DE3586211T2

DE3586211T2 - Spektrophotometer fuer mehrere wellenlaengen.

Info

Publication number: DE3586211T2
Application number: DE8585102785T
Authority: DE
Inventors: Taro Nogami
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-03-14
Filing date: 1985-03-12
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2005-03-13
Also published as: JPH0462008B2; US4715712A; JPS60192229A; EP0156232A3; DE3586211D1; EP0156232A2; EP0156232B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometer, insbesondere für Flüssigchromatographie, und genauer gesagt ein Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometer, das Wellenlängen eines Spektrums gleichzeitig überwacht.
Bei Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometern ist die Empfindlichkeit oder das Signal zu Rausch Verhältnis (S/N-Verhältnis) schlechter als jenes eines Einfachwellenlängen-Spektrophotometers, weil die Empfindlichkeit eines Mehrkanal-Lichtdetektors, der durch eine Photodiodenanordnung gebildet ist, die bei dem Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometer benutzt wird, schlechter ist als jene eines Einzelkanal-Lichtdetektors, der durch eine einzelne Photodiode oder einen Photovervielfacher (Photomultiplier) gebildet ist, die bei dem Einfachwellenlängen-Spektrophotometer benutzt sind, und zwar aufgrund von Schnittstellendefekten zwischen benachbarten Photodioden in der Photodiodenanordnung des Mehrkanal- Lichtdetektors. Das S/N-Verhältnis des Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometers ist insbesondere sehr niedrig in dem Wellenlängenbereich niedriger Intensität einer Lichtquelle. Einige bekannte Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometer, die beispielsweise in Analytical Chemistry, Band 55, Nr. 8, Juli 1983, Seiten 836A, 838A und 842A beschrieben sind, bieten die folgenden Lösungen zum Reduzieren dieses Nachteils.
Ein bekanntes Spektrophotometer benutzt aufeinanderfolgend zwei Arten von Lichtquellen, beispielsweise eine Deuteriumlampe (D&sub2;-Lampe) für den ultravioletten Wellenlängenbereich bzw. eine Wolframlampe (W- Lampe) für den sichtbaren Wellenlängenbereich. Dieses Spektrophotometer ist jedoch sehr teuer und arbeitet sehr langsam, weil die verschiedenen Wellenlängen nicht gleichzeitig sondern nur aufeinanderfolgend gemessen werden können.
Ein weiteres bekanntes Spektrophotometer, das eine D&sub2;-Lampe benutzt, reduziert das S/N-Verhältnis in dem sichtbaren Wellenlängenbereich durch eine Datenverarbeitung, die "Wellenlängenbündelung" genannt wird, was eine Integration aller Signale zwischen zwei voreingestellten Wellenlängen ist. Hierdurch wird die Wellenlängen-Auflösung jedoch verschlechtert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometers zu eliminieren und ein Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometer mit einem hohen S/N-Verhältnis zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometer gelöst, wie es im Patentanspruch 1 definiert ist.
Das erfinderische Spektrophotometer eliminiert den zusätzlichen Aufwand einer zweiten Lichtquelle, die niedrige Betriebsgeschwindigkeit eines aufeinanderfolgend überwachenden Spektrophotometers und die niedrige Wellenlängen-Auflösung der bekannten Spektrophotometer, wie sie oben vorgestellt sind, und verbessert, das bedeutet erhöht, das S/N-Verhältnis besonders in dem Wellenlängenbereich, in dem die Lichtintensität der Lichtquelle niedrig ist.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungsseiten beschrieben, wobei
Fig. 1 ein Diagramm ist, das die Intensität über der Wellenlänge einer Lichtquelle zeigt, die aus einer D&sub2;-Lampe besteht,
Fig. 2 eine diagrammäßige Ansicht des optischen Systems eines Ausführungsbeispiels des Spektrophotometers gemäß der Erfindung ist,
