DE2521453C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Absorption einer strömenden Probenflüssigkeit wechselnden Brechungs­ vermögens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Analyse von sehr kleinen Fluidmengen, insbesondere von Flüssigkeitsmengen, zeigt sich, daß die physikalische Aufbereitung der Flüssigkeit, d. h. die Wahl der Versuchs­ bedingungen sehr sorgfältig durchgeführt werden muß. So wird beispielsweise auf dem Gebiet der Flüssigkeitschromatographie, bei der sehr kleine kontinuierlich fließende Flüssigkeits­ strömungen gemessen werden, darauf geachtet, mechanische und thermische Störungen der Flüs­ sigkeitsströmung zwischen der Chromatographensäule und dem analytischen Gerät, in dem eine kontinuierliche Analyse der Flüssigkeitsströmung erfolgt, so klein wie möglich zu halten. Die primäre Aufgabenstellung liegt hierbei darin, einer durch­ sichtigen Probenküvette in exakter Reihenfolge die sich ändern­ de Zusammensetzung der die Chromatographensäule verlassenden Flüssigkeit zuzuführen.

Sinn bzw. Zweck und Einzelheiten von derartigen Geräten sind be­ reits beschrieben. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die US-PS 36 74 373 verwiesen, welche ein Refraktometer be­ schreibt, das sich besonders gut für die Aufnahme von derarti­ gen Flüssigkeitsströmen eignet. Im allgemeinen wird hierbei derart vorgegangen, daß man den Leitungsweg so klein wie möglich wählt, über den die zu analysierende Flüssigkeit trömen muß, und daß man eine maximale thermische Stabilisierung der Flüssig­ keit im Inneren eines derartigen minimal gehaltenen Strömungs­ wegs vornimmt. Dies zeigt ganz allgemein die auf diesem tech­ nischen Gebiet erkannte Wichtigkeit einer sorgsamen Handhabung der Probenflüssigkeit zwischen ihrem Ausgangspunkt und der Probenküvette, in der sie einer Analyse unterzogen wird. Diese Analyse ist üblicherweise eine Messung, bei der der Einfluß von der Strömung der Probenflüssigkeit auf eine Strahlung unter­ sucht wird, die auf die Probenküvette gerichtet ist, durch wel­ che die Strömung hindurchtritt.

Die Forscher haben des weiteren festgestellt, daß man auch auf den physikalischen Zustand des Fluids nach seinem Eintreten in die Probenküvette achten muß. Aus diesem Grunde wurden die Pro­ benküvetten jeweils verkleinert, so daß eine Vermischung und Peak-Aufweitungseffekte vermieden werden. In einigen Fällen wur­ de ein wirksames thermisches Gleichgewicht zwischen Zelle und Fluid angestrebt, um sogenannte Lichtflimmereffekte längs der Wandungen der Küvette zu vermeiden. Die Küvetten werden dar­ über hinaus im Normalfalle so angeordnet, daß ihre Auslaßöff­ nungen eine Lage einnehmen, in der irgendwelche mitgerissenen Gasbläschen das Bestreben zeigen, nach oben aus der Küvette auszutreten.

In der US-PS 36 66 941 ist eine im Inneren konische Küvette beschrieben, deren erweitertes Ende der Lichtquelle zuge­ kehrt ist, wodurch maximale Strahlung zum Erzeugen einer Fluoreszenz aufgenommen werden soll.

Auch die DE-OS 21 58 220 beschreibt Durchflußküvetten, deren Querschnitt sich längs des Strahlenganges ändert. Hier handelt es sich um Erweiterungen der Strömungskanäle zu dem Zweck, Störungen durch Gasbläschen auszuschalten.

Das DE-GM 18 40 629 beschreibt eine Durchflußküvette, die einen sich in Richtung der Meßstrahlung erweiternden Strömungs­ kanal aufweist. Der Strömungskanal ist in Richtung des Strah­ lengangs jedoch an seinen Enden offen. Seine sich in Strah­ lungs- und Strömungsrichtung etwas erweiternde Form mit einer verengten Lichteintrittsöffnung soll offensichtlich strömungs­ technich ein Auslaufen der Flüssigkeit am Lichteintritts­ ende verhindern. Die optischen Eigenschaften dieser bekannten Durchflußzelle erlauben keine Präzisionsmessungen, wie sie bei einem Flüssigkeitschromatographen erforderlich sind.

