantage is hardly significant if no exact analysis of the dynamics (kinetics) of the stimulated process is required, ie if an exact phase / amplitude frequency analysis does not have to be carried out. Because of the general importance and the simple feasibility, the demodulation of the fundamental tone of a periodic signal 28 (FIG. 4) will be discussed in more detail here. The rectangular switching function 29 has its positive edge (start of demodulation) at k = 3, ie that the phase angle Φ PSD . I = 67.5 '. Since the demodulation is carried out by multiplying the signal array 28 by the switching function 29, the signal 28 between the support points k = 3 and k = ll remains unchanged (multiplication by +1), while in the remaining half-period (k = ll to k = 3) the nodes are inverted (multiplication by -1). The DC component 31 of the demodulated signal 32 becomes maximally positive if the freely selectable PSD phase angle φ PSD, n> and the phase shift φ n caused by the system dynamics are the same size, 30, FIG. 5A, ie φ nPSD . n = 0 * • Accordingly, the DC component 34 of the demodulated signal 35 becomes maximally negative if φ nPSD-n = ± 180 °, ie if there is a half phase shift 33 between the signal and demodulation, see FIG. 5B. The DC component 37 of the demodulated signal 38 disappears if there is a phase difference of φ nPSD, n = ± 90 ° between the signal 28 and the switching function 36, FIG. 5C. Modulation signals can therefore have a positive or negative sign. In addition, they can disappear completely at a phase difference of ± 90 °. 5D shows the more general case φ PSD, - = 0 ° / ie stimulation and PSD switching function start at the same time, which in concrete example 39 leads to a phase difference φ nPSD, ι = ~ 67-.5 ". In this case, the demodulated signal 41 assumes an intermediate amplitude A n 40, A n max > -A n > A n min . The phase can now be changed step by step, in the specific case here with a resolution of Δφ = 22.5 * (360 * / N), resulting in phase-resolved modulation spectra (see FIG. 8 and 9) This signal conversion produces a pulsating DC voltage 32, 35, 41, from which the DC voltage component 31, 34, 40 is averaged out by integration over a whole period. The demodulation of the nth overtone is carried out analogously Signal 28 is multiplied by a square-wave switching function of frequency nω, since the period of the switching function is n times shorter than the period of the signal, the phase resolution is now Δφ = n-22.5 * polation possible.
4.2. Harmonische Demodulation (Single Frequency Demodulation, SFD)4.2. Single Frequency Demodulation (SFD)
4.2.1. Grundton4.2.1. Root note
Die N Stützstellen (Arrays) (Fig. 2B) werden komponentenweise mit der harmonischen Schaltfunktion (7)The N support points (arrays) (Fig. 2B) are component by component with the harmonic switching function (7)
R(t) = sin(ωt - φPSD(1) (7)R (t) = sin (ωt - φ PSD (1 ) (7)
multipliziert. Auf den k-ten Stützstellenarray angewandt, ergibt sich fur jede Komponente Skl des Stützstellenarrays Sk der Multiplikator (8)multiplied. Applied to the kth interpolation point array, the multiplier (8) results for each component S kl of the interpolation point array S k
Rκ = sm[ (k-l)-Δφ - φPSD>1] = sιn[{ (k-1) 360°/N} - φpSD.,] (8)R κ = sm [(kl) -Δφ - φ PSD> 1 ] = sιn [{(k-1) 360 ° / N} - φp SD .,] (8)
Wie bei der Rechteck-Demodulation nimmt der Phasenwinkel des PSD die diskreten Werte φPSD/1 = (k-l)-360°/N an, d.h. auch hier wird die Schaltfunktion in Intervallschritten über die gemitteltenAs in the case of rectangular demodulation, the phase angle of the PSD assumes the discrete values φ PSD / 1 = (kl) -360 ° / N, that is to say the switching function is also averaged over the averaged here
Stützstellenarrays mit k = 1,2, ,N geschoben (siehe Fig. 2B und Fig. 5A-5D) , um die phasenaufgelosten Grundtonarrays (z.B. Modulationsspektren) A- (φi-φpsD,,) zu erhalten. Die Mittelwert¬ bildung erfolgt analog zur Rechteck-Demodulation, wobei bei der harmonischen Demodulation ein Skalierungsfaktor von 2 zu berücksichtigen ist, damit die Signalamplituden 1:1 übertragen werden.Reference point arrays with k = 1,2,, N are pushed (see Fig. 2B and Fig. 5A-5D) to the phase-resolved fundamental tone arrays (e.g. To obtain modulation spectra) A- (φi-φp sD,, ). The averaging takes place analogously to the rectangular demodulation, with a harmonic factor of 2 having to be taken into account in the harmonic demodulation so that the signal amplitudes are transmitted 1: 1.
4.2.2. Obertöne4.2.2. Overtones
Die Obertöne mit den Kreisfrequenzen 2ω, 3ω, , nω ergeben sich sinngemass, wobei die entsprechenden Perioden τ/2, τ/3, , τ/n betragen und deshalb im Originaldatenarray 2-, 3-, , n-fach ausgewertet werden können. Dabei reduziert sich jedoch die Phasenauflösung entsprechend. Die Zahl der Stütz¬ stellen N sollte deshalb so gewählt werden, dass N/2, N/3, , N/n ganzzahlig sind, was approximativ aber auch durchThe overtones with the angular frequencies 2ω, 3ω,, nω result analogously, the corresponding periods being τ / 2, τ / 3,, τ / n and can therefore be evaluated 2, 3,, n times in the original data array. However, the phase resolution is reduced accordingly. The number of interpolation points N should therefore be chosen such that N / 2, N / 3,, N / n are integers, which is also approximate
Interpolation (bevorzugt trigonometrisch) erreicht werden kann.Interpolation (preferably trigonometric) can be achieved.
4.2.3. Bedeutung der harmonischen Demodulation4.2.3. Importance of harmonic demodulation
Wenn genaue Informationen über Amplituden und Phasen einer Systemantworte gefragt sind, so kommt nur eine harmonische Demodulation (SFD) in Betracht, da jede andere periodische Demodulations-Wellenform, die Obertöne enthält, alle entsprechen¬ den Obertonfrequenzen der Systemantwort ebenfalls in eine Gleich- spannng umwandeln würde. Der Anteil des Grundtons kann dann nicht mehr auf direkte Weise von den Obertonanteilen unterschieden werden. Dies trifft in besonderem Masse zu, wenn spezielle Anregungsformen, wie sie im Abschnitt 2.2.2. Multifrequenz- Stimulation (MFS) beschrieben wurden, zur Anwendung kommen. SFD ermöglicht eine eindeutige Fourieranalyse der Systemantwort. Aus dem Vergleich der Fourierkoeffizienten der Systemantwort mit jenen der Stimulation ist eine Analyse des Verhaltens des Systems bezüglich linearem und nicht linearem Signaltransfer möglich. Besonders erwähnenswert ist der hohe Informationsgehalt pro Zeitaufwand bei der Kombination MFS/SFD bei digitaler PSD. Da die zeitaufgelösten Stützstellenarrays als Ausgangsdaten für die PSD digital gespeichert sind, kann eine SFD an diesem Datenmaterial bei der Grundfrequenz ω und den Obertönen nω mit beliebiger Phasenauflösung durchgeführt werden. Die Anzahl der auswertbaren Obertöne ist nur durch das Sampling-Theorem n≤N/2 beschränkt. Die experimentelle Phasenauflösung wird ebenfalls durch die Anzahl Intervalle N pro Periode τ bestimmt, sie ist jedoch durch Interpolation beliebig zu verfeinern (siehe dazu Abschnitt 3. Datenerfassung)If precise information about the amplitudes and phases of a system response is required, only harmonic demodulation (SFD) can be considered, since any other periodic demodulation waveform that contains harmonics also converts all corresponding harmonic frequencies of the system response into a DC voltage would. The proportion of the fundamental can then no longer be distinguished directly from the harmonic components. This is particularly true if special forms of suggestion, as described in Section 2.2.2. Multi-frequency stimulation (MFS) have been described. SFD enables a clear Fourier analysis of the system response. By comparing the Fourier coefficients of the system response with those of the stimulation, an analysis of the behavior of the system with respect to linear and non-linear signal transfer is possible. Particularly noteworthy is the high information content per time expenditure when combining MFS / SFD with digital PSD. Since the time-resolved interpolation point arrays are stored digitally as output data for the PSD, an SFD can be carried out on this data material at the fundamental frequency ω and the overtones nω with any phase resolution. The number of overtones that can be evaluated is only limited by the sampling theorem n≤N / 2. The Experimental phase resolution is also determined by the number of intervals N per period τ, however, it can be refined by interpolation as desired (see section 3, data acquisition)
4.3. Demodulation mit Fouriertransformation4.3. Fourier transform demodulation
Fast Fourier Transformation (FFT) , oder modifizierte Algorithmen angewandt auf die N Stützstellenarrays eines Wellenzuges führen ebenfalls zu den gewünschten Resultaten, nämlich DC-Term-, Grundton- und Oberton-Arrays (Fig. IB) , wobei wie bei den PSD- Verfahren die maximal auswertbare Anzahl Obertöne durch das Sampling-Theorem n < N/2 beschränkt ist. Der Nachteil der FFT gegenüber der Rechteck- oder harmonischen Demodulation liegt im grösseren Rechenaufwand und Speicherbedarf; Randbedingungen, die von kommerziellen Gerätecomputern nicht immer erfüllt werden.Fast Fourier Transformation (FFT), or modified algorithms applied to the N reference point arrays of a wave train also lead to the desired results, namely DC term, fundamental and overtone arrays (FIG. IB), whereby, as in the PSD method, the maximum evaluable number of overtones is limited by the sampling theorem n <N / 2. The disadvantage of the FFT compared to rectangular or harmonic demodulation is the greater computing effort and memory requirement; Boundary conditions that are not always met by commercial device computers.