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines elektrischen Schaltkreises zum Verarbeiten der Signale von den zwei Lichtdetektoren des Spektrophotometers gemäß der Erfindung ist,
Fig. 4 und 5 Diagramme sind, die Absorptionsspektren einer Probe zeigen, die durch den ersten und den zweiten Lichtdetektor des Spektrophotometers gemäß der Erfindung gemessen sind,
Fig. 6 ein Diagramm ist, das von den Diagrammen der Figuren 4 und 5 abgeleitet ist, und zwar nach dem erfinderischen Durchschnittsbildungsbetrieb, und
Fig. 7 eine diagrammäßige Ansicht eines optischen Systems eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spektrophotometers gemäß der Erfindung ist.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm der Intensität über der Wellenlänge einer D&sub2;- Lampe, das durch Benutzen einer Siliziumphotodioden-Anordnung als Lichtdetektor gemessen wurde. Die Lichtintensität einer D&sub2;-Lampe ist sehr gering in dem sichtbaren Wellenlängenbereich, d. h. in dem Bereich oberhalb etwa 400 nm. Als ein Ergebnis dieser Kennlinie haben die Signale einer Probe, die beispielsweise in einem Flüssigchromatographen gemessen sind, der eine solche D&sub2;-Lampe verwendet, im allgemeinen ein niedriges S/N-Verhältnis im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Fig. 2 zeigt ein optisches System des Spektrophotometers, das eine Lichtquelle 1, eine Kondensorlinse 2, eine Durchflußzelle 3 und einen Monochromator umfaßt, der durch einen Eintrittsschlitz 4, ein konkaves Gitter 5 und zwei Mehrkanal-Lichtdetektoren gebildet ist, die aus zwei Siliziumphotodioden-Anordnungen 6 und 7 bestehen. Der Lichtstrahl wird durch das konkave Gitter 5 dispergiert. Normalerweise wird die Interferenz erster Ordnung in einem ersten Wellenlängenbereich gleichzeitig durch die Siliziumphotodioden-Anordnung 6 detektiert. Die Anordnung 7 detektiert gleichzeitig die Interferenz zweiter Ordnung in einem zweiten Wellenlängenbereich, der zumindest teilweise den ersten Wellenlängenbereich überlappt.
Da die Interferenz zweiter Ordnung eine Dispersion aufweist, die das Doppelte der Interferenz erster Ordnung beträgt, und da die Photodiodenanordnung 7 eine Hälfte des Wellenlängenbereichs des durch die Photodiodenanordnung 6 detektierten Wellenlängenbereichs detektiert, kann die identische Photodiodenanordnung für beide Photodiodenanordnungen 6 und 7 benutzt werden.
In Fig. 3 erzeugen Treiber 9 und 10 Treiberimpulse ∅&sub1;, und ∅&sub2;, die Photodiodenanordnungen 6 bzw. 7 durch entsprechende Befehlssignale von einem Prozessor 8 antreiben. Der Treiber 9 führt weiterhin einen Startimpuls SP zu der Photodiodenanordnung 6. Ein Wellenlängenabtastendimpuls (Ende der Abtastung) EOS wird von der Photodiodenanordnung 6 zu der Photodiodenanordnung 7 als ein Startimpuls für die Photodiodenanordnung 7 und von der Photodiodenanordnung 7 zu dem Prozessor 8 geführt. Die Ausgangssignale (Anordnungssignal) AS der Photodiodenanordnungen 6 und 7 werden zu einem A/D-Wandler 15 durch Verstärker 11 und 12 und Abtast- und Halteschaltkreise 13 und 14 geführt. Befehlssignale C werden auch zu dem A/D-Wandler 15 geführt. Die Ausgangssignale AS werden durch den A/D-Wandler 15 in Antwort auf die Befehlssignale C in digitale Signale gewandelt und in den Prozessor 8 gelesen.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel der Interferenz erster Ordnung eines Absorptionsspektrums einer Flüssigkeitsprobe, die in einem Chromatograph durch die Photodiodenanordung 6 in dem Wellenlängenbereich von 200 bis 600 nm gemessen ist. Große Rauschsignale werden in dem Wellenlängenbereich von mehr als 400 nm angezeigt, in dem die Lichtintensität der D&sub2;- Lampe niedrig ist.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Interferenz zweiter Ordnung eines Absorptionsspektrums der gleichen Flüssigkeitsprobe, die durch die Photodiodenanordnung 7 in dem Wellenlängenbereich von 400 bis 600 nm gemessen ist.
