CH682846A5 - Optischer Detektor für Kapillarchromatographie. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Detektor für Kapillarchromatographie. Der optische Detektor ist in einem Analysator, in dem die Kapillarchromatographie angewandt wird, eingesetzt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung jedoch auf einen optischen Detektor, der in einem Kapillarelektrophoresengerät, einem Flüssigchromatographiegerät, usw. eingesetzt wird.

Es ist wünschenswert, dass die Detektionsgrenze eines Analysators, beispielsweise das Signalgeräuschverhältnis von einem Detektor, so hoch als möglich ist. Bei einem optischen Detektor ist die Luminanz einer Lichtquelle dann begrenzt, wenn Proben oder eine kapillare Zelle verschlechtert werden, wenn Licht von übermässiger Intensität verwendet wird. Im weiteren hat die Empfindlichkeit des Detektors auch eine gewisse Grenze, die von seinem Detektionsprinzip abhängig ist.

Wenn die Detektion, um die Empfindlichkeit zu verbessern, in einem Photonenzählgebiet ausgeführt wird, nimmt diese soviel Zeit in Anspruch, dass kein dynamischer Bereich erhalten werden kann.

Das Signalgeräuschverhältnis eines Detektionssy-stemes ist unvermeidlicherweise begrenzt, auch wenn es bei einer optimalen Lichtquelle, einem optimalen optischen System und bei einem optimalen Detektor gebildet worden ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Detektor für Kapillarchromatographie vorzuschlagen, bei dem das Signalgeräuschverhältnis auch mit einer Lichtquelle und einem Photodetektor in gewöhnlicher Ausführung verbessert werden kann.

In einem Signaldetektionsbereich einer kapillaren Zelle wird die ursprüngliche Signalwellenform kaum verändert. Dies auch dann nicht, wenn die Detekti-onsstelle leicht verschoben wird. Demzufolge ist gemäss der vorliegenden Erfindung ein optisches System so angeordnet, dass Signale, die von einigen Punkten einer Signaldetektionsstelle einer kapillaren Zelle erhalten worden sind, mehreren photodetektie-renden Elementen zugeleitet werden, wobei Signale der gleichen Wellenform, welche von jedem der photodetektierenden Elemente mit leichter Zeitverzögerung ausgegeben werden, durch Berechnen der Zeitverzögerungen zur Überdeckung gebracht werden und wobei ein Mittelwert von jedem Spektrum ausgewertet wird, derart, dass das Signalgeräuschverhältnis des gesamten Messsystemes verbessert wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, umfasst der erfinderische optische Detektor für Kapillarchromatographie, eine Kapillarzelle 4 mit einer vorgeschriebenen Länge, welche durch einen Fluss einer Probenlösung gespiesen wird, einen Lichtanlegeteil 12, um Licht, welches von einer Lichtquelle 6 ausgesendet wird, auf die Kapillarzelle 4 zu konvergieren, ein Photodetektorarray 14, weiches mit einer Mehrzahl von photodetektierenden Elementen versehen ist, ein optisches System 18, um das Signallicht, das von der Kapillarzelle erhalten wird, dem Photodetektorarray 14 derart zuzuführen, dass einzelne Stellen der Kapillarzelle 4 einzelnen Photodetektorelementen des Photodetek-torarrays 14 zugeordnet sind sowie einen Datenverarbeitungsteil 20, welchem die Ausgänge von den Photodetektorelementen des Photodetektorarrays 14 zugeführt sind und wo die Signale verarbeitet werden. Der Datenverarbeitungsteil 20 umfasst einen Speicherteil 24, um die Ausgangssignale von den Photodetektorelementen zu speichern, sowie einen Behandlungsteil 26 zum Bilden von ganzheitlichen oder integrierten Mittelwerten, in welchem diese Mittelwertswerte für die Signale der gleichen Probenbereiche berechnet werden, welche über die Ausgänge der Photodetektorelemente im Speicherteil 24 gespeichert sind.

Um Unterschiede in der Empfindlichkeit, die zwischen den Photodetektorelementen des Photodetektorarrays 14, einschliesslich der Abweichung im optischen System 18 hervorgerufen werden können, zu korrigeren, ist ein Korrekturteil 22 mit einem Korrekturkoeffizienten im weiteren dazu vorgesehen, die Ausgangssignale von den Photodetektorelementen mit dem Korrekturkoeffizienten zu beeinflussen.

