DE202019104338U1

DE202019104338U1 - Vielwinkellichtstreudetektor auf Basis eines Fotodiodenarray

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Publication number: DE202019104338U1
Application number: DE202019104338.5U
Authority: DE
Original assignee: Postnova Analytics GmbH
Current assignee: Postnova Analytics GmbH
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2029-08-08

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Lichtstreuungseigenschaften einer Probe in einem flüssigen Medium, umfassend einen Laser (1), eine zylinderförmige Messzelle (7) mit einer Radialbohrung (6) senkreckt zur Symmetrieachse der Messzelle (7), und mindestens zwei Fotodioden (12), die konzentrisch in festgelegten, unterschiedlichen Winkeln um den Mittelpunkt der Messzelle (7) angeordnet sind, wobei
die Vorrichtung ferner umfasst
eine hülsenartige, teilweise lichtundurchlässige Abschirmeinrichtung, die in der Radialbohrung (6) der Messzelle (7) angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass an ihren beiden Endabschnitten jeweils eine für Streulicht lichtundurchlässige Abschirmung (5, 8) und in ihrer Mitte zumindest eine Durchlassöffnung für Streulicht von der Probe vorgesehen ist, und wobei
der Laser (1) derart angeordnet ist, dass ein Laserstrahl (2) die Probe im flüssigen Medium innerhalb der hülsenartigen, teilweise lichtundurchlässigen Abschirmeinrichtung in der Radialbohrung (7) beleuchtet, sodass an der Probe gestreutes Licht durch die Durchlassöffnung tritt und von mindestens einer der Fotodioden detektiert werden kann.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Lichtstreueigenschaften einer Probe in einem flüssigen Medium, die Verwendung dieser Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung des an einer in einem flüssigen Medium befindlichen Probe gestreuten Lichtes.
Stand der Technik
Die Vermessung der statischen Lichtstreuung wird zur Charakterisierung (Größe, Masse, Form und Struktur) von Molekülen oder kolloidalen Substanzen herangezogen. Hierbei handelt es sich um eine absolute Quantifizierung, die ohne vorherige Kalibrierung oder Benutzung von Standardproben auskommt. Eine Probe wird mit einem Laserstrahl beleuchtet und das gestreute Licht unter verschiedenen Streuwinkeln gemessen.
Das Prinzip der Lichtstreuung ist in der Natur weitverbreitet. So kann es z.B. beim Sonnenuntergang oder beim Sichtbarwerden von Staubpartikeln beobachtet werden. Lichtstrahlen treffen auf ein stark streuendes Medium und werden von Partikeln von ihrem geometrisch vorgeschriebenen Weg abgelenkt. Dabei wird die Intensität der Lichtstrahlen durch Absorption und Streuung abgeschwächt. Die Streuung ist die Grundlage verschiedener physikalischer Phänomene, wie z.B. Beugung, Brechung und Reflexion.
Die Streuung kann in inelastische, quasielastische und elastische Streuung unterteilt werden, die sich durch ihre Frequenzverschiebung unterscheiden. Bei der inelastischen Streuung tritt eine Frequenzverschiebung von etwa 10¹¹ bis 10¹³ Hz auf. Bei der quasielastischen Streuung, bei der Licht zusätzlich mit Translations- bzw. Rotationsquanten eines Moleküls wechselwirkt, tritt eine Frequenzverschiebung von 10 bis 10⁶ Hz auf. Bei der elastischen Lichtstreuung (z.B. der statischen Lichtstreuung) kommt es zu keiner Änderung der Wellenlänge (auch als kohärente Streustrahlung bezeichnet).
Das zugrunde liegende Prinzip der Lichtstreuung lässt sich an einem sehr kleinen, optisch isotropen Gasmolekül veranschaulichen. Die Elektronen des Moleküls werden durch die auftreffende elektromagnetische Welle in eine Schwingung mit der Frequenz der anregenden Lichtquelle versetzt. Der so entstandene oszillierende Dipol strahlt wiederum elektromagnetische Strahlung derselben Frequenz ab, wobei die Intensität der Strahlung von der Stärke des induzierten Dipols abhängt, d.h. je polarisierbarer das Molekül ist, desto stärker der Dipol und desto höher die Intensität der emittierten Strahlung.
Wird eine Probe, beispielweise eine Suspension, in der sich mehrere Makromoleküle befinden, mit einem Laserstrahl beleuchtet, emittiert jedes Makromolekül Strahlung. Die Summe der Intensitäten der emittierten Strahlung ist proportional zur Konzentration der Makromoleküle in der Suspension sowie der molaren Masse der Moleküle.
Des Weiteren kann aus der Winkelabhängigkeit der gestreuten Lichtintensitäten die Größe der im Kolloid enthaltenen Moleküle berechnet werden, da das an den verschiedenen Streuzentren im Makromolekül gestreute Licht interferiert und ein winkelabhängiges Streumuster erzeugt. Hierbei werden jeweils die Mittelwerte der Größe der in einer Messzelle befindlichen Teilchen bestimmt.
Im Stand der Technik sind Messgeräte beschrieben, die die Streueigenschaften von kolloidalen Flüssigkeiten messen und zur Charakterisierung der Stoffeigenschaften heranziehen.
Hierbei kann zwischen zwei Typen von Messzellen / grundsätzlichen Aufbauten unterschieden werden, die sich dadurch unterscheiden, wie die Achse der Bohrung im Vergleich zur Achse des Laserstrahls bzw. zur Achse der Messzelle verläuft.
Bei den horizontalen Zellen geht die Radialbohrung horizontal durch die Zelle. Das bedeutete der Flüssigkeitsstrom und somit die Probe werden horizontal durch die Zelle geleitet, wobei der Laser und die Detektoren ebenfalls in der Horizontalen liegen.
Bei den vertikalen Zellen geht die Radialbohrung vertikal durch die Messzelle. Das heißt, der Fluss und somit die Probe werden vertikal durch die Zelle geleitet, wobei der Laser und die Detektoren in der horizontalen Eben liegen.
Die EP 0 182 618 offenbart eine Vorrichtung mit einer horizontalen Zelle zur Messung der statischen Lichtstreuung. Die Messzelle kann mit einem chromatographischen Aufbau gekoppelt werden, so dass die Teilchen nach Größe getrennt durch die Messzelle fließen. Offenbart wird eine runde Messzelle mit einer Radialbohrung, durch welche ein Flüssigkeitsstrom mit den enthaltenen Teilchen geleitet und mit einem Laserstrahl beleuchtet wird. Um die runde Messzelle sind unter verschiedenen Winkeln einzelne Detektoren angeordnet, die das Streulicht aufnehmen.
