DE3206147C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der Zusam­ mensetzung und Konzentrationsverteilung eines Flüssigkeits­ gemisches gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine zur Durchführung derartiger Verfahren bekannte Gerä­ teanordnung (Journal of Chromatography, 125 (1976), S. 315 -326) weist eine Fotodiodenreihe als Detektor auf, mittels welchem jeweils über einen großen Wellenlängenbereich un­ terschiedliche Lösungen identifizierbar und entsprechende Scheitelpunkte (Peaks) voneinander abgrenzbar sind. Um vor allem schwach ausgebildete und einander überlappende Schei­ telpunkte voneinander abgrenzen zu können, wird nicht nur die Aufzeichnung des Absorptionsspektrums (Ordinate) über die Wellenlänge (Abszisse), sondern auch die Differenzie­ rung (Ableitung) dieses Absorptionsspektrums nach der Wel­ lenlänge und deren Darstellung über die Wellenlänge vorge­ schlagen. Allerdings sind in derartigen Chromatogrammen mit abgeleiteten Absorptionsspektren Zeitfaktoren und Zeitver­ läufe nicht einbezogen. Um dennoch auch daraus gewinn­ bare Informationen über das zu untersuchende Lösungssystem verfügbar zu machen, wird darüber hinaus vorgeschlagen, bei einer einzigen Wellenlänge die Absorption und deren Ablei­ tung nach der Wellenlänge über die Zeitachse als Abszisse auf einem Speicheroszilloskop in Echtzeit darzustellen. Hierzu ist zunächst eine Bestimmung der Scheitelpunktform, deren Umfeld sowie die Rückhaltezeit durch Lichtdurchläs­ sigkeitschromatogramme für einen maximalen Wellenlängenbe­ reich jeder Komponente notwendig. Die so erhaltene Informa­ tion wird abgeleitet und ggf. in einem weiteren Diagramm auch über die Wellenlänge zur Erzielung eines Spektrums aufgetragen. Im Ergebnis sind also sowohl Zeitdiagramme als auch Spektraldiagramme nebeneinander anzufertigen, um das zu bestimmende Lösungssystem möglichst vollständig untersu­ chen zu können.

Hieraus ergibt sich das der Erfindung zugrunde liegende Problem, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszu­ gestalten, daß die resultierenden Chromatogramme hinsicht­ lich darin enthaltener Informationen über zu detektierende Musterkomponenten leichter ausgedeutet werden können. Zur Lösung werden die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Ver­ fahrensschritte vorgeschlagen.

Erfindungsgemäß wird die spektroskopische Methode ange­ wandt, wobei sich das Licht in mehrere Wellenlängen zerle­ gen läßt. Findet beispielsweise ein Spektroskop kontinuier­ lich Verwendung zur Chromatographie des Säulenflusses, er­ geben sich Aufzeichnungen bezüglich der Veränderung des Ab­ sorptionskoeffizienten für das Licht in mehreren ausgewähl­ ten Längenwellen. Im Hinblick darauf kann ein Satz von Ab­ sorptionswerten für Licht in jeder Wellenlänge einer gege­ benen Zeit als ein Vektor angesehen werden. Jener Vektor wird aufgezeichnet und seine Veränderung in der Zeiteinheit untersucht. Dadurch wird die Deutung der verschiedenen In­ formationen aus den Einzelheiten leichter als die Aufzeich­ nung der Veränderung in mehreren Absorptionen. Wird, mit anderen Worten, ein Chromatogramm als ein Muster oder Bei­ spiel betrachtet, kann die Betätigung dieses Musters er­ leichert werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzug­ ten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeich­ nung. Hierbei zeigen

Fig. 1 und 3 Beispiele von erfindungsgemäß gewonnenen Chromatogramm-Aufzeichnungen,

Fig. 2 dem gegenüber ein nach dem Stand der Technik gewonnenes Chromatogramm,

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Anordnung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 ein Impulsdiagramm zur Steuerung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens.

