DE2604302A1

DE2604302A1 - Detektorzellenanordnung

Info

Publication number: DE2604302A1
Application number: DE19762604302
Authority: DE
Inventors: Charles C Helms; Ii Charles F De Mey
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1975-02-06
Filing date: 1976-02-04
Publication date: 1976-08-19
Also published as: SE7601242L; SE7906667L; GB1515632A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

dipl.-ins. H. KINKELDEY

26 O A 30 2 VV. STOCKMAlR

DB.-INO. · AeS(CALTECH)

K. SCHUMANN

DB. RER. NAT. · DIPL.-PHYS.

P. H. JAKOB

DIPL.-ΙΝΘ.

THE PEEKIN-ELMER CORPORATION

Norwalk. Connecticut 06852 München

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE +3

4. Februar 1976 P 10 069

Detektorzellenanordnung

Die Erfindung betrifft eine Detektorzellenanordnung für ein Spektrophotometer mit einer Strahlungsquelle und einem Photodetektor mit einer im Abstand von der Strahlungsquelle angeordneten lichtempfindlichen Oberfläche, wobei die Detektorzellenanordnung in dem Spektrophotometer zwischen der Strahlungsquelle und dem Photodetektor aufgenommen wird.

Allgemein bezieht die vorliegende Erfindung sich auf Detektoren für Spektrophotometer, und insbesondere auf einen Detektor für ein. Durchfluß-Spektrophotometer, das mit einer Strahlung mit variabler Wellenlänge für die FlüssigrrChromatographie arbeitet.

In der Flüssig-chromatographie mit Spektrophotometern wird eine Substanz, deren quantitatives Vorhandensein

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TELEFON (O89) 22 28 62 TELEX Ο5-2β38Ο TELEGRAMME MONAPAT ORIGINAL INSPECTED

in einer probe bestimmt werden soll, in einem geeigneten Träger-Lösungsmittel gelöst und in einer kontinuierlichen Strömung durch eine Detektorzelle geführt, die .an ihren Stirnseiten bzw. Enden Fenster aufweist^ durch diese Fenster fällt ultraviolette oder sichtbare Lichtstrahlung ein. Die aus der Zelle austretende Strahlung trifft auf einen Photodetektor, dessen Ausganssignal durch ein geeignetes Gerät aufgezeichnet wird; dieses Gerät ist geeicht, so daß die Strahlungsmenge angezeigt wird, die"von dem fluiden, durch die Zelle strömenden Medium absorbiert wird. Die Absorption wird üblicherweise in einer Kurve angezeigt, die kontinuierlich durch einen Meßschreiber auf einen Registrierstreifen aufgezeichnet wird· Die quantitative Analyse der jeweiligen Substanz wird durchgeführt, indem die Fläche unter den Kurvenspitzen gemessen wird, welche die Strahlungsmenge bei einer bestimmten wellenlänge angeben, die absorbiert ist; spezielle Materialien werden durch die besonderen Wellenlängen identifiziert, die charakteristischerweise von ihnen absorbiert werden.

Die Empfindlichkeit einer Detektorzelle eines Spektra— photometers ist insbesondere eine Funktion der Stabilität der Grundlinie der Kurve; die Grundlinie der Meßkurve wird durch die Absorption des verwendeten Lösungsmittels festgelegt und ändert sich mit jeder Variation des Brechungsindex des Lösungsmittels, der sich wiederum mit einer Änderung der Temperatur des Lösungsmittels in der Zelle ändert. Wenn die Grundlinie von dem optimalen Verlauf abweicht, kann die tatsächliche Fläche der Kurvenspitzen nicht genau gemessen werden und die Spitzen selbst sind nicht mehr so klar und präzise definiert, so daß es schwierig wird, Substanzen mit zuverlässiger Genauigkeit zu identifizieren und zu messen.

