DE2651086A1 - Photometrischer absorptionsdetektor - Google Patents

Description

Int. Az.: DT 4 5 ^ 2. November 1976

Hewlett-Packard GmbH

PHOTOMETRISCHER ABSORPTIONSDETEKTOR

Die vorliegende Erfindung betrifft einen photometrischen Absorptionsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Photometrische Absorptionsdetektoren dienen zur Bestimmung der optischen Dichte von flüssigen und festen Materialien bei festen oder veränderlichen Lichtwellenlängen. Damit sind z.B. der Nachweis und die quantitative Bestimmung von Stoffen in einer Probe, insbesondere einer chromatographisch getrennten Probe in der Flüssigkeitschromatographie möglich.

In der Flüssigkeitschromatographie verlassen die Komponenten eines Probengemisches als zeitlich aufeinanderfolgende Zonen im Strom des Lösungsmittels die Trennsäule und werden durch eine Kapillarleitung dem photometrischen Absorptionsdetektor zugeführt. Die einzelnen Komponenten in den verschiedenen Zonen zeigen bei gegebener Konzentration, homo-5 gener Verteilung und vorgegebener Schichtdicke eine Abhängigkeit ihrer optischen Dichte von der Lichtwellenlänge (Absorptionscharakteristik) . Soll eine möglichst hohe Empfindlichkeit bei der Erfassung einer Probenkomponente erreicht werden, muß die Wellenlänge bei der Messung der optischen Dichte an die Stelle des Absorptionsmaximums gesetzt werden. Andererseits kann es auch wünschenswert sein, eine bestimmte Komponente im Chromatogramm zu unterdrücken. Für diese Komponente muß dann die Wellenlänge auf ein Absorptionsminimum gesetzt werden.

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Die Anpassung der Meßwellenlänge während eines Chromatogramms an die Absorptionscharakteristik der jeweiligen Komponenten stößt auf Schwierigkeiten, da der zeitliche Abstand der die Säule verlassenden Komponenten bei gewissen Trennverfahren oft nur wenige Sekunden beträgt. Es ist schwierig und teilweise unmöglich, die Wellenlänge in so kurzer Zeit zu verstellen, zumal auch der Zeitpunkt der Verstellung sehr genau bestimmt sein muß. Hinzu kommt, daß nach jeder Verstellung der Wellenlänge der Absorptionsdetektor wieder abgeglichen werden muß, damit das Ausgangssignal möglichst denselben Pegel annimmt, den es vor der Verstellung hatte, um in der Darstellung des Chromatogramms Sprünge zu vermeiden. Darüberhinaus ist in manchen Fällen auch eine Verstellung der Empfindlichkeit des Detektors erforderlich, damit im Chromatogramm ein einheitliches Format für die Peaks verschiedener Komponenten eingehalten wird.

Ein weiteres Problem besteht bei bekannten Absorptions-Photometern, Spektralphotometern und photometrischen Detektoren für die Flüssigkeitschromatographie darin, daß die Basislinie nicht stabil ist, d.h. daß das Ausgangssignal des Detektors während Zeiten, innerhalb derer sich keine Probe in der Meßzelle befindet, nicht konstant ist. Bei Flüssigkeitschromatographen ergeben sich solche Störungen hauptsächlich durch die Strömung des Lösungsmittels durch die sehr kleine Meßzelle aber auch durch Intensitätsschwankungen der Lichtquelle.

Zwar können störende Einflüsse auf das Ausgangssignal durch die Art des optischen Aufbaus und durch stabilisierten Betrieb verschiedener Komponenten wie Lichtquelle und Photodetektoren reduziert werden. Bei Detektoranordnungen für Flüssigkeitschromatographen, die eine sehr hohe Basislinienstabilität haben sollen, sind jedoch die Störeinflüsse schwer unter Kontrolle zu bringen. Hinzu kommt, daß

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bei Flüssigkeitschromatographen mit nur einem Flußkanal von der Probenaufgabe bis zum Detektor die vom Lösungsmittelfluß herrührenden Störungen auch bei einem optisch zweikanalig aufgebauten Detektor nicht wirksam unterdrückt werden können. Die Referenz-Meßzelle muß nämlich dann in den Flußkanal vor die Stelle der Probeneingabe eingefügt werden, was dazu führt, daß die vom Lösungsmittelfluß herrührenden Störungen in den beiden Meßzellen zeitlich versetzt erscheinen und eine vollständige Kompensation daher nicht möglich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Absorptionsdetektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der leicht und schnell and die Absorptionscharakteristiken verschiedener zu erfassender Komponenten anpaßbar ist und leicht abgleichbar ist. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet.