Diese Technologie wurde zuerst in US 4,616,927 und EP 0 182 618 beschrieben. Darin wird die Messung des Streulichts unter mehreren verschiedenen Winkeln offenbart. Der beobachtete Streubereich wird über Blenden auf einige Nanoliter beschränkt.
In EP 0 626 064 wird eine Weiterentwicklung beschrieben, bei der unter 2 Winkeln gemessen wird, wobei das unter 15 Grad gestreute Licht mittels eines Linsen- und Blendensystems gesammelt wird.
Die Anmeldung US 6,052,184 beschreibt eine vertikale Zelle. Das gestreute Licht wird mittels Lichtleitern gesammelt, wobei diese jedoch nur einen sehr kleinen Flüssigkeitsbereich beobachten. Der Flüssigkeitsstrom wird hier senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl geführt.
Eine weitere Vorrichtung, in der der Flüssigkeitsstrom ebenfalls senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl durch die Messzelle geführt wird, ist in der WO 2010/036736 beschrieben. Die notwendige passgenaue Fixierung der Messzelle erfolgt über geeignete Vorsprünge der Haltevorrichtung, die in die Radialbohrung der Messzelle hineinragen.
In der in WO 2010/036736 beschriebenen Vorrichtungen werden zylinderförmige, küvettenartige Glasmesszellen mit einer gewölbten Außenseite verwendet, die horizontal mit einem Laserstrahl beleuchtet aber vertikal durchflossen werden. In einem geeigneten Abstand angeordnete Blendensysteme definieren den beobachteten Winkelbereich und begrenzen Streulicht aus anderen Winkeln Grundsätzlich sind zur Messung der winkelabhängigen Streulichtintensität einer Probe zwei Punkte von besonderer Bedeutung:

1. In jeden Detektor darf nur das Streulicht aus einem möglichst definierten Winkelbereich einfallen.
2. Licht, dass bedingt durch Remissionen an den Grenzflächen Messzellenglas/Flüssigkeit (enthaltend die Probe) bzw. Messzellenglas/Luft in den jeweiligen Detektor einfallen könnte, muss abgeschirmt werden.

Bisher wurden die dafür erforderlichen Abschirmungen / Ausblendungen mit Hilfe von Radialbohrungen und / oder Blenden innerhalb eines die Messzelle umgebenden Bauteils realisiert. Bei der Verwendung der im Stand der Technik beschriebenen Glasmesszellen für die Messung statischer Vielwinkellichtstreuung in einem Winkelbereich von weniger als 7° bis über 164° tritt dabei jedoch das Probleme auf, dass immer nur eine durch die Radialbohrungen / Blende definierte Anzahl von Detektoren rund um die Zelle positioniert werden kann. Dies limitiert die Anzahl verwendbarer Detektoren. Gleichzeitig verhindert dies den effizienten Einsatz eines Fotodiodenarrays, da die Anzahl der fotosensitiven Elemente die technisch mögliche Anzahl der Blenden bei weitem überschreitet.
Darstellung der Erfindung
4 zeigt eine Vorrichtung zum Detektieren von Streulicht an unterschiedlichen Winkeln. Insbesondere verdeutlicht 4 den Strahlengang des durch die Probe gestreuten Lichtes, beispielhaft für den 90° Winkel A 44. Der durch den Laser 35 emittierte Laserstrahl 36 wird durch die vordere Zellenhalterung 37 so eingeleitet, dass er die Messzelle 40 innerhalb deren Radialbohrung 39 durchquert und über die hintere Zellenhalterung 41 wieder verlässt. Dabei wird der Laserstrahl 36 an der ebenfalls in der Radialbohrung 39 befindlichen Probe gestreut. Das Streulicht aus Winkel A 44 verlässt die Messzelle 40 und wird von einer im Winkel A angebrachten Fotodiode erfasst. Da die Probe auf der gesamten Länge der Radialbohrung 39 streut entstehen Remissionen 43, die in benachbarte Fotodioden 45 einstrahlen, die eigentlich zur Detektion eines anderen Winkels bestimmt sind. Dazu wurden bisher aufwendige Blendensysteme vor den Fotodioden 45 aufgebaut, die wiederum die Verwendung eines Diodenarrays verhinderten.
Für eine Lichtstreudetektorvorrichtung mit hoher Empfindlichkeit und hoher Anzahl an Detektionswinkeln besteht daher ein Verbesserungsbedarf gegenüber den bestehenden Systemaufbauten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Detektorvorrichtung für die Detektion statischer Vielwinkellichtstreuung in einem Winkelbereich von bevorzugt weniger als 7° bis über 164° bereitzustellen, in der eine lichtdurchlässige Messzelle verwendet wird, in die eine Probe eingefüllt wird bzw. die von einer Probe durchflossen wird und die mit einem Laserstrahl beleuchtet wird, und die nicht die für die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen beschriebenen Nachteile im Hinblick auf den störenden Einfluss von Streulicht aus nicht beobachteten Winkelbereichen und Remissionen aufweist und eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Detektionswinkeln ermöglichen kann. Ziel ist ein technischer Aufbau, der die Nutzung eines gekrümmten Fotodetektorarrays, im Folgenden Fotodiodenarray genannt, ermöglicht, z.B. eines CCD Sensors oder CMOS Sensors, der eine Vielzahl von Fotodioden, d.h. Fotodiodenelemente, aufweist, und somit zu einer im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen höheren Winkelauflösung führt, die sich aus der Anzahl der Fotodiodenelemente ergibt.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung bereitgestellt zur Messung der Lichtstreuungseigenschaften einer Probe in einem flüssigen Medium, die einen Laser, eine zylinderförmige Messzelle mit einer Radialbohrung senkreckt zur Symmetrieachse der Messzelle, und mindestens zwei Fotodioden umfasst. Die mindestens zwei Fotodioden, die allgemein als Fotodetektorelemente zu verstehen sind, sind konzentrisch in festgelegten, unterschiedlichen Winkeln um den Mittelpunkt der Messzelle angeordnet. Die Vorrichtung umfasst ferner eine hülsenartige, teilweise lichtundurchlässige Abschirmeinrichtung, die in der Radialbohrung der Messzelle angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass an ihren jeweils beiden Endabschnitten in Richtung der Radialbohrung eine für Streulicht lichtundurchlässige Abschirmung und in ihrer Mitte zumindest eine Durchlassöffnung für Streulicht von der Probe vorgesehen ist. Der Laser ist derart angeordnet, dass ein Laserstrahl die Probe im flüssigen Medium innerhalb der hülsenartigen, teilweise lichtundurchlässigen Abschirmeinrichtung in der Radialbohrung, bevorzugt in Richtung der Radialbohrung sowie in Flussrichtung des Mediums, beleuchtet, sodass an der Probe gestreutes Licht durch die Durchlassöffnung tritt und von mindestens einer der Fotodioden detektiert werden kann.