DE2260561B2

DE2260561B2 - Durchflußküvette zur fotometrischen Analyse von Fluidproben

Info

Publication number: DE2260561B2
Application number: DE2260561A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Lake Luzerne N.Y. Bellinger; John C. Ramsey N.J. Parker
Original assignee: Technicon Instruments Corp
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1971-12-17
Filing date: 1972-12-11
Publication date: 1974-08-15
Also published as: CH548026A; JPS5533014B2; AU456336B2; NL7214001A; GB1376254A; JPS4869591A; CA960880A; US3740158A; FR2163493A1; IT968891B; DE2260561C3; FR2163493B1; DE2260561A1; NL172273C; BE792114A; AU4797972A; NL172273B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflußküvette tür fotometrischen Analyse von Fluidproben mit einem aus einem nichtmetallischen Werkstoff hergestellten, langgestreckten Körper, der eine durchgehende Längsbohrung aufweist, in die ein Einlaß und ein Auslaß Tür die Fluidproben münden und die als Durchgang für eine zwischen einer Lichtquelle und einer Lichtnachweiseinrichtung verlaufenden Lichtbahn dient, und mit an den beiden Enden der Längsbohrung fiuiddicht eingesetzten, lichtdurchlässigen massiven Fenstern, die in der Bohrung bis zum Fluideinlaß bzw. Fluidauslaß reichen.

Eine Dürehflußküvette der oben beschriebenen Art ist beispielsweise aus der DT-OS 2 105 058 bekannt und wird im allgemeinen zur kontinuierlichen Analyse von aufeinanderfolgenden Fluidproben verwendet. Bei der bekannten Dürehflußküvette besteht der Küvettenkörper aus schwarzem Glas, um die Lichtbahn in der Dürehflußküvette gegenüber dem Umgebungslicht abzuschirmen und um zu verhindern, daß der Durchflußküvettenkörper Licht von der Lichtquelle zur Lichtnachweiseinrichtung überträgt. Die in die Längsbohrung des Küvettenkörpers eingesetzten Stirnfenster 'sind in Form von massiven Prismen ausgebildet, um unter Anwendung von geneigten Grenzflächen zwischen den Fenstern und der in der Küvette befindlichen Flüssigkeit die Lichtbrechung zu kompensieren. Die Stirnfenster bestehen ebenfalls aus Glas. Bei dieser Durchflußküvette tritt der Nachteil auf, daß ein großer Teil des von der Lichtquelle kommenden Lichts vor den Fenstern direkt in den Durchfhißküvettenkörper übertragen wird und damit für die Zwecke der Analyse verlorengeht

Ferner ist aus der US-PS 3241 432 eine Durchflußkfivette aus einem rohrförmigen Glaskörper bekannt, dessen Enden zu einem Fluideinlaß bzw. FluidauslaB umgebogen sind. Diese Durchflußküvette weist also gekrümmte Enden auf und wird unter Anwendung der Glasblastechnik hergestellt Die auf diese Weise gefertigte Durchflußküvette zeigt gute laminare Strömungseigenschaften. Die an den Enden der Durchflußküvette auftretenden gekrümmten und gebogenen Gliasteile, durch die die Lichtbahn führt, zeigen jedoch keine optimalen optischen Eigenschaften. So wird beispielsweise ein Teil des von der Lichtquelle kommenden Lichts in den Stirnwänden absorbiert oder infolge der gekrümmten Grenzflächen reflektiert und gebrochen. Die Lichtstrahlen treten daher im allgemeinen nicht in axialer Richtung durch die Durchflußküvette, wie es erwünscht ist Weitere optische Probleme werden durch die man gelnde Gleichförmigkeit an den gekrümmten Stirnwänden der Durchflußküvette hervorgerufen. Die Überwindung dieser Schwierigkeiten wird zusätzlich dadurch erschwert, daß die Durchflußküvetten untereinander verschieden und ungleichförmig sind.

Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der Durchflußküvetten ist es ferner bekannt die im Sichtdurchgang liegenden Stirnfenster eben auszubilden. Dabei verlaufen die Innen- und Außenflächen der Stirnfenster parallel zueinander und liegen in einer Ebene, die sich senkrecht zur Achse des rohrförmigen Körpers, also senkrecht zum Sichtdurchgang erstreckt. Hierzu wird beispielsweise auf die US-PS 3 345 910 verwiesen. Bei dieser bekannten Anordnung wird die Durchflußküvette in Längsrichtung von der zwischen der Lichtquelle und der Lichtnachweiseinrichtung verlaufenden Lichtbahn durchsetzt, und die Grenzflächen zwischen dem zu untersuchenden Fluid und den Fenstern erstrecken sich in Ebenen, die auf die Lichtbahn senkrecht stehen. Dadurch wird die Lichtbrechung herabgesetzt, die an den gekrümmten Stirnflächen der in der US-PS 3 241 432 beschriebenen Durchflußküvetten auftritt. Weiterhin zeigen die ebenen Stirnfenster eine bessere Gleichmäßigkeit und Gleichförmigkeit. Durch die Verwendung von diesen ebenen Stirnfenstern werden jedoch nicht alle Probleme gelöst. So geht nach wie vor ein großer Teil des Lichts in den Stirnfenstern verloren, und zwar dadurch, daß an den Grenzflächen zwischen den Fenstern und dem Körper die Lichtstrahlen aus den Fenstern direkt in den Körper gelangen, der wie die Stirnfenster aus Glas besteht

Ferner ist aus der US-PS 3 619 068 ein Brechungsmesser mit einem Gehäusekörper bekannt, der von zwei, sich unter einem Winkel schneidenden Durchgangsbohrungen durchsetzt ist. Durch die eine Bohrung wird das zu untersuchende Fluid geleitet, und in die andere Bohrung ist ein zu beiden Seiten bis in den Fluidkanal reichendes Lichtfaserbündel eingesetzt, das sich zwischen einer Lichtquelle und einer Lichtnachweiseinrichtung erstreckt Zur Abschirmung nach außen ist das Lichtfaserbündel in dem Gehäusekörper von einer metallischen Hülse umgeben. Die Verwen-

dung eines Lichtfaserbündels in Lichtbahnen führt zwar zu einer besseren Lichtübertragungseigenschaft, wirft jedoch das Problem auf, wie man das mit dem zu untersuchenden Fluid in Berührung kommende Lichtfaserbündel fluiddicht und gegenüber Chemikalien beständig in einem Durchflußküvettenkörper anbringen und befestigen solL

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, *jine zur kolorimetrischen und densimetrischen Analyse geeignete DurAflußküvette zu schaffen, die sehr gute Licht-Übertragungseigenschaften aufweist, bei der also die Lichtverluste äußerst gering sind, so daß die Durchflußküvette auch in Verbindung mit Lichtquellen verhältnismäßig niedriger Intensität verwendet werden kann und auch in diesem Fall der Rauschabstand verhältnismäßig groß ist Auf diese Weise soll ein hoher Linearitätsgrad bei der Analyse von Proben erzielt werden. Weiterhin soll die zu schaffende Durchflußküvette über einen großen Spektralbereich, also für die verschiedenartigsten Wellenlängen, verwendet werden können. Darüber hinaus soll die zu schaffende Durchflußküvette fluiddicht und gegenüber Chemikalien hochbeständig sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs beschriebene Durchflußküvette nach der Erfindung dadurch ge- ^ kennzeichnet, daß der Werkstoff der Fenster einen höheren optischen Brechungsindex als der des Küvettenkörpers hat.

Infolge der erfindungsgemäßen Werkstoffauswahl bilden die Fenster Lichtleiterstäbe, die die Lichtübertragungseigenschaften von der Lichtquelle in die Durchflußküvette und von der Durchflußküvette zu der Lichtnachweiseinrichtung beträchtlich erhöhen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen vergrößert dargestellten Längsschnitt durch eine Durchflußküvette und

F i g. 2 eine Stirnansicht der Durchflußküvette.

