DE1818017A1

DE1818017A1 - Zweistrahlabsorptionsphotometer

Info

Publication number: DE1818017A1
Application number: DE19681818017
Authority: DE
Inventors: Emmett St Clair Watson
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1968-03-21
Filing date: 1968-10-30
Publication date: 1977-11-03
Also published as: DE1818017B2; CH517938A; DE1806177C3; DE1806177B2; GB1252742A; NL6818117A; GB1253790A; DE1806177A1; SE395318B; DE1818017C3; JPS5521296B1; US3591801A; FR1598691A

Description

Frankluri am Main 70

Sdmeckenhoiiir. 27-Tel. Al 7OW ^ 1 S 1 ΟΠ17

Anmelder: Varian Associates 31. Mai 1977

P 18 18 017.1 ,y/ Gzg/ba

Äweistrahlabsorptionsphoto'Beter

Ausscheidung aus P 18 06 177.3-52

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

Solche Geräte v;erden in der Flüssigkeitskolonnenchromatographie angewendet, vra die Konzentration der aufgetrennten Stoffe, wenn sie im Elutionsmittel aus der Kolonne herauskommen, gemessen v.'ird. Wenn Kolonnen mit kleinen Durchmessern verwendet werden, dann müssen extrem kleine Änderungen in der Konzentration des gelösten Stoffs in extrem kleinen Lösungsvoluniina gemessen werden können. Dies bedeutet, daß ein Absorptionsphotometer eine Meßkammer mit sehr kleinem Volumen

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aufweisen muß, um Mischungseffekte bezüglich des aufgelösten Stoffes zu vermeiden, wobei es aber trotzdem einen vernünftig langen optischen Weg 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 vielen in der Technik allgemein bekannten Gründen ist ein Doppelstrahlphotometersystem mit einer Verhältnisablesung stabiler als ein Einfachstrahlsystem, da unechte Effekte gemeiner Art in der Ablesung nicht erscheinen. Da weiterhin die Konzentration des gelöston Stoffs gemäß dem Beer-Lambert'sehen Gesetz proportional der Absorbanz ist, ist es erwünscht, die Absorptionsmessung in eine lineare Absorbanzablesung umzuwandeln. Aus diesem- Grunde sind die bekannten Hochleistungsvorrichtungen als Doppelstrahlvorrichtungen mit einer vollen Verhältnisablesung in linearer Absorbanz ausgeführt. Die bekannten Instrumente, bei denen zwei Detektoren verwendet werden, leiden unter dem Nachteil von Gleichlauf- und Abstimmungsschwierigkeiten zwischen den einzelnen Detektoren. Aus diesem und aus anderen Gründen besitzen die bekannten Vorrichtungen Nachteile im Bezug auf das Arbeitsverhalten, die Kompliziertheit, die Zuverlässigkeit und die Kosten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Zweistrahlabsorptionsphotometer der gattungsgemäßen Art zu schaffen, das hechstabil und empfindlich ist, das bei extrem kleinen Volumina

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verwendet werden kann, das eine Ablesung ergibt, die mit der Absorbanz in einem linearen Verhältnis steht und das einfach, kompakt, zuverlässig und billig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Vergleichsschaltung eine Wheatstone'sehe Brücke ist, an deren Ausgang ein Spannungsteiler angeordnet ist, dessen Abgriff auf die Spannungsversorgung der Brücke zurückgeführt ist, um die Abgriffsspannung auf einem konstanten Wert zu halten.

Die Konstruktion und die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Zweistrahlabsorptionsphotometers werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 eine schematische Ansicht des optischen Wegs des Photometers;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Photometeranordnung und

Fig. 3 ein elektrisches Schaltschema des erfindungsgemäßen Photometers.