Ein spezielles Problem, das die Empfindlichkeit von herkömmlichen Spektrophotometern beeinflußt, liegt in

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der wenig wirksamen Nutzung der angelegten Strahlung. Bei Geräten^die Messungen mit Strahlungen verschiedener weilenlängen durchführen könnten, sind die Strahl-Kennlinien der strahlungsquelle für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich-(diese unterschiedlichen Wellenlängen können erreicht werden, indem jeweils verschiedene Strahlungsquellen eingesetzt v/erden oder indem eine bestimmte Wellenlänge mittels eines Monochromators oder eines Filters ausgewählt wird). es ist deshalb üblich, die Detektorzelle und den Photodetektor in Beziehung zu der Strahlungsquelle so zu dimensionieren und anzubringen, daß ein Strahl mit minimalem Durchmesser von der Strahlungsquelle die Eintrittsfläche der 'Zelle füllt; dies bedeutet, daß bei einem Strahl mit größerem Durchmesser ein gewisser, relativ großer Anteil der Strahlung aufgrund von Abschattung am Eingang verloren geht; außerdem kann an dem anderen Ende die Querschnittsfläche der austretenden, auf den Detektor fallenden Strahlung aufgrund einer Änderung des Brechungsindex des Lösungsmittels in der zelle über die nutzbare Fläche der Detektoroberfläche hinaus ansteigen und so ungenutzt bleiben. Als Folge hiervon geht ein großer Teil der eingesetzten strahlung ver— loren, und es wird nur. ein kleiner Teil des austretenden Strahls erfaßt und aufgezeichnet. Deshalb ist die Empfindlichkeit des Spektrophotometers, die selbst unter optimalen Bedingungen, wenn der Brechungsindex des Lösungsmittels konstant bleibt (d.h., wenn das aufgrund der Strömung auftretende Rauschen minimal ist) relativ begrenzt ist, durch jede Temperaturänderung des Lösungsmittels noch weiter, und zwar überproportional, verschlechtert; dem mit der Temperatur des Lösungsmittels ändert sich auch der Brechungsindex, so daß das aufgrund der Strömung auftretende Rauschen zunimmt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Detektorzellenanordnung der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nachteile vermie—

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den v/erden·

Diese Aufgabe wird bei einer Detektorzellenanordnung der angegebenen Gattung gelöst durch einen Hauptteil mit einer durchlaufenden Bohrung, über deren Enden für die Strahlung transparente Fenster zur Bildung einer Detektorzelle abgedichtet sind, durch eine erste optische Fokussiereinrichtung, die so dimensioniert und ausgerichtet ist, daß sie in der Einsatzlage der Detektorzellenanordnung in dem Spektrophotometer die Strahlung von der Strahlungsquelle in die Bohrung fokussiert, wobei die erste optische Fokussiereinrichtung so dimensioniert und angeordnet ist, daß der Durchmesser der Fläche der fokussierten Strahlung an der Eintrittsebene in die Bohrung näherungsweise gleich dem Durchmesser der Bohrungs—Eintrittsfläche ist, durch eine zweite optische Fokussiereinrichtung, die so ausgerichtet ist, daß sie die aus der Bohrung austretende Strahlung fokussiert und konzentriert sowie die konzentrierte Strahlung auf die lichtempfindliche Oberfläche richtet, wenn sich die Detektorzellenanordnung in der Einsatzlage in dem Spektrophotometer befindet, und durch eine Abdichtung eines jeden Fensters über dem jeweiligen Ende der Zellenbohrung, die einen einzigen, kontinuierlichen, schmalen, vorstehenden Bereich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des Fensters und des Hauptteils,der an einer der Oberflächen ausgebildet ist und sich rund um das Ende der Bohrung erstreckt, wobei der Teil der Oberfläche, an dem der vorstehende Bereich ausgebildet ist und der sich von dem vorstehenden Bereich radial nach außen erstreckt, im wesentlichen glatt ist, weiterhin einen dünnen Ring aus verformbarem Material zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen und rund um das Ende der Bohrung,wobei der Ring im unverformtem Zustand einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt hat und im verhältnis zu seiner Dicke relativ breit ist, und wobei der innere umfang des Rings kleiner als der innere umfang des vorstehenden Bereichs

