DE3139917C2

DE3139917C2 -

Info

Publication number: DE3139917C2
Application number: DE19813139917
Authority: DE
Inventors: Tsuguo Kodaira Tokio/Tokyo Jp Sawada; Shohei Kasukabe Saitama Jp Oda
Original assignee: Toyo Soda Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 1980-10-07
Filing date: 1981-10-07
Publication date: 1989-05-24
Also published as: DE3139917A1; FR2491623B1; FR2491623A1; JPH0219894B2; GB2089041A; CA1186402A; JPS5764145A; GB2089041B

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußdetektor für die photoakustische Spektroskopie strömender Flüssigkeitsproben gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Im allgemeinen emittiert ein Material, welches Licht absorbiert hat, Fluoreszenzlicht oder optische Schallwellen, wie es durch das folgende Schema verdeutlicht wird:

Von den drei durch das obige Schema dargestellten Prozessen werden die Lichtabsorp tion und die Fluoreszenzlichtemission in der Praxis zur Analyse von strömenden Flüs sigkeiten angewandt, beispielsweise in Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie- Detektoren oder -Meßzellen, welche im ersteren Fall Lichtabsorptionsdetektoren dar stellen, die im ultravioletten oder im sichtbaren Bereich des Spektrums wirksam sind, während der letztere Prozeß in der Praxis bei Fluoreszenzlicht-Detektoren angewandt wird. Bei der Absorptionsmethode wird das Verhältnis von durch die Materialprobe ab sorbiertem Licht zu dem nicht absorbierten Licht gemessen. Bei der Fluoreszenzlicht methode oder der photoakustischen Methode ist das Rauschsignal oder Untergrundsig nal annähernd Null, wenn die Materialprobe kein Fluoreszenzlicht oder keine optisch erzeugten Schallwellen emittiert, so daß man davon ausgehen kann, daß man hochempfindliche Meßergebnisse mit Materialproben erzielen kann, die Fluoreszenz licht oder optische Schallwellen emittieren. In der Tat stehen Fluoreszenzlicht-Detek toren zur Verfügung, mit denen fluoreszierende Materialien mit hoher Genauigkeit be stimmt werden können; hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Anzahl der fluoreszenzemittierenden Materialien begrenzt ist. Es ist daher anzunehmen, daß die photoakustische Bestimmungsmethode bzw. die Photo-Akustik-Spektroskopie im Fall der Flüssigkeits-Chromatographie etc. mit hoher Genauigkeit auf viele Materialien an gewandt werden könnte, wenn die photoakustische Bestimmung als solche oder in Kombination mit Fluoreszenzmessungen auf Materialien angewandt werden könnte, welche sich in fließendem Zustand befinden. Bislang wurde die photoakustische Be stimmungsmethode ausschließlich auf Gasproben und Feststoffproben angewandt, wo zu Kondensatormikrophone als Meßfühler verwendet werden.

So sind aus der DE-OS 24 28 884 Detektoren für die photoakustische Bestimmung von festen und stoffartigen Körpern, aus der US-PS 42 00 399 Detektoren für die photo akustische Bestimmung von Gasen und Aerosolen sowie aus dem JP-Abstract 54-59188 und der US-PS 38 20 901 Detektoren für die photoakustische Bestimmung von Gasen bekannt. Alle Verfahren werden unter Verwendung eines Mikrophons als Meßeinheit durchgeführt.

Diese Methode kann jedoch nicht auf flüchtige Materialien angewandt werden und hat aufgrund der Tatsache, daß Wasserdampf für Kondensatormikrophone schädlich ist, nur geringe Anwendung auf Flüssigkeitsproben gefunden. Weiterhin sind keinerlei Be richte darüber bekannt, die photoakustische Bestimmungsmethode auf fließende oder strömende Flüssigkeitsproben anzuwenden, wie sie bei der Hochleistungs-Flüssigkeits- Chromatographie auftreten, da in diesem Fall neben dem photoakustischen Effekt der Proben anderweitige Druckänderungen auftreten, wodurch sich erhebliche Schwierig keiten ergeben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Durchflußdetektor für die photoakustische Spektroskopie strömender Flüssigkeitsproben zu schaffen, welche eine äußerst genaue Bestimmung der optischen Schallwellen, die durch eine Flüssigkeitsprobe erzeugt werden, ermöglicht, welche sich nicht in stationärem oder ruhendem Zustand, sondern in fließendem oder strömendem Zustand befindet.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch den Durchflußdetektor für die photoakustische Spektroskopie strömender Flüssigkeiten nach Anspruch 1. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes.