Die Fig. 3 zeigt vorbildlich die Wellenform der detektierenden Ausgangssignale Vf(n) und Vf(n + 1 ) des n-ten und des (n + 1)-ten Photodetektoreie-mentes des Photodetektorarrays 14. Die Wellenformen der detektierten Ausgangssignale Vf(n) und Vf(n + 1) sind um Zeit At voneinander versetzt. Diese Daten werden vorübergehend im Speicherteil 24 gespeichert, um je einen Mittelwert des Ausganges Vf(n) und des um die Zeit At versetzten Ausganges Vf(n + 1) zu berechnen. Solche integrierten Mittelwerte werden für alle Photodetektorelemente des Photodetektorarrays 14 berechnet.

Die Zeitverzögerung At zwischen je zwei benachbarten Photodetektorelementen kann durch zwei Verfahren bestimmt werden. Bei einem ersten Verfahren wird eine Probe, welche eine einzige Signalspitze bereitstellen kann gemessen und eine Zeitverzögerung At wird bei einem Analysevorgang, wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist, aus dem Versatz von zwei Signalspitzen erhalten.

Bei einem zweiten Verfahren wird der Zeitunterschied aus einer einzelnen Signalspitze einer Messprobe selbst erhalten. Wenn die integrierten Mittelwerte berechnet werden, dann wird das Geräusch durch den reziproken Wert der Quadratwurzel einer Zahl N, welche einer Anzahl Integrationen entspricht, aus dem folgenden Grund reduziert: Nehmen wir an, dass Vi den Ausgang eines i-ten Photodetektorelementes zu einer bestimmten Zeit darstelle, dann kann eine Gleichung Vi = Vm + Vni aufgestellt werden, worin Vm einen Mittelwert von Vi darstellt und worin Vni eine Geräuschkomponente von Vi ist. Ein integrierter Mittelwert wird wie folgt berechnet:

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(S V o)2 Vni i = 1

— Viti + i

N J N

Im folgenden ist nun ein Verfahren zum Korrigieren von Unterschieden in der Empfindlichkeit zwischen den Photodetektorelementen beschrieben.

Eine grosse Menge von einem fluoreszierenden Material wird für den Fall einer Fluoreszenzdetekti-on in die Kapillarzelle eingespritzt oder eine grosse Menge von einem UV absorbierenden Material wird darin eingespritzt für den Fall, wo eine UV-Absorp-tionsdetektion durchgeführt werden soll, wobei ein Bereich, wo Lichtsignale mit einer Mehrzahl von Photodetektorelementen empfangen werden, vollständig mit dem Material gefüllt ist. Wenn die Ausgangssignale von allen Photodetektorelementen in diesem Zustand erhalten werden, dann weichen die Ausgangssignale, die ursprünglich die gleiche Signalspannung (Ladungsbetrag) erhalten haben, lediglich hervorgerufen durch die Streuung in der Empfindlichkeit zwischen den einzelnen Photodetektorelementen oder durch eine Abweichung im optischen System voneinander ab.

Weil die Beträge der in den Photodetektorelementen erhaltenen Signale proportional zu Ausgangsladungen sind, ist es vorstellbar, dass die Unterschiede in der Empfindlichkeit zwischen den Photodetektorelementen lediglich auf Proportionalitätskoeffizienten bezogen werden können.

Weil im weiteren die Ordinatenachse eines Chro-matogrammes in einem willkürlichen Massstab erstellt ist, kann ein Korrekturkoeffizient Fn für ein n-tes Photodetektorelement aus Fn = Vol/Von unter Bezugnahme auf ein erstes Photodetektorelement erhalten werden, wobei angenommen wird, dass Vol den Ausgang des ersten Photodetektorelementes und Von denjenigen den n-ten Photodetektorelementes darstellt. Dieser Korrekturkoeffizient wird in einer Speichereinrichtung gespeichert, so dass ein korrigiertes Ausgangssignal Vfn als Vfn = Von Fn bei den eigentlichen Messungen durch die Multiplikation des Ausgangssignales von jedem Photodetektorelement mit diesem Korrekturkoeffizienten erhalten werden kann.