4.4. Multiparameter-Demodulation4.4. Multi-parameter demodulation
Alle in den Abschnitten 4.1. bis 4.3. beschriebenen Demodula- tionsverfahren lassen sich auch bei Multiparameter-Stimulation anwenden. Als Beispiel sei eine Doppelstimulation des Systems durch gleichzeitige externe Veränderung von zwei beliebigen Parametern, allgemein bezeichnet mit Px und P2 betrachtet. Zur Unterscheidung der entsprechenden Systemantworten wurden die unterschiedlichen Frequenzen
Figure imgf000029_0001
verwendet. Teile des Systems, die nur auf den Parameter P1 ansprechen, reagieren mit der Frequenz
Figure imgf000029_0002
und deren Obetöne, während solche, die nur auf P2 ansprechen in der Systemantwort nur die Frequenz ω, und deren Obertöne haben. Systemteile, die auf beide Parameter ansprechen, reagieren wie bei einer Doppelmodulation üblich, mit den Summen und Differenzen der entsprechenden Frequenzen, nämlich:
Figure imgf000029_0003
und Dasselbe gilt für die Obertöne und für alle anderen möglichen Linearkombinationen der beiden Grundfrequenzen. Um Ausgangssignale entsprechend Fig. IA, Pos. 10, oder Fig. IB, Pos. 20 zu erhalten, ist eine doppelte Demodulation mit je einer Schaltfunktion der Frequenz (ύ} und ω2 erforderlich. 5. Anwendungsbeispiel in der FTIR Modulationsspektroskopie
All in sections 4.1. until 4.3. The demodulation methods described can also be used for multiparameter stimulation. Double stimulation of the system by simultaneous external change of any two parameters, generally referred to as P x and P 2, is considered as an example. The different frequencies were used to differentiate the corresponding system responses
Figure imgf000029_0001
used. Parts of the system that only respond to parameter P 1 react with the frequency
Figure imgf000029_0002
and their overtones, while those that only respond to P 2 have only the frequency ω in the system response and their overtones. System parts that respond to both parameters react as usual with double modulation with the sums and differences of the corresponding frequencies, namely:
Figure imgf000029_0003
and the same applies to the overtones and to all other possible linear combinations of the two fundamental frequencies. In order to obtain output signals corresponding to FIG. 1A, item 10, or FIG. IB, item 20, double demodulation with a switching function of the frequency (ύ } and ω 2 is required. 5. Application example in FTIR modulation spectroscopy
5.-1. Stützstellen-Arrays5th-1st Node arrays
Die Intensitätsspektren 27 (Fig. 4), die zwischen einer Anfangs¬ und Endwellenzahl, vl t resp. vτ, in einer Zeit τs pro Scan registriert und eventuell M-fach akkumuliert werden, entsprechen den Stützstellen (Datenarrays) gemäss Fig. 2A und 2B. Die Zahl der Arraykomponenten wird durch den Messbereich und die spektrale Auflösung des Spektrometers bestimmt. In Fig. 4 ist das Resultat einer zeitaufgelösten Datenerfassung mit N=16 IntervallenThe intensity spectra 27 (FIG. 4), which lie between an initial and end wave number, v lt and . v τ , recorded in a time τ s per scan and possibly accumulated M times, correspond to the support points (data arrays) according to FIGS. 2A and 2B. The number of array components is determined by the measuring range and the spectral resolution of the spectrometer. 4 is the result of a time-resolved data acquisition with N = 16 intervals
(Δφ=22.5° Phasenauflösung) dargestellt. Die einzelnen Stütz¬ stellenspektren entsprechen je dem Mittelwert von M=12 akkumu¬ lierten Einzelspektren, gemäss Fig. 2B. Sie entstanden als Antwort einer dünnen Schicht des Polypeptids Poly-L-Lysin- HBr, die auf einer ATR-Platte ausgestrichen war, auf eine externe Temperatur-Stimulation. Die Datenerfassung erfolgte im Infrarot¬ bereich unter Verwendung eines kommerziellen FTIR-Spektrometers . Zur Stimulation der Probe wurde die Temperatur angenähert sinusförmig gemäss Gleichung (1) mit der Amplitude Ξmax/2 = ΔT/2 = 2°C um den Mittelwert T = 28°C moduliert, was zu einer periodi¬ schen T-Modulation zwischen 26*C und 30*C führt. Die mittlere relative Luftfeuchtigkeit betrug 80%. P=5 Perioden wurden gemittelt (vgl. Fig. 2A und 2B) . Die Stimulationsperiode betrug x = 4.4 min. Jedes der 16 gemittelten Stützstellenspektren(Δφ = 22.5 ° phase resolution). The individual interpolation point spectra each correspond to the mean value of M = 12 accumulated individual spectra, according to FIG. 2B. They were created in response to an external temperature stimulation in response to a thin layer of the polypeptide poly-L-lysine HBr spread on an ATR plate. The data was recorded in the infrared range using a commercial FTIR spectrometer. To stimulate the sample, the temperature was modulated approximately sinusoidally according to equation (1) with the amplitude Ξ max / 2 = ΔT / 2 = 2 ° C around the mean value T = 28 ° C, which results in a periodic T modulation between 26 * C and 30 * C leads. The average relative humidity was 80%. P = 5 periods were averaged (see Figs. 2A and 2B). The stimulation period was x = 4.4 min. Each of the 16 averaged support spectra
(Arrays) Sk bestand aus I = 3450 Arraykomponenten (ca. 1 Daten¬ punkt pro cm"1) .(Arrays) S k consisted of I = 3450 array components (approx. 1 data point per cm "1 ).
5.2. Umformung der Stützstellen bei spektroskopischen Experimen¬ ten5.2. Forming of the support points in spectroscopic experiments
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Folgenden derAt this point it should be pointed out that in the following the
Ausdruck 'exp' für die Exponentialfunktion zur Basis 10 verwendet wird.Expression 'exp' is used for the base 10 exponential function.
Gemäss dem Lambert-Beer' sehen Gesetz kann die i-te Komponente der k-ten Stützstelle wie folgt beschrieben werden:According to the Lambert-Beer law, the i-th component of the k-th support point can be described as follows:
Ski = Rci" exp(-εiCkd) (9) R0i ist die Intensität 42 (Fig. 6) an der Stelle vi f ohne Probe im Strahlengang (Referenzintensität, Background) . e ist der molare Absorptionskoeffizient bei der Wellenzahl vx und ck die Konzentration zum k-ten Stützstellenspektrum, d.h. zur Zeit (k- 1) Δt.S k i = R c i "exp (-εiC k d) (9) R 0i is the intensity 42 (FIG. 6) at the point v if without a sample in the beam path (reference intensity, background). e is the molar absorption coefficient for the wave number v x and c k is the concentration to the k-th spectrum of interpolation points, ie at the time (k-1) Δt.
Anmerkung: Der Einfachheit halber wurde das Lambert-Beer' sehe Gesetz in Gleichung (9) und im Folgenden so formuliert, als gäbe es im System nur eine stimulierbare Spezies, deren Konzentration c(t) sei und die spektroskopisch durch den molaren Absorptions¬ koeffizienten e, einem Array mit I Komponenten, charakterisiert wird. Im Falle von ρ reagierenden Spezies, was i.a. zutrifft, müssen c und ε jeweils durch die Summen
Figure imgf000031_0001
+c2+....+c0, resp. ε=∑εp12+....ε0 ersetzt werden. Diese Vereinfachung hat jedoch keine einschränkende Wirkung auf den Anwendungsbereich der Erfindung, sondern ermöglicht lediglich die mathematischen Formulierungen einfacher und überblickbarer zu gestalten. Bei einem spektroskopischen Modulationsexperiment stellt sich im allgemeinen die Frage nach dem Verhalten der Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer, d.h. nach der jeweiligen Phase und Am¬ plitude, resp. nach den Fourierkoeffizienten, mit denen das zeitliche Verhalten beschrieben wird. Das Lambert-Beer' sehe Gesetz (9) zeigt, dass der Zusammenhang zwischen der Messgrosse Ski und der Konzentration ck nicht linear ist. Falls sich durch externe Stimulation die Konzentration c(t) periodisch verändert, so ist auch S(t) eine periodische Funktion und lässt sich deshalb mit einer Fourierreihe beschreiben. Die entsprechenden Fourierko¬ effizienten sind modifizierte Besselfunktionen ganzer Ordnung. Diese lassen sich aus den Fourierkoeffizienten von c(t) mit Hilfe des Jacobi-Anger Theorems berechnen (E. Jahnke and F. Emde, Tables of Functions with Formulae and Curves, Dover Publication
Note: For the sake of simplicity, the Lambert-Beer law was formulated in equation (9) and in the following as if there were only one stimulable species in the system, the concentration of which is c (t) and which is spectroscopic due to the molar absorption coefficient e, an array with I components. In the case of ρ reacting species, which generally applies, c and ε have to pass through the sums
Figure imgf000031_0001
+ c 2 + .... + c 0 , resp. ε = ∑ε p = ε 1 + ε 2 + .... ε 0 can be replaced. This simplification, however, has no restrictive effect on the scope of the invention, but only enables the mathematical formulations to be made simpler and more transparent. In the case of a spectroscopic modulation experiment, the question generally arises as to the behavior of the concentrations of the reaction participants, ie according to the respective phase and amplitude, or. according to the Fourier coefficients used to describe the behavior over time. The Lambert-Beer law (9) shows that the relationship between the measured quantity S ki and the concentration c k is not linear. If the concentration c (t) changes periodically due to external stimulation, S (t) is also a periodic function and can therefore be described with a Fourier series. The corresponding Fourierko ¬ modified Bessel functions of entire order are effective. These can be calculated from the Fourier coefficients of c (t) using the Jacobi-Anger theorem (E. Jahnke and F. Emde, Tables of Functions with Formulae and Curves, Dover Publication
Inc., New York (1945) , S ) . Umgekehrt lassen sich deshalo aus den experimentell zuganglichen Fourierkoeffizienten von S(t) die gesuchten Fourierkoeffizienten von c(t) berechnen. Eine Um¬ rechnung der Messdaten nach Jacobi-Anger ist jedoch unumgänglich, was mit der Hardware- und Software-Ausrüstung der Computer von kommerziellen Spektrometern nicht in jedem Fall zu bewältigen wäre . Eine Ausnahme bildet allerdings der Spezialfall, dass die Amplituden der Konzentrationsmodulation sehr klein sind, was eine Linearisierung der Gleichung (9) ermöglichtInc., New York (1945) S). Conversely, from the experimentally accessible Fourier coefficients of S (t), the Fourier coefficients of c (t) sought can be calculated. However, a conversion of the measurement data according to Jacobi-Anger is essential, which would not always be possible with the hardware and software equipment of the computers of commercial spectrometers. However, an exception is the special case that the Amplitudes of the concentration modulation are very small, which enables the linearization of equation (9)
Figure imgf000032_0001
Figure imgf000032_0001
Da dieser Fall nicht generell zutrifft, ist es empfehlenswert, bei spektroskopischen Anwendungen die Intensitäts-Stützstellen- spektren Sk vor der PSD in Absorbance-Spektren ak umzuwandeln, um eine direkte Proportionalität zu den Konzentrationen zu errei¬ chen. Es folgt somit für die i-te Komponente der k-ten Stütz¬ stelleSince this case does not generally apply, it is advisable in spectroscopic applications to convert the intensity reference point spectra S k before the PSD into absorption spectra a k in order to achieve a direct proportionality to the concentrations. It follows for the i-th component of the k-th support point
-log[Ski] = -log.RoJ + EiCkd = -log.RoJ + aki (11)-log [S ki ] = -log.RoJ + EiC k d = -log.RoJ + a ki (11)
akl ist die i-te Komponente des k-ten Absorbance-Stützstellen- arrays. Für den ganzen Array ergibt sich deshalb aus GI . (11)a kl is the i-th component of the k-th absorption support array. For the entire array, this results from GI. (11)
aκ = -log[Tk] = -log[Sk/Ro] = εckd (12)a κ = -log [T k ] = -log [S k / Ro] = εc k d (12)
An Stelle der Originaldatenarrays (Intensitätsspektren) Sk (vergl. Fig. 4 und GI . (9)) treten nun gemäss GI . (12) Ab¬ sorbance-Spektren ak als Stützstellen-Arrays . Diese sind nur noch vom Zustand der Probe abhängig. Im Grenzfall ck=0 verschwindet dementsprechend auch die Absorbance ak. Der Index k steht für die Nummer der k-ten Stützstelle, d.h. k=l,2, ....N+l . Da Konzentrationen grundsätzlich immer positiv sind, muss sich bei einem Modulationsexperiment die Konzentration ck eines Reaktionsteilnehmers an der Stützstelle k immer periodisch um den über eine ganze Periode gebildeten Mittelwert c0 bewegen, der nicht mehr von der Zeit abhängt. Aus diesem Grunde ist eine Zerlegung von ck in einen zeitunabhangigen (DC-Term) und einen zeitabhängigen (modulierten) Konzentrationsanteil möglich:Instead of the original data arrays (intensity spectra) S k (cf. Fig. 4 and GI. (9)) now occur according to GI. (12) Absorbance spectra a k as support point arrays. These only depend on the condition of the sample. In the limit case c k = 0, the absorbance a k disappears accordingly. The index k stands for the number of the kth support point, ie k = 1, 2, ... N + 1. Since concentrations are fundamentally always positive, in a modulation experiment the concentration c k of a reaction participant at the support point k always has to move periodically around the mean value c 0 formed over an entire period, which no longer depends on the time. For this reason, c k can be broken down into a time-independent (DC term) and a time-dependent (modulated) concentration component:
ck = c0 + ck mod (13)c k = c 0 + c k mod (13)
Aus (12) und (13) folgt fur die entsprechende Absorbance ebenfalls ein DC- und ein modulierter Anteil: ak = ε - d ( c0 + ck mod) = a0 + ak mod ( 14 )From (12) and (13) there follows a DC and a modulated component for the corresponding absorbance: a k = ε - d (c 0 + c k mod ) = a 0 + a k mod (14)
Der Array der DC-Komponenten 44, a0, ist in Fig. 6 dargestellt, während die 17 (N+l) zeitaufgelösten Absorbance-Spektren ak mod in Fig. 7 dargestellt sind. Der Index k steht für die k-te Stütz¬ stelle. Das Spektrum 45 in Fig. 7 bildet z.B. die 7. Stützstelle der Periode.The array of DC components 44, a 0 , is shown in FIG. 6, while the 17 (N + l) time-resolved absorption spectra a k mod are shown in FIG. 7. The index k stands for the kth support point. The spectrum 45 in FIG. 7 forms, for example, the 7th support point of the period.
