DE1806177B2

DE1806177B2 - Zweistrahlabsorptionsphotometer

Info

Publication number: DE1806177B2
Application number: DE19681806177
Authority: DE
Inventors: Emmett St Clair Ridgefield Conn Watson (VStA)
Original assignee: Ausscheidung in 18 18 017 Varian Associates Ine, PaIo Alto, Calif (VStA)
Priority date: 1968-03-21
Filing date: 1968-10-30
Publication date: 1977-10-27
Also published as: DE1806177C3; DE1818017A1; DE1806177A1; NL6818117A; DE1818017C3; JPS5521296B1; CH517938A; SE395318B; DE1818017B2; GB1253790A; FR1598691A; US3591801A; GB1252742A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweistrahlabsorptionsphotomei:er mit einer großflächigen Lichtquelle, einem Kollimator, einer Meß- und einer Referenzküvette, die hinter dem Kollimator nebeneinander und parallel zueinander im Strahlengang angeordnet sind, und mit je einem Photodetektor im Wege der aus den Kuvetten austretenden Teilstrahlenbündel.

Solche Geräte werden in der Flüssigkeitskolonnenchromatographie angewendet, wo die Konzentration der aufgetrennten Stoffe, wenn sie im Elutionsmittel aus der Kolonne herauskommen, gemessen wird. Wenn Kolonnen mit kleinen Durchmessern verwendet werden, dann müssen extrem kleine Änderungen in der Konzentration des gelösten Stoffs in extrem kleinen Lösungsvolumina gemessen werden können. Dies bedeutet, daß ein Absorptionsphotometer eine Meßkammer mit sehr kleinem Volumen aufweisen muß, um Mischungseffekte bezüglich des aufgelösten Stoffes zu vermeiden, wobei es aber trotzdem einen vernünftig langen optischen V/eg zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit besitzen soll. Gleichzeitig muß das optische Feld und die Apertur der Meßkammer ausreichend sein, so daß ausreichend Licht für die durchzuführende Messung hindurchgeht.

Aus der Zeitschrift Zmsr, Heft 9, 1961, Seiten 394-397, ist ein Gerät der eingangs beschriebenen Art bekannt. Obwohl dieses Gerät aufgrund der Verhältnisablesung beim Doppelstrahlphotometersystem gegenüber einem Einfachstrahlsystem erhebliche Vorteile im Hinblick auf die Genauigkeit der Meßergebnisse aufweist, ist es doch sehr empfindlich gegenüber Lichtintensitätsschwankungen, und zwar deshalb, weil mit diesem Gerät nicht sichergestellt werden kann, daß das durch beide Kuvetten gehende Licht jeweils von dem gleichen Strahlungsfleck der Lichtquelle herrührt. Insbesondere aufgrund des großen Abstandes der Kuvetten voneinander, verglichen mit der Brennweite

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den großen Bereich, der insbesondere bei der 'keitskolonnenchromatographie größenordnäßig ein Verhältnis von 1 :20 000 haben soll, d. h. ein l eil in 20 000, umfassen. Darüber hinaus ergeben sich Schwierigkeiten durch die Anwendung separater optischer Komponenten für die beiden Strahlen, die zur Instabilität der optischen Ausrichtung zwischen den beiden Strahlen führen können, was wiederum die ausnutzbare Empfindlichkeit beschränkt.

Aufgabe dar vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Zweistrahlabsorptionsphotometer der gattungsgemäßen Art zu schaffen, das hochstabil und empfindlich ist und insbesondere auf Intensitätsschwankungen der Lichtquelle zurückgehende Meßfehler ausschließt, wobei es gleichzeitig einfach, kompakt und wenig störanfällig aufgebaut sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemaß vorgeschlagen, daß bei einem Zweistrahlabsorptionsphotometer der eingangs geschilderten Art der Kollimator und die Meß- und Referenzküvette so angeordnet und ausgebildet sind, daß die die Meß- und Referenzküvette durchsetzenden Teilstrahlenbündel jeweils von dem gleichen Teilbereich der Strahlungsfläche der Lichtquelle herrühren.