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und der Ring so angeordnet ist, daß er über dem vorstehenden Bereich liegt und sich von dort radial sowohl nach außen als auch nach innen erstreckt, und eine vorrichtung aufweist, um das Fenster unter Druck auf den Hauptteil zu klemmen, so daß der Ring zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen zusammengedrückt wird, wodurch sich der Bereich mit der größten Druckkraft an dem vorstehenden Bereich befindet, wobei die Dicke des Rings in Beziehung zu dem unterschied in der Höhe des vorstehenden Bereichs und der benachbarten, radial nach außen verlaufenden Bereiche der Oberfläche, an der er ausgebildet ist, und zu der Verformbarkeit des Ringmaterials und zu dem Klemmdruck so ausgelegt ist, daß wenigstens ein Teil der Breite des Rings, der sich von dem vorstehenden Bereich radial nach außen erstreckt, ebenfalls zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen zusammengedrückt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also eine Detektorzellenanordnung für ein Spektrophotometer durch eine Bohrung gebildet, die sich durch einen Hauptteil aus einem wärmeleitenden Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Messing oder Aluminium erstreckt, dessen Masse wenigstens mehrere Male so groß wie das volumen und der Durchmesser der Bohrung sind. Durch die Wand des Hauptteils verlaufen Einlaß— und Auslaß-Durchgänge für die strömung des fluiden Mediums zu der Bohrungen, wobei Fenster, normalerweise aus Quarz, über den Enden der Bohrung abgedichtet sind. Die Detektorzellenanordnung wird so angebracht, daß die strahlung von einer Quelle, beispielsweise eine Deuterium-Bogenlampe, durch die Zelle verlaufen und auf der anderen S^ite auf einem photodetektor fallen kann; die bestimmte, gewünschte Wellenlänge wird mittels eines Monochromator oder Filters ausgewählt, der sich zwischen der Strahlungsquelle und der Zelle befindet.

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Eine rohrförmige Einlaßleitung von einer Quelle für das zu analysierende Probenmaterial (in einem Lösungsmittel) besteht aus einem wärmeleitenden Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Messing oder Aluminium, und stellt eine Verbindung zu dem Einlaß—Durchgang des Hauptteils her, um das Probenmaterial zu der Zellenbohrung zu leiten. Ein Teil der Einlaßleitung,'der sich in Strömungsrichtung gesehen unmittelbar vor der Verbindung zu dem Einlaß-Durchgang befindet, steht im thermischem Kontakt mit dem Hauptteils; nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einlaßleitung wenigstens einmal, nach einer bevorzugten Ausführungsform dreimal, rund um den Hauptteil gewickelt, so daß sie sich in gutem thermischen Kontakt mit ihm befindet. Deshalb haben der Hauptteil und die Leitung die Wirkung einer wärmesenke auf die fluide, zu der zelle fließende Probe, so daß das fluide, durch die Zellenbohrung fließende Probenma— terial eine im wesentliche gleichmäßige, stabilisierte Temperatur hat; auf diese Weise läßt sich der Brechungsindex der fluiden, durch die Zelle strömenden Probe im wesentlichen konstant halten, so daß die Empfindlichkeit des Spektrophotometers erhöht wird.

Ein zur fokussierung dienendes optisches System, normalerweise eine Linse, ist an der Detektorzellenanordnung angebracht, um die strahlung von der Quelle in die Zel— lenbohrung zu fokussieren; das optische System ist so dimensioniert und angeordnet, daß die Menge der in die Zelle fokussierten strahlung maximal wird. Am Austrittsende der Zelle ist ein zweites, optisches, zur Fokussierung dienendes Element, wie beispielsweise eine Linse, so dimensioniert und angebracht, daß im wesentlichen die gesamte, aus der Zelle austretende Strahlungsenergie auf der lichtempfindlichen Oberfläche des Photodetektors konzentriert wird.

Schließlich ist die Detektorzellenanordnung noch mit einer Abdichtung versehen, um die Fenster an den Enden

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der Zellenbohrung abzudichten; diese Abdichtung ist auch bei hohem Druck dicht und lecksicher und kann einfach und wirtschaftlich hergestellt und zusammengebaut werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Endansicht einer Detektorzellenanordnung nach der Erfindung;-

Fig. 2 einen Schnitt längs Linie 2-2 von Fig. 1, wobei auch eine Strahlungsquelle und ein • Photodetektor eines Spektrophotometers dargestellt sind;

Fig. 3 eine Darstellung der Detektorzellenanordnung nach den Fig. 1 und 2 mit dem zugehörigen optischen System; und

Fig. 4 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt

durch das rechte Ende der Zelle nach den Fig. 1 bis 3, um die Abdichtung im einzelnen zu zeigen.