Anwendung des Lambert-Beer'sehen Gesetzes in der Form (9), resp. (12) auf Gleichung (14) ergibt für den Transmittance-Array:Application of the Lambert-Beer's law in the form (9), respectively. (12) on equation (14) yields for the transmittance array:
Tk = Sk/Ro = exp(-ak) = exp (-εc0d) exp (-εck modd) (15)T k = S k / Ro = exp (-a k ) = exp (-εc 0 d) exp (-εc k mod d) (15)
Auflösung von GI . (15) nach dem Stützstellen-Array 27 (Fig. 4) ergibt :Dissolution of GI. (15) after the support point array 27 (FIG. 4) yields:
Sk = RQ- exp(-εc0d) exp(-εck modd) = S0- exp (-εck modd) (16)S k = RQ- exp (-εc 0 d) exp (-εc k mod d) = S 0 - exp (-εc k mod d) (16)
= S0-exp(-ak mod) mit= S 0 -exp (-a k mod ) with
S0 = Ro- exp(-εc0d) = Ro-exp(-a0) (17)S 0 = Ro-exp (-εc 0 d) = Ro-exp (-a 0 ) (17)
als zeitunabhängiger, nicht modulierter Anteil 43 (Fig. 6) aller Stützstellen-Arrays k=l,2, ....N (Fig. 4, Sk) . RQ ist das zeit¬ unabhängige Intensitatsspektrum 42 (Fig. 6), das bei einer Messung ohne Probe entsteht. RQ wird i.a. als Referenzspektrum oder Background-Spektrum bezeichnet. Aus (17) ergibt sich fur den Mittelwert der Absorbance 44 der stimulierten Probe (Fig. 6) :as a time-independent, non-modulated portion 43 (FIG. 6) of all interpolation point arrays k = 1, 2, .... N (FIG. 4, S k ). R Q is the time-independent intensity spectrum 42 (FIG. 6), which arises in a measurement without a sample. R Q is generally referred to as the reference spectrum or background spectrum. From (17) the following results for the mean value of the absorbance 44 of the stimulated sample (FIG. 6):
a0 = -log(T0) = -log(S0/Ro) (18)a 0 = -log (T 0 ) = -log (S 0 / Ro) (18)
Division von (16) durch (17) ergibt den k-ten zeitaufgelosten Transmittance-Stutzstellenarray Tk mod. Durch Logarithmieren erhalt man den entsprechenden, zur Konzentration direkt proportionalen Absorbance-Stutzstellenarray, (z.B. 45, Fig. 7, k=7) .Division of (16) by (17) gives the kth time-resolved transmittance support array T k mod . The corresponding absorbance support point array, which is directly proportional to the concentration, is obtained by logarithmization (for example 45, FIG. 7, k = 7).
ak mod = -log Tk mod = ε cx modd ( 1 9 )a k mod = -log T k mod = ε c x mod d (1 9)
Diese zeitaufgelosten Spektren enthalten die relevante Informa¬ tion über die Dynamik der durch externe Stimulation erzeugten Konzentrationsmodulation ck mod.These time-resolved spectra contain the relevant information about the dynamics of those generated by external stimulation Concentration modulation c k mod .
Der oben beschriebene Weg zur Ermittlung von ak mod mit Hilfe der Gleichungen (12) -(19) zeigt den formalen Zusammenhang zwischen den relevanten Grossen eines spektroskopischen Modulations¬ experimentes. Im konkreten Fall kann jedoch ak mod direkter aus den Intensitäts-Stützstellenarrays Sk (Originaldatenarrays) 27 (Fig. 4) ermittelt werden. Da S0 gemäss (16) und (17) der Mittelwert von Sk über eine Periode ist, folgt aus (19) :The above-described way of determining a k mod using equations (12) - (19) shows the formal relationship between the relevant variables of a spectroscopic modulation experiment. In the specific case, however, a k mod can be determined more directly from the intensity reference point arrays S k (original data arrays) 27 (FIG. 4). Since S 0 is the mean of S k over a period according to (16) and (17), it follows from (19):
a *0 d =0g(sk/jskdt) = -log(Sk/S0) (20) a * 0 d =0 g (s k / js k dt) = -log (S k / S 0 ) (20)
Periodeperiod
Die experimentell relevante Gleichung (20) erfordert eine numerische Integration, die jedoch auf der Basis elementarer Rechenoperationen i.a. mit der Standardsoftware kommerzieller Spektrometer-Computer ohne Probleme durchgeführt werden kann.The experimentally relevant equation (20) requires numerical integration, which, however, is generally based on elementary arithmetic operations. can be carried out with the standard software of commercial spectrometer computers without any problems.
5.3. Phasenempfindliche Detektion (PSD)5.3. Phase sensitive detection (PSD)
Die zur PSD verwendeten Stützstellenarrays sind in Fig. 7 dargestellt. Sie wurden gemäss Gleichung (20) berechnet. DieThe reference point arrays used for the PSD are shown in FIG. 7. They were calculated according to equation (20). The
Demodulation erfolgte mit einer Rechteck-Schaltfunktion 29 (Fig.Demodulation was carried out using a rectangular switching function 29 (FIG.
5), wie sie durch Gleichung (6) mit beschrieben wird. Es wurden der Grundton (ω) und der erste Oberton (2ω) detektiert. Das5) as described by equation (6). The fundamental (ω) and the first overtone (2ω) were detected. The
Vorgehen ist in Fig. 5A-5D schematisch dargestellt und imProcedure is shown schematically in Fig. 5A-5D and in
Abschnitt 4.1. beschrieben.Section 4.1. described.
Im konkreten Fall (Fig. 4, 6-9) beträgt die Anzahl StützstellenIn the specific case (Fig. 4, 6-9), the number of support points
N=16, was einer Phasenauflösung Δφ = 22.5° entspricht.N = 16, which corresponds to a phase resolution Δφ = 22.5 °.
Die in der Ausgabeeinheit 20, Fig. IB erscheinenden Signalarrays werden wie folgt ermittelt :The signal arrays appearing in the output unit 20, FIG. 1B are determined as follows:
Der DC-Term AQ ergibt sich durch Mittelwertbildung (z.B. durch numerische. Integration und Skalierung) über die Absorbance-The DC term A Q results from averaging (eg through numerical integration and scaling) via the absorbance
Stützstellen ak einer ganzen Periode. Gemäss Gleichung (14) entspricht dieser Wert dem DC-Term a0 der Absorbance der ProbeSupport points a k of an entire period. According to equation (14), this value corresponds to the DC term a 0 of the absorbance of the sample
44, Fig. 6.44, Fig. 6.