Durch diese Lösung gelingt eine sehr genaue Vergleichsmessung zwischen zwei gleichzeitig vorhandenen Strahlen unabhängig von z. B. lokalen Änderungen der Helligkeit und Farbtemperatur der Lichtquelle, da in der praktischen Ausführung der erfindungsgemäßen Lehre ein sehr geringer Abstand zwischen Meß- und Referenzküvette gewählt wird und dadurch das durch beide Kuvetten gehende Licht jeweils von dem gleichen Strahlungsfleck der Lichtquelle herrührt.

Die besonders gute Wirkung eines erfindungsgemäßen Gerätes beruht darauf, daß das von der Lichtquelle kommende Licht in zwei Teilstrahlengänge zerlegt wird, die gleichzeitig nebeneinander bestehen, und daß die beiden Kammern, durch die die Teilstrahlengänge gebildet werden, gleichzeitig zur Aufnahme des Vergleichs- und des Meßsignals dienen können, d. h. bei einem erfindungsgemäßen Gerät bestimmen die Vergleichskammer und die Meßkammer selbst die beiden Teilstrahlengänge. Dabei wird das ganze von dem .λ.■■·._-. „„^„^^,oitr. ι irht H«r Strahlenauelle im

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Kuvetten voneinander, verglichen mit der Brennweite Kollimator gesammelte ucni ucr .juanicnuuu.t .,„

des Kollimators und aufgrund der Abmessungen der ⁶5 wesentlichen gleichmäßig auf die beiden Kammern

Kuvetten selbst, werden die beiden Teilstrahlenbündel verteilt und durch diese hindurchgeführt,

durch die beiden Kuvetten zwangsläufig von unter- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin-

schiedlichen Bereichen einer großflächigen Lichtquelle dung sind die Meß- und die Referenzküvette von zwei

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Parallelbohrungen in einem blockförmigen Körper gebildet, und die Länge der Bohrungen ist groß im Vergleich zum Durchmesser.

Pie Konstruktion und die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Zweistrahlabsorptionsohotometers werden anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht des optischen Wegs des Photometers,

Fig.2 eine Seitenansicht einer Photometeranord

Fig.3 einen vergrößerten Querschnitt an der Linie 3-3 von F ig. 2,

F i g. 4 einen Querschnitt an der Linie 4-4 von F i g. 3, Fig.5 einen vergrößerten Querschnitt an der Linie ι 5-5 von F i g. 3.

Fig. 1 erläutert schematisch ein Zweistrahlabsorptionsphotometer, j_n dem _ej_ne Bezugskammer 10 ( = Referenzküvette) und eine Probenkammer 12 }= Meßküvette) parallel und nahe beieinander angeord- ; net sind. Eine Eintrittsleitung 14 für Bezugsflüssigkeit und eine Auslaßleitung 16 für Bezugsflüssigkeit sind an den entgegengesetzten Enden der Bezugskammer 10 angeordnet. Eine Eintrittsleitung 18 für Probenflüssigkeit und eine Austrittsleitung 20 für Probenflüssigkeit sind an den entgegengesetzten Enden der Probenkammer 12 angeordnet. Diese Leitungen sind so geschaltet, daß sie die Effluate aus den Proben- und Bezugskolonnen eines Dualkolonnenflüssigkeitschromatographen aufnehmen und abgeben können. Eine plankonvexe Linse 22 (= Kollimator) ist am Austrittsende der Kammern angeordnet und ein planares Fenster 24 ist am Ende des Photometers angeordnet. Ein Filter 26, welches dafür sorgt, daß nur ultraviolette Strahlung die Dualdetektoranordnung 28 erreicht, ist in der Nähe des Fensters 24 angeordnet.