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und der zeichnungen eine Detektorzelle 10 nach der vorliegenden Erfindung erläutert werden; eine solche Detek— torzelle kann als getrennte Einheit hergestellt v/erden, die dann als Detektorzelle in ein Mehrzweck-Spektrophotometer eingesetzt werden kann; als Alternative hierzu kann die Detektorzelle auch fest eingebaut sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Detektorzelle 10 (die durch den gestrichelten Kasten angedeutet ist) als

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zusammengesetzte Einheit gezeigt und beschrieben, die in ein Mehrzweck-Spektrophotometeir eingesetzt werden kann. Die Einheit wird in das Gerät in einer solchen Lage eingesetzt, daß die Strahlung von einer Strahlungsquelle 11 des Spektrophotometers durch eine mit Fenstern versehene Endzelle 12 des Detektors verlaufen und auf . die lichtempfindliche Oberfläche 13 eines Photodetek— tors 14 fallen kann. Der Photodetektor 14 erzeugt Ausgangssignale, die proportional zu der empfangenen Strahlung sind; damit sind die Signale auch proportional zu der Lichtmenge, die von einer durch die Zelle 12 fließenden fluiden probe absorbiert wird. Die signale von dem Photodetektor 14 werden auf übliche Weise verarbeitet, um eine Analyse der Probe in interpretierbarer Form zu erhalten, wie beispielsweise eine kontinuierliche Kurve, wie sie von einem Meßschreiber geliefert wird.

Als Quelle U. wird zweckmäßigerweise eine Deuterium-Bogenlampe verwendet, wobei die spezielle wellenlänge der Strahlung, die auf die Zelle 12 fällt, in geeigneter V/eise durch einen Monochromator oder ein Filter (nicht dargestellt) ausgewählt wird, der bzw. das sich im Verlauf der Strahlung von der Quelle 11 zu der Zelle 12 befindet. Fenster 16,17 bestehen aus einem geeigneten, für die Strahlung transparenten Material, wie beispielsweise Quarz, und sind über den Enden der Zellenbohrung 12 angebracht und abgedichtet. Bei der bevorzugten, dargestellten Ausführungsform werden die Fenster in ihrer Lage mittels einer druckdichten Abdichtung abgedichtet, wie sie insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben werden soll, die eine vergrößerte Ansicht der Dichtung am rechten Ende der Bohrung 12 der in Fig. 2 gezeigten zelle darstellt. Jede dieser Dichtungen enthält einen dünnen Dichtungsring bzw. eine dünne Dichtungsscheibe 18 aus einem elastischen Material, wie beispielsweise polytetrafluoräthylen, der jeweils zwischen jedem Fenster 16,17 und der benachbarten Oberfläche des Hauptteils bzw. Gehäu-

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ses 15 eingeschlossen ist. Die Fenster werden jeweils durch eine Buchse 19 in Ihrer Lage gehalten; die Buchse 19 weist einen Inneren umgebogenen Rand bzw· Flansch 19a, der gegen die äußere umfangsoberfläche des Fensters stößt, sowie einen äußeren umgebogenen Rand bzw. Flansch 19b aufj drei oder mehr Bellville—Dichtungsscheiben bzw· Dichtungsringe 20 sind rund um jede Buchse 19 angeordnet und werden zusammengedrückt durch Halteringe 21, die durch Schrauben in ihrer Lage an dem Hauptteil fixiert werden, gegen den äußeren Flansch 19b gehalten· Die Schrauben 22 Cvon^denen nur eine dargestellt ist) verlaufen durch einen der Halteringe 21 sowie durch den Hauptteil 15 _T um dann in den anderen Haltering 21 eingeschraubt zu werden, wie sich der Darstellung entnehmen läßt»

Für jede Dichtung ist eine der benachbarten Oberflächen des Hauptteils 15 und des Fensters 16 oder 17, welche die Oberfläche des Hauptteils 15 ist, wie In Fig. 4 dargestellt Ist, mit einem vorstehenden Bereich 50 versehen, der von der Oberfläche des Hauptteils vorspringt und sich rund um den Umfang einer abgeschrägten Kante des Endes der Bohrung 12 erstreckt· Bei der in Fig· 4 dargestellten Ausführungsform der Dichtung wird der vorstehende Bereich 50 durch eine vorspringende Kante gebildet, die hergestellt wird, Indem die untere Oberfläche 52 einer Aussparung 53 maschinell oder spanabhebend' bearbeitet wird; in der Aussparung 53 wird der Dichtungsring 18 so aufgenommen, daß er relativ zu der benachbarten Oberfläche 17a des Fensters 17 nach außen divergiert. Der vorstehende Bereich könnte auch durch einen Umschlag bzw. eine Leiste oder Rippe gebildet werden, die hergestellt wird, indem die untere Oberfläche 52 der Aussparung 53 unterschnitten wird, so daß die Leiste rund um den Umfang der Aussparung 53 übrig bleibt· in jedem Fall bildet bei jeder Dichtung der vorstehende Bereich 50 einen schmalen Grat bzw. eine