Ein optisch mehrkanaliger Absorptionsdetektor, der z.B. mit einer Referenz- und einer Meßwellenlänge arbeiten kann, läßt sich dadurch aufbauen, daß die Photodetektoranordnung mehrere unabhängig voneinander verschiebbare Einzeldetektoren aufweist. Eine-- solche. Anordnung ermöglicht z.B. eine leichte und wirksame Stabilisierung der Basislinie, da einerseits nur eine einzige Meßzelle erforderlich ist und andererseits keine zeitliche Versetzung zwischen im Referenz- und im Meßkanal auftretenden Störungen vorhanden ist.

Als Einrichtung zur räumlich spektralen Zerlegung des Lichtes wird vorzugsweise ein konkaves Reflexions-Beugungsgitter verwendet. Die Einzeldetektoren sind dann längs einer gemeinsamen Geraden im Feld erster Ordnung des vom Gitter erzeugten Spektrums verschiebbar.

Vorzugsweise sind zwei Einzeldetektoren vorhanden, von

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denen einer auf eine Meßwellenlänge und der andere auf eine Referenzwellenlänge einstellbar ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß die Einzeldetektoren programmgesteuert einstellbar sind.

Damit kann die Einstellung jederzeit an das aufzunehmende Chromatogramm optimal angepaßt werden. Die Programmsteuerung ermöglicht überdies eine sehr schnelle Änderung der Einstellung der Einzeldetektoren, so daß auch in kurzen Zeitabständen die Trennsäule verlassende Komponenten jeweils optimal erfaßt werden können. Beispiele für solche programmgesteuerte Einstellungen sind in den Unteransprüchen 6 bis 9 gekennzeichnet.

Bei Probenkomponenten, deren Absorptionscharakteristik im vorgegebenen Wellenlängenbereich des erfindungs gemäßen Detektors keine ausgeprägten transparenten Bereiche oder Absorptionsminima enthält, kann es zweckmäßig sein, mittels der Programmsteuerung den optischen Referenzkanal abzuschalten und stattdessen einen rein rechnerischen Referenz-Absorptionswert zu verwenden, der einen außerhalb des vorhandenen Wellenlängenbereichs liegenden geeigneten Wert simuliert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig· 1 schematisch den mechanischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absorptionsdetektors;

Fig. 2 das Blockschaltbild der Steuerung des Absorptionsdetektors gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 ein typisches unter Programmsteuerung aufgenommenes Chromatogramm;

Hg. 4a und b ein Flußdiagramm der Programmsteuerung.

In Fig. 1 ist mit 11 eine Strahlungsquelle, z.B. eine Deuterium-Lampe bezeichnet, die mit einer ersten Blende versehen ist. Das aus der Blende 13 austretende Licht gelangt durch eine zweite Blende 15 zu einer Linse 17, die

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in einer Bohrung 25 einer Probenzelle 19 ein verkleinertes Bild der Blende 13 entwirft, derart, daß die Wände der Bohrung 25 vom Strahlungskegel nicht berührt werden. Die Probenzelle 19 weist eine Einlaßöffnung 21 und eine Auslaßöffnung 23 auf, die z.B. mit dem Strömungssystem eines Flüssigkeitschromatographen in Verbindung stehen können.

Das in der Bohrung 25 entworfene Bild stellt die Eingangspupille eines Monochromators dar, der durch ein konkaves Reflexionsgitter 27 gebildet wird. Am Gitter 27 wird ein Bild der zweiten Blende 15 entworfen, das die Größe des Gitters 27 hat. Das Gitter 27 lenkt die verschiedenen Lichtwellenlängen in verschiedenen Winkeln ab. Die Bereichsgrenzen betragen im vorliegenden Ausführungsbeispiel 180 nm und 600 nm und sind in Figur 1 durch strichpunktierte Linien dargestellt. Sie gelten für das Feld erster Ordnung. In diesem Feld erster Ordnung sind längs einer Geraden 29 zxiei Photodetektoren 31 und 33 verschiebbar angeordnet.