Unter Bezugnahme auf die allgemein übliche Anordnung einer Durchflußküvette in einem Analysiergerät weist die in den Figuren dargestellte Durchflußküvette einen horizontalen rohrförmigen Körper 12 aus einem nichtmetallischen Werkstoff auf, der gegenüber der korrodierenden Wirkung von Chemikalien hochbeständig ist und vorzugsweise aus einer durchsichtigen Glasart besteht. Der Körper 12 ist in der gezeigten Weise horizontal langgestreckt ausgebildet und weist eine gleichmäßig glatte axiale Bohrung 14 auf, die sich als Sichtdurchgang durch den Körper erstreckt. Der Körper 12 kann ein Kapillarrohr mit einer kreisförmigen Bohrung 14 sein, deren Durchmesser e>wa 0,5 mm betragen kann. Bei dieser Ausführungsform kann der rohrförmige Körper 12 eine Länge von etwa 16,5 mm haben. Die obigen Angaben sind jedoch nicht als Beschränkung aufzufassen.

Nahe bei seinem einen Ende weist der rohrförmige Körper 12 einen Fluideinlaß 16 auf, der sich durch die Seitenwand des Körpers erstreckt und mit der Bohrung 14 in Verbindung steht. Am anderen Ende des Körpers 12 ist ein ähnlich ausgebildeter Fluidauslaß 18 vorgesehen. Der Einlaß 16 und der Auslaß 18 erstrecken sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von oben in die Bohrung 14. Dies braucht jedoch nicht so zu sein. Der Einlaß 16 kann beispielsweise auch von der Seite her in die Bohrung 14 münden. Ferner sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Einlaß mit dem Auslaß veiv tauschbar, und das zur Messung verwendete Licht kann den Sichtdurchgang in der einen oder anderen Richtung durchsetzen. Der Einlaß 16 ist mit einem rohrförmigen Leitungsteil 20 verbunden, das aus einem passenden korrosionsbeständigen Werkstoff bestehen kann. Als Werkstoff kann man aber auch Glas, Quarz oder Saphir verwenden. Der Auslaß 18 ist mit einem ähnlich ausgebildeten rohrförmigen Leitungsteil 22 verbunden. Wie es aus den Figuren hervorgeht, entsprechen die Durchmesser des Einlasses 16 und des Auslasses 18 sowie die Innendurchmesser der rohrförmigen Leitungsteile 20 und 22 dem Durchmesser der Bohrung 14. Die rohrförmigen Leitungsteile 20 und 22 können in der dargestellten Lage an dem Körper 12 anzementiert oder angeschmolzen sein, zu welchem Zweck der Körper 12 bis zu einem geringfügig erweichten Zustand erhitzt wird. Ansätze 24, die aus dem gleichen Werkstoff wie der Körper 12 bestehen, dienen zur besseren Halterung der Leitungsteile 20 und 22.

Die nach außen führenden Enden der Bohrung 14 sind hinter dem Einlaß 16 und dem Auslaß 18 mit je einem lichtdurchlässigen Stirnfenster 26 fluidundurchlässig abgedichtet. Die Stirnfenster 26 verlaufen tangential zu dem Einlaß 16 bzw. d«_..< Auslaß 18. Um die Stirnfenster vorzugsweise durch ein Wärmeschrumpfverfahren fluiddicht einzupassen, liegen die Ausdehnungskoeffizienten für den Werkstoff des Körpers 12 und für den Werkstoff der Fenster 26 so dicht wie möglich beieinander. Um eine Verwerfung der polierten Innenfläche 28 der Fenster 26 während des Wärmeschrumpfverfahrens zu vermeiden, soll der Werkstoff, aus dem die Fenster 26 hergestellt sind, einen beträchtlich höheren Schmelzpunkt als der Werkstoff des rohrförmigen Körpers 12 haben. Darüber hinaus soll der Werkstoff für die Fenster 26 chemisch inert sein. Eine weitere Anforderung besteht darin, daß der Werkstoff für die Fenster 26 über einen weiten Spektralbereich lichtdurchlässig sein soll, einschließlich von ultraviolettem Licht, so daß man die Durchflußküvette in Abhängigkeit von der interessierenden Substanz in der zu analysierenden Probe bei beträchtlich verschiedenartigen Wellenlängen zur kolorimetrischen oder densimetrischen Analyse einsetzen kann.