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schmale Rippe zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen in der Dichtung, so daß die größte Druckkraft auf den Dichtungsring 18 zwischen den einander gegenüberliegenden oberflächen an demvorstehenden Bereich ausgeübt wird, wenn die einander gegenüberliegenden Oberflächen unter Ausübung einer Druckkraft durch Anziehen der Schrauben 22 durch die Belleville-Dlchtungsringe 2O zusammengebracht werden·

Die Dichtungsringe sind Im vergleich mit Ihrer Breite relativ dünn; beim zusammenbau der Verbindung werden sie so angeordnet, daß sie über den vorstehenden Bereichen 50 liegen; dadurch erstrecken sie sich von dort radial nach außen sowie nach innen« Dadurch werden die Dichtungsringe 18 auf jeder Seite des vorstehenden Bereichs weniger zusammengedrückt, so daß das Dichtungsmaterial sich nicht relativ zu dem vorstehenden Bereich verformen bzw. dehnen oder strecken kann; auf diese Welse läßt sich die Form und struktur sowie die Zuverlässigkeit der Dichtung auch nach langein Gebrauch beibehalten. Der V/inkel, unter dem sich die Oberfläche 52 des Haupt— teils von dem gegenüberliegenden Fenster weg erstreckt, wird In Beziehung zu der Dicke des Dichtungsrings 18 ausreichend klein gemacht; dadurch wird ein wesentlicher Teil des Dichtungsrings, der von dem vorstehenden Bereich 50 radial nach außen verläuft, zusammengedrückt, so daß er dazu beiträgt, jede Schwenk— bzw· Hin— und Her-Bewegung des Fensters 17 relativ zu dem vorstehenden Bereich zu verhindern; dadurch kann die Verbindung stabilisiert werden· in der Praxis wurde eine geeignete Dichtung, die den in Fig. 4 dargestellten Aufbau hatte,, durch einen Dichtungsring 20 aus polytetrafluoräthylen mit einer Dicke von o,l mm gebildet. Die Oberfläche wurde maschinell bzw· spanabhebend bearbeitet, so daß

sie sich in einem Winkel von ungefähr 3 von der Oberfläche 17a weg erstreckt. Diese Dichtung hielt einem inneren Druck von mehr als 175j8kgcm (2·5οο pounds per square inch) stand·

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Der Hauptteil 15 besteht aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere einem rostfreiem Stahl, und hat eine Masse, die wenigstens mehrere Male größer als das Volumen der Zellenbohrung 12 ist· Ein Einlaß-Durchgang 25 und ein Ausgangs—Durchgang 26 sind durch den Haupt— teil 15 gebohrt und münden jeweils in vergrößerten Endbereichen der Zellbohrung 12. Wie in den Fig. 2 und 3 angedeutet ist, werden die vergrößerten Endbereiche der Zellenbohrung 12 zweckmäßigerweise hergestellt, indem jedes Ende der Bohrung versetzt zur Achse mit einer Versenkung ausgebildet wird; dadurch entsteht an einer Seite eine große, abgeschrägte Oberfläche, durch die sich die Einlaß- und Auslaß-Durchgänge 25 und 26 öffnen.

An ihren äußeren Enden sind die Einlaß— und Auslaß-DurcEigänge. 25 bzw. 26 jeweils mit einem Einlaßrohr 27 und einem Auslaßrohr 28 verbunden, die aus einem wärmeleitenden Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt sind; die Verbindung kann zweckmäßigerweise hergestellt werden, indem die Enden der Rohre 25, 26 jeweils in die Enden der Einlaß— bzw. Auslaß-Durchgänge 25, 26 eingeschweißt werden. Andere Materialien, wie beispielsweise Aluminium oder Messing, körnen in einigen Fällen auch für die Herstellung des Hauptteils 15 und/ oder der Rohre 26 und 27 verwendet werden; im allgemeinen wird jedoch rostfreier Stahl eingesetzt, damit das Gerat auch bei hochkorrosiven Materialien benutzt werden kann.