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Messung der Lichtstreuungseigenschaften einer Probe in einem flüssigen Medium liegen das flüssige Medium, der Laser sowie die Fotodioden / Diodenarray in einer horizontalen Ebene, wobei ein um die Messzelle gekrümmtes Fotodiodenarray mit einer beliebigen Anzahl von Fotodioden vorgesehen ist, und wobei das Fotodiodenarray im Abstand zur Zelle so angeordnet ist, dass es im Fokus der Messzelle liegt und das an der Probe gestreute Licht in festgelegten, unterschiedlichen Winkelbereichen erfasst. Die hier beschriebenen Fotodioden können jegliche bekannte Fotodetektorelemente bzw. Fotodiodenelemente darstellen, wie Photozellen, Photomulitplier oder photosensitive Elemente eines CCD (charge-coupled device) oder CMOS (Complementary metal-oxidesemiconductor) Sensors. An Stelle eines einfachen Fotodiodenarrays kann z.B. ein gekrümmter CCD Sensor angebracht werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde versucht die Winkelanzahl zu steigern und ein entsprechendes Fotodiodenarray anzubringen. Je nach Durchmesser der Zelle ergibt sich ein optimaler Detektorenabstand und somit eine Umlaufbahn auf der die im Stand der Technik nötigen Blenden zur Begrenzung der Remissionen angebracht werden können. Die auf der Umlaufbahn positionierten Blendendurchmesser sollten nicht zu klein gewählt werden, da sonst die Empfindlichkeit des Aufbaus zu stark eingeschränkt würde. Gleichzeitig sollten die Blenden klein genug sein, um Remissionen abzufangen. Somit ergeben sich optimale Blendengrößen und somit die technisch maximal mögliche um die Zelle platzierbare Anzahl der Blenden, die auf der Umlaufbahn positioniert werden können. Sollen die Anzahl der Blenden / der Fotodioden / Beobachtungswinkel gesteigert werden, bleibt nach Stand der Technik nur, den gesamten optischen Messaufbau zu vergrößern. Damit die Detektoren weiterhin im Fokus der Messzelle liegen, muss auch diese entsprechend im Durchmesser vergrößert werden. Wird die Zelle im Durchmesser vergrößert, steigt auch die Länge deren horizontalen Radialbohrung und somit das Volumen in dem die Probe befindlich ist. Dies sollte aber vermieden werden, da speziell bei Messungen im Durchflussbereich zeitaufgelöste Messungen durchgeführt werden sollen.
In der Chromatographie gilt allgemein, dass nach der Injektion der Probe in das System, wenig Totvolumen in einem chromatographischen System vorhanden sein sollte, da dieses unweigerlich einerseits zu einer Verwirbelung der zuvor sorgfältig aufgetrennten Probe führt, was die Qualität der Trennung wieder verschlechtert, und weiterhin zu einer Verbreiterung des Probenpeaks führt. Bei einem breiteren Peak ist die Konzentration an jedem Elutionszeitpunkt geringer als bei einem schmalen Peak und somit wird die Nachweisgrenze der Detektoren schneller erreicht. Daher ist es wichtig, dass die Messzellen der verwendeten Detektoren ein möglichst geringes Volumen aufweisen. Speziell bei Systemen bei denen zwei oder mehr Detektoren hintereinander geschaltet werden, ist es sehr wichtig, dass die Messzellen ein möglichst geringes Volumen aufweisen, da die Peakverbreiterung in den Messzellen der einzelnen Detektoren berücksichtigt und korrigiert werden muss, damit sichergestellt ist, dass für jeden Detektor an jedem Elutionszeitpunkt des Peaks der gleiche Probenanteil in die Berechnungen der Ergebnisse einfließen kann.
Entgegen dem bisherigen Stand der Technik kam die Idee, eine Art Blende in das Innere der Messzelle, sprich in deren Radialbohrung zu legen.
Dabei wurde festgestellt, dass beispielsweise zwei für das Streulicht undurchlässige Hülsen, eingebracht an den Enden der Radialbohrung der Messzelle, ausreichen können, um damit für die meisten möglichen Beobachtungswinkel die Remissionen auszublenden. Somit kann der Raum zwischen der Messzelle und den Detektoren frei, sprich frei von Blenden, gestaltet werden. Somit ist ein die Winkelanzahl begrenzendes äußeres Blendensystem nicht mehr nötig und es kann im korrekten Abstand ein entsprechendes Fotodiodenarray angebracht werden. Dies bedeutet, dass jedes der Elemente auf dem Fotodiodenarray für einen spezifischen Detektionswinkel steht und somit die Anzahl der Detektionswinkel nur noch durch die Anzahl der verfügbaren Elemente auf dem Fotodiodenarray begrenzt wird und somit die Anzahl der Detektionswinkel im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik um mehr als ein 20-faches, je nach verwendeten Fotodiodenarray, gesteigert werden kann.
Die hohe Winkelanzahl ermöglicht ein weit genaueres Auswerten der durch die Probe erzeugten Streulichtprofile. Speziell im Bereich der Nanopartikel über 100nm kann nun ein Mie-Streuprofil wesentlich genauer bestimmt werden, wodurch dann die Größe der Streuzentren, z.B. der Nanopartikel, erhalten werden kann.
Im Bereich der statischen Mehrwinkellichtstreuung (MALS) ist die Anzahl der vorhandenen Messwinkel im MALS-Detektor von entscheidender Bedeutung da die Resultate für eine makromolekulare Probe oder eine nanopartikuläre Probe, nämlich das Molekulargewicht der Probe, sowie die Größe der Probe, über eine in der Regel nichtlineare mathematische Anpassung über alle vorhandenen Messwinkel erzeugt werden. Die Größe der Probe kann aus der Anfangssteigung der mathematischen Anpassung, also der Steigung beim mathematischen Messwinkel von Null Grad berechnet werden. Je mehr Messwinkel also insgesamt vorhanden sind umso exakter kann die Extrapolation auf den Winkel Null Grad durchgeführt werden und umso genauer sind die Resultate für das Molekulargewicht der Probe und deren Größe.
Dementsprechend enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine hülsenartige, teilweise lichtundurchlässige Abschirmeinrichtung, die beispielsweise aus zwei lichtundurchlässigen Hülsen besteht, die in die Messzelle entlang der Radialbohrung, jeweils im vorderem und hinteren Drittel der Messzelle eingelassen sind.
Diese können sowohl aus Kunststoff, wie z.B. PEEK, PMMO, PA, etc., als auch aus Metall, wie z.B. Aluminium, verschiedenen Stählen, wie z.B. Invar, Edelstahl, Titan, sowie Nichteisenmetallen, wie z.B. Messing, gefertigt sein.
