DE3013765C2

DE3013765C2 -

Info

Publication number: DE3013765C2
Application number: DE3013765A
Authority: DE
Inventors: Heiner Dipl.-Phys. Dr. Koestlin; Manfred 5100 Aachen De Peterek; Hartwig Dipl.-Chem. Dr. 5106 Roetgen De Schaper; Robert John Dr. Reach Cambridge Gb Dolphin; Frederick William Dr. East Grinstead Sussex Gb Willmott
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-04-10
Filing date: 1980-04-10
Publication date: 1989-01-26
Also published as: US4431919A; GB2076149A; DE3013765A1; FR2480434A1; JPS56155834A; FR2480434B1; GB2076149B; JPH0225137B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum qualitativen und quantitativen Nachweis von chemischen Stoffen in einem Lösungsmittel, insbesondere in einer aus der Trennsäule eines Flüssigkeitschromatografen austretenden mobilen Phase.

Bei der Flüssigkeitschromatografie wird die mobile Phase nach der chromatografischen Trennung von Stoffgemischen einer Nachweisvorrichtung zur Registrierung der nacheinander aus der Trennsäule eluierten Komponenten zugeleitet. Es ist aus der DE-OS 25 22 488 und der DE-OS 27 54 790 bekannt, als Nachweisvorrichtung eine UV-Absorptions- oder eine Fluoreszenz-Detektorvorrichtung zu verwenden. In beiden Fällen ist ein erheblicher Aufwand an optischen und elektronischen Hilfsmitteln erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfacher aufgebaute Nachweisvorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Nachweisvorrichtung gelöst, die durch eine Elektrochemolumineszenzzelle mit Anschlüssen für den Ein- und Auslaß der zu untersuchenden Flüssigkeit und mit Elektroden, wobei die Elektroden mit einer Spannungsquelle und einem Strommeßgerät in Reihe verbunden sind, sowie durch einen Detektor für die erzeugte Elektrochemolumineszenzstrahlung gekennzeichnet ist.

Elektrochemolumineszenzzellen mit den zuvor angegebenen funktionswesentlichen baulichen Merkmalen sind an sich aus der DE-OS 23 56 940 und der US-PS 27 65 419 bekannt. Diese Zellen werden jedoch als aktive Lichtquellen verwendet.

Die Erfindung beruht demgegenüber auf dem Gedanken, das Prinzip der Elektrochemolumineszenz (ECL) zum qualitativen und quantitativen Nachweis von chemischen Stoffen in einem Lösungsmittel, insbesondere in der mobilen Phase, die aus der Trennsäule eines Flüssigkeitschromatografen austritt, anzuwenden.

ECL ist eine Leuchterscheinung, die bei der Reaktion von hochenergetischen Reaktanten, die elektrochemisch erzeugt worden sind, auftritt. Im einfachsten Fall werden beide Reaktanten aus demselben Grundstoff nach folgenden Reaktionsgleichungen gebildet:

M → M⁺ + e^-
Anodenvorgang
M + e ^- → M^-	Kathodenvorgang
M⁺ + M^- → M* + M	Rekombination in der Lösung
M* → M + h · r	Lumineszenz

M ist dabei beispielsweise ein Derivat eines kondensierten aromatischen Kohlenwasserstoffs, etwa aus der Anthracen- oder Tetracenreihe. Wegen der außerordentlich hohen Reaktivität der elektrochemisch erzeugten Radikalionen M⁺ und M^- und der damit verbundenen geringen Lebensdauer müssen M⁺ und M^- an örtlich eng benachbarten Stellen erzeugt werden.

Bei der Gleichspannungs-ECL ermöglicht man dies durch nahe beieinander angeordnete Elektroden (∼1 mm Abstand), bei der Wechselspannungs-ECL dadurch, daß man beide Ionensorten in rasch aufeinanderfolgenden Zeiträumen («1 s) abwechselnd an nur einer Elektrode mit Wechselspannung erzeugt. Bei beiden Betriebsweisen wird die Lösung durch Zusatz eines Hilfselektrolyten sehr gut elektrisch leitfähig gemacht.