Das Vorgesagte sowie andere Ziele, Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gewinnen an Anschaulichkeit durch die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigelegten Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das erste Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Funktion eines Datenverarbeitungsteiles zeigt,

Fig. 3 illustriert Wellenformen von detektierten Ausgangssignalen von benachbarten Photodetektorelementen,

Fig. 4 illustriert Wellenformen von Signalen benachbarter Detektorelemente, welche von Messungen einer Probe herrühren die eine einzelne Signalspitze erzeugen,

Fig. 5 illustriert musterhaft Ausgangssignale von Photodetektorelementen,

Fig. 6 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des erfindungsgemässen Detektors veranschaulicht, Fig. 7 ist ein Aufriss eines Teiles einer Kapillarzelle einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher eine Mehrzahl von Kapillaren verwendet werden, und

Fig. 8 zeigt eine dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung, in welcher eine Bildaufnahmeröhre als Photodetektor verwendet wird.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche sich auf einen Detektor für ein kapillares Elektrophoresengerät bezieht.

Ein Überzugsmaterial einer Kapillare 2 ist in einem optischen Detektionsbereich mit einer konstanten Länge entfernt, um eine Kapillarzelle 4 zu definieren. Ein Material, wie beispielsweise DNA, welches mit einem fluoreszierenden Material markiert ist, fliesst durch die Kapillare 2. Es sei angenommen, dass dieses markierende fluoreszierende Material Fluoreszenzen bei ca. 600 nm erzeugt.

Eine Ultraviolettlampe 6 ist auf der einen Seite der Kapillarzelle 4 als Lichtquelle angeordnet, wobei eine Blende 8 zum Begrenzen des von der Ultraviolettlampe 6 ausgesendeten Lichtes, ein optisches Filter 10 zum Konvergieren des Lichtes zu einem Strahl mit einer mittleren Wellenlänge von 300 nm und eine Linse 12 zum Konvergieren des Lichtes, welches durch das optische Filter 10 gelangt ist, auf die Kapillarzelle 4, zwischen der letzteren und der Ultraviolettlampe 6 vorgesehen sind.

Ein eindimensionales Photodetektorarray 14 ist auf der anderen Seite der Kapillarzelle 4 angeordnet, wobei eine Linse 18 zum Konvergieren des Lichtes, welches von der Kapillarzelle 4 erzeugt wird, zum eindimensionalen Photodetektorarray, sowie ein optisches Filter 16 mit einer mittleren Wellenlänge von 600 nm zum Durchlassen von Fluoreszenzlicht von ungefähr 600 nm, welches von der Kapillarzelle 4 erzeugt wird und zum Abfangen von Erregerlicht zwischen der Kapillarzelle und dem eindimensionalen Photodetektorarray angeordnet sind.

Fluoreszenzkomponenten, welche bei den Stellen A, B und C in der Kapillarzelle 4 erzeugt werden, bilden entsprechende Abbildungen an den Stellen A', B' und C' auf dem eindimensionalen Photodetektorarray 14.

Im eindimensionalen Photodetektorarray 14 werden Signalmuster von den einzelnen Photodetektorelementen bei einer Abtastrate, die höher als 50 Millisekunden ist (20 Hz) entnommen.

Ein Datenverarbeitungsteil 20 nimmt die detektierten Ausgangssignale der einzelnen Photodetektorelemente des eindimensionalen Photodetektorarrays 14 auf, um Unterschiede in der Empfindlichkeit zwischen den Photodetektorelementen zu korrigieren und um integrierte Mittelwerte zu bilden.

Gemäss der Fig. 2 umfasst der Datenverarbeitungsteil 20 einen Korrekturteil 22 zum Korrigieren

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der Unterschiede in der Empfindichkeit, einen Speicherteil 24 zum temporären Abspeichern der korrigierten, Ausgangssignale der Photodetektorelemente sowie einen Behandlungsteil für den ganzheitlichen oder integrierten Mittelwert 26 zum Berechnen von integrierten Mittelwerten.

Der Betrieb dieser Ausführung ist im folgenden beschrieben.