Bei Betrachtung eines Scheitelpunkts eines Chromatogramms wird unterstellt, daß dies der einzige sei, während eine Komponente komplett abgetrennt wird. Da diese Trennung kom­ plett erfolgt, repräsentiert der Scheitelpunkt eine Verän­ derung der Konzentration einer einzigen Komponente, und der Absorptionswert des Lichts in entsprechend ausgewählten mehreren Wellenlängen variiert mit dem Wechsel der Konzen­ tration des Anstiegs zum und Abfalls vom Scheitelpunkt, wo­ bei ein Verhältnis der Absorption zwischen den Wellenlängen unverändert bleibt. Daraus kann festgestellt werden, daß ein mehrere Komponenten aufweisender Vektor mit einer Ab­ sorption für jede Wellenlänge sich über absolute Werte er­ streckt, und zwar graduell von Null bis zu einem Maximum und danach wieder bis Null, wobei jedoch die Vektorrichtung verändert ist, und die Vektoraufzeichnungen als Änderungen in der Zeiteinheit werden durch eine gerade Linie in einer Richtung ausgedrückt, deren Länge allein mit der Zeit vergrößert oder vermindert wird. Umgekehrt, wenn die Vek­ torspitze der Absorption in der Zeit eine Kurve beschreibt, kann daraus geschlossen werden, daß ein sich ergebender Scheitelpunkt eine einzige Komponente repräsentiert. Wenn zwei Wellenlängen Verwendung finden, ist ihr Vektor zweidi­ mensional, und ihre Veränderungin der Zeit kann durch ein X-Y-Rekorder aufgezeichnet werden.

Fig. 1 zeigt die Aufzeichnung der Vektorveränderung in die­ sem Fall, während Fig. 2 ein übliches Chromatogramm wieder gibt, dessen drei Scheitelpunkte I, II und III mit den Vek­ toraufzeichnungen I, II und III in Fig. 1 korrespondieren. Die Spitzen I und III haben eine vollkommen ausgesonderte Komponente, und ihre Vektoraufzeichnungen bestehen aus ei­ ner geraden Linie, die durch I bzw. II in Fig. 1 bezeichnet ist. Da diese Scheitelpunkte repräsentierenden Komponenten voneinander differieren, unterscheidet sich auch das Ver­ hältnis der Absorption für diese beiden Wellenlängen, und dementsprechend sind I und III in Fig. 1 mit geraden Linien unterschiedlicher Richtung angegeben. Die Spitze II weist nicht völlig ausgesonderte Komponenten auf, und ihre Vektor­ aufzeichnung erscheint als gekrümmte Linie gemäß II in Fig. 1. Dieser Scheitelpunkt enthält zwei Komponenten, und die Vektorkomponenten können als Tangenten a und b am Ur­ sprung der Kurve betrachtet werden. Obgleich die Scheitel­ punkte dieser Komponenten überlagert sind, liegen die Zei­ ten des Auftretens dieser Scheitelpunkte außereinander, und im Bereich des Aufstiegs zum und des Abfalls vom Scheitel­ punkt besteht eine einzige Komponente. Im Bereich des Scheitelpunkts existieren 2 Komponenten im Mischungszustand bei sich änderndem Konzentrationsverhältnis. Dadurch erhält die Vektoraufzeichnung eine Kurve, beispielsweise verlagert sich diese graduell vom Vektor a zum Vektor b. Wird ein Scheitelpunkt durch Überlagerung von drei Komponentenspit­ zen gebildet, enthält ihre Vektoraufzeichnung drei Spitzen und gelegentlich wird sie derart kompliziert, wie in Fig. 3 dargestellt, und zwar in Abhängigkeit vom zeitlichen Ablauf des Auftretens der drei Komponenten. In diesem Fall bilden die drei Komponenten a, b und c den Scheitel, und aus die­ ser Figur geht hervor, daß die Erscheinung in einer Aufein­ anderfolge von a, b und c oder c, b und a besteht.

Wenn von n Anzeigeelementen mehr als zwei angwendet wer­ den, ergeben sich ihre Vektoraufzeichnungen lediglich in der Weise, daß zwei Meßwerte von den n-Werten genommen und in einem X-Y-Rekorder zweidimensional aufgezeichnet werden, während eine maximale Anzahl (n - 1) eines Zweimeßwertesatzes zur Aufzeichnung dient. Dieses Prinzip wird für die be­ schriebene Ausführungsform der Erfindung verwandt. Der da­ mit erzielte Vorteil besteht darin, daß ein Chromatogra­ phier-Verfahren mit einem erweiterten Anzeigeverhältnis und vergrößerter Empfindlichkeit im Vergleich zu konventionel­ len Systemen, die nur eine Wellenlänge verwenden, geschaf­ fen wird.