Der Werkstoff für mindestens das eine der Fenster 26 muß einen höheren Brechnungsindex als der Werkstoff für den Körper 12 haben, so daß dieses Fenster die Eigenschaft hat, das Licht in die nicht dargestellte Lichtbahn der Bohrung 14 hineinzuleiten oder herauszusehen. Um eine optimale Lichtübertragung zu erzielen, sind vorzugsweise beide Fenster in der oben beschriebenen Weise ausgebildet. Die Verwendung eines derartigen Lichtleiterwerkstoffs hat zur Folge, daß an der Grenzfläche zwischen diesem Werkstoff und dem Körper 12 kein Licht von der Lichtbahn in den rohrförmigen Körper 12 eintritt. Wenn dem nicht so wäre, ginge ein beachtlicher Anteil des Lichts für die Zwecke der Analyse verloren. Da eine Lichtübertragung an den genannten Grenzflächen von den Fenstern in den Körper 12 vermieden wird, tritt von den Fenstern kein Licht direkt in den Körper 12 ein, so daß auch über den Körper 12 zu einer nicht dargestellten Lichtnachweiseinrichtung kein Licht gelangen kann, das sich sonst als Rauschen bemerkbar machen würde. Der rohrförmige Körper 12 ist vorzugsweise entlang seinem Umfang und an seinen Enden mit einem nicht dargestellten Mittel abgeschirmt, so daß kein Umgebungslicht in den Körper 12 eintreten kann. Die Stirnfenster 26 bleiben allerdings unbedeckt

Ein Werkstoff, der die oben angegebenen Bedingungen für die Fenster 26 erfüllt, ist beispielsweise Saphir