Weil die Länge eines Teilbereiches der Kapillarzelle 4, welche die Signallichtkomponenten erzeugt, die durch die einzelnen Photodetektorelemente des eindimensionalen Photodetektorarrays 14 zu empfangen sind, extrem kurz ist im Vergleich zur ganzen Länge der Kapillarzelle 4, kann ein Profil der Wellenform im Photodetektorelement an der Stelle A' des eindimensionalen Photodetektorarrays erhalten werden, das kaum von demjenigen abweicht, das im Photodetektorelement an der Stelle C' erhalten wird, wobei die beiden Profile einen Zeitunterschied aufweisen, welcher sich, wie dies in der Fig. 5 gezeigt, dadurch äussert, dass die beiden Spektren zeitverschoben sind. Obgleich die Fig. 5 lediglich Lichtsignalausgänge zeigt, die von den Photodetektorelementen an den Stellen A' und C1 herrühren, werden in der Praxis solche Spektren von allen Detektorelementen des eindimensionalen Photodetektorarrays erhalten.

Die Fig. 6 zeigt einzelne Schritte der Datenverarbeitung. Die Ausgänge der einzelnen Photodetektorelemente des eindimensionalen Photodetektorarrays werden gelesen, korrigiert und dann in einer Speichereinrichtung gespeichert. Die so gespeicherten Spektren der einzelnen Photodetektorelemente werden zum Berechnen des integrierten Mittelwertes mit einer Zeitverzögerung wieder ausgelesen. Wegen dem Bilden der integrierten Mittelwerte wird das Signalgeräuschverhäitnis, verglichen mit einem von einem Einzeldetektorelement herrührenden Spektrum, umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der Photodetektorelemente verbessert.

Während sich die vorhergehend erwähnte Ausführungsform auf eine einzelne Kapillare bezieht, ist die vorliegende Erfindung ebenfalls auf eine Mehrzahl von Kapillaren anwendbar.

In einer zweiten Ausführung gemäss der Fig. 7 sind zwanzig Kapillaren 20-1 bis 20-2 von beispielsweise 75 um innerem Durchmesser in einer Ebene gebündelt. Das Überzugsmaterial jeder Kapillare ist in Bereichen zum Definieren von Kapillarzeilen 40-1 bis 40-20 über eine vorgeschriebene Länge entfernt. Die Kapillaren 20-1 bis 20-20 sind anstelle der in der Fig. 1 gezeigten Kapillare rechtwinklig zu einer optischen Achse angeordnet, wobei ein zweidimensionaler Photodetektorarray, beispielsweise ein CCD, den eindimensionalen Photodetektorarray 14 der in der Fig. 1 gezeigt ist, ersetzt, um gleichzeitig Signallichtkomponenten von den Kapillarzellen 40-1 bis 40-20 zu erhalten. Der übrige Aufbau der Ausführung ist identisch zu demjenigen der Fig. 1. Gemäss der in der Fig. 7 gezeigten Struktur ist es möglich, eine Mehrzahl von Kapillaren mit einem exzellenten Signalgeräuschverhäitnis zu messen.

Der Photodetektor ist nicht auf ein Photodetektorarray, gleich einem CCD, begrenzt. Als Alternative kann der Photodetektor durch eine andere Vorrichtung, wie beispielsweise eine Bildaufnahmeröhre, gebildet werden, insofern diese für das auszuwertende Signal genügend lichtempfindlich ist.

Die Fig. 8 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher eine Bildaufnahmeröhre als Photodetektor eingesetzt ist.

Eine Probelösung, welche in einer Kapillarzelle fliesst, wird durch ein gleiches optisches System, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist, erregt, wobei die so erzeugte Fluoreszenz durch eine Linse 18 konvergiert wird, um durch ein optisches Filter 16 eine Abbildung auf einer Bildaufnahmeebene einer Bildaufnahmeröhre 30 zu bilden. Ein durch die Bildaufnahmeröhre 30 gebildetes Luminanzbild wird durch einen Analog/Digitalkonverter 32 in ein digitales Signal umgewandelt und vorübergehend in einem dynamischen RAM (DRAM) 34 gespeichert. Im DRAM 34 werden nicht alle Pixeldaten, die auf der Bildaufnahmeebene vorgesehen sind, gespeichert, sondern nur Daten auf Linien, die der Abbildung der Kapillarzelle entsprechen. Die im DRAM 34 gespeicherten Daten werden durch einen Datenverarbeitungsteil 20a, ähnlich der Ausführung gemäss Fig. 1, verarbeitet.

