DE2651086B2 - Photometer - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Photometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Photometer ist aus der DE-OS 21 19 939 bekannt. Bei diesem Gerät wird der durch die Probenküvette getretene Lichtstrahl durch einen Strahlteiler aufgespalten. Die beiden Lichtstrahlen werden sodann durch selektive Lichtfilter geleitet, welche verschiedene Wellenlängenbereiche ausfiltern. Will man bei einem solchen Photometer die Wellenlängen der Meßstrahlung und der Referenzstrahlung ändern, so müssen die Filter ausgetauscht werden. Dies ist nicht nur unpraktisch, sondern bedeutet auch, daß eine kontinuierliche Veränderung der Wellenlängen nicht möglich ist.

Aus der DE-AS 12 31 459 ist es bekannt, ein Spektrum kontinuierlich abzutasten. Bei der bekannten Vorrichtung tasten zwei verschiebbare Detektoren das Spektrum an wählbaren Stellen ab.

Aus der US-PS 38 80 523 ist eine Einrichtung mit einem Beugungsgitter zur spektralen Zerlegung des durch eine Probenzelle hindurchgetretenen Lichtes bekannt. Die US-PS 38 80 523 sieht unter anderem auch die kontinuierliche Abtastung des erhaltenen Spektrums durch einen verschiebbaren Detektor vor.

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, homogener 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.

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. Darüber hinaus 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 bei Flüssigkeitschromoatographen 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, ein Photometer der eingangs genannten Art zu schaffen, das leicht und schnell an die Absorptionscharakteristiken verschiedener zu erfassender komponenten anpaßbar ist und bei dem die optischen

Abbildungsverhältnisse auf die Verwendung kleiner Meßküvetten, insbesondere für die Flüssigkeitschromatographie, abgestimmt sind. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Das erfindungsgemäße Photometer hat ein abbildendes System und erlaubt daher sehr präzise Messungen, auch wenn Störungen im Lösungsmittelfluß vorhanden sind.

Die Programmsteuerung erlaubt die jederzeitige optimale Anpassung der Detektoreinstellung an das aufzunehmende Chromatogramm. Überdies ermöglicht sie eine sehr schnelle Änderung der Einstellung, so daß auch in kurzen Zeitabständen die Trennsäule verlassende Komponenten jeweils optimal erfaßt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung erläutert In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch den mechanischen Aufbau eines Absorptionsdetektors,

Fig.2 das Blockschaltbild der Steuerung des Absorptionsdetektors gemäß F i g. 1,

Fig.3 ein typisches unter Programmsteuerung aufgenommenes Chromatogramm und

Fig.4a und 4b ein Fließdiagramm der Programmsteuerung.

In F i g. 1 ist mit 11 eine Strahlungsquelle, z. B. eine Deuterium-Lampe bezeichnet, die mit einer ersten Blende 13 versehen ist. Das aus der Blende 13 austretende Licht gelangt durch eine zweite Blende 15 zu einer Linse 17, die 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 Flüssigkeitschronatographen 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 ηm und sind in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien dargestellt. Sie gelten für das Feld erster Ordnung. In diesem Feld erster Ordnung sind längs einer Geraden 29 zwei Photodetektoren 31 und 33 verschiebbar angeordnet.

Die 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 Aphotodetektors31 bzw. 33.

Von den beiden Detektoren 31 und 33 wird einer für die Abtastung einer Meßweüenlänge verwendet, während der andere auf einer 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 vorhande Feld zweiter Ordnung unterdrückt

Die Programmsteuerung für die Schrittmotoren 43 und 45 sowie für die Photodetektoren 31 und 33 ist in

Hi Fig.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 intervace-Schaltung 53 einerseits eine Motoransteuerung 55 für die

2i) Schrittmotoren 43 und 45 sowie Vorverstärker 57 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

r, Vorverstärker 57 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 Wellenlän-

Ki ge 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.

Γι Ausgehend von diesen Endstellungen werden die beiden Photodetektoren 31 und 33 von den beiden Schrittmotoren 43 und 45 in präzisen Vorwärts- und Rückwärtsschritten bewegt, ohne daß eine Rückmeldung der jeweiligen Stellung an den Rechner 51 erforderlich ist.

4(i In F i g. 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

r> IV bezeichnet. Für jedes Zeitintervall sind eine optimale Referenzwellenlänge Xr, eine optimale Meßwellenlänge Xs sowie eine optimale Bereichseinstellung R gewählt worden. Der Abgleich der Photodetektoren erfolgt durch entsprechende Einstellung der Verstärkungsfak-

.Ii toren 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

v. 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 Fig.4a erwähnten »Ersatzwerte« sind diejenigen Wellenlän-

>.-■ genwerte, auf die die Photodetektoren 31 und 33 eingestellt werden, wenn von der Bedienungsperson keine anderen Werte in den Rechner eingegeben werden.

D?r Detektor kann auch dazu verwendet werden, das ■ Absorptionsspektrum einer Probe aufzunehmen und darzustellen. Dazu wird zunächst die Gesamtcharakteristik des Absorptionsdetektors bei 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 und der zuvor aufgenommenen Charakteristik mit Lösungsmittel allein stellt das Absorptionsspektrum der Komponente dar und kann z. B. mittels des Schreibers wiedergegeben werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Photometer mit einer Lichtquelle, einer probenküvette, einer Einrichtung zur räumlichen Zerlegung des durch die Probenküvette getretenen Lichts in wenigstens eine Meßstrahlung mit einer probenspezifischen Wellenlänge und eine Referenzstrahlung mit einer probenunspezifischen Wellenlänge, separaten Photodetektoren für die Meß- und Referenzstrahlungen sowie einer an die Photodetek- ι ο toren angeschlossenen Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zerlegung des Lichts aus einem Beugungsgitter (27) besteht, daß die Photoempfänger (31, 33) zum Empfang des Lichts wählbarer Spektralbereiche verschiebbar angeordnet sind, und daß zwischen der Lichtquelle (11) und der Probenküvette (25) eine Blende (15) sowie eine Optik (17) derart angeordnet sind, daß ein Bild der Lichtquelle (11) in der Probenküvette (25) und ein Bild der Blende (15) auf dem Beugungsgitter(27) entsteht.

2. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter aus einem konkaven Gitter (27) besteht und daß die Photodetektoren (31, 33) längs einer Geraden (29) verschiebbar angeordnet sind, entlang der die einzelnen Spektralkomponenten der ersten Beugungsordnung auftreten.

3. Photometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmsteuerung (51, 53, 55) zur Einstellung der Lage der Photodetektoren (31, 33) vorgesehen ist, die entweder zur Verschiebung der Photodetektoren (31, 33) jeweils in eine von mehreren bestimmten Stellungen zu jeweils wählbaren Zeitpunkten oder zur kontinuier- r> liehen Verschiebung wenigstens eines der Photodetektoren ausgebildet ist.