Der erfindungsgemäße Durchflußdetektor weist eine Probenkammer auf, die gekenn zeichnet ist durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale:

a) die Probenkammer enthält einen Durchflußkanal 21;
b) der Durchflußkanal wird von zwei einander gegenüberliegenden Endplatten 14, 14′ begrenzt, von denen wenigstens eine als Fenster zum Eintritt des pulsierenden Lichtes ausgebildet ist;
c) in der Nähe der Enden des Durchflußkanals münden je eine Zuflußleitung 16 und Ab flußleitung 17;
d) im Bereich des Strömungsweges Zuflußleitung-Durchflußkanal-Abflußleitung ist ein piezoelektrischer Druckaufnehmer 12 vorgesehen, der von der Flüssigkeit beauf schlagt ist.

Der Durchflußdetektor umfaßt weiterhin eine Lichtquelle zur Bestrahlung der in der Probenkammer enthaltenen Probe mit Licht und eine Meßeinrichtung zur Bestim mung der in der Probe erzeugten Druckänderungen.

Mit diesem Detektor, bei dem die Flüssigkeitsprobe durch die Durchflußzelle fließt, die mit einem Druckmeßfühler ausgerüstet ist, gelingt es, die gelösten Bestandteile der Flüssigkeitsprobe ohne deren Zerstörung und mit hoher Empfindlichkeit über die op tisch erzeugten Schallwellen zu messen, die dann auftreten, wenn man die durch die Meßzelle hindurchfließende Flüssigkeitsprobe mit intensivem Licht, wie einem Laser strahl, bestrahlt.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnun gen erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des optischen Systems des Detektors;

Fig. 2A, B, C, D und E vergrößerte Schnittansichten der Durchflußzelle;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung, bei denen die Werte des Signals, des Rauschens und des Signal/Rauschver hältnisses gegen die Modulationsfrequenzen eines photoakustischen Filter-Modulators aufgetragen sind;

Fig. 4 einen Vergleich von Chromatogrammen, die die Er gebnisse gleichzeitiger Messungen mit dem photo akustischen Detektor und einem Absorptionsdetektor, wie er üblicherweise bei der Hochleistungs-Flüssig keits-Chromatographie verwendet wird, wiedergeben; und

Fig. 5 einen Vergleich von Diagrammen, die das Grund rauschen eines Absorptionsdetektors dem des photoakustischen Detektors gegenüberstellen.

Wie aus der Fig. 1, die schematisch das optische System des erfindungsgemäßen Detektors zeigt, zu erkennen ist, umfaßt diese Anordnung im wesentlichen eine Lichtquelle 1 und eine Meßfühler oder Sensoren enthaltende Durchfluß zelle 4. Die in der Durchflußzelle 4 vorliegende zu unter suchende Flüssigkeit wird mit dem aus der Lichtquelle 1 einfallenden Licht bestrahlt, worauf der in dieser Weise erzeugte optische Schall mit Hilfe des Meßfühlers oder Sensors gemessen wird, der in der Durchflußzelle 4 ange ordnet ist.

Wenngleich erfindungsgemäß als Lichtquelle bevorzugt Laserlicht, welches im sichtbaren oder im ultravioletten Bereich des Spektrums liegen kann, verwendet wird, ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Emissionslinie von Quecksilberdampflampen oder Xenonlampen als bestrahlendes Licht heranzuziehen.

Mit Vorteil kann man erfindungsgemäß als Meßfühler oder Sensoren Drucksonden, wie piezo-elektrische Keramikmeß fühler und andere piezo-elektrische Meßfühler oder Sensoren verwenden.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Durchflußdetektors für die Flüssigkeits-Chromatographie sollte die Kapazität oder das Aufnahmevolumen der Durchflußzelle in dem Detektor vorzugsweise weniger als 300 µl betragen.