5 ^% 6

oder Lithiumniobat. Die Rnster sind stabförmig ausge- Beim Betrieb der in den F i g. 1 und 2 dargestellten bildet und haben, wie bereits erwähnt, einen verhältnis- Durchflußküvette wird in ähnlicher Weise wie bei der mäßig kleinen Durchmesser. Um mit nicht dargestell- aus der US-PS 3 583 817 bekannten Anordnung ein ten äußeren optischen Elementen Verbindungen herzu- flüssiger Probenstrom über das Leitungsteil 20 und den stellen, können die Fenster 26, wie es gezeigt ist, über 5 Einlaß 16 in die Bohrung 14 geleitet über den Auslaß die fcnden des rohrförmigen Körpers 12 hinausragen. 18 und das Leitungsteil 22 verläßt dieser Strom die Die Fenster können eine Länge von etwa 6,4 mm ha- Durchflußküvette. Der Probenstrom kann in an sich beben. Die Außenflächen 30 der Fenster können wie die kannter Weise durch inerte Gasschübe oder andere mit Innenflächen 28 vor dem Zusammenbau poliert wer- den Proben nicht mischbaren Fluidschüben unterteilt ^deJV .,.,„,„ ^{10 sein}· ^{Diese nicnt} mischbaren Fluidschübe können kurz Die beschriebene Durchflußküvette kann in ein opli- vor dem Eintritt des Stroms in die Durchflußküvette in sches System eingebaut werden, wie es beispielsweise ebenfalls an sich bekannter Weise aus dem Strom enlaus der US-PS 3 583 817 bekannt ist. Abgesehen von fernt werden. Es wird jedoch bevorzugt daß die nicht weiteren optischen Elementen ist dort an dem einen mischbaren Fluidschübe in den Strom gelassen werden Ende der Durchflußzelle in der Lichtbahn eine Licht- ₁₅ um die Durchflußküvette zu reinigen. Wenn sich gerade quelle angeordnet, beispielsweise eine Glühlampe, und ein derartiger Fluidschub in der Bohrung 14 befindet, am anderen Ende eine fotoelektrische Einrichtung, bei- wird das von der Lichtnachweiseinrichtung abgegebespielsweise eine Fotozelle. Die Stirnfenster 26 der hier ne Ausgangssignal unterdrückt, so daß das zur Aufbeschriebenen Durchflußküvette können jedoch auch zeichnung weiterverarbeitete Signal durch das Vorhanunter Verwendung von einem oder mehreren flexiblen _ao densein eines nicht mischbaren Ruidschubs beispiels-Lichtfaserbündeln, wie es beispielsweise aus der US-PS weise eines Gaseinschlusses, nicht beeinträchtigt wird. 3 624 816 bekannt ist, zwischen eine Lichtquelle und Wie bereits erwähnt, ist der Brechungsindex des eine fotoelektrische Einrichtung geschaltet werden. Werkstoffes für die Stirnfenster 26 höher als der Bre-Dabei kann ein Lichtfaserbündel mit seinem einen chungsindex des Werkstoffs für den Körper 12 Auf Ende sehr dicht an der Außenfläche 30 des Fensters 26 35 diese Weise entstehen an den Enden der Durchflußküangeordnet sein. Die optische Verbindung zwischen der vetten üchtleiterüäbe, die an die Probenflüssigkeit anAußenfläche 30 des Fensters 26 und dem Lichtfaser- grenzen. Auf Grund eines derartigen Aufbaus wird die bündel kann mit Hilfe eines optischen Immersionsöls Lichtübertragung in der Durchflußküvette in einem Behergestellt werden. Aus dem obigen geht hervor, daß reich von 40 bis 50% verbessert. Der Brechungsindex bei der Verwendung von optischen Faserbündeln die 30 von als Stirnfenster 26 verwendetem Saphir beträgt Lichtbahn zwischen der Lichtquelle und der Lichtnach etwa 1.76. Demgegenüber weist der Körper 12 einen weiseinrichtung keine gerade Linie zu sein braucht Brechungsindex von etwa 1.49 bis 132 auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dufehflußküvette zur fotometrischen Analyse von Fluidproben mit einem aus einem nichtmetall!- S sehen_; Werkstoff hergestellten, langgestreckten Körper, der eine durchgehende Längsbohrung aufweist, in die ein Einlaß und ein Auslaß für die Fiuidproben münden und die als Durchgang für eine zwischen einer Lichtquelle und einer Lichtnachweiseinrichtung verlaufenden Lichtbahn dient, und mit an den beiden Enden der Längsbohrung fiuiddicht eingesetzten, lichtdurchlässigen massiven Fenstern, die in der Bohrung bis zum Fluideinlaß bzw. Fluidauslaß reichen, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Fenster (26) einen höheren optischen Brechungsindex als der des Küvettenkörpers (12) hat

2. Durchflußkflvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Küvetten- »o körpers (12) Glas ist.

3. Dürehflußküvette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Fenster (26) Saphir ist.

4. Dürehflußküvette nach einem der vorstehen- »5 den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (26) aus dem Küvettenkörper (12) herausragen.

5. Dürehflußküvette nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (26) eine axiale Grenzfläche mit dem Küvettenkörper (12) bilden.

6. Dürehflußküvette nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe der Fenster (26) und des Küvettenkörpers (12) zumindest angenähert gleich sind.

7. Dürehflußküvette nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Fenster (26) einen höheren Schmelzpunkt als der des Küvettenkörpers (12) hat.