Das DRAM 34 kann auch durch ein statisches RAM (SRAM) ersetzt werden. Die einzelne Bildaufnahmeröhre 30 kann ebenso mit einer Mehrzahl von Kapillarzellen gemäss der Fig. 7 kooperieren.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird Signallicht, welches von einer Probe, die in einer Kapillarzelle fliesst, ausgesendet wird, durch eine Mehrzahl von Photodetektorelementen empfangen, werden integrierte Mittelwerte der Ausgangssignale der Photodetektorelemente gebildet, welche Ausgangssignale für den gleichen Probeteil infolge der Mehrzahl der Photodetektorelemente zeitverzögert sind, wobei erreicht wird, die Messungen mit einem höheren Signalgeräuschverhäitnis, verglichen mit einer konventionellen Einrichtung, durchzuführen.

Im weiteren ist es möglich, ein beträchtlich höheres Signalgeräuschverhäitnis zu erhalten, indem die Unterschiede in der Empfindlichkeit zwischen den einzelnen Photodetektorelementen korrigiert werden.

Obgleich die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben und illustriert worden ist, sei vermerkt, dass dies nur beispielsweise geschehen ist und dass in der Beschreibung und in den Illustrationen keine Abgrenzung vorhanden ist. Eine solche ist nur durch die Merkmale der Ansprüche gegeben.

Claims (6)

Patentansprüche

1. Optischer Detektor für Kapillarchromatographie, gekennzeichnet durch mindestens eine Kapillarzelle (4) mit einer vorgeschriebenen Länge, welche Kapillarzelle von einer Probenlösung durchflössen wird, einen Lichtanlegeteil (8, 10, 12) zum Konvergieren von Licht von einer Lichtquelle (6) zu der Kapillarzelle, ein Photodetektorarray (14) mit einer Mehrzahl von Photodetektorelementen, ein optisches System (18, 16), um das Signallicht der Kapillarzelle dem Photodetektorarray (14) derart zuzu-

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2. Optischer Detektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Kapillarzellen (40-1 bis 40-20), die parallel zueinander in einer Ebene angeordnet sind, welche rechtwinklig zu einer optischen Achse liegt, und durch eine zweidimensionale Ausführung des Photodetektorarrays zum gleichzeitigen Empfangen von von der Mehrzahl der Kapillarzellen herrührenden Signallichtkomponenten.

3. Optischer Detektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Korrekturteil 22 mit einem Korrekturkoeffizienten zum Korrigieren der Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Photodetektorelementen des Photodetektorarrays, derart, dass die Ausgänge der Photodetektorelemente mit dem Korrekturkoeffizienten beeinflussbar sind.

4. Optischer Detektor für Kapillarchromatographie, gekennzeichnet durch mindestens eine Kapillarzelle (4) mit einer vorgeschriebenen Länge, welche Kapillarzelle von einer Probenlösung durchflössen wird, einen Lichtanlegeteil (8, 10, 12) zum Konvergieren von Licht von einer Lichtquelle zu der Kapillarzelle, einer Bildaufnahmeröhre (30), ein optisches System (18, 16), um das Signallicht der Kapillarzelle (4) der Bildaufnahmeröhre (30) derart zuzuführen, dass einzelne Stellen (A, B, C) der Kapillarzelle (4) auf der Bildaufnahmeröhre abgebildete einzelne Detektionsstellen (A', B', C') bilden, sowie einen Datenverarbeitungsteil (20a), welchem die Ausgangssignale der Bildaufnahmeröhre zuführbar sind, um diese zu verarbeiten, wobei der Datenverarbeitungsteil einen Speicherteil (24) zum Speichern der den Detektionsstellen entsprechenden Ausgangssignale umfasst sowie einen Behandlungsteil (26) für einen ganzheitlichen Mittelwert aufweist, der zum Berechnen der integrierten Mittelwerte der Signale vom gleichen Probenbereich bestimmt ist, welche Signale von den Ausgangssignalen der Detektionsstellen erhalten und im Speicherteil gespeichert worden sind.

5. Optischer Detektor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Kapillarzellen (40-1 bis 40-2), die parallel zueinander in einer Ebene angeordnet sind, welche rechtwinklig zu einer optischen Achse liegt.

6. Optischer Detektor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Korrekturteil (22) mit einem Korrekturkoeffizienten zum Korrigieren der Empfindlichkeitsunterschiede zwischen der Detektionssteiie der Bildaufnahmeröhre, derart, dass die Ausgangssignale der Detektionsstellen mit dem Korrekturkoeffizienten beeinflussbar sind.

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