Bei allen bekannten Vorrichtungen zur Messung des Absorptions­ vermögens von Durchflußproben treten Probleme auf, die auf die Ausbildung von sogenannten "dynamischen Flüssigkeits­ linsen" zurückzuführen sind, welche die Messung und die Meß­ genauigkeit empfindlich stören, wie im folgenden noch näher erläutert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, bei welcher auf die dynamischen Flüssigkeitslinsen zurückzuführende Störungen und insbesondere brechungsbedingte Verluste der Strahlung an der Wand des Strömungskanals im wesentlichen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

Die Erfindung hat den Vorteil, einer bedeutenden Verbesserung von Durchflußküvetten insbesondere bei Anwendungen auf dem Gebiet der Flüssigkeitschromatographie.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß unerwünschte Strahlungsstör­ signale von einem linsenartigen Effekt erzeugt werden, der durch laminare Strömungsmuster an der Grenzfläche zwischen Zusammensetzungen unterschiedlichen Brechungsindex hervorgerufen wird. Dieser Effekt führt insbesondere bei klei­ nen zylindrischen Probenküvetten für Photometer zu Schwierig­ keiten, vor allem bei Strömungs­ küvetten im Mikroliterbereich mit einem Durchmesser von unter 2 mm. Im Normalfalle wird der Strömungsweg in einer Küvette von einem UV-Extinktiometer bzw. Absorptionsgerät so ausge­ wählt, daß er 1 cm lang ist, wobei eine Strömungsküvette mit einem maximalen Durchmesser von 2 mm ein Volumen aufweist, das unter 32 µl liegt. Mit zunehmendem Durchmesser beginnt die Linsenwirkung abzunehmen, die bei einer gegebenen lami­ naren Strömungsgeschwindigkeit auftritt. Es erweist sich je­ doch nicht als praktisch, allein den Durchmesser eines zylindri­ schen Strömungswegs zwecks Vermeidung dieser Linsenwirkung bzw. dieses Linseneffektes zu vergrößern, da ein vergrößerter Durchmesser entweder zu einer großen Zunahme des Volumens von dem Probenrohr oder zu einer wesentlichen Verringerung von dem Probenrohr oder zu einer wesentlichen Verringerung von dessen Länge führt. Eine große Volumenzunahme ist nicht trag­ bar, da die Fähigkeit des Geräts, sehr kleine Probenmengen zu untersuchen, durch Verdünnungsfaktoren wesentlich begrenzt wür­ de. Die Länge der Küvette kann nicht deutlich verringert wer­ den, ohne daß proportional hierzu die Menge des von einer ge­ gebenen durch die Küvette strömenden Lösung absorbierten Lichts herabgesetzt wird. Weitere denkbare Konfigurationen für das Probenrohr führen zu nachteiligen Flüssigkeitsströmungs­ mustern.

Da dieses Problem der dynamischen Flüssigkeitslinsen bzw. Fluidlinsen primär an demjenigen Punkt auftritt, bei dem sich die Zusammensetzung der Probe ändert, ermöglicht die Überwindung dieses Problems eine Verbesserung sowohl der quanti­ tativen als auch der qualitativen analytischen Möglichkeiten von Systemen der Flüssigkeitschromatographie sowie von entspre­ chenden analytischen Systemen, bei denen konstant sich ändernde Zusammensetzungen auftreten. Das Gerät eignet sich jedoch auch bei anderen Situationen, bei denen derartige Fluid- bzw. Flüs­ sigkeitslinsen erzeugt werden, wie sie beispielsweise bei in­ dustriellen Verfahren auftreten, wenn eine dynami­ sche Fluidlinse durch eine Temperaturänderung oder durch ein anderes Phänomen hervorgerufen wird, welches dazu führt, daß sich in der Strömungsküvette ein Gradient des Brechungsindex ausbildet.