Wenngleich der erfindungsgemäße Durchfluß detektor im Hinblick auf die Strömungsgeschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit nicht beschränkt ist, sollte diese Strömungsgeschwindigkeit vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 10 ml/min liegen, wenn der Detektor als Flüssigkeits Chromatographie-Detektor eingesetzt wird.

Im Fall von Überwachungsmeßgeräten sollte die Kapazität oder das Füllvolumen der Durchflußzelle vorzugsweise weniger als 10 ml bei den oben angegebenen Strömungsge schwindigkeiten betragen.

Die Fig. 2A, B, C, D und E zeigen verschiedene Ausführungs formen der erfindungsgemäßen Durchflußzelle 4 in vergrößer tem Maßstab.

Der in der Fig. 2A dargestellte Durchflußkanal 21 wird an der oberen und unteren Seite durch eine Membran 13 bzw. einen Metallblock 19 begrenzt. Beide Endabschnitte des Kanals 21 werden von Quarzfensterplatten 14, 14′ begrenzt, welche mit abdichtenden Metallklemmeinrichtungen 20 festge legt sind und als Fenster für das einfallende Licht dienen. Die Seitenbereiche des Durchflußkanals 21 werden durch nicht dargestellte Dichtungen und Metallbegrenzungen definiert. Der in dieser Weise definierte Durchflußkanal ist in dem optischen Weg des einfallenden Lichtes ange ordnet.

Die Membran 13 ist mit der unteren Oberfläche eines Metallblockes 18 verbunden, welcher eine Bohrung aufweist, in der ein piezo-elektrisches Keramikelement 12 angeordnet und an dieser Stelle mit der Membran 13 verbunden ist. Der Element 12 ist über den Kupferdraht 10 und dem vordersten Abschnitt eines Verbindungsanschlusses 8 verbunden, welcher seinerseits in dem oberen Abschnitt des Blockes 18 vorgesehen ist. Das Element 12 ist weiterhin über ein Teflonrohr 9 und eine Gummidichtung 11 mit dem Anschlußstück 8 fest ver bunden. Der Metallblock 19 umfaßt zwei Durchgangsbohrungen, deren Öffnungen auf der der Membran 13 gegenüberliegenden Seiten liegen, welche mit einem Einlaß 16 und einem Auslaß 17 versehen sind, durch welche die zu untersuchende Flüssig keitsprobe strömt.

Im folgenden sei der Nachweis über die Bestimmung von optischen Schallwellen, die in der in dem Durchflußkanal vorliegenden zu untersuchenden Flüssigkeitsprobe erzeugt werden, anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.

Mit Hilfe eines Filtermodulators 2 wird die Frequenz des Laserlichtes der Lichtquelle 1 auf die gewünschte Frequenz moduliert, wonach das Laserlicht mit Hilfe der Linse 3 gebündelt wird. Das Licht wird dann als einfallendes Licht durch die Quarzfensterplatte 14 geführt, um in dieser Weise die Flüssigkeit kontinuierlich zu be strahlen, die von dem Einlaß 16 zu dem Auslaß 17 strömt. Die durch die Absorption dieses einfallenden Lichtes in der Zelle erzeugten Schallwellen werden mit Hilfe des piezo-elektrischen keramischen Elementes 12 gemessen, welches an der Membran 13 befestigt ist, wobei die abge gebenen Signale nach der geeigneten Verstärkung mit Hilfe eines frequenzselektiven Zweikanalverstärkers bzw. Lock-in- Verstärkers 5 aufgezeichnet werden. Bei der Anwendung von phasenempfindlichen Verstärkern, wie dem Lock-in-Verstärker, müssen geeignete Modulatoren für das pulsierende Laserlicht oder das kontinuierlich einfallende Licht verwendet werden. Auch dann, wenn die Meßeinrichtung für die Messung von strömenden Flüssigkeiten verwendet wird, wie bei der Hoch leistungs-Flüssigkeits-Chromatographie, ist es erwünscht, daß man eine beliebige Frequenz auswählen kann, um Fremdgeräusche auszuschließen, die durch Pumpenschwankungen verursacht werden. Es ist weiterhin erwünscht, Störungseffekte der zu untersuchenden strömenden Flüssigkeit der Zelle möglichst gering zu halten, so daß die Membran vorzugsweise aus Gold oder Silber oder einem anderen chemisch beständigen Material bestehen und eine glatte Oberfläche aufweisen sollte.