Den Grundtonarray Aj (φ,-φPSD,ι) erhält man durch Bildung desThe basic tone array Aj (φ, -φ PSD, ι) is obtained by forming the
Mittelwertes des Produktes S(t) -R(t) über eine Periode und Skalierung so, dass ein 1:1 Absorbance-Amplitudenverhältnis entsteht (siehe Abschnitt 4.1. und Fig. 5) . Ausgehend von den Absorbance-Stützstellenspektren ak mod (Fig. 7), ergibt sich für Ajtφi-0*) 46, Fig. 8, folgendes Berechnungsschema: Mittelwert¬ bildung über die Stützstellenarrays k=l-9 von Fig. 7 und Subtraktion des entsprechenden Mittelwertes über die Stütz¬ stellenarrays 9-17, wobei der erste und der 17. Array wegen der Periodizität identisch sind. Den Grundtonarray A11-22.5*) 47, Fig. 8, zum PSD-PhasenwinkelAverage of the product S (t) -R (t) over a period and scaling so that a 1: 1 absorbance-amplitude ratio arises (see section 4.1. and Fig. 5). Starting from the absorption support point spectra a k mod (FIG. 7), the following calculation scheme results for Ajtφi-0 * ) 46, FIG. 8: averaging over the support point arrays k = 1-9 from FIG. 7 and subtraction of the corresponding mean value over the support point arrays 9-17, the first and the 17th array being identical because of the periodicity. The fundamental tone array A 11 -22.5 * ) 47, Fig. 8, to the PSD phase angle
ΦPSD.I = 22.5° ergibt sich durch analoge Verarbeitung der Stütz¬ stellenarrays 2 bis 10, resp. 10 bis 2 von Fig. 7. Allgemein erhält man die Grundtonarrays A, (φx- (k-1) Δφ) zu den Phasen φPSD,ι = (k-l)-Δφ durch Mittelwertbildung über die Stütz¬ stellenarrays k bis (k+N/2) und durch Subtraktion des ent¬ sprechend gebildeten Mittelwertes über die Stützstellenarrays (k+N/2) bis (k+N) . Dabei ist die Periodizität des stationären Prozesses zu beachten, d.h. sobald eine Stützstellennummerden Wert von N übersteigt, ist davon N zu subtrahieren. Zudem muss die Prozedur nur bis k = (N/2)-l durchgeführt werden, da ebenfalls wegen der Periodizität Aι(φ,-0°)
Figure imgf000035_0001
gilt, d.h. nach einer halben Periode wiederholen sich die Funktions¬ werte mit umgekehrtem Vorzeichen, vergl. auch Fig. 5B. Bei der Rechteck-Demodulation des 1. Obertons wird sinngemass verfahren. Die Grundfrequenz von R(t) GI . (6) ist nun 2ω, dh.die experimentelle Phasenänderung von Stützstelle zu Stutzstelle beträgt nun Δφ=45'. Die Demodulation bei der PSD-Phase φPSD,2 = 2- ΦPSD,I =0* erfolgt durch Addition der Array-Mittelwerte über die Viertelperioden gebildet aus den Stützstellen k=l bis k=5, resp. k=9 bis k=13. Von diesem Array werden die Mittelwerte über die Bereiche k=5 bis k=9, resp. k=13 bis k=17 subtrahiert, wobei k=17 wiederum k=l entspricht. Das Resultat, A22-0°) , entspricht, Modulationsspektrum 48 in Fig. 9. Das Modulationsspektrum 49 in Fig. 9, A22-45°), ergibt sich durch verschieben der Rechteck- Schaltfunktion um eine Intervallange, vergl. auch Fig. 5. Allgemein erhalt man die phasenaufgelosten Spektren zum ersten Oberton, A22-2 (k-1) Δφ) , zu den Phasen φPSD,2 = 2(k-l)-Δφ durch Addition der Mittelwerte, gebildet über die Stützstellenarrays K Ois (k+N/4) , resp. (k+N/2) bis (k+3N/4) , und durch Subtraktion αer entsprechenden Mittelwerte gebildet über die Stutzsteller- arrays (k+N/4) bis (k+N/2) und (k+3N/4) bis (k+N) . Dabei ist die Periodizität des stationären Prozesses zu beachten, d.h. sobald eine Stützstellennummer N übersteigt, ist davon der Wert N zu subtrahieren. Zudem muss die Prozedur nur bis k = (N/2)-l durch¬ geführt werden, da ebenfalls wegen der Periodizität A22-0°) = - A22-180°) gilt, d.h. nach einer halben Periode wiederholen sich die Funktionswerte mit umgekehrtem Vorzeichen, vergl. Fig. 5B. Da in der Temperaturstimulation kein 2ω-Anteil enthalten war, weist die Existenz des ersten Obertons in den Modulationsspektren eindeutig auf Nichtlinearitäten des Systems hin. Im konkreten Fall bedeutet dies generell, dass sich unter den durch die Temperaturveränderung ausgelösten Reaktionen solche befinden, die nicht eine Kinetik 1. Ordnung haben. Dazu gehören z.B. chemische Reaktionen 2. Ordnung, aber auch komplexere Phänomene, wie kooperative und allosterische Effekte. Letztere spielen bei Konformationsänderungen von Makromolekülen eine wichtige Rolle.
Φ PSD . I = 22.5 ° results from analog processing of the support point arrays 2 to 10, respectively. 10 to 2 of FIG. 7. In general, the fundamental tone arrays A, (φ x - (k-1) Δφ) for the phases φ PSD, ι = (kl) -Δφ are obtained by averaging over the support point arrays k to ( k + N / 2) and by subtracting the correspondingly formed average over the support point arrays (k + N / 2) to (k + N). The periodicity of the steady-state process has to be taken into account, i.e. as soon as a node number exceeds the value of N, subtract N from it. In addition, the procedure only has to be carried out up to k = (N / 2) -l, since also due to the periodicity Aι (φ, -0 °)
Figure imgf000035_0001
applies, ie after half a period the function values repeat with an opposite sign, cf. also FIG. 5B. The same applies to the rectangular demodulation of the 1st overtone. The fundamental frequency of R (t) GI. (6) is now 2ω, i.e. the experimental phase change from support point to support point is now Δφ = 45 '. The demodulation in the PSD phase φ PSD, 2 = 2- Φ PSD, I = 0 * is carried out by adding the array mean values over the quarter periods formed from the support points k = 1 to k = 5, respectively. k = 9 to k = 13. From this array, the mean values over the ranges k = 5 to k = 9, respectively. k = 13 to k = 17 subtracted, where k = 17 again corresponds to k = l. The result, A 22 -0 °), corresponds to modulation spectrum 48 in FIG. 9. The modulation spectrum 49 in FIG. 9, A 22 -45 °), is obtained by shifting the rectangular switching function by one Interval length, see also Fig. 5. In general, the phase-resolved spectra for the first overtone, A 22 -2 (k-1) Δφ), for the phases φ PSD, 2 = 2 (kl) -Δφ are obtained Addition of the mean values, formed via the support point arrays K Ois (k + N / 4), respectively. (k + N / 2) to (k + 3N / 4), and by subtracting the corresponding mean values from the support plate arrays (k + N / 4) to (k + N / 2) and (k + 3N / 4) to (k + N). The periodicity of the steady-state process must be taken into account, ie as soon as a node number exceeds N, the value N must be subtracted from it. In addition, the procedure only has to be carried out up to k = (N / 2) -l, since also because of the periodicity A 22 -0 °) = - A 22 -180 °), ie after one half a period, the function values repeat with the opposite sign, see FIG. 5B. Since there was no 2ω component in the temperature stimulation, the existence of the first overtone in the modulation spectra clearly indicates non-linearities of the system. In the specific case, this generally means that the reactions triggered by the change in temperature include those that do not have first-order kinetics. These include, for example, 2nd order chemical reactions, but also more complex phenomena such as cooperative and allosteric effects. The latter play an important role in changing the conformation of macromolecules.
5.4. Übersicht über die relevanten Auswertungsschritte bei der simultanen, digitalen phasenempfindlichen Detektion der zeitaufgelösten Originaldatenarrays Sk bezogen auf das Spektroskopische Anwendungsbeispiel5.4. Overview of the relevant evaluation steps in the simultaneous, digital phase-sensitive detection of the time-resolved original data arrays S k based on the spectroscopic application example
• RQ: Vor Beginn des Modulationsexperimentes wird das Refe¬ renzspektrum Ro (Fig. 6, Pos. 42) gemessen.• RQ: Before the modulation experiment begins, the reference spectrum Ro (FIG. 6, item 42) is measured.
• S0: Mittelwertbildung (durch numerische Integration nach der Methode von Simpson über die volle Periode, mit Skalierung) der Funktion S(t) (Fig. IB, Pos. 14), die durch Stützstel¬ lenarrays Sk, (Fig. 4, Pos. 27) bestimmt ist. Dabei wurden die Stützstellenarrays Sk wie einzelne Punkte behandelt. Daraus ergab sich das zeitunabhängige Spektrum S0 (Fig. 6, Pos . 47) .S 0 : Averaging (by numerical integration using the Simpson method over the full period, with scaling) of the function S (t) (FIG. IB, item 14), which is carried out by supporting point arrays S k, (FIG. 4 , Item 27) is determined. The interpolation point arrays S k were treated like individual points. This resulted in the time-independent spectrum S 0 (FIG. 6, item 47).
• a0: Der DC-Term a0, (Fig. 6, Pos. 44) wurde gemäss Gleichung (18) berechnet.• a 0 : The DC term a 0 , (Fig. 6, item 44) was calculated according to equation (18).
• ak m°d: Der modulierte, zeitabhängige Anteil (Fig. 7, Pos. 45) der Absorbance-Stützstellen der Probe wurde gemäss Glei¬ chung (20) berechnet.A k m ° d: The modulated, time-dependent portion (FIG. 7, item 45) of the absorption support points of the sample was calculated in accordance with equation (20).
• AQ: Der DC-Term des Absorbancespektrums der Systemantwort, entspricht ac (siehe oben) . • Aj: Phasenaufgelöste Grundtonspektren, die dem Grundton¬ anteil der modulierten Absorbance der Systemantwort ent¬ sprechen. Sie wurden durch phasenempfindliche Detektion bei der Grundtonfrequenz ω mit einer Rechteck-Schaltfunktion (6) ermittelt. Siehe Abschnitt 5.3. oben.• A Q : The DC term of the absorption spectrum of the system response corresponds to a c (see above). Aj: phase-resolved fundamental spectra which correspond to the fundamental part of the modulated absorbance of the system response. They were determined by phase-sensitive detection at the fundamental tone frequency ω using a square-wave switching function (6). See section 5.3. above.
• A2: Phasenaufgelöste 1. Oberton-Spektren, die dem Anteil des ersten Obertons der modulierten Absorbance der System¬ antwort entsprechen. Sie wurden durch phasenempfindliche Detektion bei der Frequenz 2ω (1. Oberton) mit einer Rechteck-Schaltfunktion (6) ermittelt. Siehe Abschnitt 5.3. oben.A 2 : Phase-resolved 1st harmonic spectra which correspond to the proportion of the first harmonic of the modulated absorbance of the system response. They were determined by phase-sensitive detection at the frequency 2ω (1st overtone) with a square-wave switching function (6). See section 5.3. above.
5.5. Auswertung der Daten auf der Ebene der Interferogramme5.5. Evaluation of the data at the level of the interferograms
Fouriertransform-Geräte liefern Interferogramme als Original¬ datenarrays Sk. Mit eine Fouriertransformation müssen diese in interpretierbare Spektren umgerechnet werden.Fourier transform devices deliver interferograms as original data arrays S k . With a Fourier transformation, these must be converted into interpretable spectra.
Beim Anwendungsbeispiel, das unter 5.1. bis 5.4. ausführlich beschrieben ist, wurde diese Umrechnung gleich mit den Origi¬ naldatenarrays, d.h. unmittelbar nach der Datenerfassung durch geführt. Grundsätzlich kann diese Umrechnung jedoch an irgend¬ einer Stelle der im Anwendungsbeispiel beschriebenen Schritte zur Datenanalyse erfolgen, da ein eindeutiger Zusammenhang zwischen entsprechenden Rechenoperationen im Fourierbereich und im Zeit¬ bereich besteht. Aus rechentechnischen Gründen, ist auch ein mehrfacher Wechsel zwischen den beiden Bereichen denkbar.In the application example described in 5.1. until 5.4. is described in detail, this conversion was carried out with the original data arrays, i.e. carried out immediately after data collection. In principle, however, this conversion can take place at any point in the data analysis steps described in the application example, since there is a clear connection between corresponding arithmetic operations in the Fourier range and in the time range. For computational reasons, a multiple change between the two areas is also conceivable.