Fig. 1 erläutert schematisch ein Zweistrahlabsorptionsphotometer, in dem eine Bezugskammer 10 (= Referenzküvette) und eine Probenkammer 12 (= Meßküvette) parallel und nahe beieinander angeordnet sind. Eine Eintrittsleitung 14 für Bezugsflüssigkeit und eine

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Auslaßleitung 16 für Bezugsflüssigkeit sind an den entgegengesetzten Enden der Bezugskammer 1O 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 Austritt sende 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 d 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 mu. eine Spitze, und sein Fluoreszenzemissionsspektrum besitzt bei 540 mM-eine Spitze, bei der die photoleitende Anregung von Cadmiumsulfid ebenfalls eine Spitze besitzt. Eine verhältnismäßig große Ultraviolettstrahlenquelle 34 liefert die Strahlungsenergie

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des Photometers. Bei der beschriebenen Ausführungsform erzeugt diese Quelle in erster Linie Quecksilberresonanzstrahlung mit 254 mu. . 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 m/Λ im wesentlichen monochromatisch ist.

Die Linse 22 ist im Brennweitenabstand von der Quelle 34 angeordnet. Demgemäß wird die Strahlung, die durch die Bezugsbzw. Probenkammern 10, 12 hindurchgeht, kollimiert.

Eine ungewöhnliche Stabilität des optischen Systems wird in der Vorrichtung von Fig. 1 dadurch erreicht, daß eine einzige optische Achse und ein einziger Satz optischer Teile, die für beide Strahlen gemeinsam vorhanden sind, verwendet werden. Eine gegenseitige Stabilität zwischen den Achsen der Kammern 10, 12 wird dadurch erreicht, daß die Kammern in einen 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 photoelektri-

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sehen und thermischen Eigenschaften der beiden Hälften der photoleitenden Dualzelle sind viel besser als die Abgleichung zwischen gesonderten Zellen. 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 zv?i- ™ sehen dem Bezugsdetektor 30 und dem Probendetektor 32 vorzüglich, was zur Stabilität des Gesamtsystems beiträgt.

Die genaue mechanische Konstruktion des schematisch in Fig. gezeigten Photometers ist in deiji Fig. 2f/ erläutert. Die Anordnung besitzt einen umgebenden Lampenschirm 36, welcher an der oberen Wandung eine Strahlungsöffnung^ff aufweist. Innerhalb des Lampfenschirms 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 befestigt ist.

Überhalb des Flüssigkeitszellenhalters 42 ist ein Flüssigkeitszellenblock 54 aus Polytetrafluoräthylen angeordnet. Der Flüssigkeitszellenblock 54 ist vertikal durchbohrt, wo-

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durch öffnungen definiert werden, die die rohrförmige Bezugskammer 10 und die rohrförmige Probenkammer 12, die bei Fig. 1 beschrieben wurden, aufnehmen. Weiterhin ist der Zellenblock 54 horizontal durchbohrt; diese Bohrungen nehmen die linden von kleinen Rohren auf, welche die Einlaßleitung 14 und die Auslaßleitung 16 für die Bezugsflüssigkeit und die Einlaßleibung 18 und die Auslaßleitung 20 für die Probenflüssigkeit aufnehmen. Die Bezugs- und Probenkainmern sind etwas kürzer als die Dicke des Flüssigkeitszellenblocks 54.

Auf der oberen Oberfläche des Flüssigkeitszellenblocks 54 ist ein Flüssigkeitszellenbefestigungsteil 56 angebracht. Auf dem Photozellenhalter 64 ist mittels einer Rändelmutter 78 ein Kabel 72 mit drei Leitern angeschlossen, dessen Ende mit einem geeigneten Stecker 76 versehen ist.

Die erfindungsgeraäße Vergleichsschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Zuführstecker 80 kann mit einer Standardwechselstromquelle, wie z.B. 117 V, 60 Hz, verbunden werden. Die Zuführung ist mit einem Konstantspannungstransformator 82 verbunden, der die Ultraviolettlampe 40 über einen Ballast und einen Starter 86 mit Strom versorgt. Die gleiche Quelle beliefert eine Rückkopplungsstromversorgung 88. Der Ausgang aus der Stromversorgung ist zwischen annähernd 5 und 30 V variierbar und ist am Eingang einer Wheatstone'sehen Brücke