Gemäß Fig. 4 weist die Anlage zur Ausführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens eine Lichtquelle 1 sowie einen kon­ kaven Spiegel 2 auf, und mit 3 ist eine von dem Abfluß der Chromatographensäule passierte Durchflußzelle bezeichnet. Mit 4 ist ein konkaver Spiegel für den Kollimator, mit 5 ein Beugungsgitter und mit 6 ein konkaver Spiegel be­ zeichnet. Das von der Quelle 1 ausgesandte Licht wird durch den konkaven Spiegel 2 in die Durchflußzelle 3 geleitet. Darauf wird durch Kollimatorspiegel 4 eine Parallelität der Strömung bzw. Strahlung erzielt und schließlich das Beu­ gungsgitter 5 beaufschlagt. Das gebeugte Licht wird in ein Spektralbild transformiert, welches auf der Aufnahmefläche einer Fotododenreihe 7 durch den konkaven Spiegel 6 gebil­ det wird. Es ergibt sich das Bild des Absorptionsspektrums des Ausflusses des Säulenchromatographen an der Fotodioden­ reihe 7 mittels des konkaven Spiegels 6. Eine Steuervor­ richtung 30 veranlaßt die verschiedenen Operationen, ein­ schließlich Kennzeichnung aufeinanderfolgender einzelner Elemente der Fotodiodenreihe 7, Ablesung der gemessenen Lichtausgänge, das Konvertieren dieser in digitale Werte mittels eines A-D-Konverters 39 und die Aufzeichnung der gewonnenen Meßwerte der Wellenlängen in den Speichern M31 und M32, und sie liefert die Instruktionen für die weiteren Operationen einschließlich des Ablesens der Speicherinhalte M31 und M32 und die Durchführung der erforderlichen arith­ metischen Operationen mittels des Rechenkreises 31, so daß die Vektorspitzen auf einem X-Y-Rekorder oder auf einem Plotter 33 aufgezeichnet werden können.

Die Steuereinheit 30 erzeugt Pulse, wie sie aus Fig. 5 her­ vorgehen mittels eines einbezogenen Generators und gibt In­ struktionen für das Ablesen der Ausgänge der einzelnen Ele­ mente der Fotodiodenreihe 7 beim Anstieg eines Startpulses St, wie in Fig. 5 ersichtlich. In diesem Fall werden die Pulse gezählt und dann der Ausgang des i-ten Elements der Fotodiodenreihe 7 bei der Zahl i abgelesen. Diese Ablesung wird ausgeführt zwischen dem Abfall des i-ten und dem Ab­ fall des i + 1-ten Impulses, wodurch die Fotodiodenreihe 7 wiederholt abgetastet werden kann. Die Nr. i des Zählers ist ein Wert für die Bezeichnung eines Elements der Fotodi­ odenreihe 7 und entspricht damit einer Wellenlänge.

In Fig. 5 bezeichnet g einen Zeitwechsel der analogen Werte, die von der Fotodiodenreihe 7 abgetastet werden, und im Hinblick auf eine Ablesezeit entspricht die graphische Darstellung der Spektralabbildung während dieser Ablesepe­ riode. Die Steuereinheit 30 steuert A-D und die logarithmi­ sche Umkehrung der analogen Daten sowie die Aufzeichnung der resultierenden Werte in den Speichern M31 und M32 ent­ sprechend der Zählnummer i. Ob die Aufzeichnung in M31 und M32 erfolgt, wird durch ein Programm bestimmt und wie folgt durchgeführt. Zunächst wird die Fotodiodenreihe 7 mit einer die Durchflußzelle 3 passierenden Trägerflüssigkeit allein abgetastet und die Meßwerte im Speicher M31 nieder­ gelegt. Darauf fließt das Muster durch die Durchflußzelle 3, wobei die von der Fotodiodenreihe 7 aufgenommenen Meßwerte im Speicher M32 niedergelegt werden. Diese Auf­ zeichnung in M32 wird in der Weise durchgeführt, daß neue Daten für jedes Abtasten aufgezeichnet werden. Das Abtasten der Photodiodenreihe 7 wird mit außerordentlich hoher Ge­ schwindigkeit wiederholt, und zwar im Vergleich mit dem Wechsel der Zeit im Chromatogramm. Demgemäß entsprechen die Meßwerte des Speichers M32 dem Absorptionsspektrum des Säu­ lenchromatographenflusses zu jedem Moment.