Wenn die erzeugte ECL-Strahlung durch eine Elektrode hindurch gemessen werden soll, ist die dem Detektor zugewandte Elektrode transparent.

Die stoffspezifische Selektivität der Nachweisvorrichtung kann durch zwei Maßnahmen gesteigert werden:

1. Die Spannungsquelle ist eine Gleichspannungsquelle, deren Spannung der Anregungsenergie des nachzuweisenden Stoffes anpaßbar ist.
2. Der Detektor ist für eine spektrale Selektion des emittierten Lichtes ausgebildet. Dies erlaubt es einerseits, Störstrahlung zu unterdrücken. Andererseits kann eine spektrale Selektion unmittelbar als Hilfe zur Identifikation der Stoffe dienen.

In einer bevorzugten Ausführungsform gelingt es, ECL in Lösungen sehr niedriger elektrischer Leitfähigkeit, d. h. ohne Zusatz eines Leitsalzes, anzuregen. Man muß dazu jedoch den Elektrodenabstand sehr stark verringern, nämlich auf nur wenige µm (J. Electrochem. Soc. 122 [1975] 632-640; nicht vorveröffentlichte DE-OS 29 28 725).

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können alle Stoffe nachgewiesen werden, mit denen ECL erzeugt werden kann, also insbesondere Verbindungen aus der Klasse der aromatischen Kohlenwasserstoffe und ihrer Derivate, der Heterocyclen, der metallorganischen Verbindungen, der Farbstoffe, der excimeren und exciplexen Verbindungen und der Ladungsübertragungskomplexe.

Als Lösungsmittel können grundsätzlich alle aprotischen organischen Lösungsmittel verwendet werden, die unter den Betriebsbedingungen der ECL inert sind, z. B. aromatische Kohlenwasserstoffe, chlorierte Alkane, mono- oder polyfunktionelle Äther, Amide, Nitrile, Sulfoxide oder Gemische aus diesen. Die Lösungsmittel sollten H₂O- und O₂-frei sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere die Vorteile auf, daß sie sich für die chemische Spurenanalytik, insbesondere für die Anwendung in Flüssigkeitschromatografiesystemen eignet, in der Nachweisempfindlichkit vergleichbaren Detektoren (UV-, Fluoreszenz-Detektoren) weder hinsichtlich der Stoffmenge noch der Konzentration nachsteht und sehr viel einfacher aufgebaut ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine ECL-Zelle mit einem Detektor im Schnitt und

Fig. 2 einen schematischen Meßaufbau.

Die nachstehend erläuterte Nachweisvorrichtung macht von der zuvor erwähnten Betriebsweise Gebrauch, bei der ECL in Lösungen sehr niedriger elektrischer Leitfähigkeit angeregt wird. Sie wird aus einer ECL-Zelle, einer Spannungsquelle, einem Strommeßgerät und einem Detektor, im allgemeinen einem Photomultiplier, gebildet. Die eigentliche ECL-Zelle (Fig. 1) besteht aus zwei einander gegenüber angeordneten ebenen plattenförmigen Elektroden 1 und 2, die mit einer Grundplatte 4, einem Dichtungs- bzw. Abstandsrahmen 3 und einer Druckplatte 6 mit einer weiteren Dichtung 5 zu einer dichten Kammer verschraubt werden. Die Druckplatte enthält Bohrungen und Anschlüsse 7 für den Ein- und Auslaß des zu untersuchenden Flüssigkeitsstromes; ebenso muß die der Druckplatte benachbarte Elektrodenplatte Bohrungen erhalten, um den Zufluß zum Raum zwischen den Elektroden zu gewährleisten.

Die elektrische Kontaktierung erfolgt an den überstehenden Elektrodenrändern mittels eingeschraubter Druckkontakte 8 und 9.