In Besonderer Ausführung ist die Oberfläche so bearbeitet, dass möglichst keine Reflektionen an den Hülsen auftreten. Diese Hülsen haben einen Innendurchmesser im Bereich von 1.2 - 0.5 mm, sodass der Laserstahl sowie die Flüssigkeit durchgeleitet werden können und einen möglichst kleinen Außendurchmesser sodass die Hülsen in die Radialbohrung der Messzelle eingelegt werden können. Jede Hülse hat beispielsweise minimal eine Länge von 1/4 des Messzellendurchmessers (d.h. 1/2 des Radius), der üblicherweise der Länge der Bohrung entspricht, und maximal 5/6 des Radius der Messzelle (5/12 des Durchmessers). Werden die Hülsen zu lange ausgelegt wird das Volumen, in dem das Streulicht detektiert werden kann zu gering und die Empfindlichkeit des Messsystems wird zunehmend geringer. Sind die Hülsen zu kurz, treten wieder ungewünschte Remissionen auf. Die optimale Länge der lichtundurchlässigen Hülsen liegt bei 1/3 der Länge des Messzellendurchmessers bzw. der Radialbohrung, sodass 2/3 der Radialbohrung abgeschattet und 1/3 im Zentrum der Radialbohrung als Detektionsvolumen verfügbar bleibt.
Anstatt zwei Hülsen kann die hülsenartige, teilweise lichtundurchlässige Abschirmeinrichtung auch aus einer Hülse bestehen, bei der maximal eine Länge von 5/12 des Durchmessers der Bohrung (Durchmesser entspricht im Wesentlichen der Länge der Hülse) an jedem Hülsenende eine lichtundurchlässige Abschirmung aufweist. Die optimale Länge der lichtundurchlässigen Abschirmung liegt bei 1/3 der Länge des Messzellendurchmessers bzw. der Radialbohrung, sodass das erste und dritte Drittel der Hülse abgeschattet sind und das mittlere zweite Drittel im Zentrum der Radialbohrung als Detektionsvolumen verfügbar bleibt.
Beispielsweise kann die Abschirmeinrichtung aus einer Glashülse bestehen, bei der als lichtundurchlässige Abschirmung das erste Drittel in Längsrichtung ausgehend vom ersten Ende mit einem bevorzugt schwarzen Lack bestrichen ist, das zweite Drittel frei von einer Abschirmung ist und so eine Durchlassöffnung für Streulicht darstellt und das dritte Drittel in Längsrichtung bis zum gegenüberliegenden Ende auch mit einem bevorzugt schwarzen Lack bestrichen ist. Natürlich kann anstatt der Aufteilung der Hülse in Längsrichtung in 1/3 lichtundurchlässige Abschirmung, 1/3 Durchlassöffnung, 1/3 lichtundurchlässige Abschirmung, auch eine Aufteilung in 5/12 lichtundurchlässige Abschirmung, 1/6 Durchlassöffnung, 5/12 lichtundurchlässige Abschirmung verwendet werden. Insbesondere sollten die lichtundurchlässigen Abschirmungen an beiden Endabschnitten im Bereich zwischen 1/4 und 5/12 der Hülsenlänge liegen.
Erfindungsgemäß liegen die Bohrung der Messzelle, die Hülse oder Hülsen sowie die Elemente des Fotodiodenarrays in einer Streulichtebene, so dass die einzelnen Detektorelemente eines linearen Fotodiodenarrays, z.B. mit einem Element pro Spalte und 4000 Elementen pro Zeile, festgelegte, unterschiedliche Winkelbereiche des an der Probe gestreuten und aus der Messzelle austretenden Lichts erfassen. Diese Anordnung ermöglicht, dass nur Licht eines bestimmten Winkelbereichs in das eine entsprechende Fotodiodenelement fällt und Remissionen aus anderen Winkeln ausgeblendet werden.
Insbesondere sind die Bohrung der Messzelle, die eingelassenen Hülsen, die Elemente des Fotodiodenarrays so in einer Ebene (im Folgenden auch als Detektionsebene bezeichnet) angeordnet, dass das Zentrum/Mittelpunkt der Messzelle und die Elemente auf in einer Ebene liegen und dass die einzelnen Elemente, z.B. eines CCD Sensors, festgelegte, unterschiedliche Winkelbereiche des an der Probe gestreuten und aus der Messzelle austretenden Lichts erfassen.
Die Fotodiodenelemente sind in unterschiedlichen, festgelegten Winkeln von 3° bis 172°, bevorzugt von 7° bis 164°, bezogen auf den Strahlengang des Lasers durch die Messzelle mit deren Hülsen, um die gesamte Messzelle herum in der Detektionsebene angeordnet, so dass sie an der Probe gestreutes Licht in den jeweiligen Winkeln bzw. in begrenzten Winkelbereichen um diese Winkel herum erfassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit die Beobachtung des an der Probe gestreuten Lichts in unterschiedlichen Winkelbereichen von 3° bis 172° und bevorzugt von 7° bis 164°, deren Auflösung nur von der Anzahl der Fotodiodenelemente abhängig ist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Winkelbereich“ einen bestimmten Winkel, bezogen auf den Strahlengang des Lasers durch die Messzelle, innerhalb der Detektionsebene einschließlich eines Bereichs um diesen Winkel von +/- 0,176°.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mehrere Fotodioden und bevorzugt einen CCD Sensor oder CMOS Sensor also Detektor.
Ein Fotodiodenelement ist eine im Stand der Technik beschriebene Vorrichtung, welche einfallendes Licht in Abhängigkeit von dessen Intensität in elektrische Signale umwandelt, was z.B. mittels lichtempfindlicher Dioden, Fotomultiplier oder CCD Sensoren erfolgen kann, und an entsprechende Verarbeitungsgeräte weiterleitet, die die gemessenen Signale in die gewünschten Einheiten umrechnen.
Besonders bevorzugte Fotodiodenelemente sind gekrümmte Zeilen von CCD-Sensoren. Dabei handelt es sich um eine Reihe von lichtempfindlichen Elementen, die auf dem inneren Photoeffekt beruhen. Diese sind beispielsweise in kurzen Abständen von wenigen µm in einer Reihe auf einer Leiterplatte auf Folienbasis aufgebracht.