Di^e Photodetektoren 31 und 33 sind um senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achsen drehbar auf Schiebemuttern 35 und 37 montiert, die durch Verdrehen von Gewindespindeln 39 und 41 parallel zur Geraden 29 verschoben werden können. Der Antrieb der Gewindespindeln 39 und 41 erfolgt durch Schrittmotoren 43 und 45. Führungsstangen 47 und 49, die beim Gitter 27 um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse drehbar gelagert sind und axial verschieblich in den Photodetektoren 31 und 33 gelagert sind, sorgen dafür, daß die Photodetektoren 31 und 33 immer auf das Gitter 27 ausgerichtet sind. Endschalter 36 und 38 dienen zum Erfassen der linken bzw. rechten Endstellung des Photodetektors 31 bzw. 33.

Von den beiden Detektoren 31 und 33 wird einer für die Ab-

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tastung einer Meßwellenlänge verwendet, während der andere auf eine Referenzwellenlänge eingestellt wird. Dadurch ergibt sich eine optisch zweikanalige Anordnung, obwohl nur eine einzige, von einem einzelnen Lichtstrahl durchsetzte Meßzelle vorhanden ist. Im langwelligen Bereich ist zusätzlich ein Ordnungsfilter 50 vorgesehen, welches das dort vorhandene Feld zweiter Ordnung unterdrückt.

Die Programmsteuerung für die Schrittmotoren 43 und 45 sowie für die Photodetektoren 31 und 33 ist in Figur 2 dargestellt. Die zentrale Steuereinheit ist ein Rechner 51, der in üblicher Weise einen Prozessor mit zugehörigen Speichern, ein Eingabetastenfeld und einen Ausgabedrucker bzw. -plotter aufweist. Der Rechner 51 ist im wesentlichen genauso aufgebaut wie der, welcher beschrieben ist in Hewlett-Packard Series 5830 A Gas Chromatograph Instrument Manual, Section 8, Dezember 1974.

Der Rechner 51 steuert über eine Interface-Schaltung einerseits eine Motoransteuerung 55 für die Schrittmotoren 43 und 45, sowie Vorverstärker 5 7 und 59 für die Ausgangssignale der Photodetektoren 31 und 33. Die Vorverstärker 57 und 59 haben veränderliche Verstärkungsfaktoren, welche vom Rechner 51 vorgegeben werden können. Die Ausgangssignale der Vorverstärker 5 7 und 59 werden ihrerseits über die Interface-Schaltung 53 wieder dem Rechner 51 zugeführt.

Die Endschalter 36 bzw. 38 sprechen an, wenn sich der Photodetektor 31 in der Stellung für 600 nm Wellenlänge bzw. der Photodetektor 33 in der Stellung für 190 nm befinden. Diese Stellungen sind die Ausgangsstellungen, auf die die beiden Photodetektoren nach Einschalten des Geräts zunächst gestellt werden. Das Erreichen dieser Endstellung wird dem Rechner 51 gemeldet. Ausgehend von diesen Endstellungen werden die beiden Photodetektoren 31 und 33 von den beiden Schrittmotoren 43 und 45 in

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präzisen Vorwärts- und Rückwärtsschritten bewegt, ohne daß eine Rückmeldung der jeweiligen Stellung an den Rechner 51 erforderlich ist.

In Figur 3 ist ein typisches Chromatogramm dargestellt, das bei der Erfassung von vier aufeinanderfolgenden Komponenten einer Probe erhalten werden könnte. Die Zeitintervalle in denen die einzelnen Komponenten in der Probenzelle erwartet werden, sind mit I, II, III und IV feezeichnet. Für jedes Zeitintervall sind eine optimale Referenzwellenlänge Xr > eine optimale Meßwellenlänge X_g, sowie eine optimale Bereichseinstellung R gewählt worden. Der Abgleich der Photodetektoren erfolgt durch entsprechende Einstellung der Verstärkungsfaktoren der Vorverstärker 57 und 59. Die Umschaltzeitpunkte sind mit Z bezeichnet. Im Zusammenhang mit jeder Wellenlängen- und Bereichsumschaltung wird ein automatischer Null-Linienabgleich durchgeführt. Die Einstellung des jeweiligen Meßbereichs erfolgt durch die Software des Rechners 51 .

