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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Trübheit und/oder
der Konzentration des Feststoffanteils von trüben, insbesondere flüssigen Medien
gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
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Die
Messung der Trübheit
von Medien ist für viele
technische Bereiche in der Forschung und Qualitätskontrolle wichtig. Bei Trübungsmessungen
wird die Schwächung
eines durch die Probe durchgehenden Laserstrahles gemessen. Generell
ist die Trübheit
definiert als τ =
ln(Io/It)/I, wobei
Io die Intensität des in die Probe einfallenden
Laserstrahles und It die Intensität des durchgehenden
Laserstrahles und I der Wert der zu durchstrahlenden Probendicke
ist. Daraus folgt, dass nur solche Materialien mit Trübungsmessungen
untersucht werden können,
die so beschaffen sind, dass ein Teil des einfallenden Laserstrahls
das Material durchdringen kann.
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In
der
US 4 547 070 ist
ein Messverfahren zur Bestimmung der Trübheit beschrieben, das sich aber
nur für
leicht trübe
Medien eignet, die von dem verwendeten Laserstrahl durchdrungen
werden können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu Bestimmung der
Trübheit
und/oder der Konzentration von trüben, insbesondere flüssigen Medien
anzugeben, das auch für
fast opake Medien geeignet ist.
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Diese
Aufgabe ist durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Die Unteransprüche
stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
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Danach
wird zur Bestimmung der Trübheit und/oder
der Konzentration von trüben,
insbesondere flüssigen
Medien die an sich bekannte Kreuzkorrelationstechnik eingesetzt.
Bekannte Kreuzkorrelationstechniken arbeiten mit zwei beleuchtenden
Laserstrahlen, die in einer Probe fokussiert werden. Werden dabei
zwei Streuexperimente an demselben Streuvolumen und mit demselben
Streuvektor durchgeführt
und werden die beiden Detektorsignale korreliert, wird eine Korrelationsfunktion
des einfach gestreuten Lichts erhalten. Die Intensitäten des
mehrfach gestreuten Lichts sind unkorreliert. Durch den Einsatz
der Kreuzkorrelationstechnik lässt
sich so der störende
Einfluss des in trüben
Medien auftretenden mehrfach gestreuten Lichtes unterdrücken, bzw. die
einfach gestreute Lichtintensität
selektieren. Auf diese Weise lassen sich auch in trüben Medien
zuverlässige
Informationen über
die dynamischen Prozesse solcher Medien gewinnen. Die Kreuzkorrelationstechnik
und insbesondere die 3D-Kreuzkorrelationstechnik ermöglicht die
Untersuchung von Medien in einem weiten Konzentrationsbereich, von
nahezu transparenten bis stark opaken Proben. Es können auch
Medien untersucht werden, die so trübe sind, dass der Anteil des
einfach gestreuten Lichtes nur noch wenige Prozent beträgt.
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Im
Einzelnen wird das Verfahren so durchgeführt, dass das zu untersuchende
Medium in einem Untersuchungsbehälter
angeordnet und durch zwei Laserstrahlen, deren Kreuzungspunkt im
Untersuchungsbehälter
liegt, beleuchtet wird. Dabei wird die von den Laserstrahlen gestreute
Lichtintensität
durch auf den Kreuzungspunkt justierte Detektionsoptiken aufgenommen
und kreuzkorreliert. Es wird die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion/en
gemessen und aus dem Messwert für
die Amplitude die Trübheit und/oder
die Konzentration des Feststoffanteils des Mediums bestimmt. Das
Verfahren ermöglicht
die Messung der Trübheit
und/oder der Konzentration für trübe Dispersionen
und Emulsionen, die so trübe sind,
dass das Laserlicht nicht mehr durchgelassen wird. Damit können Medien
vermessen werden, die bisher der Trübungsmessung nicht zugänglich waren.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung sieht das Verfahren vor, dass
der Wert der Trübheit
und/oder der Konzentration des zu untersuchenden Mediums aus einer
Eichkurve, die die Abhängigkeit
zwischen dem Amplitudenwert und dem Wert der Trübheit/der Konzentration wiedergibt,
bestimmt wird. Die Eichkurve wird experimentell bestimmt, indem
die Amplitudenwerte von Kreuzkorrelationsfunktion/en für Medien
mit bekannter Trübheit/Konzentration
gemessen werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Trübheit des
Mediums aus dem Zusammenhang A = –a × τ + bUnd
die Konzentration des Mediums aus dem Zusammenhang A
= –c × t + bbestimmt
werden. Dabei bedeuten A die Amplitude, τ die Trübheit, t die Konzentration
des Mediums und a, c und b die Verfahrensparameter. Die Parameter
a und c werden einerseits in Abhängigkeit
von den Eigenschaften des zu untersuchenden Mediums, wie z. B. dem
Brechungsindex und der Partikelgröße und andererseits in Abhängigkeit
von einer Gerätekonstanten
bestimmt. Die Gerätekonstante
gibt den Zusammenhang zwischen der Detektionsoptik, dem Durchmesser
des eingesetzten Laserstrahles und der Größe des Überlappvolumens, d. h. der