Die Dualdetektoranordnung 28 besitzt ein übliches Substrat 29, auf dem zwei separate photoempfindliche Detektoren befestigt sind, die hier als Bezugsdetektor 30 und als Probendetektor 32 bezeichnet seien. Ein jeder dieser Detektoren ist eine photoleitende Cadmiumsulfidzelle, deren empfindliche Fläche mit einem Zinksilikatphosphor beschichtet ist. Das Erregungsspektrum des Phosphors besitzt bei 254 πιμ eine Spitze, und sein Fluoreszenzemissionsspektrum besitzt bei 540 ΐημ eine Spitze, bei der die photoleitende Anregung von Cadmiumsulfid ebenfalls eine Spitze besitzt. Eine verhältnismäßig große Ultraviolettstrahlenquelle 34 liefert die Strahlungsenergie des Photometers. Bei der beschriebenen Ausführungsform erzeugt diese Quelle in erster Linie Quecksilberresonanzstrahlung mit 254 mn. Diese Kombination wandelt die auf die Detektoren 30, 32 fallende Ultraviolettstrahlung wirksam in entsprechende elektrische Signale um. Die kombinierten Spektralempfindlichkeiten der Quelle 34, des Filters 26, des Phosphors und des Photoleiters ergeben insgesamt eine Anregung, die bei 254 ΐημ im wesentlichen monochromatisch ist.

Die Linse 22 ist im Brennweitenabstand von der Quelle 34 angeordnet. Demgemäß wird die Strahlung, die durch die Bezugs- bzw. Probenkammern 10, 12 hindurchgeht, kollimiert. Da die Achsen dieser Kammern zueinander parallel sind, werden zwei Strahlen, die direkt durch dieselben hindurchgehen, von ein- und derselben Fläche der Lampe 34 ausgehen. Der hauptsächliche Vorteil der Verwendung einer gemeinsamen Ursprungsfläche für beide Strahlen liegt in der Tatsache, daß räumliche Veränderungen der Lampenhelligkeit als Ergebnis von Temperaturänderungen, Staubanhäufungen, Quecksilberkondensation usw., den beiden Strahlen gemeinsam sind und somit nicht die Detektorablesung beeinflussen. Da weiterhin die Kammern sehr dicht beieinanderliegen, gehen die beiden Strahlen von der Quelle mit nahezu den gleichen Winkeln aus.

Die hohe Empfindlichkeit des in F i g. 1 schematisch erläuterten optischen Systems wird durch das hohe Seitenverhältnis der Kammern unterstützt. Beispielsweise können in einer besonderen Ausführungsform die Kammern Längen von 10 mm, aber Durchmesser von nur 1 mm besitzen. Dies ergibt eine beträchtliche Absorptionsweglänge aber ein Kammervolumen von nur 8 Mikrolitern. Es wird auch darauf hingewiesen, daß, weil sowohl die Apertur als auch das Feld einer jeden Kammer vollständig durch das optische System ausgefüllt sind, die maximal mögliche Direktübertragung von Ultraviolettenergie von der Quelle 34 zu den Fotodetekloren 30,32 besteht.

Eine ungewöhnliche Stabilität des optischen Systems wird in der Vorrichtung von F i g. 1 dadurch erreicht, daß eine einzige optische Achse und ein einziger Satz optischer Teile, die für beide Strahlen gemeinsam s vorhanden sind, verwendet werden. Es besteht somit keine Notwendigkeit eine Ausrichtung zwischen den beiden gesonderten Achsen, die durch gesonderte optische Komponenten definiert werden, einzustellen und aufrechtzuerhalten. In der Tat wird die Apertur an ο der Linse 22 in zwei konjugierte Strahlen aufgespalten, die durch die Apertur und die Felder der Kammern 10, 12 definiert sind. Eine gegenseitige Stabilität zwischen den Achsen der Kammern 10,12 wird dadurch erreicht, daß die Kammern in einem Block aus einem einzigen Material befestigt werden. Es wird auch darauf hingewiesen, daß die austretenden Strahlen ziemlich nahe beieinander liegen. Dies erlaubt die Verwendung der kleinen photoleitenden Dualdetektoranordnung 28 anstelle der gesonderten Photozellen, die üblicherweise in herkömmlichen Instrumenten verwendet werden. Die Abgleichung der photoelektrischen und thermischen Eigenschaften der beiden Hälften der photoleitenden Duaizelle sind viel besser als die Abgleichung zwischen gesonderten Zel'en. Weiterhin liegen die beiden Hälften nahe beieinander und werden thermisch durch ein gemeinsames keramisches Substrat 29 gekoppelt, so daß die unterschiedliche Temperaturempfindlichkeit in bezug auf den Fall, bei dem gesonderte Zellen verwendet werden, stark herabgesetzt wird. Als Folge davon ist der Gleichlauf zwischen dem Bezugsdetekior 30 und dem Probendetektor 32 vorzüglich, was zur Stabilität des Gesamtsystems beiträgt.