Der in Fig. 1 dargestellte Aufbau in Form einer Dünnschicht- ECL-Zelle bedingt, daß die dem Photomultiplier zugewandte Elektrode 1 transparent ist; im vorliegenden Fall handelt es sich um eine pyrolytisch auf einem Glassubstrat abgeschiedene In₂O₃:Sn-Schicht. Es kommen aber auch andere Materialien wie SnO₂:Sb oder sehr dünne Metallschichten auf transparenten Trägern in Frage.

Die Elektrode 2, welche die Gegenelektrode bildet, braucht nicht transparent zu sein; im Gegenteil, wenn sie möglichst gut reflektiert, ist gewährleistet, daß kein Anteil des in der Zelle emittierten Lichts an der Gegenelektrode verlorengeht. Als Elektrodenmaterial kommen alle Metalle entweder als dünne Schicht auf Trägern (z. B. Glas) oder in massiver Form in Frage. Im vorliegenden Fall besteht die Gegenelektrode aus einer Silberaufdampfschicht auf Glas. Man kann die Druckplatte 6 und die Gegenelektrode auch zu einem Bauteil zusammenfassen. Der Dichtungs- bzw. Abstandsrahmen 3 besteht aus einer dünnen, elektrisch isolierenden Kunststoffolie mit einer Dicke von etwa 5 bis 50 µm, im vorliegenden Fall aus einer etwa 25 µm dicken PTFE-Folie. Die Umrisse der eigentlichen ECL-Zelle sind aus diesem Abstandshalter ausgeschnitten.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Meßaufbau. Durch Anschluß einer Spannungsquelle 11 über die Stromzuführungen 8 und 9 kann die in der Zelle 12 befindliche Lösung, sofern sie einen anregbaren Stoff enthält, während der Dauer ihres Aufenthalts in der Zelle zum Leuchten gebracht werden. Man erhält dann am Detektor 13, z. B. einem Photomultiplier, einen entsprechenden Photostrom und beobachtet gleichzeitig am Strommeßgerät 14 eine starke Zunahme des durch die ECL-Zelle fließenden elektrischen Stromes. Beide Signale können während des Lösungsdurchflusses mit einem Schreiber 15 registriert werden. Der Betrieb kann sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselspannung erfolgen.

Beispiel

Als Lösungsmittel wurde 1,2-Dimethoxyethan (DME) verwendet, das mit einer Pumpe kontinuierlich durch die Zelle gepumpt wurde (etwa 1 ml/min). Mit Hilfe eines Probenaufgabeventils wurden jeweils 5 µl einer Lösung des nachzuweisenden Stoffes in DME in den Lösungsmittelstrom (1 ml/min) injiziert und die bei Passieren des ECL-Zellvolumens (5 µl) während einiger Sekunden auftretenden Signale registriert. Es wurden Gleichspannungen von etwa 10 V angelegt, wobei die transparente Elektrode aus Stabilitätsgründen als Anode geschaltet wurde. Es war ohne weiteres möglich, Rubren (5,6,11,12-Tetraphenyltetracen) in DME in Konzentrationen von 10^-8 Mol/l bzw. in einer Menge von 2,5·10^-11 g nachzuweisen.

Claims

1. Vorrichtung zum qualitativen und quantitativen Nachweis von chemischen Stoffen in einem Lösungsmittel, insbesondere in einer aus der Trennsäule eines Flüssigkeitschromatografen austretenden mobilen Phase, gekennzeichnet durch eine Elektrochemolumineszenzzelle (12) mit Anschlüssen (7) für den Ein- und Auslaß der zu untersuchenden Flüssigkeit und mit Elektroden (1, 2), wobei die Elektroden mit einer Spannungsquelle (11) und einem Strommeßgerät (14) in Reihe verbunden sind, sowie durch einen Detektor (13) für die erzeugte Elektrochemolumineszenzstrahlung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Detektor (13) zugewandte Elektrode (1) transparent ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (11) eine Gleichspannungsquelle ist, deren Spannung der Anregungsenergie des nachzuweisenden Stoffes anpaßbar ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (13) für eine spektrale Selektion der erzeugten Elektrochemolumineszenzstrahlung ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (1, 2) wenige µm beträgt und daß die zu untersuchende Flüssigkeit kein Leitsalz enthält.