DE2930104A1 - Verfahren und einrichtung zur emissionsspektrometrischen bestimmung des deuterium-wasserstoff-verhaeltnisses in markierten wasserproben - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung zur emissionsspektrometrischen
• Bestimmung des Deuterium-Wasserstoff-Verhältnisses in markierten Wasserproben Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur emissionsspektrometrischen Bestimmung des Deuterium-Wasserstoff-Verhältnisses in markierten Wasserproben, bei dem Spektrallinien der Wasserdampfbestandteile mittels einer hochfrequenzinduzierten Gasentladung erzeugt werden und bei dem die Auflösung der isotopen Spektrallinien mit einem Fabry-Perot-Interferometer und eine Registrierung der Intensität der Spektrallinien erfolgt.
• Deuterium gewinnt als Tracer in Biologie und Biochemie zunehmend an Bedeutung. In diesem Zusammenhang sind Verfahren zur Bestimmung des relativen Deuteriumgehaltes in Wasserproben von Interesse, da sich der Wasserstoff (bzw. Deuterium) markierter organischer Verbindungen leicht in Wasser überführen läßt.
• Die emissionsspektrometrische Methode zur Messung des Deuteriumanteils in Wasserproben ist seit längerem bekannt und z.B. in Müller G.K; Mausberger; H. Sprinz: "Analyse stabiler Isotope durch spezielle Methoden", Akademie Verlag Berlin 1969 beschrieben. Bis heute wurde jedoch noch kein für den Laboratoriumseinsatz brauchbares kompaktes Gerät entwickelt. Bei diesen Apparaturen werden allgemein Generatoren mit Leistungen von 50-500 W und Frequenzen zwischen lo und Soo MHz verwendet. Es kommt meist ein Durchflußsystem zur Anwendung, bei dem der Dampf über einer Wasserprobe durch das Entladungsrohr hindurch abgesaugt wird.
• Die Auflösung der isotopen Spektrallinien geschieht i.a. mit einem Gitterspektrographen, zuweilen auch mit einem Fabry-Perot-Interferometer(Pascalan, M; E. Weissmann, Abh. dtsch. Akad. d. Wiss.
• Berlin,Chem. Geol. Biol. 1964 S. 441).In beiden Fällen wird das Spektrum durchgescannt (Ausnahme: photographische Registrierung). Die Registrierung der Lichtintensität erfolgt mit einem Photomultiplier oder fotografisch.
• Das Betreiben der o. g. Generatoren ist aus Gründen der Sicherheit des Funkverkehrs oft mit Schwierigkeiten verbunden (Postzulassung!) und Geräte hoher Leistung weisen meist beachtliche Baugrößen auf. Durchflußsysteme machen ein umfangreiches Druckregel- und Pumpsystem erforderlich. Es entstehen lange Meßzeiten bei Wechsel zwischen Proben stark unterschiedlicher Anreicherung, da gewartet werden muß, bis Memory-Effekte durch die vorangegangene Probe verschwunden sind. Die Probe ist nicht weiterverwendbar. Auch Gitterspektrographen mit der notwendigen Auflösung (Linienabstand H -D = 1,8 Å) sid große und teure Geräte, die a a allein für diesen Zweck anzuschaffen meist nicht lohnt. Das Abfahren des Spektrums erfordert eine Auswertung von Schreiberdiagrammen' photographische Verfahren sind noch aufwendiger.
• Zuletzt erfordern Photomultiplier eine Hochspannungsversorgung.
• Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zu bieten, das speziell für die Messung von Deuteriumanreicherungen in Wasserproben konzipiert ist und durch Intensitätsmessung an zwei isotopen Spektrallinien, die von einer hochfrequenzinduzierten Gasentladung emittiert werden, mit einem Minimum an optischem Aufwand und Probenvorbereitung und einer für die meisten Anwendungen ausreichenden Genauigkeit arbeitet.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Merkmalen des Anspruches 1 verfahrensmäßig und in den Merkmalen des Anspruchs 2 einrichtungsmäßig angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung geben die Merkmale der Ansprüche 3 bis 6 wieder. Das Merkmal des Anspruches 7 zeigt eine Möglichkeit auf, die eine beidendseitige Kühlung des Röhrchens für die Probe mit Temperaturgefälle vorsieht, wodurch ein Durchfluß von Dampf erzeugt und eine erhebliche Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Messung erreicht wird.