Die genaue mechanische Konstruktion des schematisch in F i g. 1 gezeigten Photometers ist in den F i g. bis 5 erläutert. Die Anordnung besitzt einen umgebenden Lampenschirm 36, welcher an der oberen Wandung eine Strahlungsöffnung 38 aufweist. Innerhalb des Lampenschirms 36 ist eine Lichtquelle 34 angeordnet, die aus einer Niederdruck-Heißkathoden-Quecksilberlampe 40 üblicher Bauart besteht. Über dem Lampenschirm 36 ist ein Flüssigkeitszellenhalter 42 angeordnet, der an dem Lampenschirm mittels Schrauben 44, die sich durch einen Flansch 46 erstrecken, befestigt ist. Der Flüssigkeitszellenhalter 42 definiert eine zentrale Lichtpassage 48, die am oberen Ende einen verringerten Durchmesser aufweist und einen Rücksprung definiert, der einen federnden O-Ring 50 enthält. Im Flüssigkeitszellenhalter 42 sind ein Paar Ausrichtungsbolzen

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eingeschraubt, die sich nach oben erstrecken und an ihren oberen Enden ebenfalls Gewinde aufweisen.

Überhalb des Flüssigkeitszellenhalters 42 ist ein Flüssigkeitszellenblock aus Polytetrafluorethylen 54 angeordnet; er ist mit Hilfe von Bohrungen, die die Bolzen 52 umfassen, ausgerichtet. Der Flüssigkeitszellenblock 54 ist vertikal durchbohrt, wodurch öffnungen definiert werden, die die rohrförmige Bezugskammer 10 und die rohrförmige Probenkammer 12, die bei F i g. 1 beschrieben wurden, aufnehmen. Weiterhin ist der Zellenblock 54 horizontal durchbohrt; diese Bohrungen nehmen die Enden von kleinen Rohren auf, welche die Einlaßleitung 14 und die Auslaßleitung 16 für die Bezugsflüssigkeit und die Einlaßleitung 18 und die Auslaßleitung 20 für die Probenflüssigkeit aufnehmen. Die Bezugs- und Probenkammern sind etwas kürzer als die Dicke des Flüssigkeitszellenblocks 54 und sind an jedem Ende durch Einlaßaussparungen 54a, 546 und Auslaßaussparungen 54c, 54d umgeben. Die Enden der entsprechenden Einlaß- und Auslaßleitungen erstrecken sich in diese Rücksprünge, wie es in F i g. 5 zu sehen ist. Die Linse 22 wird mittels des zusammengedrückten O-Rings 50 gegen die untere Oberfläche des Flüssigkeitszellenblocks 54 gedrückt, um die unteren Enden der Kammern abzudichten.

Auf der oberen Oberfläche des Flüssigkeitszellenblocks 54 ist ein Flüssigkeitszellenbefestigungsteil 56 angebracht. Das Befestigungsteil 56 besitzt Bohrungen, welche die Bolzen 52 umgeben, und eine zentrale optische Passage 58, welche am unteren Ende vergrößert ist, so daß ein Rücksprung entsteht, der ein Fenster 24 und einen O-Ring 55 enthält Der O-Ring 55 ist in der zusammengebauten Anordnung unter Druck und drückt das Fenster 24 gegen die obere Oberfläche der Flüssigkeitszellenblocks 54, um die oberen Enden der Kammern abzudichten.

Das Befestigungsteil 56, der Flüssigkeitszellenblock 54 und der Flüssigkeitszellenhalter 42 werden mit Hilfe von vier Kopfschrauben 62 zusammengehalten, deren Köpfe im Befestigungsteil 56 eingelassen sind und die sich durch den Flüssigkeitszeilenblock 54 in das Gewinde des Flüssigkeitszellenhalters 42 erstrecken. Wenn die Kopfschrauben 62 angezogen werden, dann werden die O-Ringe 50, 55 zusammengedrückt. Aus Fig.5 ist somit ersichtlich, daß eine Passage für Bezugsflüssigkeit von der Einlaßleitung 14 zur Auslaßleitung 16 über die Aussparung 54a, die Kammer 10 und die Aussparung 54c verläuft. Eine ähnliche Passage für Probenflüssigkeit existiert von der Einlaßleitung 18 zur Auslaßleitung 20 über die Aussparung 546, die Kammer 12 und die Aussparung 54d