6. Verfahrensvarianten in der optischen Spektroskopie6. Process variants in optical spectroscopy
In der optischen Spektroskopie sind folgende Verfahrensvarianten möglich, um zu den angestrebten Ergebnissen AQ, Alr A2, , A^ gemäss Fig. IB, Pos. 20 zu gelangen:The following method variants are possible in optical spectroscopy in order to arrive at the desired results AQ, A lr A 2 ,, A ^ according to FIG. IB, item 20:
6.1. Zeitpunkt der Durchführung der phasenempfindlichen Detek¬ tion (PSD) 6 . 1 . 1 On-Line PSD6.1. Time of performing the phase-sensitive detection (PSD) 6. 1 . 1 on-line PSD
Die Erfassung der Originaldatenarrays erfolgt wie in Fig. 2A dargestellt. Die Stützstellenarrays Sk einer Periode q werden jedoch nicht fortlaufend akkumuliert, sondern gespeichert und nach Ablauf dieser Periode, d.h. während der Periode q+1 nach einem der unter den beiden in den nachfolgenden Abschnitten beschriebenen Verfahren demoduliert. Die Resultate AQ, Aα, A2, , A„ werden jedoch fortlaufend akkumuliert, d.h. mit denThe original data arrays are acquired as shown in FIG. 2A. The interpolation point arrays S k of a period q are, however, not continuously accumulated, but are stored and demodulated after this period, ie during the period q + 1, according to one of the methods described in the two sections below. However, the results A Q , A α , A 2 ,, A “are continuously accumulated, ie with the
Mittelwerten der (q-1) vorangehenden Perioden gemittelt. Analog wird mit dem in der Periode (q+1) bis P erfassten Originaldaten¬ arrays verfahren. Die On-Line PSD hat den Vorteil, dass man während des Experimentes schon Informationen über die zu erwartenden Resultate zur Verfügung hat.Averages of the (q-1) preceding periods averaged. The same procedure is used with the original data arrays recorded in the period (q + 1) to P. The on-line PSD has the advantage that information about the expected results is already available during the experiment.
6.1.2. Off-Line PSD6.1.2. Off-line PSD
Drei Verfahren sollen hier erwähnt werden:Three methods should be mentioned here:
- Speicherung der Originaldatenarrays unmittelbar nach der Er¬ fassung in einem Speichermedium (RAM, Hard Disk etc.) . Die gesamte Auswertung erfolgt off-line, nach einem der nachfolgend beschriebenen Demodulationsverfahren.- Storage of the original data arrays immediately after being recorded in a storage medium (RAM, hard disk, etc.). The entire evaluation is carried out off-line, using one of the demodulation methods described below.
- Speicherung der Originaldatenarrays unmittelbar nach der Er¬ fassung in einem Speichermedium (RAM, Hard Disk etc.) . Die Auswertung erfolgt off-line, indem noch während der Daten¬ erfassung und Speicherung, gespeicherte Daten aus dem Buffer ausgelesen und nach einem der nachfolgend beschriebenen Demodu¬ lationsverfahren verarbeitet werden.- Storage of the original data arrays immediately after being recorded in a storage medium (RAM, hard disk, etc.). The evaluation is carried out off-line by reading stored data from the buffer during data acquisition and storage and processing it using one of the demodulation methods described below.
- Koadditon der Originaldatenarrays unmittelbar nach der Er¬ fassung. Dies entspricht der Darstellung in Fig. 2A und 2B und dem Anwendungsbeispiel. Die weitere Auswertung erfolgt nach einem der nachfolgend beschriebenen Demodulationsverfahren.- Coaddition of the original data arrays immediately after detection. This corresponds to the illustration in FIGS. 2A and 2B and the application example. The further evaluation takes place according to one of the demodulation methods described below.
6.2. Demodulationsverfahren6.2. Demodulation process
6.2.1. Verfahren ohne Logarithmieren der Originaldatenarrays:6.2.1. Procedure without logarithmizing the original data arrays:
(Jacobi-Anger Transformation (JAT) ) Die zeitunabhängigien Arrays R^ und S0 werden wie im Anwendungs¬ beispiel ermittelt und in den DC-Term-Array AQ umgerechnet. Die Ermittlung von A,, A2, , A,, kann auf drei verschiedene Arten erfolgen, bei denen aber grundsätzlich die Reihenfolge:(Jacobi-Anger Transformation (JAT)) The time-independent arrays R ^ and S 0 are determined as in the application example and converted into the DC term array AQ. The determination of A ,, A 2 ,, A ,, can be carried out in three different ways Types occur, but in principle the order:
Sk => PSD => JAT eingehalten werden muss. An irgendeiner der drei möglichen Stellen muss eine Division durch S0 erfolgen, also nach Sk, nach der PSD oder nach der JAT.S k => PSD => JAT must be observed. At any of the three possible locations, a division must be made by S 0 , i.e. by S k , by the PSD or by the JAT.
6.2.2. Verfahren mit Logarithmieren der Originaldatenarrays : Die zeitunabhängigien Arrays RQ und S0 werden wie im Anwendungs¬ beispiel ermittelt und in den DC-Term-Array AQ umgerechnet .6.2.2. Method with logarithmicization of the original data arrays: The time-independent arrays R Q and S 0 are determined as in the application example and converted into the DC term array A Q.
Die Ermittlung von Au A2, , A., kann auf zwei Arten erfolgen, bei denen aber grundsätzlich eine Logarithmierung der Original¬ daten erfolgen muss:A u A 2 ,, A. can be determined in two ways, but in which the original data must always be logarithmized:
- Mit Berechnung der Transmittance (vergl. Gl. (15) und (19)) : Die Originaldatenarrays werden durch S0 dividiert, danach logarithmiert und der PSD zugeführt. Dieser Weg wurde im Anwendungsbeispiel beschriften.- With calculation of the transmittance (see Eq. (15) and (19)): The original data arrays are divided by S 0 , then logarithmic and fed to the PSD. This path was labeled in the application example.
- Ohne Berechnung der Transmittance:- Without calculating the transmittance:
Die Originaldatenarrays werden direkt logarithmiert und danach der PSD zugeführt.The original data arrays are directly logarithmic and then fed to the PSD.
7. Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens7. Devices for performing the method
Fig. 11 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Tem¬ peratur- (T) -Modulationsexperimentes .11 shows a device for carrying out a temperature (T) modulation experiment.
Als analytisches Instrument (60) dient ein FTIR-Spektrometer, bzw. ein Diodenarray-Spektrometer.An FTIR spectrometer or a diode array spectrometer serves as the analytical instrument (60).
Das System (2), bzw. die Probe, befindet sich auf beiden Reflexionsflächen eines ATR- (attenuated total reflection) - Kristalls, wovon nur eine Hälfte der ATR-Platte (70) dargestellt ist. Der in die ATR-Platte (70) einfallende Lichtstrahl (71) stammt aus einem Interferometer (64) oder Diodenarray-Spek¬ trometer. Nach einer oder mehreren Totalreflexionen in der ATR- Platte (70) , bei denen die Lichtabsorption ak des Systems erfolgt (siehe Gleichung (14)), wird der austretende Lichtstrahl (72) auf einen Detektor (61) oder Detektor-Array geführt, in welchem das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das analytische Instrumente (60) besteht - neben dem Interferometer (64) oder Monochromator - aus dem Detektor (61) und einer Rechnereinheit (65), die ihrerseits aus einer DatenerfassungThe system (2) or the sample is located on both reflection surfaces of an ATR (attenuated total reflection) crystal, of which only half of the ATR plate (70) is shown. The incident into the ATR plate (70) beam of light (71) originates from an interferometer (64) or diode array spectrometer ¬ Spec. After one or more total reflections in the ATR plate (70), in which the system absorbs light a k (see equation (14)), the emerging light beam (72) is guided onto a detector (61) or detector array, in which the optical signal is converted into an electrical signal. The analytical instrument (60) exists - in addition to the interferometer (64) or monochromator - from the detector (61) and a computer unit (65), which in turn from a data acquisition
(!4), einer Datenverarbeitung (62), einer phasenempfindlichen Detektion (16), einer Steuer- und Kontrolleinheit (63) und einer Ausgabeeinheit (20) besteht. Die Steuer- und Kontrollemheit (63) ist über Leitungen (73) mit dem Interferometer (64) oder Monochromator verbunden, worüber alle fur den Betrieb des analytischen Instrumentes notwendigen Signale geführt werden, wie z.B. jene zur Steuerung der Spiegelposition eines Interferome- ters. Der Detektor (61) ist über Leitungen (74) mit der Daten¬ erfassung (14) der Rechnereinheit (65) verbunden, über welche die Originaldatenarrays S(t) der Datenerfassung (14) zugeführt werden. Eine Stimulatιons-/Referenzeιnheit (3) ist fur die externe Stimulation des Systems (2) vorgesehen, was mit dem Pfeil(! 4), a data processing (62), a phase-sensitive detection (16), a control and monitoring unit (63) and an output unit (20). The control and monitoring unit (63) is connected via lines (73) to the interferometer (64) or monochromator, via which all signals necessary for the operation of the analytical instrument are carried, e.g. those for controlling the mirror position of an interferometer. The detector (61) is connected via lines (74) to the data acquisition (14) of the computer unit (65), via which the original data arrays S (t) are fed to the data acquisition (14). A stimulation / reference unit (3) is provided for the external stimulation of the system (2), which is indicated by the arrow
(75) dargestellt ist. Die externe Stimulation erfolgt hier als Temperaturstimulation mit Hilfe von zwei Umwälzthermostaten(75) is shown. The external stimulation takes place here as temperature stimulation with the help of two circulation thermostats
(nicht dargestellt) , wovon der eine die Umwälzflussigkeit auf einer Temperatur T- und der andere auf einer Temperatur T2 halt. Die Wärmeübertragung an das System, bzw. an der Kuvette, erfolgt über eine metallische Warmetauscherplatte, die über Schlauchver¬ bindungen mit den Thermostaten verbunden sind. Die Steuerung der Stιmulatιons-/Referenzeιnheit (3) erfolgt über Leitungen (76), welche erstere mit der Rechnereinheit (65) verbinden. Der PSD(not shown), one of which maintains the circulating fluid at a temperature T and the other at a temperature T 2 . The heat transfer to the system or to the cuvette takes place via a metallic heat exchanger plate, which is connected to the thermostats via hose connections. The control of the reference / reference unit (3) takes place via lines (76) which connect the former to the computer unit (65). The PSD
(16) erhält die Referenzinformation auf digitalem Weg, welche innerhalb der Rechnereinheit (65) aufbereitet wird.(16) receives the reference information digitally, which is processed within the computer unit (65).
Wird an Stelle des Interferometers ein Monochromator und ein Diodenarray-Detektor verwendet, so kann der Monochromator im Strahlengang entweder vor dem System (2), bzw. vor der Probe, oder nach dem System (2), bzw. nach der Probe, angeordnet werden.If a monochromator and a diode array detector are used instead of the interferometer, the monochromator can be arranged in the beam path either in front of the system (2) or before the sample, or after the system (2) or after the sample .
Fig. 12 zeigt eine Vorrichtung zur Durchfuhrung eines XRD- Rontgendiffraktions-Feuchtigkeits- (c) -Modulationsexperiments in schematischer Darstellung.FIG. 12 shows a device for carrying out an XRD X-ray diffraction-moisture (c) modulation experiment in a schematic representation.