Aufgrund der Erfindung kann dieser Linseneffekt durch eine progressive Zunahme im Querschnittsbereich der Flüssigkeits­ küvette längs des Strömungsweges aufgelöst werden. Die Wandung der Strömungsküvette bildet in vorteilhafter Weise eine divergierende Rotationsfläche, wobei die Wandungen einen Divergenzwinkel mit der Achse der Küvette bildet, der zumin­ dest ungefähr 1 Grad beträgt. Ein Winkel von ungefähr 1,5 Grad oder ein noch etwas größerer Winkel liefert eine ausreichende Erweiterung, so daß der un­ erwünschte Effekt der an der Grenzfläche von Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln gebildeten dynamischen Flüssigkeitslinsen im wesentlichen aufgelöst bzw. aufgehoben wird. Man erhält eine wesentliche Verbesserung, da das ge­ brochene Licht gesammelt wird, das ansonsten von der Wandung der Küvette absorbiert würde. Des weiteren nimmt man an, daß die Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit während des Durchgangs durch die Küvette - üblicherweise eine Verminderung von mehr als 50% - zu einer Auslöschung dieses Linseneffektes selbst führt, so daß die Menge des in Richtung auf die Wandung der Küvette gebrochenen Lichts selbst vermindert wird. Diver­ genzwinkel zwischen der Achse des Strömungswegs und der Wan­ dung der Küvette von 1 Grad bis 3 Grad erweisen sich als am vorteilhaftesten. Größere Winkel werden nur deshalb problema­ tisch, da sie üblicherweise zwangsläufig zu einer größeren Küvette führen.

Bei Anwendungen auf dem Gebiet der Flüssigkeitschromatographie ergeben sich die besten Ergebnisse, wenn das verwendete, mit der Flüssigkeitsküvette ausgerüstete Gerät so ausgewählt wird, daß man ein möglichst ideales Strömungsmuster erhält, d. h., daß das Strömungsmuster die Form eines kegelförmigen Stopfens einnimmt. Dies gilt für alle Strömungen in einem System der Flüssigkeitschromatographie, d. h. für die Strömung von der Probeninjektion zu der Säule und die Strömung zwischen der Säule und der Auswerteinheit des Systems. Entsprechende Geräte sind im Handel erhältlich.

Eine wesentliche Vergrößerung des Kanals der Küvette über die festgelegte minimale konische Gestalt hinaus, bei der der auf die dynamische Flüssigkeitslinse zurückzuführende Effekt vermieden wird, ist wegen der Größe der Küvette in manchen Anwendungsfällen unzweckmäßig. Unter der Bezeichnung "konisch" sollen jedoch nicht nur kegelstumpfförmige, sondern auch andere Formen verstanden werden einschließlich solchen von kettenlinienförmigen Hörnern bzw. Trichtern, von hyperbolischen Trichtern, von parabolischen und hyperbolischen Oberflächen sowie von ähnlichen Rotationsflächen. Diese Formen können in einigen Fällen in Hinsicht auf Effekte vorzuziehen sein, die durch bestimmte Arten eines Strömungsverhaltens der Fluid­ komponenten hervorgerufen werden, welche die dynamische Linse bilden, sowie von über die Küvette herrschenden Temperatur­ profilen, Reibungseffekten längs der Wandungsoberfläche u. ä. "Konisch" bedeutet somit jegliche Formgebung einer Strömungs­ küvette, bei der die Einlaßöffnung kleiner ist als die Auslaß­ öffnung und bei der der Querschnitt der Küvette mit zunehmender Nähe zur Auslaßöffnung progressiv anwächst.

Des weiteren sollte erwähnt werden, daß einer der wichtigsten Gesichtspunkte die Beziehung zwischen der konischen Durchfluß­ küvette und der Lichtausbreitungsrichtung ist, wobei das größere Ende des Konus in Richtung auf den Detektor zeigen soll. Es ist jedoch auch möglich, die Strömungsrichtung, mit der die zu analysierende Flüssigkeit durch die Küvette hindurchtritt, umzukehren. Es kann zweckmäßig sein, die Anordnung der Küvette so zu wählen, daß alle kleinen Gasbläschen nach oben in Rich­ tung auf die Auslaßöffnung der Küvette verdrängt bzw. ausge­ trieben werden können.

Bei mit der Chromatographie in Beziehung stehenden analyti­ schen Vorgängen und anderen derartigen Vorgängen, bei denen Mengen einer strömenden Probe im Mikroliterbereich überwacht bzw. untersucht werden sollen, beträgt das Verhältnis zwi­ schen der Länge der Strömungsküvette und deren mittleren Durchmesser vorteilhafterweise zumindest 5 : 1. Es sind in erster Linie die Überwachung derartig kleiner Proben und nicht die damit in Verbindung stehenden optischen Überlegungen, welche größer als 3° betragende Divergenzwinkel für viele An­ wendungsbereiche unerwünscht erscheinen lassen.

Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß es bei einigen Anwendungsfällen möglich ist, die Lichtquelle körper­ lich oder mittels einer Optik näher an die Probenküvette heran­ zubringen, ohne daß hierbei zu große brechungsbedingte Licht­ verluste und Lichtstreuungen auftreten, die primär an den Grenz­ flächen zwischen Gas-Linse und Flüssigkeits-Linse entstehen.

Anhand der Zeichnung wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Analysegerät;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Durch­ flußküvette;

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem das Ausgangssignal von einem Gerät zur Messung der UV-Absorption bei Verwendung einer her­ kömmlichen zylindrischen Durchflußküvette dargestellt ist;

Fig. 4 zeigt ein Diagramm ähnlich zu dem von Fig. 3, bei dem je­ doch das Signal unter Anwendung der Erfindung erhalten wurde.

Fig. 1 zeigt ein Analysesystem 10, das eine Quelle 12 für die zu analysierende Flüssigkeit enthält, eine Flüssigkeitschromato­ graphensäule 14 sowie ein Photometer 16, das die UV-Absorption mißt. Das Photometer enthält eine Lichtquelle 18, ein Interfe­ renzfilter 20, ein Linsensystem 22, vordere Eintrittsfenster 23, eine Hauptgehäusewandung einer Probenküvette 24, ein rück­ wärtiges Fenster 26 und einen photoelektrischen Detektor 28. Die Signale des photoelektrischen Detektors 28 und eines Be­ zugdetektors 28 a erden in bekannter Weise aufbereitet, so daß ein geeignetes elektronisches Signal entsteht, das zur Überwachung bzw. Steuerung oder, wie dies häufiger geschieht, zur Lieferung einer sichtbaren Aufzeichnung in einem Aufzeich­ nungsgerät 30 dient.

Das einzige neue Merkmal der in Fig. 1 gestellten Vorrichtung ist die Probenküvette 24, welche den konischen Strömungsweg 32 enthält. Diese Neuerung führt jedoch dazu, daß die Lei­ stungsfähigkeit des gesamten Systems erheblich verbessert wird, indem eine Einrichtung geschaffen wird, welche die von der Chro­ matographensäule 14 abgegebene Flüssigkeit aufnimmt, und diese in dem UV-Absorptionsphotometer derart aufbereitet, daß das zum Detektor 28 gelangende Licht im wesentlichen frei von schäd­ lichen Lichtverlusten ist, die auf den Einfluß der dynamischen Flüssigkeitslinsen zurückzuführen sind.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gerät wird die Lichtquelle mit 2,4 Watt betrieben, wobei sie als Hauptwellenlänge eine Strah­ lung mit 253,7 nm aussendet. Das Volumen der Probenküvette, deren Aufbau am besten aus Fig. 2 hervorgeht, beträgt annähernd 12,5 µl. Die Probenküvette hat an dem Einlaßende einen Durch­ messer von 1 mm, an dem Auslaßende einen Durchmesser von ungefähr 1,5 mm und eine Länge von ungefähr 1 cm. In der Küvettenanordnung 36 ist eine Bezugsströmungsküvette 34 angebracht, wie dies bei einer photometrischen Untersuchung von Flüssigkeiten üblich ist. Diese Küvette kann leer sein, sie kann mit einer stehenden Flüssigkeit gefüllt sein oder es kann ein Bezugsfluid durch sie hindurchströmen.

Die in Fig. 3 dargestellte Aufzeichnung zeigt das Meß- bzw. Nachweisproblem, das bei einer Analyse mittels Strahlungsab­ sorption festgestellt werden kann und darauf zurückzuführen ist, daß der UV-Transmisionsgrad von dynamischen Flüssigkeits­ linsen gestört wird, welche sich durch eine dünne zylindrische Probenküvette hindurchbewegen.