In einer Ausführungsform bestehen die Fotodiodenarrays aus einzelnen Silizium-Halbleitern, die in definierten Abständen auf eine flexible Leiterplatte aufgebracht werden. Die flexible Leiterplatte trägt zudem die nötigen Verstärkerschaltungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Fotodiodenarray aus einem zylindrisch gekrümmten CCD Sensor (charge-coupled device - ladungsgekoppeltes Bauteil). Die gekrümmten CCD Sensoren besitzen in der Zeile bis zu 4000 Pixel, sprich einzelne Photodioden die als einzelner Messwinkel ausgelesen werden können. Somit sind Aufbauten mit bis zu 4000 Beobachtungswinkeln möglich. In Spaltenrichtung können verschiedene Elementanzahlen verwendet werden. Im einfachsten Fall eines CCD Sensors als lineares Fotodiodenarray reicht ein Element in Spaltenrichtung. Jedoch ist es sinnvoll mehrere hundert Elemente zu verwenden und deren Signal in Spaltenrichtung zu integrierten, z.B. bei einem CCD-Sensor mit 400 Elementen pro Spalte und 4000 Elementen pro Zeile.
Grundsätzlich streut eine Probe eingestrahltes Licht in alle Richtungen, wobei die Streulichtintensität für die jeweils beobachteten Winkelbreiche von der Größe der Probenmoleküle oder -teilchen abhängt. Eine unterschiedliche Streulichtintensität kann daher unter anderem daraus resultieren, dass in Abhängigkeit von der Größe einzelner Probenmoleküle oder -teilchen eingestrahltes Licht an einer Probe nicht in alle Richtungen gleich stark gestreut wird, sondern dass es zu einer gerichteten Streuung kommt, die zu einer höheren Streulichtintensität bei kleineren Beobachtungswinkeln führt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um einen Vielwinkellichtstreudetektor (MALS [Multi-Angle Light Scattering Detector), der mit einem Fotodiodenarray und entsprechenden Hülsen in der Messzelle wie zuvor beschriebenen ausgestattet ist.
Als Probe, deren Lichtstreuungseigenschaften mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen werden können, eignen sich alle Moleküle und partikulären Teilchen mit einer Größe von 10 nm - 1000 nm, bevorzugt 26,6 nm - 532 nm und/oder einem Molekulargewicht von 1000 Da - 10⁹ Da. Proben zur Vermessung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind z.B. Proteine aus den Bereichen der pharmazeutischen Industrie und der Forschung, Nanopartikel und Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon Nanotubes) sowie natürliche und synthetische Polymere.
Die Probe kann in dem flüssigen Medium gelöst oder suspendiert vorliegen.
Als flüssiges Medium zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung können wässrige und nicht wässrige organische Lösungsmittel verwendet werden. Bevorzugt werden Lösungsmittel verwendet, die üblicherweise in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (engl. High Performance Liquid Chromatography, HPLC) oder der Feldflussfraktionierung (FFF) eingesetzt werden. Beispiele umfassen wässrige Lösungen von 0,5 - 5 g/l NaCl und 0,1 - 5 g/l Natriumdodecylsulfat (Sodium dodecyl sulfate, SDS) sowie die organischen Lösungsmittel Tetrahydrofuran (THF), Toluol, Aceton, Methanol, Ethanol, Chloroform, Dimethylformamid (DMF) und Dimethylsulfoxid (DMSO) sowie Mischungen davon.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wird eine zylinderförmige Messzelle verwendet.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „zylinderförmige Messzelle“ eine Messzelle, die die Form eines insbesondere geraden Kreiszylinders aufweist.
Eine Messzelle zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine zentrale Radialbohrung senkrecht zur Achse der Messzelle auf. Die Radialbohrung erlaubt die Zu- und Ableitung des flüssigen Mediums, das die Probe enthält.
Bei der Radialbohrung der Messzelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Durchbruch mit einem runden Querschnitt, die/der senkrecht zur Achse der Messzelle angeordnet ist, so dass die Messzelle zwei runde Öffnungen aufweist.
Die beiden Enden der Messzelle sind so gefertigt, dass lichtundurchlässige Materialien, in Form von Hülsen, eingesetzt oder eingegossen (oder einfach durch Bestreichen erzeugte Hülsen) werden können, die Abschirmungen besitzen, die das Streulichtvolumen innerhalb der Zelle begrenzen und Remissionen, aus anderen Beobachtungswinkeln, verhindern.
Ferner ist eine Messzelle zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung größtenteils aus einem lichtdurchlässigen Material geformt, das den Eintritt, Durchtritt und Austritt des gestreuten Lichts ermöglicht.
Ferner sind die Messzellenhalter zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung so geformt, dass sowohl das flüssige Medium als auch der Laserstrahl in die Radialbohrung der Messzelle eintreten können.
In einer Ausführungsform ist die Messzelle aus Glas, Polymer oder einer Kombination der genannten Materialien oder einer Flüssigkeit hergestellt und weist eine Brechzahl auf, die der Brechzahl des flüssigen Mediums, das die zu vermessende Probe enthält, im Wesentlichen entspricht und die höher ist als die Brechzahl von Luft. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messzelle aus Glas.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „im Wesentlichen entspricht“ bezüglich der Brechzahl der Messzelle und der Brechzahl des flüssigen Mediums, dass die jeweiligen Brechzahlen möglichst ähnlich sind und um nicht mehr als höchstens 0-0,3, bevorzugt höchstens 0-0,2 und stärker bevorzugt höchstens 0-0,13 voneinander abweichen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Abweichung nicht mehr als höchstens 0-0,5.
Die Brechzahl, früher Brechungsindex oder Brechungskoeffizient, ist eine Materialkonstante und beschreibt die Ausbreitung des Lichtes, d.h. elektromagnetischer Wellen, in einem optisch dichten Medium. Sie kann aus dem Verhältnis zwischen Phasengeschwindigkeit des Lichtes im Vakuum und seiner Phasengeschwindigkeit im jeweiligen Medium bestimmt werden. So beträgt die Brechzahl z.B. für sichtbares Licht im Vakuum exakt 1, für Luft auf Meeresniveau 1,000292, für Quarzglas 1,46 und für Polymere ungefähr 1,5.
Der Begriff „Polymer“ bezeichnet eine chemische Verbindung, die aus Ketten oder verzweigten Molekülen besteht, die aus gleichen oder gleichartigen Einheiten aufgebaut sind. Beispiele hierfür sind Polymere aus Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat, Polyester oder Polyurethan.
In einer Ausführungsform ist die Messzelle im Bereich ihrer gekrümmten Oberfläche, durch die das an der Probe gestreute Licht austritt, optisch poliert, um Winkelverfälschungen oder die Streuung des Lichts an den optischen Übergängen zu minimieren. Die Oberfläche kann mittels bekannter Standardverfahren poliert werden. So kann die Oberfläche von z.B. Quarzglas durch Flammpolieren und mechanisches Polieren bearbeitet werden. Auch das Polieren mittels Laserstrahlen ist möglich.
Um eine störungsfreie Probenmessung zu gewährleisten, ist es erfindungsgemäß bevorzugt während der Probenmessung turbulente Strömungen innerhalb der Radialbohrung der Messzelle zu vermeiden und stattdessen ein laminares Strömungsprofil innerhalb der Radialbohrung zu erzeugen.