Ein Teil der Länge des Einlaßrohrs27, der sich in Strömungsrichtung gesehen unmittelbar vor der Verbindung in den Einlaß-Durchgang 25 befindet, steht in thermischem Kontakt mit dem Hauptteil 15; bei der dargestellten Ausführungsform ist das Einlaßrohr 27 dreimal rund um den Hauptteil 15 gewickelt, bevor es weiter zu der Verbindung mit einer Quelle für das Probenmaterial verläuft, das analysiert werden soll. Diese Quelle ist nicht dargestellt; die Verbindung zu ihr ist nur durch

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eine mit einem Gewinde versehene Muffe 29 angedeutet. · Das Auslaßrohr 28 führt zweckmäßigerweise direkt zu einer Verbindung, die durch eine mit einem Gewinde versehene Muffe 30 angedeutet ist, mit einem Abflußrohr oder einem Auslaufbehälter (nicht dargestellt)·

Wie sich insbesondere Fig· 1 entnehmen läßt, ist ein Ring 31 in geeigneter Weise rund um die Außenseite der V/indungen des Einlaßrohrs 277 um den Hauptteil 15 befestigt, um einen guten Wärmekontakt der Rohrwicklungen und des Hauptteils sicherzustellen·

Die relativ große thermische Masse des Hauptteils 15 in Beziehung zu dem volumen der Zelle 12 und zu den dadurch verlaufenden Einlaß- und Auslaß-Durchgängen 25, 26 sowie der thermische Kontakt eines Teils des Einlaßrohrs 27 rund um den Hauptteil 15 hat die Wirkung einer wärmesenke bzw. eines Kühlkörpers; wenn also die durch diese Teile zugeführte fluide probe die Zellenbohrung 12 erreicht, ist ihre Temperatur im wesentlichen gleich der Temperatur des Hauptteils 15, die aufgrund seiner thermischen Masse während eines Betriebsablaufs der vorrichtung im wesentlichen konstant bleibt. Als Folge hiervon hat die fluide probe, die kontinuierlich durch die Zellenbohrung 12 fließt, eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur; deshalb bleibt auch der Brechungsindex des Lösungsmittels im wesentlichen konstant, so daß auf die Strömung zurückzuführendes Rauschen weitgehend vermieden werden kann; in dieser Weise läßt sich die Empfindlichkeit und Genauigkeit der durchgeführten Messungen verbessern·

Die Empfindlichkeit der Absorptionsmessung mit einem Spektrophotometer, das einen Detektor 10 nach der vorliegenden .Erfindung enthält, kann noch weiter gesteigert werden, indem ein größerer Teil der zur Verfügung stehenden Strahlung in der Zelle konzentriert und das

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System im wesentlichen unempfindlich gegenüber Strömungsrauschen aufgrund von auftretenden Änderungen des Brechungsindex des Lösungsmittels gemacht wird. Diese Vorteile können durch ein optisches System erreicht werden, welches die wirksame Anwendung der zur verfugung stehenden Strahlung auf das fluide Medium in der Zellbohrung maximal und die effiziente Messung der Strahlungsmenge optimiert, die aus der Zellenbohrung austritt. Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, enthält ein solches optisches System eine Linse 35 oder ein anderes optisches Fokussiersystem, wie beispielsweise ein reflektierendes optisches System· die Linse 35 ist an dem Detektor 10 (mittels einer nicht dargestellten Einrichtung) in einer solchen Lage angebracht, daß sie die Strahlung von der Quelle 11 in die Zellenbohrung 12 fokussieren kann. Damit ein möglichst großer Teil der fokussierten Stählung iⁿ die Zellenbohrung 12 eintritt, ist die Linse 35 so dimensioniert und angeordnet, daß ihr Brennpunkt soweit wie möglich in der Zellenbohrung 12 liegt, ohne daß ein zu großer Teil der Strahlung durch Vignettieren bzw. Abschattung im Eintrittsbereich der Zellenbohrung verlorengeht.