Das System (2), bzw. die Probe, ist ein Kristall und befindet sich auf einem Goniometeraufsatz (90) . Eine Rontgenquelle (84'), welche über die Leitung 86 mit Steuereinheit (84) eines Rontgen- diffraktometers (80) verbunden ist, ist zum System (2) derart angeordnet, dass der Rontgenstrahl (x-ray) (91) auf den Kristall trifft und ein Beugungsbild erzeugt. Die gebeugten Röntgen¬ strahlen (92) treffen auf einen zweidimensionalen Matrix-Detektor (81), der Bestandteil des Röntgendiffraktometers (80) ist. Gleichzeitig wird der Kristall von aussen durch eine periodische Veränderung eines Parameters, z.B. durch Veränderung der Luft¬ feuchtigkeit beeinflusst, was durch die Stimulations-/Referenz- einheit (3) erfolgt und durch den Pfeil (95) schematisch angedeutet ist. Dadurch werden Reflexe von Kristallregionen, die durch die externe Modulation beeinflusst werden, ebenfalls moduliert. Die auf den Matrix-Detektor (81) zeitaufgelosten Signale werden einer simultanen, digitalen PSD zugeführt. Die übrigen Bezugzeichen in Fig. 12 entsprechen denjenigen in Fig. 11 und sind dort beschrieben worden.The system (2), or the sample, is a crystal and is located on a goniometer attachment (90). An x-ray source (84 '), which is connected via line 86 to the control unit (84) of an x-ray diffractometer (80), is arranged to the system (2) in such a way that the x-ray (x-ray) (91) hits the crystal hits and creates a diffraction pattern. The diffracted X-rays (92) hit a two-dimensional matrix detector (81) which is part of the X-ray diffractometer (80). At the same time, the crystal is influenced from the outside by a periodic change in a parameter, for example by changing the air humidity, which is done by the stimulation / reference unit (3) and is indicated schematically by the arrow (95). This also modulates reflections from crystal regions that are influenced by the external modulation. The signals which are time-resolved on the matrix detector (81) are fed to a simultaneous, digital PSD. The remaining reference numerals in FIG. 12 correspond to those in FIG. 11 and have been described there.
8. Anwendungen8. Applications
8.1. Generelle Anwendungen8.1. General applications
Analyse des dynamischen und statischen Verhaltens eines beliebi¬ gen Systems, das durch eine periodische Veränderung eines externen thermodynamischen Parameters (Stimulation) beeinflussbar ist, und dessen periodische Antwort (Reaktion) mit einem Mehrkomponenten-Messgerät gleichzeitig oder quasi-gleichzeitig erfasst und als Originaldatenarrays digital gespeichert wird. Phasenaufgelöste Modulations-Datenarrays sind zudem die Basis¬ daten für 2D-Korrelatιonsanalysen (2D-Spektroskopie) . Falls der stimulierte Prozess zu schnell abläuft, um eine zeitaufgelöste Erfassung der Originaldatenarrays durchzufuhren, so liefert das neue Verfahren immer noch sehr genaue statische Informationen über den Zustand des Systems bei ein-, resp. ausgeschalteter Stimulation. Dadurch werden quasi-driftfreie Differenzmessungen ermöglicht, was sich gegenüber bisherigen Verfahren als wesentlicher Vorteil erweist. 8.2. Spezielle AnwendungenAnalysis of the dynamic and static behavior of any system which can be influenced by a periodic change in an external thermodynamic parameter (stimulation) and whose periodic response (reaction) is recorded simultaneously or quasi-simultaneously with a multi-component measuring device and digitally stored as original data arrays becomes. Phase-resolved modulation data arrays are also the basic data for 2D correlation analyzes (2D spectroscopy). If the stimulated process runs too quickly to carry out a time-resolved acquisition of the original data arrays, the new method still provides very precise static information about the state of the system when one or off stimulation. This enables quasi-drift-free differential measurements, which has proven to be a significant advantage over previous methods. 8.2. Special applications
8.-2.1. Optische Spektroskopie8.-2.1. Optical spectroscopy
Zur Aufgabe der optischen Spektroskopie gehört die Identifika¬ tion, sowie die Bestimmung von Konzentration und Struktur chemischer und biochemischer Substanzen. Dadurch wird auch die Ermittlung von Reaktionsschemen für Prozesse ermöglicht, die durch eine periodische, externe Stimulation ausgelöst werden.The task of optical spectroscopy includes the identification and the determination of the concentration and structure of chemical and biochemical substances. This also enables the determination of reaction schemes for processes that are triggered by a periodic, external stimulation.
8.2.1.1 Druck- (p) -Modulation8.2.1.1 Pressure (p) modulation
Das Gleichgewicht einer chemischen Reaktion kann über den Druck p beeinflusst werden, sofern sich bei der Reaktion das Gesamtvo¬ lumen der beteiligten Reaktanden verändert. Eine periodische p- Modulation kann deshalb periodisch ablaufende Reaktionen auslösen, deren maximale Oszillation zwischen den Zuständen, die durch den unteren, resp. oberen Grenzdruck bestimmt sind, p- Modulation kann z.B. zur Untersuchung von Reaktionsmechanismen von homogenen und heterogenen Prozessen in folgenden Bereichen verwendet werden:The equilibrium of a chemical reaction can be influenced via the pressure p, provided the total volume of the reactants involved changes during the reaction. A periodic p-modulation can therefore trigger periodic reactions, the maximum oscillation between the states caused by the lower, respectively. upper limit pressure are determined, p-modulation can e.g. to investigate reaction mechanisms of homogeneous and heterogeneous processes in the following areas:
• Umweltanalytik: Homogene und heterogene Reaktion von Luftschadstoffen untereinander und mit Katalysatorober¬ flächen.• Environmental analysis: Homogeneous and heterogeneous reaction of air pollutants with each other and with catalyst surfaces.
• Chemische Verfahrenstechnik: Analyse von Mechanismen bei homogenen und heterogenen Reaktionen mit Gasen.• Chemical process engineering: Analysis of mechanisms in homogeneous and heterogeneous reactions with gases.
• Pharmazeutische Forschung: Untersuchung von Pharmaka- Biomembran-Wechselwirkungen, sowie von Pharmaka-Rezeptor- Wechselwirkungen in den Bereichen Drug-Design und Drug- Delivery.• Pharmaceutical research: Investigation of pharmaceutical biomembrane interactions, as well as pharmaceutical receptor interactions in the areas of drug design and drug delivery.
• Chemie/Biochemie/Biologie: Analyse von Reaktionsmechanis¬ men, Konformationsanalyse.• Chemistry / biochemistry / biology: analysis of reaction mechanisms, conformation analysis.
• Biotechnologie: Wechselwirkung von Gasen mit Zellkulturen und Zellkolonien.• Biotechnology: interaction of gases with cell cultures and cell colonies.
8.2.1.2 Tempera t ur- (T) -Modul ati on8.2.1.2 Tempera t ur (T) module
Das Gleichgewicht einer chemischen Reaktion kann über die Temperatur T beeinflusst werden, sofern bei der Reaktion eine Wärmetönung (Reaktionswärme) auftritt. Eine periodische T-Modula- tion kann deshalb periodisch ablaufende Reaktionen auslösen, deren maximale Oszillation zwischen den Zuständen, die durch die untere, resp. obere Grenztemperatur bestimmt sind. T-Modulation kann z.B. zur Untersuchung von Reaktionesmechanismen von homogenen und heterogenen Prozessen in folgenden Bereichen verwendet werden:The equilibrium of a chemical reaction can be influenced via the temperature T, provided that the reaction produces a heat (heat of reaction). A periodic T modulation can therefore trigger periodic reactions, whose maximum oscillation between the states, which are determined by the lower, respectively. upper limit temperature are determined. T-modulation can be used, for example, to investigate the reaction mechanisms of homogeneous and heterogeneous processes in the following areas:
• Chemische Verfahrenstechnik: Analyse von Mechanismen bei homogenen und heterogenen Reaktionen. Temperaturkritische Prozesse (Sicherheitstechnik) .• Chemical process engineering: Analysis of mechanisms in homogeneous and heterogeneous reactions. Temperature-critical processes (security technology).
• Pharmazeutische Forschung: Untersuchung von Pharmaka- Biomembran-Wechselwirkungen, sowie von Pharmaka-Rezeptor- Wechselwirkungen in den Bereichen Drug-Design und Drug- Delivery. Temperatur- und wechselwirkungsbedingte Phasen¬ umwandlungen in Biomembranen. Korrelation der Daten mit der Wirksamkeit der Pharmaka.• Pharmaceutical research: Investigation of pharmaceutical biomembrane interactions, as well as pharmaceutical receptor interactions in the areas of drug design and drug delivery. Temperature and interaction-related phase changes in biomembranes. Correlation of the data with the effectiveness of the pharmaceuticals.
• Chemie/Biochemie/Biologie: Analyse von Reaktionsmechanis¬ men, Konformationsanalyse.• Chemistry / biochemistry / biology: analysis of reaction mechanisms, conformation analysis.
• Biotechnologie: Wachstumsdynamik von Zellkulturen und Zell¬ kolonien.• Biotechnology: growth dynamics of cell cultures and cell colonies.
• Flüssig-Kristall-(LC)-Technologie: Analyse von Phasen¬ umwandlungen, sowie der Wechselwirkung zwischen LC und Elektrode.• Liquid-crystal (LC) technology: analysis of phase changes and the interaction between LC and electrode.
8.2.1.3 Konzentrations- (c) -Modulation8.2.1.3 Concentration (c) modulation
Bei konstantem Druck und konstanter Temperatur bewirkt die periodische Veränderung der Konzentration eines Reaktanden einen periodischen Ablauf sämtlicher Reaktionen des Systems, an denen der von aussen c-modulierte Reaktand beteiligt ist. Die maximalen Konzentrationsamplituden der Reaktionsteilnehmer bewegen sich zwischen den Gleichgewichtswerten, die der oberen, resp. unteren Konzentration des extern modulierten Reaktanden entsprechen. c-Modulation kann z.B. zur Untersuchung von Reaktionesmechanismen von homogenen und heterogenen Prozessen in folgenden Bereichen verwendet werden:At constant pressure and temperature, the periodic change in the concentration of a reactant causes a periodic course of all reactions of the system in which the externally c-modulated reactant is involved. The maximum concentration amplitudes of the reactants move between the equilibrium values that the upper, respectively. correspond to the lower concentration of the externally modulated reactant. c-modulation can e.g. to investigate the reaction mechanisms of homogeneous and heterogeneous processes in the following areas:
• Umweltanalytik: Homogene und heterogene Reaktion von Luftschadstoffen untereinander und mit Katalysatorober¬ flächen.• Environmental analysis: Homogeneous and heterogeneous reaction of air pollutants with each other and with catalyst surfaces.
• Chemische Verfahrenstechnik: Analyse von Mechanismen bei homogenen und heterogenen Reaktionen. • Pharmazeutische Forschung: Untersuchung von Pharmaka- Biomembran-Wechselwirkungen, sowie von Pharmaka-Rezeptor- Wechselwirkungen in den Bereichen Drug-Design und Drug- Delivery. wechselwirkungsbedingte Phasenumwandlungen in Biomembranen, Peptiden und Proteinen. Korrelation der Daten mit der Aktivität der Pharmaka.• Chemical process engineering: Analysis of mechanisms in homogeneous and heterogeneous reactions. • Pharmaceutical research: Investigation of pharmaceutical-biomembrane interactions, as well as pharmaceutical-receptor interactions in the areas of drug design and drug delivery. interaction-related phase transformations in biomembranes, peptides and proteins. Correlation of the data with the activity of the pharmaceuticals.
• Chemie/Biochemie/Biologie: Analyse von Reaktionsmechanis¬ men, Konformationsanalyse.• Chemistry / biochemistry / biology: analysis of reaction mechanisms, conformation analysis.