• Das erfindungsgemäße Gerät erlaubt demnach eine schnelle Messung an kleinen Wassermengen durch Auswertung der Intensitäten zweier isotoper Linien im Emissionsspektrum einer Wasserdampf-Gasentladung. Die Wasserproben befinden sich hierzu in evakuierten und zugeschmolzenen Glasröhrchen. Im Dampf über der gekühlten Probe läßt sich mit Hochfrequenz die Entladung anregen. Interferenzfilter selektieren einen schmalen Bereich um die H - und D -Linie CL CL im Balmerspektrum der Gasentladung. Ein Fabry-Perot-Interferometer erzeugt ein Interferenzringsystem, in dem die Linien getrennt als aufeinanderfolgende Ringe erscheinen. Sie werden geometrisch separiert und die Intensitäten mit zwei Fotodioden gemessen. Die angeschlossene Elektronik erlaubt eine sofortige Verrechnung der Signale. Das Meßergebnis ist durch Vergleich mit Proben bekannten Deuteriumgehaltes zu korrigieren.
• Mit der Erfindung werden zwar nicht die hohen Genauigkeiten der massenspektrometrischen Messungen erreicht, sie bietet jedoch die Vorteile, daß nur eine einfache Probenpräparation diene Reduktion nötig ist, daß Proben unterschiedlichster Anreicherung ohne Gefahr von Memory-Effekten nacheinander meßbar sind, und daß ein erheblich geringer Apparate- und Kostenaufwand notwendig wird.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 bis 3 näher erläutert, wobei die Fig. 1 eine schematische Übersicht über das Gerät, Fig. 2 den konstruktiven Aufbau und Fig. 3 eine Eichkurve darstellen.
• Die Wasserprobe 11 ( 20/ul) wird in ein evakuiertes Glasröhrchen 2 (s. Fig. 1) eingeschmolzen. Die Kühlung des Röhrchenbodens auf ca. OOC bewirkt einen Dampfdruck van ca. 4,5 Torr in der Probe 11, so daß eine Gasentladung mit ausreichender Intensität möglich ist.
• Durch den permanenten Austausch zwischen gasförmiger und flüssiger Phase lassen sich die bei reiner Gasfüllung auftretenden Fehler durch Wandbelegungen vermeiden. Diese Technik schließt Memory-Effekte von vornherein aus, und es ist zudem möglich, die Proben 11 öfter zu messen und für andere Zwecke weiterzuverwenden.
• Zur Kühlung der Probe 11 wird ein Peltier-ICiihlgerät 3 mit Temperaturregelung verwendet (Peltron GmbH, Nürnberg) . Wird das obere Ende 27 des Röhrchens 2 ebenfalls gekühlt, und zwar mit N2-flüssig, so entsteht hierin ein Temperaturgefälle, welches eine Dampfstromur.g von der kühlung 7 zum anderen Ende erzeugt ( Durchflußmessung). Diese Methode verbessert die Reproduzierbarkeit erheblich.
• Die Annegung der Gasentladung in dr Probe 11 geschieht mit einem 2,45 GHz Hochfrequenzgenerator 1 niedriger Leistung (10 - 30 W).
• Hierfür gibt es preisgünstige Tischeerate (z.B. Microtron, Fa.
• Schäfer, Neuisenburg). Bei dieser Frequenz bestehen keine Schwierigkeiten der Genehmigung durch die Bundespost.