In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung daher neben einem Laser, einer zylinderförmigen Messzelle mit inneren Lichtundurchlässigen Hülsen und mindestens einen Fotodiodenarray, ferner eine Halterung zur Aufnahme des Lasers, wobei die Halterung dadurch gekennzeichnet ist, dass über sie das flüssige Medium, das die zu vermessende Probe enthält, in die Radialbohrung der Messzelle geleitet wird.
Diese Form der Anströmung der Radialbohrung der Messzelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet die Ausbildung eines Flüssigkeitsstroms mit einem laminaren Strömungsprofil in der Radialbohrung der Messzelle während der Probenmessung.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Erzeugung von an der Probe gestreutem Licht (Streulicht) mittels eines Laserstrahls, mit dem die in der Messzelle befindliche Probe beleuchtet wird, wobei die Kohärenzlänge des Laserstrahls bevorzugt größer ist als die maximale Größe der zu vermessenden Probe. Verschiedene Laser können als Laserstrahlquelle eingesetzt werden, wie z.B. Diodenlaser, Festkörperlaser oder Gaslaser. Bevorzugt werden Laser mit einer Wellenlänge von 245 nm bis 1200 nm, bevorzugt von 320 nm bis 680 nm, verwendet. Besonders bevorzugt werden Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet.
Die Beleuchtung der in der Messzelle befindlichen Probe erfolgt längs der Einfüllrichtung des flüssigen Mediums mit der Probe in die Messzelle bzw. mit zur Flussrichtung des flüssigen Mediums mit der Probe in der Messzelle.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeuteten die Begriffe „längs zur Einfüllrichtung“ und „längs zur Flussrichtung“ bezüglich der Beleuchtungsrichtung, dass die Ebene in der Vektoren für die Einfüllrichtung bzw. der Flussrichtung und die Ebene in der der Vektor des Laserstrahls, mit dem die Probe beleuchtet wird, waagrecht oder im Wesentlichen waagerecht aufeinander stehen, d.h. in einem Winkel von 0° zueinander angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Messung des an einer in einem flüssigen Medium befindlichen Probe gestreuten Lichtes. Dabei macht das Verfahren Gebrauch von der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ihren einzelnen Komponenten und die oben erklärten Begriffe sowie die oben angegebenen Definitionen beziehen sich auch auf das erfindungsgemäße Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Einleitung des flüssigen Mediums, das die Probe enthält, in eine zylinderförmige Messzelle,
b) Beleuchtung der in der Messzelle befindlichen Probe innerhalb der Radialbohrung 6 mit einem Laserstrahl, bevorzugt längs zur Einfüllrichtung bzw. längs zur Flussrichtung des flüssigen Mediums,
c) Detektion der resultierenden Streulichtstrahlen durch mindestens zwei kreisförmig um die Messzelle 7 angeordnete Fotodioden 12, die das an der Probe gestreute Licht in festgelegten, unterschiedlichen Winkelbereichen erfassen,

12

6

5

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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmige Messzelle, in die die Einleitung des flüssigen Mediums, das die Probe enthält, erfolgt, senkrecht ihrer Achse eine Radialbohrung aufweist und aus einem lichtdurchlässigen Material geformt ist, die Einleitung des flüssigen Mediums, das die Probe enthält, in die Radialbohrung senkrecht der Achse der Messzelle erfolgt und die in der Radialbohrung der Messzelle befindliche Probe senkrecht zur Achse der Messzelle mit einem Laserstrahl beleuchtet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Messung des gestreuten Lichts, welches durch die Beleuchtung einer Probe in einem flüssigen Medium mit einem Laserstrahl entsteht. Hierfür wird ein flüssiges Medium, das die Probe enthält, durch eine Radialbohrung geleitet, die senkrecht zur Symmetrieachse der zylinderförmigen Messzelle verläuft. Der Laserstrahl verläuft ebenfalls innerhalb dieser Radialbohrung und beleuchtet das flüssige Medium mit der Probe, wodurch Licht an den einzelnen Probenmolekülen oder -teilchen gestreut wird. Um die Messzelle ist das Fotodiodenarray, bestehend aus einer Vielzahl von Detektoren, angeordnet, die das gestreute Licht empfangen. Die Detektoren befinden sich in einer Ebene mit der Messzelle. Das von den Fotodioden empfangene Licht wird bevorzugt in elektrische Signale umgewandelt und zur Berechnung der gewünschten Eigenschaften, wie z.B. Größe, Masse, Form und Struktur der Probenmoleküle oder -teilchen an entsprechende Verarbeitungsgeräte weitergeleitet.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des an einer in einem flüssigen Medium befindlichen Probe gestreuten Lichts.
Anhand der Lichtstreuungseigenschaften einer Probe können dann z.B. deren Größe, Masse, Form und Struktur bestimmt werden. Um eine aussagekräftige Messung der Lichtstreuungseigenschaften zu ermöglichen, müssen die einzelnen Probenmoleküle bzw. -teilchen während der Messung in Fraktionen mit einer jeweils im Wesentlichen einheitlichen Partikelgröße und/oder einer jeweils im Wesentlichen einheitlichen Molmasse vorliegen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezeichnen die Begriffe „im Wesentlichen einheitliche Partikelgröße“ und „im Wesentlichen einheitliche“ Molmasse“ eine monomodale Partikelgrößenverteilung bzw. eine monomodale Molmassenverteilung, wobei die Partikelgröße bzw. die Molmasse einzelner Probenmoleküle bzw. -teilchen um höchstens +/- 15 %, bevorzugt um höchstens +/- 10 %, von dem jeweiligen Mittelwert abweicht.
Die Fraktionierung entsprechender Probenmischungen zum Erhalt von Proben mit einer jeweils im Wesentlichen einheitlichen Partikelgröße und/oder einer jeweils im Wesentlichen einheitlichen Molmasse kann mittels chromatographischer, quasi-chromatographischer oder anderer geeigneter Trennverfahren erfolgen.
Als chromatographische Trennverfahren können zum Beispiel die Verfahren der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (engl. High Performance Liquid Chromatography, HPLC) verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Größenausschlusschromatographie (SEC) oder die Gelpermeationschromatographie (GPC) als spezielle Beispiele möglicher HPLC-Verfahren in der vorliegenden Erfindung verwendet.
Ein geeignetes quasi-chromatographisches Trennverfahren ist die Feldflussfraktionierung (FFF). In einer bevorzugten Ausführungsform werden die symmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung, die asymmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung, die Sedimentations-Feldflussfraktionierung, wie z.B. die Zentrifugal-Feldflussfraktionierung, sowie die thermische Feldflussfraktionierung zur Fraktionierung einer Probe in der vorliegenden Erfindung verwendet. Besonders bevorzugt wird die symmetrische oder die asymmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung verwendet.