• Biotechnologie: Wechselwirkung von Wirkstoffen mit Zell¬ kulturen und Zellkolonien.• Biotechnology: interaction of active substances with cell cultures and cell colonies.
8.2.1.4 Elektrische Feld- (E) -Modulation8.2.1.4 Electrical field (E) modulation
Das Gleichgewicht chemischer Reaktionen kann über das elektrische Feld beeinflusst werden, sofern bei der Reaktion eine Veränderung des Ladungszustandes und/oder Gesamtdipolmomentes zwischen Edukten und Produkten auftritt. Zudem können Moleküle mit elektrischen Ladungen und/oder Dipolmomenten im elektrischen Feld ausgerichtet und/oder verschoben werden. Eine periodische E-Feld- Modulation kann deshalb periodisch ablaufende Reaktionen verschiedenster Art auslösen oder beeinflussen. E-Feld-Modulation kann z.B. zur Untersuchung von Reaktionesmechanismen von homogenen und heterogenen Prozessen in folgenden Bereichen verwendet werden:The equilibrium of chemical reactions can be influenced via the electric field, provided that a change in the state of charge and / or total dipole moment occurs between the educts and products during the reaction. In addition, molecules with electrical charges and / or dipole moments can be aligned and / or shifted in the electrical field. A periodic E-field modulation can therefore trigger or influence various types of periodic reactions. E-field modulation can e.g. to investigate the reaction mechanisms of homogeneous and heterogeneous processes in the following areas:
• Pharmazeutische Forschung: Untersuchung von Pharmaka- Biomembran-Wechselwirkung, sowie von Pharmaka-Rezeptor- Wechselwirkung unter E-Feld-Bedingungen, wie sie an nativen Systemen bestehen. Die Ergebnisse sind in den Bereichen Drug-Design und Drug-Delivery von Bedeutung.• Pharmaceutical research: Investigation of pharmaceutical-biomembrane interaction, as well as pharmaceutical-receptor interaction under E-field conditions, as they exist on native systems. The results are important in the areas of drug design and drug delivery.
• Chemie/Biochemie/Biologie: Analyse von Reaktionsmechanis¬ men, insbesondere E-Feld bedingte Strukturänderungen an Membranen, Peptiden und Proteinen.• Chemistry / biochemistry / biology: analysis of reaction mechanisms, in particular structural changes in membranes, peptides and proteins caused by the E field.
• Flüssig-Kristall- (LC)-Technologie: Analyse der Dynamik der LC-Reorientierung im E-Feld, sowie der Wechselwirkung zwischen LC und Elektrode.• Liquid crystal (LC) technology: Analysis of the dynamics of the LC reorientation in the E field, as well as the interaction between the LC and the electrode.
8.2.1.5 Elektrische Stromdichte- ( j) -Modulation j-Modulation spielt eine Rolle bei der Abklärung des Mechanismus von elektrochemischen Reaktionen an der Elektrodengrenzfläche, sowie bei der Entwicklung von leitenden Polymeren.8.2.1.5 Electrical current density (j) modulation j modulation plays a role in clarifying the mechanism of electrochemical reactions at the electrode interface, as well as in the development of conductive polymers.
8.-2.1.6 Strahlungs flussdichte- (I) -Modulation8.-2.1.6 Radiation flux density (I) modulation
I-Modulation spielt eine Rolle der Abklärung des Mechanismus von photochemischen Reaktionen, sowie bei der Entwicklung von photosensitiven Elementen (z.B. Detektoren, Informationsspeiche- rung, Energiespeicherung) .I-modulation plays a role in clarifying the mechanism of photochemical reactions, as well as in the development of photosensitive elements (e.g. detectors, information storage, energy storage).
8.2.1.7 Polarisations- (POL) -Modulation8.2.1.7 Polarization (POL) modulation
POL-Modulation spielt eine Rolle bei der dynamischen und statischen Untersuchung von molekularen Ordnungszustanden.POL modulation plays a role in the dynamic and static investigation of molecular order states.
8.2.2. Durch Rontgenstrahlen erzeugte Effekte8.2.2. Effects created by X-rays
Rontgendi ff raktion (XRD) : Modulierte Beugungsbilder (Daten¬ arrays) von Kristallen können z.B. durch T- und c-Modulation erzeugt werden. Bei letzterer kann z.B. die Luftfeuchtigkeit moduliert werden, um den Einfluss des Hydratwassers auf die Molekulstruktur zu untersuchen.X-ray diffraction (XRD): Modulated diffraction patterns (data arrays) of crystals can e.g. generated by T and c modulation. In the latter e.g. humidity can be modulated to investigate the influence of water of hydration on the molecular structure.
Rontgenstrahl-Photoelektron-Spektroskopie (XPS, ESCA) Rontgenstrahl-Fluoreszenz-Spektroskopie (XRF)X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS, ESCA) X-Ray Fluorescence Spectroscopy (XRF)
8.2.3. CW-Kernresonanz Spektroskopie (NMR)8.2.3. CW nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR)
Durch die Modulation externer Parameter kann die periodische Systemantwort bei Verwendung eines Continuous Wave- (CW) -NMR- Spektrometers dem Hochfrequenz- (HF-) feld aufmoduliert werden. Demodulation des HF-Signals erzeugt die modulierte Systemantwort r die einer simultanen, digitalen PSD unterzogen werden kann.By modulating external parameters, the periodic system response can be modulated onto the radio frequency (RF) field when using a continuous wave (CW) NMR spectrometer. Demodulation of the RF signal generates the modulated system response r, which can be subjected to a simultaneous, digital PSD.
8.2.4. Elektronenspin-Resonanz-Spektroskopie (ESR)8.2.4. Electron spin resonance spectroscopy (ESR)
Durch die Modulation externer Parameter kann die periodische Systemantwort dem ESR Signal (~ 100 kHz) aufmoduliert werden. Die Demodulation dieses Signals erzeugt die modulierte Systemantwort, die einer simultanen, digitalen PSD unterzogen werden kann.The periodic system response can be modulated onto the ESR signal (~ 100 kHz) by modulating external parameters. The demodulation of this signal generates the modulated system response, which can be subjected to a simultaneous, digital PSD.
8.2.5. Mossbauer-Spektroskopie8.2.5. Mossbauer spectroscopy
Die Modulation externer Parameter kann dazu verwendet werden, eine Modulation der QuadrupolaufSpaltung, z.B. von Eisen in Hamoglo- bin, in Mössbauerspektren (Datenarrays) zu erzeugen.The modulation of external parameters can be used to modulate the quadrupole splitting, for example of iron in hamoglo am to generate in Mössbauer spectra (data arrays).
8.-2.6. Digitale Bilderfassung und Verarbeitung (CCD) CCD-Detektion von optischen Effekten ist eine schnelle, gleich¬ zeitige Erfassung von Originaldatenarrays. Eine externe Parame¬ ter-Modulation auf das abgebildete System ausgeübt, führt deshalb zu modulierten Anteilen in den Originaldatenarrays, die dann einer simultanen, digitalen phasenempfindlichen Detektion unterzogen werden können. 8.-2.6. Digital image acquisition and processing (CCD) CCD detection of optical effects is a fast, simultaneous acquisition of original data arrays. External parameter modulation applied to the system shown therefore leads to modulated portions in the original data arrays, which can then be subjected to simultaneous, digital phase-sensitive detection.

Claims

Patentansprüche: Claims:
1.- Verfahren zur quasi-simultanen Analyse und Charakterisierung der multikomponenten, periodischen Systemantwort eines Systems dadurch gekennzeichnet, dass das System mit einer Stimulation durch die Veränderung mindestens eines externen Parameters periodisch angeregt wird, dass dadurch eine periodische System¬ antwort bewirkt wird, wobei mindestens eine physikalische Grosse des Systems verändert wird, dass die Änderung der physikalischen Grosse des Systems detektiert wird, indem die gleichzeitig oder quasi-gleichzeitig in Form eines Originaldatenarrays S(t) regi¬ strierte Systemantwort in N äquidistanten Stützstellenarrays Sk mit 1 < k < N pro Periode als Daten digital erfasst, mindestens einmal gespeichert und zu einem beliebigen Zeitpunkt vor einer digitalen, phasenempfindlichen Detektion (PSD) verarbeitet wer¬ den, dass die so aufbereiteten Daten der digitalen, phasen¬ empfindlichen Detektion unterzogen werden, wobei mit den Stütz¬ stellenarrays so verfahren wird, als wären es skalare Mess- grössen, was zu einer quasi-simultanen Bestimmung von Phasen und Amplituden führt, resp. zur Bestimmung der Fourierkoeffizienten der I Komponenten Skl mit 1 < i < I ermöglicht, und dass über die Phasen und Amplituden die Charakterisierung der Systemantwort erfolgt .1.- Method for the quasi-simultaneous analysis and characterization of the multicomponent, periodic system response of a system, characterized in that the system is periodically excited with a stimulation by changing at least one external parameter, thereby causing a periodic system response, whereby at least a physical quantity of the system is changed such that the change in the physical quantity of the system is detected by the system response registered simultaneously or quasi-simultaneously in the form of an original data array S (t) in N equidistant interpolation point arrays S k with 1 <k <N digitally recorded as data per period, stored at least once and processed at any time before a digital, phase-sensitive detection (PSD), that the data prepared in this way are subjected to the digital, phase-sensitive detection, with the support point arrays is treated as w are scalar measurement variables, which leads to a quasi-simultaneous determination of phases and amplitudes, or to determine the Fourier coefficients of the I components S kl with 1 <i <I, and that the system response is characterized via the phases and amplitudes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Originaldatenarray S(t) in einem ersten Verarbeitungsschritt eine Stützstellenweise Mittelung durch Koaddition unmittelbar nach der Erfassung über eine gegebene Anzahl von Perioden erfolgt, und die so berechneten Mittelwerte als gemittelte Originaldatenarrays S_(t) gespeichert werden, dass der gemittelte Originaldatenarray S_(t) logarithmiert wird und danach der phasenempfindlichen Detektion '(PSD) zugeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that in a first processing step the original data array S (t) is averaged point by point by coaddition immediately after the acquisition over a given number of periods, and the mean values thus calculated as averaged original data arrays S_ (t) are stored so that the averaged original data array S_ (t) is logarithmized and then fed to phase-sensitive detection ' (PSD).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Originaldatenarray S(t) in einem ersten Verarbeitungsschritt eine Stützstellenweise Mittelung durch Koaddition unmittelbar nach der Erfassung über eine gegebene Anzahl von Perioden erfolgt, und die so berechneten Mittelwerte als gemittelte Originaldatenarrays £3(t) gespeichert werden, dass der gemittelte Originaldatenarray ∑5(t) durch den Mittelwert S0 dividiert und logarithmiert wird und danach der phasenempfindlichen Detektion (PSD) zugeführt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that in a first processing step the original data array S (t) is averaged point by point by coaddition immediately after the acquisition over a given number of periods, and the mean values thus calculated as averaged original data arrays £ 3 (t) are stored so that the averaged original data array ∑5 (t) is divided by the mean value S 0 and logarithmized and then fed to the phase-sensitive detection (PSD).