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und einem Voltmeter 92 angeschlossen. In der Wheatstone'sehen Brücke befinden sich der Bezugsdetektor 30 und der Probedetektor 32, welche zwei Schenkel der Brücke bilden. Die anderen beiden Schenkel werden durch Widerstände 94 und 96 und einem Nulleinstellungspotentiometer 98 gebildet. Quer zum Ausgang der Bracke 90 befinden sich iwei Widerstände 100, 102 mit gleichem Wert, die an ihrem gemeinsamen Punkt 104 durch eine Kopplungsleitung 106 mit der Stromversorgung 88 ver- Λ

bunden sind. Quer zum Ausgang der Brücke 90 sind weiterhin ein Paar Filterkondensatoren 108, 110 und ein Bereichsschalter 112 angeschlossen. Letzterer besitzt die gewöhnlichen Abgreifpunkte 114 und einen Wähler 116. Der Ausgang aus dem Bereichsschalter wird zu einem Schreiber 118 geführt.

Zunächst wird der Nulleinstellungspotentiometer 98 verwendet, um die Brücke auf einen Ausgang von Null einzustellen und um dadurch die Chromatogrammbasislinie an die Nullstelle des

Registrierstreifens zu bringen» Angenommen, ein Ultraviolett f

absorbierender gelöster Stoff tritt aus.der analytischen Kolonne aus und verläuft durch die Probenkammer 12, dann wird die den Probendetektor 32 erreichende Ultraviolettstrahlung herabgesetzt. Der Bezugsdetektor und der Probendetektor wirken als strahlungsempfindliche Widerstände, deren Widerstand praktisch umgekehrt proportional zur Intensität der auf sie auftreffenden Ultraviolettstrahlung ist. Demgemäß wird die

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Brücke aus dem Gleichgewicht gebracht, und eine Ausgangsspannung wird an den Bereichsschalter 112 angelegt und zum Schreiber 118 übermittelt- der eine chromatographische Spitze ausschreibt.

Wenn die Brückenerregungsspannung konstant wäre, dann wäre die Ablesung des Schreibers 18 gegen gemeine Effekte auf Null stabilisiert aber nicht bereichsstabilisiert. Mit anderen Worten heißt das, die Nullbasislinie c > Chromatogramms würde nicht durch Veränderungen in der Lampenhelligkeit oder durch gemeine Lösungsmittelabsorption beeinflußt werden, aber die Bereichserapfindlichkeit würde im Verhältnis zu den Absorptionsspitzen durch solche Änderungen beeinflußt werden. Beispielsweise würde eine Verminderung der Lampenhelligkeit, die durch eine Temperaturveränderung oder durch ein Altern der Lampen hervorgerufen wird, eine entsprechende Herabsetzung der Bereichsempfindlichkeit ergeben. Deshalb besitzt die Rückkopplungsenergieversorgung 88 die weitere Funktion der Kompensation dieser Effekte, wodurch die Ablesung sowohl bezüglich des Bereichs als auch bezüglich des Nullpunkts stabilisiert wird „

Die Rückkopplungsstromversorgung 88 dient dazu, die Spannung am gemeinsamen Punkt 104 unter allen Bedingungen konstant zu halten. Um diese Wirkungsweise zu verstehen, soll zunächst angenommen werden, daß die Rückkopplungsleitung 106 nicht mit

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dem gemeinsamen Punkt 104 sondern mit dem Bezugsschenkel der mit β bezeichneten Brücke verbunden ist. Diese Spannung ist proportional der Strahlung, die in den Bezugsdetektor 30 fällt und ist auch proportional der Brückenerregungsspanmmg. Angenommen die Lampenhelligkeit sinkt, dann hat dies zur Folge, daß die Spannung bei e ebenfalls sinkt» Eine solche Knderung würde durch die Rückkopplungsenergieversorgung 88 aufgespürt werden, wodurch automatisch die Erregungsspannung e„ erhöht ™ wird, um den Verlust der Helligkeit auszugleichen und um e konstant zu halten. Die Spannung e am Probenarm würde im gleichen Verhältnis beeinflußt werden. Es ist somit ersichtlich, daß die Brückenausgangsspannung von Änderungen in der Lampenhelligkeit und anderen gemeinen Veränderungen unabhängig wäre und direkt der Absorption der Probenfiüssigkeit relativ zur Absorption der Bezugsflüssigkeit proportional wäre.