An der Austrittsseite der zelle ist eine Linse 38, oder ein anderes optisches Fokussiersystem, wie beispielsweise eine reflektierende optische Anordnung, so dimensioniert und angeordnet, daß sie die gesamte aus der Zellenbohrung 12 austretende Strahlung sammelt und auffängt, einschließlich der in weiten Bereichen divergierende Schlierenstrahlen· die Linse 38 konzentriert diese Strahlung durch Fokussieren. Die durch die Strahlenverläufe 39 angedeuteten Schlierenstrahlen sowie die durch die Strahlenverläufe 4o angedeuteten anderen Strahlen werden durch die Linse 38 an jeweils anderen punkten fokussiert; es gibt jedoch eine Ebene 41, in der sich die fokussierten Schlierstrahlen 39 und die anderen fokussierten Strahlen 40 schneiden und in welcher der Durchmesser des Schnittbereiches, der bei 42 angedeutet

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ist, trotz Änderungen oder Variationen in den Winkelrichtungen der Strahlung durch die Zellbohrung 12 konstant bleibt. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform werden die Linse 38 und/oder der photodetektor 14 so ausgewählt und angeordnet, daß die Lage und der Durchmesser des Bereiches 42 mit der Lage und dem Durchmesser des Bereiches der lichtempfindlichen Oberfläche 13 des Photodetektors 10 in der Ebene zusammenfällt, in der die konzentrierte Strahlung auf die lichtempfindliche Oberfläche auftrifft.

Bei der oben beschriebenen Detektorzelle bleibt die Temperatur, und damit der Brechungsindex, des durch die Zellenbohrung 12 fließenden Lösungsmittels im wesentlichen stabil. Darüberhinaus werden sowohl die Wirksamkeit der Anwendung der zugeführten Strahlung auf das fluide Medium in der Zelle als auch die Mes-' sung der austretenden und auf den Photodetektor fallenden Strahlung optimiert bzw. maximal, so daß die an dem Spektrophotometer abgelesenen Meßwerte im wesentlichen frei von Verfälschungen bzw. Fehlern sind, die sich aus dem Strömungsrauschen ergeben; außerdem sind die Meßwerte im wesentlichen unempfindlich gegenüber Änderungen des Brechungsindex des Lösungsmittels. Durch die Verwendung einer solchen Detektorzelle 10 nach der Erfindung läßt sich also die Empfindlichkeit und Genauigkeit eines damit ausgestatteten Spektro— photometers wesentlich verbessern·

-P atentansprüche-

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Claims

Patentansprüche

ί l.yDetektorzellenanordnung für ein Spektrophotometer mit einer Strahlungsquelle und einem Photodetektor mit einer im Abstand von der Strahlungsquelle angeordneten lichtempfindlichen Oberfläche, wobei die Detektorzellenanordnung in dem Spektrophotometer zwischen der Strahlungsquelle und dem Photodetektor aufgenommen wird, gekennzeichnet durch einen Hauptteil (15) mit einer durchlaufenden Bohrung (12), über deren Enden für die Strahlung transparente Fenster (16, 17) zur Bildung einer Detektorzelle (10) abgedichtet sind, durch eine erste optische Fokussiereinrichtung, die so dimensioniert und ausgerichtet ist, daß sie in der Einsatz-lage der Detektorzellenanordnung in dem Spektrophotometer die strahlung von der Strahlungsquelle (11) in die Bohrung (12) fokussiert, wobei die erste optische

" Fokussiereinrichtung (35) so dimensioniert und angeordnet ist, daß der Durchmesser der Fläche der fokussierten Strahlung an der Eintrittsebene in die Bohrung (12) näherungsweise gleich dem Durchmesser der Bohrungs-Eintrittsflache ist, durch eine zweite optische Fokussiereinrichtung (38), die so ausgerichtet ist, daß sie die aus der Bohrung austretende Strahlung fokussiert und konzentriert sowie die konzentrierte Strahlung auf die lichtempfindliche Oberfläche (13) richtet, wenn sich

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die Detektorzellenanordnung in der Einsatzlage in dem Spektrophotometer befindet, und durch eine Abdichtung eines jeden Fensters (16,17) über dem jeweiligen Ende