Länge des
Volumens in dem sich die Laserstrahlen kreuzen, sowie von der Länge des
Weges, den der einfallende Laserstrahl und den das gestreute Licht
durch die Probe durchlaufen, wieder. Die Verfahrensparameter a und
c können
experimentell oder durch theoretische Berechnungen auf der Basis
von Monte-Carlo-Simulationen,
für jedes
Gerät,
bestimmt werden. Der Verfahrensparameter b gibt den Maximalwert
der Amplitude bei nahezu transparenten Proben wieder, d. h. für den Fall,
wenn die zu untersuchende Probe das Laserlicht lediglich einfach
streut. Diese Methode für
die Berechnung der Trübheit
und der Konzentration aus der Amplitude ist insbesondere für die für Partikelgrößen im Nanometerbereich,
vorzugsweise für Partikel
bis 300 nm anwendbar und geeignet. Die wiedergegebenen Gleichungen
sind ferner insbesondere für
Partikelgrößenverteilungen
mit einer Halbwertsbreite größer als
20% anwendbar. Insbesondere Trübheiten
bis τ =
5 cm–1 lassen
sich anhand der obigen Gleichungen genau bestimmen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Trübheit des
Mediums aus dem Zusammenhang A = b × exp(–a × τ)und
die Konzentration t aus dem Zusammenhang A =
b × exp(–c × t) bestimmt
werden. Dabei bedeuten A die Amplitude, τ die Trübheit, t die Konzentration
des Mediums und a, c und b die Verfahrensparameter. Die Parameter
a und c werden einerseits in Abhängigkeit
von den Eigenschaften des zu untersuchenden Mediums, wie z. B. dem
Brechungsindex und der Partikelgröße und andererseits in Abhängigkeit
von einer Gerätekonstanten
bestimmt. Die Gerätekonstante
gibt den Zusammenhang zwischen der Detektionsoptik, dem Durchmesser
des eingesetzten Laserstrahles und der Größe des Überlappvolumens, d. h. der
Länge des
Volumens in dem sich die Laserstrahlen kreuzen, sowie von der Länge des
Weges, den der einfallende Laserstrahl und den das gestreute Licht
durch die Probe durchlaufen, wieder. Die Verfahrensparameter a und
c können
experimentell oder durch theoretische Berechnungen auf der Basis
von Monte-Carlo-Simulationen, für
jedes Gerät,
bestimmt werden. Der Verfahrensparameter b gibt den Maximalwert
der Amplitude bei nahezu transparenten Proben wieder, d. h. für den Fall,
wenn die zu untersuchende Probe das Laserlicht lediglich einfach
streut. Diese Methode für
die Berechnung der Trübheit
und der Konzentration aus der Amplitude ist insbesondere für die für Partikelgrößen vom
Nanometerbereich bis Mikrometerbereich, vorzugsweise für Partikelgrößen ab 300
nm anwendbar und geeignet. Die wiedergegebenen Gleichungen sind
ferner insbesondere für
Partikelgrößenverteilungen
mit einer Halbwertsbreite kleiner als 20% anwendbar. Insbesondere
Trübheiten
ab τ = 5
cm–1 lassen
sich anhand der obigen Gleichungen genau bestimmen.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
und der 1 dargestellt:
Es wurden Messungen an unterschiedlich
trüben, wässrigen
Dispersionen durchgeführt.
Die Dispersionen enthielten standardisierte Latex-Partikel mit einem
mittleren Durchmesser von 236 nm. Es wurden die Amplituden von Kreuzkorrelationsfunktion/en
bestimmt. Sämtliche
Messungen wurden unter exakt denselben experimentellen Bedingungen
durchgeführt,
d. h., die Position des Streuvolumens in Bezug auf die Position
des Untersuchungsbehälters
mit der zu untersuchenden Flüssigkeit
wurde konstant gehalten. Es wurde gefunden, dass die Amplitude in eindeutiger
Weise von der Trübheit
und der Konzentration abhängt,
wie in 1 dargestellt. Danach ist es bei Proben unbekannter
Trübheit
und Konzentration möglich,
den Wert der Trübheit
und der Konzentration durch die Messung der Amplitude von vorzugsweise
3D- Kreuzkorrelationsfunktion/en
zu bestimmen. In diesem Beispiel nimmt die Amplitude linear mit
der Trübheit
und der Konzentration im Bereich 0 cm–1 < τ < 5 cm–1 ab
und lässt
sich beschreiben durch:
A = –a × τ + b, bzw. A = –c × t + b,
wobei die Parameter dieser Gleichungen weiter oben beschreiben wurden.
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In 2 ist
eine schematische Anordnung zur Durchführung von Kreuzkorrelationsuntersuchungen,
insbesondere von 3D-Kreuzkorrelationsuntersuchungen dargestellt.
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Das
zu untersuchende Medium 1 wird in einem Untersuchungsbehälter 2,
vorzugsweise in einer Küvette,
angeordnet und durch zwei Laserstrahlen 3, 4,
deren Kreuzungspunkt P im Untersuchungsbehälter 2 liegt, beleuchtet.
Die von den Laserstrahlen 3, 4 gestreute Lichtintensität wird durch
auf den Kreuzungspunkt P justierte Detektionsoptiken 5, 6 aufgenommen
und kreuzkorreliert. Es ist dabei wichtig, dass die Detektionsoptiken 5, 6 Streulicht
aus demselben Probenvolumen, dem sog. Überlappvolumen detektieren.
Dieses Überlappvolumen
muss möglichst
genau mit dem Volumen des zu untersuchenden Mediums übereinstimmen
in dem sich die beiden beleuchtenden Laserstrahlen 3, 4 überkreuzen.
Es wird die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion/en gemessen
und aus dem Messwert der Amplitude die Trübheit τ des Mediums 1 bestimmt.