• Die Auswertung des Emissionsspektrums erfolgt derart, daß die Strahlung aus der Probe 11 über ein Langloch 25 (s. auch Fig. 2) aus dem Resonator 1 in das eigentliche Meßgerät eindringt. Dieses besteht im äußeren Aufbau aus zwei Rohrteilen 24 25 welche auf jeweils einer Seite einer Kammer 26 befestigt sind. Das Rohrteil 24 (s. auch Fig. 2) enthält die Linsen 13 und 14, und die Filter 4, 4f, 5 sowie das Blendensystem 15 (in Fig. 2 sind mehrere Elenden vorgesehen), mit denen ein paralleler Strahlengang 16 erzeugt wird. Mit dem Interferenzfilter 6 (Oriel, Darmstadt) erfolgt eine Selektion eines engen Spektralbereiches um die H. und Linien im Spektrum der Gasentladung der Probe 11. Zur besseren Unterdrükkung des restlichen Spektralbereiches betinden sich noc ein Wärmeschutzfilter 4' (KG 3), ein Kantenfilter 4 (RG 630) und ein Breitbandinterferenzfilter 5 (Schott, Mainz) im Strahlengang.
• In der Kammer 26 befindet sich das Fabry-Perot-Interferometer 7 mit festem Etalonabstand, das ein Interferenzringsystem erzeugt.
• Dieses Interferometer 7 besteht lediglich aus einer beidseitig verspiegelten Quarzplatte von o,5 mm Dicke, die senkrecht zum Strahlengang 16 angeordnet ist.
• Das Interferenzringsystem wird von der Linse 12, die im zweiten Rohrteil 25 befestigt ist, in zwei Ringe 22, 23 geometrisch separiert. Der innere Ring 22 entspricht der Hα - Linie; der äußere Ring 23 der D -Linie. Der innere und der äußere Ring CL 22 u. 23 werden jeweils mittels Linsen 17 und 18 auf eine Fotodiode 8 bzw. 9 fokussiert. Ihre Intensitäten werden in einer elektronischen Schaltung lo simultan verarbeitet. Hierbei erzeugt die Schaltung lo ein dem Quotienten D/(D+H) proportionales Ausgangssignal. Dieses kann mittels eines Digitalvoltmeters und Drukkers cder eines S6lreibers (alle nicht dargestellt) registriert werden.
• In Fig. 2 ist die technisch-konstruktive Ausführung der Einrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt (die Bezugszeichen sind überncmmen). Das Gerät ist über das Peltier-Kühlelement 3 und eine Halterung 29 an einer Platte 30 befestigt. An der Platte 30 ist noch ein Lüfter 31 (Papst-Typ RLr9o - 18/50) und ein Kühlkörper 32 mit Rippen angeordnet. Im Gegensatz zur Darstellung nach Fig. 1 besteht das Blendensystem 15 nicht nur aus einer Blende, sondern aus mehreren, im Abstand voreinander liegenden Einzelblenden mit abnehmendem Blendenöffnungsdurchmesser, wanit der Einfluß von Streustrahlung verringert werden kann. Im Bereich des Blendensystems 15 kann noch eine Fotodiode 33 angeordnet sein, die der Background-Korrektur dient.
• Die Fotodiode 8 und ihre Fokussierungslinse 17 sind in einer Halterung 19 untergebracht. Diese Halterung 19 besteht aus einem Konus (Außenfläche) mit innerer Sackbohrung 34 zur Aufnahme der Diode 8 und Linse 17. Die konus (Kegel)-förmige Außenfläche bildet mit einem entsprechend geformten Innenteil 20 des Rohres 25 einen sich verjüngenden Ringspalt 21, durch den der Ring 23 hindurchtritt Hinter der Halterung 19 (im Strahlengang gesehen) steht die Fokussierungslinse 18,die den Ring 23 auf die Fotodiode 9 abbildet.
• Dies erfindungsgemäße Gerät wurde im Bereich von o- 33 % mit Proben bekannten Deuteriumgehaltes getestet, hergestellt durch Wiegen und Mischen von Wasser natürlicher Anreicherung (o,ol5 % D) und 99,75 %ig deuteriertem Wasser (Merck). Pro Meßpunkt wurden 5 Proben verwendet, die jeweilige Probenmenge betrug 5o/ul.
• Die Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des gemessenen D/(D+H)-Verhältnisses vom Deuteriumgehalt (Durchflußmessung). Die Kurve schneidet die Ordinate bei o.58%, bedingt durch den unvermeidlichen aber konstanten Background im Spektrum.