Die Steuereinheit 30 steuert die Aufzeichnung der Vektoren in der folgenden Weise während der Durchführung der vorge­ nannten Steueroperation. Die Meßwerte mit der entsprechen­ den Bezeichnung in den Speichern M31 und M32, die den Wel­ lenllängen λ₁ und λ₂ entsprechen, werden in einem entspre­ chenden Intervall ausgewertet. Die im Speicher M31 aufge­ zeichneten Daten werden in logarithmische Werte der Licht­ durchlässigkeit für die Trägerflüssigkeit umgewertet, und diese in logarithmische Werte umgewandelten Daten für die Trägerflüssigkeit bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂, die von dem Speicher M31 aufgenommen worden sind, als A (λ₁) und A (λ₂) definiert. Die Daten des Speichers M32 werden in logarithmische Werte der Lichtdurchlässigkeit für eine ge­ mischte Flüssigkeit des Trägers mit einer Musterkomponente umgewandelt und die vom Speicher M32 ausgewerteten Werte als C (λ₁) und C (λ₂) definiert. Diese Daten werden dem arithmetischen Rechner 31 eingegeben, wo die Ausdrücke A (λ₁) - C (λ₁) = S (λ₁) und A (λ₂) - C (λ₂) = S (λ₂) er­ mittelt werden und dann S (λ₁) und S (λ₂) in den X-Y-Re­ corder oder den Plotter 33 als X- und Y-Werte eingegeben werden, so daß ein Koordinatenpunkt aufgezeichnet wird. Das heißt, daß S (λ₁) und S (λ₂) die Absorption der Musterkom­ ponente bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ ergibt. Die vorge­ nannte Operation wird ausgeführt zwischen dem Ende des einen Abtastens der Fotodiodenreihe 7 und dem Beginn des nächsten Abtastorganes. Infolgedessen wird dieser Vorgang zu einem Zeitpunkt durchgeführt, der mit dem Wechsel der Zeit im Chromatogramm in Vergleich steht, und durch Wieder­ holung dieses Vorganges zu einem entsprechenden Intervall umfaßt die Aufzeichnung der Veränderung der Zeit in den Vektoren zwei Komponenten von Absorptionswerten für zwei Wellenlängen. Diese Aufzeichnung ist in einem Beispiel in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.

Die oben bezeichnete Kombination von Wellenlängen λ₁ und λ₂ kann über alle Scheitel der Chromatogramme fixiert und kann für jeden Scheitel der Chromatogramme verändert werden unter der Voraussetzung, daß die Aufzeichnung der Ver­ änderung der Vektoren für jeden Scheitel einzeln durchge­ führt wird.

Bei der durch diese Ausführungsform (Fig. 1 bis 3) erhalte­ nen Aufzeichnung der Vektorveränderungen zeichnet die Richtung der Vektoren die Komponente und ihre Länge eine Konzentration der Komponente, so daß diese Aufzeichnung sowohl qualitativ, als auch quantitativ ist und das gleiche Muster die gleiche Aufzeichnung ergibt, wodurch die Identi­ fizierung der Muster durch einfache Überprüfung danach, ob zwei Aufzeichnungen durch Überlagerung übereinstimmen, leicht bewerkstelligt werden kann. Ist die Aussonderung komplett, ist der Ort der Vektorveränderung eine gerade Li­ nie. Umschreibt er jedoch Flächen, kann die Abtrennung als unvollständig beurteilt werden. Und auch für mehrere über­ lagerte Komponenten lassen sich nützliche Informationen ge­ winnen. Außerdem enthält der aufgezeichnete Ort der Verän­ derung der Vektoren keine Zeitkomponente wie übliche Chro­ matogramme, was die Muster vereinfacht. Deshalb ist es leicht, den Vorgang der Entscheidungsfindung, ob zwei Auf­ zeichnungen übereinstimmen oder nicht oder ob die Aus­ sonderung der Komponenten im Bereich eines Scheitelpunktes gut oder nicht ist, zu computerisieren.

Claims (1)

1. Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung und Konzentrati­ onsverteiligung eines Flüssigkeitsgemisches, das sich aus ei­ ner Trägerflüssigkeit und mindestens einer zu bestimmenden Komponente zusammensetzt, unter Verwendung eines Lichtstrahls, der mittels einer spektralphotometrischen Anordnung durch die Durchflußzelle einer Chroma­ tographensäule geleitet wird, wodurch das Absorptionsspek­ trum des Säulenausflusses auf einer Fotodiodenreihe für aufeinanderfolgende Zeitintervalle abgebildet wird, während welchen jeweils von der Fotodiodenreihe dem Bild des Absorptionsspektrums entsprechende Absorptionssi­ gnale abgetastet werden, die nach Analog-Digitalkonvertie­ rung gespeichert einem Rechenkreis (31) zur Datenverarbeitung übermittelt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die zu untersuchende Komponente die Absorption bei einer ersten Wellenlänge (λ₁) und die bei einer zweiten Wellenlänge (λ₂) zu einem über die Zeitintervalle abhängigen Vektorwert verarbeitet und auf einem X-Y-Rekorder oder Plotter (33) dargestellt werden.