Auf der Oberseite des Befestigungsteils 56 ist ein Fotozellenhalter 64 befestigt. Der Fotozellenhalter besitzt ebenfalls Bohrungen, welche die Bolzen 52 umgeben. Der Halter definiert eine zentrale Lichtpassage 66, und sein unteres Ende besitzt einen ringförmigen Vorsprung 68, der sich in eine Aussparung 60 erstreckt. Innerhalb des ringförmigen Vorsprung!! 68 ist das Ultraviolettfilter 26 befestigt. Innerhalb der Lichtpassage 66 und oberhalb des Filters 26 ist die Dualk'otozellenanordnung 28 vorgesehen, von wo aus sich ein Kabel 72 mit drei Leitern erstreckt, das durch einen geeigneten Körper 74 umschlossen wird. Das Ende des Kabels ist mit einem geeigneten Stecker 76 versehen. Der Fotozellenhalter 64 ist mit Hilfe von Rändelmuttern 78 am übrigen Teil der Anordnung befestigt, wobei die Rändelmuttern auf den Bolzen 52! aufgeschraubt sind. Über den Stecker 76 wird die Dualphotozellenzusammenstellung an eine elektrische Vergleichsschaltung, insbesondere an eine Wheatston'üche Brücke angeschlossen; eine Energieversorgumgseinrichtung die die genannte Vergleichsschaltung mit Strom versorgt und eine Anzeigeeinrichtung sind zusätzlich vorgesehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1 Zweistrahlabsorptionsphotometer mit einer großflächigen Lichtquelle, einem Kollimator, einer Meß- und einer Referenzküvette. die hinter dem Kollimator nebeneinander und parallel zueinander im Strahlengang angeordnet sind, und mit je einem Photodetektor im Wege der aus den Kuvetten austretenden Teilstrahlenbünde!, dadurch gekennzeichnet, daßder Kollimator (22) und d.e Meß- und Referenzküvette (10 bzw 12) so angeordnet und ausgebildet sind, daß die die MeB- und Referenzküvette (10 bzw. 12) durchsetzenden Teilstrablenbündel jeweils von dem gleichen I ei Dereich der Strahlungsfläche der Lichtquelle (i4 herrühren.

^liefert Da die von unterschiedlichen Bereichen einer folchen Lichtquelle emittierten Intensitäten im Regelfall in unterschiedlicher Weise schwanken, ergeben sich nicht auszugleichende Meßfehler.

Aus der Zeitschrift »Analytical Chemistry«, Vol. 40, Febr 1968 Seiten 391 bis 396, ist ein ZweistrahlabsorptionsDhotometer bekannt, bei dem die Strahlaufspaltung rnit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels erfolgt. Ein eroßer Teil des aus einer gerneinsamen Lichtquelle

.o kommenden Lichts wird dabei zu einem Meßzweig der Anlage durchgelassen, während ein kleinerer Teil zu einem Vergleichszweig reflektiert wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser Einrichtung besteht in dem verminderten optischen Wirkungsgrad, der sich durch

die Aufspaltung mit Hilfe eines halbdurchlässigen ergibt. Werden Lichtquellen mit geringer benutzt, wie z. B. Niederdruckquecksil-

luii u«,, ~i.- c- PigenhelligKeii DGiiuiii, ""-·—— ----i *·■«■

rrühren. . hprlamDen dann ergeben sich große Schwierigkeiten,
2. Zwdstrahiabsorptionsphotometer nach An- beamp . _Absorp_tionsunterschiede, die mit einer

spruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Meß^ und ^w='> ^dan? **.*' essen werden können, nicht mehr

dieReferenzküveue(10bzw.ll)vonzwe.pa™ü^ _{der insbesondere bei der}

Bh i im blockförmig«. Körper gebdd« den f^f^f_hhi ößd

dieReferenzküveue(10bzw.ll)vonzwe.p^ Bohrungen in einem blockförmig«. Körper gebdd« sind und daß die Länge der Bohrungen groß im Vergleich zum Durchmesser ist.