In einer Ausführungsform erfolgt die Messung des an der Probe gestreuten Lichts mittels einer Batchmessung. Dafür wird das flüssige Medium, das die Probe enthält, nach vorhergehender Fraktionierung in einer vorher festgelegten Menge in die Radialbohrung der Messzelle eingefüllt. Anschließend wird die Probe vermessen, wobei während der Messung kein Fluss des flüssigen Mediums mit der Probe durch die Messzelle stattfindet, so dass sich das flüssige Medium mit der Probe während der Messung innerhalb der Messzelle in Ruhe befindet.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Messung des an der Probe gestreuten Lichts mittels einer Online-Messung. Dafür wird das flüssige Medium mit der Probe nach vorhergehender Fraktionierung kontinuierlich durch die Radialbohrung der Messzelle geleitet und die Messung erfolgt über den gesamten Versuchszeitraum. Der Probenfluss durch die Messzelle kann z.B. mittels einer HPLC- oder einer FFF-Anlage erzeugt werden. Bevorzugt wird der Probenfluss durch die Messzelle mittels der HPLC- oder FFF-Anlage erzeugt, die für die zuvor beschriebene vorhergehende Fraktionierung der Probe verwendet wurde.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Messung des an der Probe gestreuten Lichts mittels einer Online-Messung.
In einer weiteren Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dafür mit einer HPLC-Anlage, wie z.B. einer SEC- oder einer GPC-Anlage, oder einer FFF-Anlage gekoppelt werden. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer FFF-Anlage gekoppelt, besonders bevorzugt mit einer FFF-Anlage für die symmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung, die asymmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung, die Sedimentations-Feldflussfraktionierung, wie z.B. die Zentrifugal-Feldflussfraktionierung, sowie die thermische Feldflussfraktionierung und insbesondere bevorzugt mit einer FFF-Anlage für die symmetrische oder die asymmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung.
In einer alternativen Ausführungsform können Batchmessungen auch an einer unfraktionierten Probe durchgeführt werden.
Figurenliste

1 zeigt die Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt die Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
3 zeigt die drei dimensionale Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
4 zeigt die Remissionen ohne lichtundurchlässige Hülsen in der Messzelle.
5 zeigt den Effekt der Remissionsunterdrückung durch die lichtundurchlässigen Hülsen in der Messzelle.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt den schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Draufsicht.
Die gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Laser 1, eine zylinderförmige Messzelle 7 mit einer Radialbohrung 6 senkrecht ihrer Achse, ein inneres Blendensystem bestehend aus eingebrachten lichtundurchlässigen Hülsen 5,8, und einem Fotodiodenarray 12, 11, wobei dieses konzentrisch um den Mittelpunkt der Messzelle angeordnet ist, so dass das an der Probe gestreute Licht in unterschiedlichen Winkelbereichen erfasst wird. Flüssige Medien werden über die Einlasskapillare 4 eingespeist und über die Auslasskapillare 9 ausgeleitet.
Die vordere Zellenhalterung ermöglicht die Einspeisung des Laserstrahls 2 wobei die hintere Zellenhalterung 10 die Ausleitung des Laserstrahls 2 ermöglicht.
In die Radialbohrung 6 der Messzelle 7 sind lichtundurchlässige Hülsen 5,8 eingesetzt. Diese ermöglichen weiterhin das Durchleiten des Laserstrahls 2 und des flüssigen Mediums entlang der Radialbohrung 6 in der Messzelle 7.
Der Laserstrahl 2 verläuft innerhalb der zentralen Radialbohrung 6 der Messzelle 7 und beleuchtet ein flüssiges Medium, das eine Probe enthält und sich innerhalb der zentralen Radialbohrung 6 der Messzelle 7 befindet. Dadurch wird Licht an den einzelnen Probenmolekülen oder -teilchen gestreut. Die erzeugten Streulichtstrahlen werden von um die Messzelle angeordneten lichtempfindlichen Fotodioden 12, die auf einer Diodenarrayaufnahme 11 befestig sind, empfangen, wobei die Fotodioden 12 durch die Hülsen 5,8 von Remissionen abgeschirmt werden.
Die 2 zeigt den schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht.
Die gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Laser 13, eine zylinderförmige Messzelle 21 mit einer Radialbohrung 17 senkrecht ihrer Achse, in diese lichtundurchlässige Hülsen 16,18 eingesetzt sind. Aufgrund der Darstellung ist das Detektionssystem mit Fotodioden und Diodenarrayaufnahme nicht dargestellt. Die zylinderförmige Messzelle 21 ist in zwei Zellenhalterungen 15,19so eingespannt, sodass der Laserstrahl 14 sowie das flüssige Medium, welches die Probe beinhaltet, über die Einlasskapillare 22 in die Radialbohrung 17 der Messzelle 21eingeleitet und ausgeleitet werden können.
In der gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein flüssiges Medium, das die Probe enthält, während der Messung mittels einer Zuleitungskapillare 22 und einer Ableitungskapillare 20 durch die Radialbohrung 17 der Messzelle 21 geleitet.
3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Wie in der Figur gezeigt, umfasst die Vorrichtung einen Laser 23 mit Laserstrahl 24, eine vordere Zellenhalterung 25, eine erste lichtundurchlässige Abschirmung 26, z.B. ausgebildet als erste Hülse, eine Radialbohrung 27, eine zweite lichtundurchlässige Abschirmung 28, z.B. ausgebildet als zweite Hülse 28, und eine hintere Zellenhalterung 29. Die beiden Abschirmungen 26, 28 sind Teile einer hülsenartigen, teilweise lichtundurchlässigen Abschirmeinrichtung mit einer Durchlassöffnung für Streulicht.
Ferner umfasst die Vorrichtung in 3 eine Auslasskapillare 30 und eine Einlasskapillare 34, die neben der Messzelle angeordnet sind, sowie Fotodioden 31, die entlang einer Diodenarrayaufnahme 32 angeordnet sind.
5 verdeutlicht den Wirkungseffekt, der in die Messzelle 52 eingesetzten ersten und zweiten lichtundurchlässigen Hülsen 51,53. Der durch den Laser 47 emittierte Laserstrahl 48 wird durch die vordere Zellenhalterung 49 so eingeleitet, dass er die Messzelle 52 mit der ersten lichtundurchlässigen Hülse 51 innerhalb deren Radialbohrung 53 und der zweiten lichtundurchlässigen Hülse 54 durchquert und über die hintere Zellenhalterung 55 wieder verlässt.