Die beiden Aufzeichnungen von Fig. 3 und 4 enthalten jeweils einen Anfangs-Peak 60, der durch ein Eichfluid hervorgerufen wird - eine Standarddichromatlösung, welche durch die Küvetten mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 ml pro Minute hindurch­ fließt. Der nächste Anstieg 61 in beiden Kurven beruht ledig­ lich auf einer Einstellung des Nullpunkts in dem Aufzeichnungs­ gerät. Zu diesem Zeitpunkt weist jede Kurve ein relativ ebenes Bezugsniveau auf, das die geringe UV-Absorption von Wasser an­ zeigt.

Dieses Bezugsniveau verläuft eben für die kontinuierliche Zu­ führung in Fig. 3. Es wird jedoch durch abrupte Abfälle in der Lichttransmission unterbrochen, die dann auftreten, wenn Injektionen einer wäßrigen Methanollösung in die Säule einge­ führt werden. Diese ersichtliche Zunahme des Absorptionsver­ mögens wird durch die Brechung von dynamischen Fluidlinsen hervorgerufen, welche sich an der Methanol-Wasser-Grenzfläche ausbilden, sowie an den Grenzflächen der verschiedenen Mischun­ gen derselben. Wenn dieses Licht gebrochen ist, wird ein we­ sentlicher Anteil desselben an den parallelen Wandungen der herkömmlichen Durchflußküvette absorbiert.

Die Einschnitte bzw. Täler 64 von Fig. 3 zeigen die Wirkung, die durch einen Übergang von einer Wasserströmung mit 0,3 ml pro Minute zu einer Strömung von 0,3 ml pro Minute einer 10% igen wäßrigen Methanollösung hervorgerufen wurden. Diese Lö­ sung wurde über eine Probenschleife während einer Periode von ungefähr 3,3 Minuten zugegeben. Wenn dann wieder Wasser zum Spülen der Schleife eintritt, ergibt sich eine Nach-oben-Ver­ schiebung 65 der Kurve. Diese Nach-oben-Verschiebung wird von der dynamischen Flüssigkeitslinse hervorgerufen, die nun an der Grenzfläche zwischen dem zum Ausspülen verwendeten Waser, das hinter der Methanollösung fließt, und der Methanollösung entsteht. Nach beendetem Ausspülen endet auch die von der Fluidlinse induzierte Verschiebung, bis eine weitere Injektion einer Wasser-Methanol-Lösung beginnt.

Mit dem gleichen System, bei dem lediglich die in Fig. 2 dar­ gestellte Durchflußküvette verwendet wurde, wurden entsprechen­ de Injektionen durchgeführt. Bei der Zugabe von Methanol ergab sich jedoch keine Herabsetzung des Absorptionsvermögens. Man fand des weiteren auch keine wesentliche Zunahme im Transmissions­ grad, wenn die Wasserspülung stattfindet. Diese Punkte sind in Fig. 4 mit 64 a und 65 a wiedergegeben.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Messen der Absorption einer strömenden Probenflüssigkeit wechselnden Brechungsvermögens, insbe­ sondere für die Flüssigkeitschromatographie, mit

• - einer Strahlungsquelle (18),
• - einem photoelektrischen Detektor (28), und
• - einer im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle (18) und dem photoelektrischen Detektor (28) angeordneten Proben­ durchflußküvette (24), die einen in Längsrichtung vom Strahlengang durchsetzten Strömungskanal (32) für die Probenflüssigkeit enthält, dessen Querschnitt sich längs des Strahlenganges in Richtung von der Strahlungsquelle (18) zum photoelektrischen Detektor (28) im wesentlichen konisch vergrößert,

dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Konizität des an den Enden durch Fenster (23, 26) abgeschlossenen Strömungskanals (32) so groß gewählt ist, daß kein wesentlicher Teil der Strahlung, die infolge einer durch das wechselnde Brechungsvermögen der Probenflüssigkeit verursachten Linsenwirkung im Strömungs­ kanal (32) gebrochen wird, zur Wand des Strömungskanals (32) gelangen kann, so daß im wesentlichen die gesamte transmit­ tierte Strahlung vom photoelektrischen Detektor (28) erfaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der photoelektrische Detektor auf UV-Strahlung anspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Wandung des Strömungskanals (32) und seiner Längsachse 1 bis 3° beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Durchmesser des Strömungskanals (32) 2 mm beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Strömungskanals (32) höchsten 32 Mikroliter beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des Strömungskanals (32) zu seinem mittleren Durchmesser mindestens 5 : 1 beträgt.