Es wird darauf hingewiesen, daß die im vorhergehenden Absatz beschriebene Schaltung eine Ablesung im vollen Verhältnis geben würde, die sowohl bezüglich des Bereichs als auch des Nullpunkts stabilitsiert wäre. Jedoch wäre die Ablesung eine lineare Absorption, welche gemäß dem Beer-Lambert'sehen Gesetz eine nicht-lineare Funktion der Konezntration des gelösten Stoffs ist. Deshalb besitzt die Rückkopplungsenergieversorgung die v/eitere Punktion der Umwandlung der linearen Absorption in die lineare Absorbanz, wodurch eine Ablesung erzeugt wird,

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die direkt der Konzentration des gelösten Stoffs proportional ist. Dies geschieht dadurch, daß die Verbindung der Rückkopplungsleitung 106 mit dem gemeinsamen Punkt 104 zwischen den Widerständen 100, 102 hergestellt wird. Wenn die Widerstände 100, 102 von gleichem Wert sind, dann ist ersichtlich, daß die stabilisierte Rückkopplungsspannung der Durchschnittswert zwischen e und e ist. Obwohl die mathematische Analyse

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dieser Schaltung ziemlich komplex ist, ergibt sie eine Ablesung, die über einen großen Bereich von Absorptionswerten weitgehend der linearen Absorbanz entspricht. Diese Entsprechung wird bei sehr hohen Absorbanzwerten weniger exakt. In einigen Fällen können die Widerstände 100, 102 von unterschiedlichen Vierten sein, um den Rückkopplungs faktor für eine bessere Angleichung auf die lineare Absorbanz einzustellen. Dies hängt von dem Fotozellencharakteristiken und vom abgedeckten Absorbanzbereich ab.

Die Gesamtwirkungsweise der Ablesungsschaltung kann wie folgt beschrieben werden: Wenn der Schreiber 118 auf Null eingestellt ist, dann ist die Brücke 90 ausgeglichen, und die

Spannung e , e sind einander gleich und auch gleich der r s

Spannung am Punkt 104. Angenommen, eine kleine Verringerung der den Probendetektor 32 erreichenden Strahlung findet statt, entsprechend einem kleinen Absorbanzwert, dann wird die Spannung e_ leicht erhöht. Da die Spannung am Punkt 104 gleich

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dem Durchschnitt aus den Spannungen e und e ist, und da dieser konstant ist, wird die Spannung e aufgrund der Erhöhung der Erregungsspannung e_ aus der Energieversorgung 88 um den gleichen Betrag erhöht. Diese erhöht leicht die Empfindlichkeit der Brücke um genau den zur Korrektur der kleinen Nichtlinear ität der Absorptionskurve richtigen Betrag. Das gleiche Resultat ergibt sich in einem größeren Ausmaß im Falle einer großen Änderung des Widerstands des Probondetektors 32, wobei die Brückenempfindlichkeit weiter erhöht wird, um die größere Nichtlinearität der Absorptionskurve zu korrigieren. Das Resultat besteht darin, daß die Absorptionsmessung automatisch in eine lineare Absorbanzablesung umgewandelt wird.

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Claims

Anmelder: Varian Associates 31. Mai 1977

P 18 IS 017.1 Gzg/Ba

Patentansprüche

. Zweistrahlahsorptionsphotoraeter mit einer großflächigen Lichtquelle, einem Kollimator, einer Heß- und einer Referenzldivette, die hinter dem Kollimator nebeneinander und parallel zueinander im Strahlengang angeordnet sind.- und mit je oinem Photodetektor im Wege der aus den Küvetten austretenden Teilstrahlenbündel zum Vergleich der Intensität dieser Teilstrahlenbündel, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung eine Wheatstone'sehe Brücke Ist, an deren Ausgang (e , e ) ein Spannungsteiler (100, 1O2) angeordnet ist, dessen Abgriff (104) ^ auf die Spannungsversorgung {88) der Brücke zurückgeführt ist, um die Abgriffsspannung auf einem konstanten Wert zu halten.
2. Zweistrahlabsorptionsphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff (104) praktisch der Mittelpunkt des Spannungsteilers (100,. 102) ist.

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