Der Nachweis der durch die Flüssigkeit in dem Durchflußkanal erzeugten Schallwellen kann nicht nur mit der in der Fig. 2 dargestellten Anordnung erfolgen, sondern auch durch die geeignet modifizierten Anordnungen, bei denen

b) die Membran 13 als solche als Meßfühler ausgelegt ist,
c) der Meßfühler in dem Kanal 21 angeordnet ist,
d) die eine oder die andere Seite des Flüssigkeitseinlasses 16 oder der Flüssigkeitsauslasses 17 als Meßfühler aus gelegt ist, oder
e) die Fensterplatte 14′ als solche als Meßfühler wirkt.

Der erfindungsgemäße Detektor kann in irgendeiner der oben dargestellten Auführungsformen dazu verwendet werden, die Anwesenheit oder die Konzentration des gelösten Materials in der zu untersuchenden strömenden Flüssigkeit nachzu weisen und ist besonders geeignet als Detektor für die Flüssig keits-Chromatographie oder für andere Strömungsmeßgeräte bzw. Strömungs-Überwachungsgeräte.

Hierzu sei auf das folgende Beispiel verwiesen, welches die Anwendung des erfindungsgemäßen Durchflußdetektors auf dem Gebiet der Flüssigkeits-Chromatographie verdeutlicht.

Beispiel

Die Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung, bei der der erfindungsgemäße Detektor mit einem Hochleistungs- Flüssigkeits-Chromatographie-System verbunden wurde und bei der die Modulationsfrequenzen des einfallenden Lichtes variiert wurden. Die in der Fig. 3 dargestellten Kurven wurden dadurch erhalten, daß auf der Abszisse die Modulations frequenzen und auf der Ordinate die Werte für das Signal, das Rauschen und das Signal/Rausch-Verhältnis aufgetragen wurden. Aus der Fig. 3 ist erkennbar, daß der Signalwert bei etwa 300 Hz ein Maximum durchläuft, wobei sich hier ein relativ hoher Rauschuntergrund ergibt, während das Signal/Rausch-Verhältnis sein Maximum in der Nähe von 5 kHz durchläuft. Es ist somit ersichtlich, daß das Fremd rauschen mit unterschiedlichen Frequenzen, wie jene, die durch die Flüssigkeitsförderpumpen verursacht werden, bei der Durchflußmessung auftreten kann und daß geeignete Maßnahmen zur Auswahl der gewünschten Modulationsfrequenz des einfallenden Lichtes angewandt werden können, um die Nachweisempfindlichkeit zu steigern.

Die Fig. 4 verdeutlich die Ergebnisse einer Untersuchung, bei der der erfindungsgemäße Detektor mit einem im sichtbaren Bereich des Lichtes arbeitenden Absorptionsdetektor, wie er üblicherweise als Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie- Detektor verwendet wird, in Reihe geschaltet wurde, und bei der die Messung zu Vergleichszwecken mit beiden Detektoren gleichzeitig durchgeführt wurde. Die angewandten Meßbe dingungen sind die folgenden.

Zur Förderung der Flüssigkeit wurde eine Flüssigkeits- Chromatographie-Förderpumpe (HLC-805 der Firma TOYO SODA MANUFACTURING CO., LTD.) verwendet. Es wurde eine Säule aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 4 mm und einer Länge von 30,0 cm verwendet, die mit einem Gel gepackt war (TSK-Gel LS 410 ODS SIL der Firma TOYO SODA MANUFACTURING CO., LTD.).

Probe A: 2-Chlordiäthylaminoazobenzol
Probe B: 3-Chlordiäthylaminoazobenzol
Probe D: 4-Chlordiäthylaminoazobenzol
Für jede Probe wurde in einer Menge von jeweils 3 ng injiziert.