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Originaldatenarray S(t) in einem ersten Verarbeitungsschritt eine Stützstellenweise Mittelung durch Koaddition unmittelbar nach der Erfassung über eine gegebene Anzahl von Perioden erfolgt, und die so berechneten Mittelwerte als gemittelte Originaldatenarrays S_(t) gespeichert werden, dass der gemittelte Originaldatenarray ∑3(t) der phasenempfindlichen Detektion (PSD) zugeführt wird, dass danach eine Jacobi-Anger-Transformation (JAT) durchgeführt wird, und dass die Division durch den Mittelwert S0 an einer beliebigen Stelle, resp. vor oder nach der PSD oder nach der JAT, durch¬ geführt wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the original data array S (t) in a first processing step is averaged point-by-point by coaddition immediately after detection over a given number of periods, and the mean values thus calculated as averaged original data arrays S_ (t) be stored that the averaged original data array ∑3 (t) is fed to the phase-sensitive detection (PSD), that a Jacobi-Anger transformation (JAT) is then carried out, and that the division by the mean S 0 at any point, respectively . before or after the PSD or after the JAT.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Originaldatenarray S(t) in einem ersten Verarbeitungsschritt eine Stützstellenweise Mittelung durch Koaddition unmittelbar nach der Erfassung über eine gegebene Anzahl von Perioden erfolgt, und die so berechneten Mittelwerte als gemittelte Originaldatenarrays S_(t) gespeichert werden, dass in einem zweiten Verarbeitungs¬ schritt die gespeicherten Mittelwerte S_(t) über eine Periode integriert und skaliert werden, und dass jeder gemittelte Stütz¬ stellenarray S^ durch diesen Mittelwert S^ dividiert wird, wobei bei schwacher Systemabsorbance nach Elimination des DC-Anteils Stützstellenarrays ak entstehen, die der phasenempfindlichen Detektion zugeführt werden.5. The method according to claim 1, characterized in that in a first processing step the original data array S (t) is averaged point-by-point by coaddition immediately after detection over a given number of periods, and the mean values thus calculated as averaged original data arrays S_ (t) are stored in a second processing step, the stored mean values S_ (t) are integrated and scaled over a period, and that each averaged support array S ^ is divided by this mean value S ^, with weak system absorption after elimination of the DC -Proportion of support point arrays a k arise, which are fed to the phase-sensitive detection.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Originaldatenarray S(t) in der darauffolgenden Periode die Daten¬ aufbereitung bis zu den Ausgangssignalen Ak des PSD durchgeführt wird, und somit am Ende jeder Periode eine aktualisierte System¬ antwort zur Verfügung steht .6. The method according to claim 1, characterized in that the original data array S (t) in the subsequent period, the data ¬ processing up to the output signals A k of the PSD is carried out, and thus at the end of each period, an updated system ¬ response is available .
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Originaldatenarray S(t) über mindestens eine Periode erfasst und erst nach abgeschlossener Datenerfassung verarbeitet wird. 7. The method according to claim 1, characterized in that the original data array S (t) is acquired over at least one period and is only processed after the data acquisition has been completed.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Originaldatenarray S(t) über mindestens eine Periode erfasst und gespeichert wird und dass die Datenverarbeitung während der Datenerfassung beginnt.8. The method according to claim 1, characterized in that the original data array S (t) is acquired and stored over at least one period and that the data processing begins during the data acquisition.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Datenerfassung, die Verarbeitung und die Aus¬ wertung mindestens teilweise auf der Ebene der Interferogramme erfolgt, und dass die Fouriertransformation zu einem späteren, beliebigen Zeitpunkt durchgeführt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized gekenn¬ characterized in that the data acquisition, processing and evaluation at least partially takes place at the level of the interferograms, and that the Fourier transformation is carried out at a later, arbitrary time.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Stimulation durch eine Single-Frequenz-Stimu¬ lation (SFS) oder durch eine Multi-Frequenz-Stimulation (MFS) erfolgt .10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized gekenn¬ characterized in that the stimulation is carried out by a single-frequency stimulation (SFS) or by a multi-frequency stimulation (MFS).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Single-Frequenz-Stimulation (SFS) eine Single-Frequenz-Demodula- tion (SFD) oder eine Multi-Frequenz-Demodulation (MFD) folgt oder dass der Multi-Frequenz-Stimulation (MFS) eine Single-Frequenz- Demodulation (SFD) oder eine Multi-Frequenz-Demodulation (MFD) folgt.11. The method according to claim 10, characterized in that the single-frequency stimulation (SFS) is followed by a single-frequency demodulation (SFD) or a multi-frequency demodulation (MFD) or that the multi-frequency stimulation (MFS) a single-frequency demodulation (SFD) or a multi-frequency demodulation (MFD) follows.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Stützstellen einer Interpolation unterworfen werden und dadurch eine Verbesserung der Phasenauflösung und des Signal/Rauschverhältnisses erzielt wird.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized gekenn¬ characterized in that the interpolation points are subjected to an interpolation and thereby an improvement in the phase resolution and the signal / noise ratio is achieved.
13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in der FT-Modulationsspektroskopie von schnellen Prozessen mit Hilfe der PLL-Technik (Phase Locked Loop) .13. Application of the method according to one of claims 1 to 12 in FT modulation spectroscopy of fast processes with the aid of the PLL technology (phase locked loop).
14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bei Modulationsexperimenten in der optischen Spektroskopie, der CW-Kernresonanz-Spektroskopie (NMR) , der Elektronen-Resonanz- Spektroskopie (ESR) und der Mössbauer-Spektroskopie. 14. Application of the method according to one of claims 1 to 12 in modulation experiments in optical spectroscopy, CW nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), electron resonance spectroscopy (ESR) and Mössbauer spectroscopy.
15. Anwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in der Röntgendiffraktion (XRD) und in der digitalen Bildver¬ arbeitung (CCD) .15. Application of the method according to one of claims 1 to 12 in X-ray diffraction (XRD) and in digital image processing (CCD).
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bestehend aus einem System (2) mit einer multikomponenten, periodischen Systemantwort, aus einer Stimula- tions-/Referenzeinheit (3) und einem analytischen Instrument16. Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 15, consisting of a system (2) with a multicomponent, periodic system response, a stimulation / reference unit (3) and an analytical instrument
(60) , dadurch gekennzeichnet, dass ein System vorliegt, welches periodisch über eine Stimulations-/Referenzeinheit (3) extern stimulierbar ist, dass ein analytisches Instrument (60) mit Mitteln zur Charakterisierung der physikalischen Grossen des Systems (2) , sowie eine Rechnereinheit (65) mit Mitteln zur Datenerfassung (14), zur Datenverarbeitung (62), zur PSD (16) und Mitteln zur Ausgabe (20) der Messresultate vorgesehen sind, und dass die Stimulations-/Referenzeinheit (3) mit der Rechnereinheit (65) über Steuerleitungen (76) verbunden ist.(60), characterized in that a system is present which can be externally stimulated periodically via a stimulation / reference unit (3), an analytical instrument (60) with means for characterizing the physical quantities of the system (2), and a computer unit (65) are provided with means for data acquisition (14), for data processing (62), for PSD (16) and means for output (20) of the measurement results, and that the stimulation / reference unit (3) with the computer unit (65) is connected via control lines (76).
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Charakterisierung der physikalischen Grossen des Systems (2) ein Interferometer (64) und ein Detektor (61) vorge¬ sehen sind.17. The apparatus according to claim 16, characterized in that an interferometer (64) and a detector (61) are provided as a means for characterizing the physical quantities of the system (2).
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Charakterisierung der physikalischen Grossen des Systems (2) ein Monochromator und ein Diodenarray-Detektor vorge¬ sehen sind, wobei der Monochromator im Strahlengang entweder vor oder nach dem System (2) angeordnet ist.18. The apparatus according to claim 16, characterized in that a monochromator and a diode array detector are provided as a means for characterizing the physical quantities of the system (2), the monochromator being arranged in the beam path either before or after the system (2) is.
19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das analytische Instrument ein Röntgendiffraktometer (80) ist und als Mittel zur Charakterisierung der physikalischen Grossen des Systems (2) eine Röntgenquelle (84'), eine Steuereinheit (84) mit Leitung (86), ein Röntgenstrahl (91), die gebeugten Röntgen¬ strahlen (92) und ein Matrix-Detektor (81) vorgesehen sind. 19. The apparatus according to claim 16, characterized in that the analytical instrument is an X-ray diffractometer (80) and as a means for characterizing the physical quantities of the system (2) an X-ray source (84 '), a control unit (84) with line (86) , an X-ray beam (91), the diffracted X-ray beams (92) and a matrix detector (81) are provided.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10864235B2 (en) 2012-11-23 2020-12-15 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US11185562B2 (en) 2013-02-04 2021-11-30 Seres Therapeutics, Inc. Compositions and methods for inhibition of pathogenic bacterial growth
US11266699B2 (en) 2013-11-25 2022-03-08 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US11701394B2 (en) 2017-08-14 2023-07-18 Seres Therapeutics, Inc. Compositions and methods for treating cholestatic disease
CN117518939A (en) * 2023-12-06 2024-02-06 广州市顺风船舶服务有限公司 Industrial control system based on big data
US12083151B2 (en) 2012-11-23 2024-09-10 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5175698A (en) * 1990-07-23 1992-12-29 Dz Company Method and system for transfer function measurement
EP0558179A2 (en) * 1992-02-28 1993-09-01 Hewlett-Packard Company Determination of open loop responses from closed loop measurements
WO1994017762A1 (en) * 1993-02-10 1994-08-18 Noise Cancellation Technologies, Inc. Improved method and system for on-line system identification
GB2279777A (en) * 1993-06-30 1995-01-11 West Instr Limited Self tuning process control system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5175698A (en) * 1990-07-23 1992-12-29 Dz Company Method and system for transfer function measurement
EP0558179A2 (en) * 1992-02-28 1993-09-01 Hewlett-Packard Company Determination of open loop responses from closed loop measurements
WO1994017762A1 (en) * 1993-02-10 1994-08-18 Noise Cancellation Technologies, Inc. Improved method and system for on-line system identification
GB2279777A (en) * 1993-06-30 1995-01-11 West Instr Limited Self tuning process control system

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10864235B2 (en) 2012-11-23 2020-12-15 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US11389490B2 (en) 2012-11-23 2022-07-19 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US11458174B2 (en) 2012-11-23 2022-10-04 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US11458173B2 (en) 2012-11-23 2022-10-04 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US11464812B2 (en) 2012-11-23 2022-10-11 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US12083151B2 (en) 2012-11-23 2024-09-10 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US11185562B2 (en) 2013-02-04 2021-11-30 Seres Therapeutics, Inc. Compositions and methods for inhibition of pathogenic bacterial growth
US11266699B2 (en) 2013-11-25 2022-03-08 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US11918612B2 (en) 2013-11-25 2024-03-05 Seres Therapeutics, Inc. Synergistic bacterial compositions and methods of production and use thereof
US11701394B2 (en) 2017-08-14 2023-07-18 Seres Therapeutics, Inc. Compositions and methods for treating cholestatic disease
CN117518939A (en) * 2023-12-06 2024-02-06 广州市顺风船舶服务有限公司 Industrial control system based on big data

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