• Aus den Standardabweichungen ergibt sich die absolute Meßgenauigkeit im Bereich o.l - 1% zu ca. +o.o2%, im Bereich 1 - lo% zu ca. +o.l% und im Bereich lo - 33% zu ca. +0.5%. L e e r s e i t e

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1) Verfahren zur emissionsspektrometrischen Bestimmung des Deuterium-Wasserstoff-Verhältnisses in markierten Wasserproben, bei dem Spektrallinien der Wasserdampfbestandteile mittels einer hochfrequenzinduzierten Gasentladung erzeugt werden, und bei dem die Auflösung der isotopen Spektrallinien mit einem Fabry-Perot-Inteferometer und eine Registrierung der Intensität der Spektrallinien erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (11) in ein Rohr (2) eingeschlossen wird, daß die Probe (11) im Rohr (2) auf eine Temperatur herabgekühlt wird, bei der ein vorgebbarer Dampfdruck über der Probe (11) entsteht, daß die Anregung der Gasentladung mit niedriger Leistung vorgenommen wird, daß eine Selektion eines engen Spektralbereiches um die H - und D -Linie vorgencm-CL CL men wird, daß mit dem Interferometer (7) zwei, den beiden Linien entsprechende Ringe (22,23) geometrisch separiert und dalndie Intensitäten der beiden Linien mittels Photodetektoren (8, 9) gemessen und ausgewertet werden.
2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (11) in einem Glasröhrchen (2) eingefroren, zugeschmolzen und mittels eines Kühlelementes (3) gekühlt ist, daß der Wasserdampf mittels des Hochfrequenzresonators (1) im Bereich von MHz bis einige GHz zur Aussendung der H - u. D -Linien anregbar ist, daß Kantenfilter CL CL (4) und Interferenzfilter (5, 6 ) den Spektralbereich um die H - u.D -Linien selektieren, daß das Fabry-Perot-Interferome-CL CL ter (7) mit festem Etalonabstand die beiden Linien trennt, daß eine anschliessende Linse (12) das Ringsystem erzeugt, wodurch die beiden Linien H u. Da geometrisch voneinander getrennt sind, und daß die Intensitäten beider, den Linien Ha und D CL entsprechender Ringe (22, 23) mittels der Fotodioden(8 u. 9) meßbar und in der elektronischen Signalverarbeitung (lo) feststellbar sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Strahlung aus der Probe (11) mittels zweier Linsen (13 u. 14) sowie einer Blendenanordnung (15) als ein paralleler Strahlengang (16) ausbildbar ist, der das durch Neigung zum Strahlengang (16) in der Welleniänge abgestimmte Interferenzfilter (6) und das senkrecht zum Strahlengang (16) gestellte Fabry- Perot-Interferaneter (7) durchtritt, wonach die beiden Ringe (22, 23) entsprechend der H - und D Linien entstehen, die über die weiteren Linsen (17 CL CL und 18) jeweils auf die Fotodioden (8bzw.9) fokussierbar sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiode (8) und deren Fokussierungslinse (17) in einer Halterung (19) untergebracht sind, welche mit einem Teil (20) der Gehäusewandung (25) einen Ringspalt (21) bildet, durch die die Strahlung des äußeren Ringes (23) ausgeblendet wird und ausschließlich auf die Fokussierungslinse (18) für die Fotodiode (9) auftrifft.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgendem, dadurch gekennzeichnet, daß zwei langgestreckte Rohre (24 u. 25) an sich gegenüberliegenden Seiten einer Kammer (26) für das Interferenzfilter (6) angeordnet sind und alle optischen Teile (4, 13, 15, 5, 14, 6, 7, 12, 17, 8, 19-21, 18 und 9)aufnehmen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgendem, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (3) ein Peltier-Kühler ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder ein.em der folgendem, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (2) auch auf seiner anderen Seite (27) mit einer Kühlung versehen ist, die eine tiefere Temperatur herstellt als das Kühlelement (3).