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der Zellenbohrung (12), die einen einzigen, kontinuierlichen, schmalen, vorstehenden Bereich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des Fensters und des Hauptteils (15), der an einer der Oberflächen ausgebildet ist und sich rund um das Ende der Bohrung (12) erstreckt, wobei der Teil der Oberfläche, an dem der vorstehende Bereich ("5O) ausgebildet ist und der sich von dem vorstehenden Bereich (50) radial nach außen erstreckt, im wesentlichen glatt ist, weiterhin einen dünnen Ring (18) aus verformbarem Material zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen und rund um das Ende der Bohrung (12), wobei der Ring (18) im unverformtem zustand einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt hat und im Verhältnis zu seiner Dicke relativ breit ist, und wobei der innere Umfang des Rings (18) kleiner als der innere" umfang des vorstehenden Bereichs (50) und der Ring so angeordnet ist, daß er über dem vorstehenden Bereich (50) liegt und sich von dort radial sowohl nach außen als auch nach innen erstreckt, und eine vorrichtung aufweist, um das Fenster (16,17) unter Druck auf den Hauptteil (15) zu klemmen, so daß der Ring (18) zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen zusammengedrückt wird, wodurch sich der Bereich mit der größten Druckkraft an dem vorstehenden Bereich (50) befindet, wobei die Dicke des Rings (18) in Beziehung zu dem Unterschied in der Flöhe des vorstehenden Bereichs (50) und der benachbarten, radial nach außen verlaufenden Bereiche der Oberfläche, an der er ausgebildet ist,

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und zu der verformbarkeit des Ringmaterials und zu dem Klemmdruck so ausgelegt ist, daß wenigstens ein Teil der Breite des Rings, der sich von dem vorstehenden Bereich (50) radial nach außen erstreckt, ebenfalls zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen zusammengedrückt ist.
2. Detektorzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des vorstehenden Bereichs (50) in der Größenordnung von 1 mm liegt, und daß der Ring (18) aus Polytetrafluorethylen' besteht und im nicht zusammengedrücktem zustand ungefähr 0,1 mm dick ist.
3. Detektorzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorstehende Bereich (50) durch Abschrägen des Teils wenigstens einer der einander gegenüberliegenden Oberflächen gebildet ist, der sich radial nach außen von einer Linie erstreckt, die den äußeren Umfang des vorstehenden Bereichs (50) definiert, so daß die Bereiche der einander gegenüberliegenden Oberflächen, die sich radial außerhalb dieser Linie befinden, nach außen divergieren, wobei der Diver— genzwinkel der einander gegenüberliegenden Oberflächen so ausgelegt ist, daß in Beziehung zu der Dicke des Rings (18) und zu dem Klemmdruck wenigstens ein Teil der Breite des Rings, der sich von dieser Linie radial nach außen erstreckt, ebenfalls zusammengedrückt ist.

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4. Detektorzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung ein Flanschelement, das an den und rund um die Kanten · des Fensters (16,17) angebracht ist, eine Federeinrich— tung rund um das Randelement, die mit der von dem Fenster (16,17) abgewandte Seite des Flanschelementes in Eingriff kommt, und eine Anordnung aufweist, welche die

Federeinrichtung zusammengedrückt gegen das Flanschelement hält, um das Fenster (16,17) unter dem Federdruck auf den Hauptteil (15) zu zu drücken.
5. Detektorzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Fokussiereinrichtung (38) so dimensioniert und angeordnet ist, daß die Schlieren- und anderen Strahlen der Strahlung, die aus der Zweiten optischen Fokussiereinrichtung (38) austritt, sich in einer Ebene (41) treffen, in welcher der Durchmesser des Schnittbereiches der Strahlen für unterschiedliche Winkelrichtungen der Strahlung im wesentlichen konstant bleibt, und in welcher der Durchmesser und die planare Lage der Fläche der lichtempfindlichen Oberfläche (13) im wesentlichen mit dem Durchmesser und der planaren Lage des Schnittbereichs der Strahlen (39,40) zusammenfallen.
6. Detektforzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil (15) aus einem wärmeleitenden Material besteht und einen Ein-

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laß-Durchgang (25) und einen Auslaß-Durchgang (26) aufweist, die jeweils in die Bohrung (12) an einem Ende außerhalb des Hauptteils (15) an dem anderen münden, und daß eine Einlaßleitung (27) aus wärmeleitendem Material vorgesehen ist, von der ein Ende mit dem Einlaß-Durchgang (25) zur Zuführung eines fluiden Mediums zu der Bohrung (12) verbunden ist und von der ein Teil ihrer Länge in Strömungsrichtung gesehen unmittelbar vor der Verbindung in wenigstens einer vollständigen Windung rund um den Hauptteil (15) in thermischem Kontakt mit dem Hauptteil (15) gewickelt ist.
7. Detektorzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitung (27) in mehr als einer vollständigen Windung rund um den Umfang des Hauptteils {15) in Strömungsrichtung gesehen unmittelbar vor der Verbindung gewickelt ist·

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