Den zeitlichen Ablauf der Programmsteuerung sowie die dabei zu treffenden Entscheidungen zeigt das Flußdiagramm in Fig. 4a und b. Die in Figur 4a erwähnten "Ersatzwerte" sind diejenigen Wellenlängenwerte, auf die die Photodetektoren 31 und 33 eingestellt werden, wenn von der Bedienungsperson keine anderen Werte in den Rechner eingegeben werden.

Der Detektor kann auch dazu verwendet werden,das Absorptionsspektrum einer Probe aufzunehmen und darzustellen. Dazu wird zunächst die Gesamtcharakteristik des Absorptionsdetektors/mit Lösungsmittel gefüllter Probenzelle aufgenommen und abgespeichert. Wenn dann die chromatographisch getrennte Probenkomponente in die Probenzelle gelangt, wird der Fluß"angehalten. In diesem Zustand wird dann die Absorptionscharakteristik der Probenkomponente über der Wellenlänge aufgenommen. Die Differenz dieser Charakteristik

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und der zuvor aufgenommenen Charakteristik mit Lösungsmittel allein stellt das Absorptionsspektrum der Komponente dar und kann z.B. mittels des Schreibers wiedergegeben werden.

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Claims (9)

Hewlett-Packard GmbH Int. Az.: DT 45 5. November 1976 PATENTANSPRÜCHE

1. Photometrischer Absorptionsdetektor, insbesondere für die Flüssigkeitschromatographie, bei dem eine Probenzelle von einer Lichtquelle durchstrahlt wird und mittels einer Photodetektoranordnung die durch die Probe erfolgende Absorption bestimmter Wellenlängenbereiche des Lichtes erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (27) zur räumlich spektralen Zerlegung des aus der Probenzelle (19) austretenden Lichtes vorgesehen ist und daß die Photodetektoranordnung (31, 33) im Spektrum räumlich verschiebbar, ist.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoranordnung mehrere unabhängig voneinander verschiebbare Einzeldetektoren (31,

33) aufweist.

3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur räumlich spektralen Zerlegung des Lichtes ein konkaves Reflexions-Beugungsgitter (27) ist und daß die Einzeldetektoren (31, 33) längs einer gemeinsamen Geraden (29) im Feld erster Ordnung des vom Gitter erzeugten Spektrums verschiebbar sind.

4. Detektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zxtfei Einzeldetektoren (31, 33) vorhanden sind, von denen einer auf eine Meßwellenlänge und der andere auf eine Referenzwellenlänge einstellbar ist.

5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldetektoren (31, 33) programmgesteuert einstellbar sind.

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6. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die programmgesteuerte Einstellung entsprechend dem aufzunehmenden Chromatogramm so erfolgt, daß die Meßwellenlänge jeweils auf das Maximum des Ab-Sorptionsspektrums jeder der zeitlich aufeinanderfolgenden zu bestimmenden Komponenten und die Referenzwellenlänge entsprechend auf spektraltransparente Gebiete oder Minima dieser Absorptionsspektren eingestellt wird.

7. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich-TO net, daß die programmgesteuerte Einstellung entsprechend dem aufzunehmenden Chromatogramm so erfolgt, daß zur Unterdrückung einer oder mehrerer Komponenten in einem komplexen Chromatogramm Meß- und Referenzwellenlänge während der jeweiligen Peakdauer auf spektraltransparente Gebiete einstellbar sind.

8. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die programmgesteuerte Einstellung entsprechend dem aufzunehmenden Chromatogramm so erfolgt, daß zur Kompensierung von flußinduzierten Störungen oder zur Unterdrückung einer Lösungsmittel-Grundabsorption bei Gradientenelution Meß- und Referenzwellenlänge so nahe beieinander einstellbar sind, wie es zur ausreichenden Unterdrückung der Grundabsorption einerseits und zur höchstmöglichen Nachweisempfindlichkeit der betreffenden Probe sinnvoll ist.

9. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß-der gegenseitige Abgleich der Einzeldetektoren (31, 33) programmgesteuert nach jeder Wellenlängenverstellung einstellbar ist.

1Oo Detektor nach den Ansprüche 4 und 5, dadurch g e k. e η nzeichnet, daß der Einzeldetektor (31 bzw. 33)

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für die Referenzwellenlänge abschaltbar ist und von der Programmsteuerung ein rechnerischer Ersatz-Referenzwert vorgebbar ist.

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