Dabei wird der Laserstrahl 48 an der ebenfalls in der Radialbohrung 53 befindlichen Probe in verschiede Winkel, z.B. in den Streulichtwinkel A 58 gestreut. Auftretende Remissionen im vorderen Bereich der Messzelle 52 werden durch die erste lichtundurchlässige Hülse 51 unterdrückt während auftretende Remissionen im hinteren Bereich der Messzelle 52 durch die zweite lichtundurchlässige Hülse 54 unterdruckt werden (vgl. mit 4). Streulicht aus Winkel A 58 gelangt auf einen im Fokus befindliche Diodenarrayaufnahme 58 und beleuchtet im Fokus nur eine dem Winkel zugeordnete Fotodiode 57. Angrenzende Fotodioden 57 die einem Streulicht aus einem anderen Winkel zugeordnet sind werden nicht beeinflusst.
Bezugszeichenliste

(1): Laser
(2): Laserstrahl
(3): vordere Zellenhalterung
(4): Einlasskapillare
(5): erste lichtundurchlässige Hülse
(6): Radialbohrung
(7): Messzelle
(8): zweite lichtundurchlässige Hülse
(9): Auslasskapillare
(10): hintere Zellenhalterung
(11): Diodenarrayaufnahme
(12): Fotodiode
(13): Laser
(14): Laserstrahl
(15): vordere Zellenhalterung
(16): erste lichtundurchlässige Hülse
(17): Radialbohrung
(18): zweite lichtundurchlässige Hülse
(19): hintere Zellenhalterung
(20): Auslasskapillare
(21): Messzelle
(22): Auslasskapillare
(23): Laser
(24): Laserstrahl
(25): vordere Zellenhalterung
(26): erste lichtundurchlässige Hülse
(27): Radialbohrung
(28): zweite lichtundurchlässige Hülse
(29): hintere Zellenhalterung
(30): Auslasskapillare
(31): Fotodiode
(32): Diodenarrayaufnahme
(33): Messzelle
(34): Einlasskapillare
(35): Laser
(36): Laserstrahl
(37): vordere Zellenhalterung
(38): Einlasskapillare
(39): Radialbohrung
(40): Messzelle
(41): hintere Zellenhalterung
(42): Auslasskapillare
(43): Remission
(44): Streulicht aus Winkel A
(45): Fotodiode
(46): Diodenarrayaufnahme
(47): Laser
(48): Laserstrahl
(49): vordere Zellenhalterung
(50): Einlasskapillare
(51): erste Hülse
(52): Messzelle
(53): Radialbohrung
(54): zweite lichtundurchlässige Hülse
(55): hintere Zellenhalterung
(56): Auslasskapillare
(57): Fotodiode
(58): Streulicht aus Winkel A
(59): Diodenarrayaufnahme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0182618 [0012, 0013]
US 4616927 [0013]
EP 0626064 [0014]
US 6052184 [0015]
WO 2010/036736 [0016, 0017]

Claims

Vorrichtung zur Messung der Lichtstreuungseigenschaften einer Probe in einem flüssigen Medium, umfassend einen Laser (1), eine zylinderförmige Messzelle (7) mit einer Radialbohrung (6) senkreckt zur Symmetrieachse der Messzelle (7), und mindestens zwei Fotodioden (12), die konzentrisch in festgelegten, unterschiedlichen Winkeln um den Mittelpunkt der Messzelle (7) angeordnet sind, wobei die Vorrichtung ferner umfasst eine hülsenartige, teilweise lichtundurchlässige Abschirmeinrichtung, die in der Radialbohrung (6) der Messzelle (7) angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass an ihren beiden Endabschnitten jeweils eine für Streulicht lichtundurchlässige Abschirmung (5, 8) und in ihrer Mitte zumindest eine Durchlassöffnung für Streulicht von der Probe vorgesehen ist, und wobei der Laser (1) derart angeordnet ist, dass ein Laserstrahl (2) die Probe im flüssigen Medium innerhalb der hülsenartigen, teilweise lichtundurchlässigen Abschirmeinrichtung in der Radialbohrung (7) beleuchtet, sodass an der Probe gestreutes Licht durch die Durchlassöffnung tritt und von mindestens einer der Fotodioden detektiert werden kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Fotodioden (12) derart konzentrisch um den Mittelpunkt der Messzelle (7) angeordnet sind, dass sie das an der Probe gestreute Licht in festgelegten, unterschiedlichen Winkelbereichen erfassen, und/oder wobei die Radialbohrung (6) und die hülsenartige, teilweise lichtundurchlässige Abschirmeinrichtung ausgebildet sind, die Zu- und Ableitung des flüssigen Mediums, das die Probe enthält, derart zu ermöglichen, dass das flüssige Medium mit der Probe innerhalb der Radialbohrung (6) der Messzelle (7) in/durch die Radialbohrung (6) der Messzelle (7) geleitet wird und in der Messzelle (7) von dem Laserstrahl (2) beleuchtet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die hülsenartige, teilweise lichtundurchlässige Abschirmeinrichtung eine erste lichtundurchlässige Hülse (5) an dem ersten Endabschnitt und eine zweite lichtundurchlässige Hülse (8) an dem zweiten Endabschnitt aufweist, die die lichtundurchlässige Abschirmung darstellen, und wobei die erste lichtundurchlässige Hülse (5) und die zweite lichtundurchlässige Hülse (8) in die Radialbohrung (6) der Messzelle (7) eingelassen sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die erste lichtundurchlässige Hülse (5) und die zweite lichtundurchlässige Hülse (8) als Röhrchen ausgestaltet sind, sodass der Laserstrahl (2) sowie das die Probe beinhaltende flüssige Medium durchgeleitet werden können.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt der Messzelle (7) und die Fotodioden (12) in einer Detektionsebene liegen, so dass die Fotodioden (12) festgelegte, unterschiedliche Winkelbereiche des an der Probe gestreuten und aus der Messzelle (7) austretenden Lichts erfassen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodioden konzentrisch um die Messzelle (7) angeordnet sind und im Fokus des durch die Probe gestreuten Lichts liegen, wobei die Fotodioden (12) bevorzugt ein Array bilden, das konzentrisch um die Messzelle (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (3) aus Glas, Polymer oder einer Kombination der genannten Materialien oder einer Flüssigkeit hergestellt ist und eine Brechzahl aufweist, die der Brechzahl des flüssigen Mediums, das die zu vermessende Probe enthält, im Wesentlichen entspricht und die höher ist als die Brechzahl von Luft.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Beobachtung des an der Probe gestreuten Lichts in festgelegten, unterschiedlichen Winkelbereichen von 7° bis 164° ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung 30, bevorzugt 7-30 Fotodioden umfasst und besonders bevorzugt ein gekrümmtes Fotodiodenarray (11) mit einer Vielzahl von Fotodioden (12) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodioden (12) zu einem CCD - Sensor zusammengefasst sind, welcher konzentrisch um die Messzelle (7) angeordnet ist.