Absorptionsdetektor:
Meßwellenlänge: 488 nm
Erfindungsgemäßer Detektor:
Meßwellenlänge: 488 nm
Modulationsfrequenz: 4035 Hz
Strömungsgeschwindigkeit: 1,0 ml/min
Elutionsmittel: Methanol.

Aus der Fig. 4 ist zu erkennen, daß bei dem erfindungsge mäßen Detektor das Signal/Rausch-Verhältnis um den Faktor 10 besser ist als bei dem Absorptionsdetektor und daß in dieser Weise die Empfindlichkeit um den gleichen Faktor erhöht ist.

Der Fig. 5 zeigt das Ergebnis eines ähnlichen Testes, bei dem die Probenmenge auf ein Dreißigstel (jeweils 100 pg) verringert wurde, während die Messung unter sonst gleichen Bedingungen durchgeführt wurde.

Aus den Chromatogrammen der Fig. 5 ist zu erkennen, daß, beim Einstellen der Detektorempfindlichkeit in der Weise, daß die Rauschsignale bei beiden Detektoren annähernd die gleichen sind und bei der Injektion von Spurenmengen (jeweils 100 pg) der in der Fig. 4 gezeigten Proben, sich mit dem Absorptionsdetektor nur kleine Absorptionspeaks feststellen lassen, während mit dem erfindungsgemäßen Detektor die quantitative Bestimmung der Proben möglich ist.

Während bei der in der Fig. 2A dargestellten Ausführungs form des erfindungsgemäßen Durchflußde tektors das piezo-elektrische Element derart angeordnet ist, daß es mit der Außenseite der Folienmembran 13 in Kontakt steht, ist bei der in Fig. 2B dargestellten Ausführungsform das piezo-elektrische Element in die Dichtung 15 eingebettet, die die Oberseite des Durchlaßkanals 21 bildet. In ähnlicher Weise kann das piezo-elektrische Element derart angeordnet werden, daß es in den Kanal 21 hineinragt, wie es in der Fig. 2C dargestellt ist, kann in dem Flüssigkeitseinlaß 16 ange ordnet werden, wie es in der Fig. 2D dargestellt ist, oder kann anstelle der Fensterplatte 14′ eingesetzt werden, wie es in der Fig. 2E gezeigt ist.

Claims

1. Durchflußdetektor für die photoakustische Spektroskopie strömender Flüssigkeitsproben, mit einer Probenkammer, die gekennzeichnet ist durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale:

a) die Probenkammer enthält einen Durchflußkanal (21);
b) der Durchflußkanal wird von zwei einander gegenüberliegenden Endplatten (14, 14′) begrenzt, von denen wenigstens eine als Fenster zum Eintritt des pulsie renden Lichtes ausgebildet ist;
c) in der Nähe der Enden des Durchflußkanals münden je eine Zuflußleitung (16) und Abflußleitung (17);
d) im Bereich des Strömungsweges Zuflußleitung-Durchflußkanal-Abflußlei tung ist ein piezoelektrischer Druckaufnehmer (12) vorgesehen, der von der Flüssigkeit beaufschlagt ist.

2. Durchflußdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Druckaufnehmer (12) direkt von der Flüssigkeit beaufschlagt ist.

3. Durchflußdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi schen dem piezoelektrischen Druckaufnehmer (12) und der Flüssigkeit eine Membran (13) vorgesehen ist.

4. Durchflußdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Druckaufnehmer (12) in die die Oberseite des Durchlaßkanals (21) bildende Dichtung (15) eingebettet ist.

5. Durchflußdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Druckaufnehmer (12) in den Durchflußkanal (21) hineinragt.

6. Durchflußdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Druckaufnehmer (12) an der Seitenwand des Durchflußkanals (21) angeordnet ist.

7. Durchflußdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Druckaufnehmer (12) in der Zuflußleitung (16) angeordnet ist.

8. Durchflußdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Druckaufnehmer (12) die dem Eintrittsfenster gegenüberliegende Endplatte (14) bildet.