Der Prozessor 8 führt eine Glättungs- oder Durchschnittsbildungsoperation für die Ausgangssignale der Photodiodenanordnungen 6 und 7 durch, wie es in den Figuren 4 und 5 in zwei Schritten wie folgt gezeigt ist.
Die Ausgangssignale für die Kanäle 1, 2, 3, ..., 60 der Photodiodenanordnung 7 seien B(1), B(2), ..., B(60). Der erste Schritt der Durchschnittsbildungsoperation wird durch ein Durchschnittsbilden der Ausgangssignale zweier benachbarter Kanäle als (B(1) + B (2))/2, (B(3) + B(4))/2, ..., (B(59) + B(60))/2 erhalten. Jene erhaltenen Signale haben im wesentlichen die gleiche Wellenlängenauflösung von 6 nm wie die Ausgangssignale jedes Kanals der Photodiodenanordnung 6, wie es dem folgenden entnommen werden kann.
Für den zweiten Schritt der Durchschnittsbildungsoperation seien die Ausgangssignale der Kanäle 1, 2, 3, ..., 60 der Photodiodenanordnung 6 A(1), A(2), A(3), ..., A(60). Die Ausgangssignale A(31), A(32), ..., A(60) zeigen die Signale des Spektrums von über 400 nm. Die Durchschnittssignale, die durch den zweiten Schritt der Durchschnittsbildungsoperation erhalten werden, sind
Das Spektrum, das jene Signale enthält, ist in Fig. 6 gezeigt. Dieses Spektrum zeigt ein hohes S/N-Verhältnis auch in dem sichtbaren Wellenlängenbereich von 400 bis 600 nm.
Abhängig von dem S/N-Verhältnis der Spektren in den Fig. 4 und 5 kann ein gewichtetes Durchschnittsbilden durchgeführt werden als
Wenn das S/N-Verhältnis der Ausgangssignale der Photodiodenanordnung 6 (Fig. 4) höher als das S/N-Verhältnis der Ausgangssignale der Photodiodenanordnung 7 (Fig. 5) ist, wird ein größerer Gewichtungsfaktor k&sub1; genommen, verglichen mit dem Gewichtungsfaktor k&sub2;.
Die obige Beschreibung betrifft die Spektrumsdaten. Im Falle des Aufzeichnens eines Chromatogramms wird eine feste Wellenlänge zur Messung benutzt.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Lichtdetektoren bzw. der Photodiodenanordnungen. Das dispergierte Licht wird durch eine Photodiodenanordnung 60 detektiert, die 150 Kanäle aufweist. Die Kanäle 1 bis 60 detektieren die Interferenz erster Ordnung in dem Wellenlängenbereich von 200 bis 600 nm. Die Kanäle 61 bis 150 detektieren die Interferenz zweiter Ordnung in dem Wellenlängenbereich von 303 bis 600 nm. Aufgrund der Tatsache, daß nur eine Photodiodenanordnung 60 benutzt wird, ist nur ein Satz eines Photodiodenanordnungstreibers, eines Verstärkers und eines Abtast- und Halteschaltkreises in dem Schaltkreis der Fig. 3 notwendig.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, kann die Photodiodenanordnung 7 angeordnet sein, eine Interferenz negativer erster Ordnung zu detektieren anstelle der Interferenz zweiter Ordnung.
Die obige Beschreibung hat sich auf eine D&sub2;-Lampe und Silizium-Photodiodenanordnungen bezogen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf andere Lichtquellen und/oder Detektoren, beispielsweise eine W- Lampe oder eine Mikro-Kanalplatte usw. angewendet werden.

Claims

1. Mehrfachwellenlängen-Spektrophotometer, insbesondere für Flüssigchromatographie, das aufweist: eine Lichtquelle (1), eine Probenzelle (3), ein Gitter (5) zum Dispergieren eines Lichtstrahls von der Lichtquelle (1) und eine Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung (6, 7; 60) zum Detektieren von Licht, das durch das Gitter (5) in einem ersten Wellenlängenbereich dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung (6, 7; 60) aus einem ersten Teil (6) besteht, der angeordnet ist zum Detektieren einer Interferenz erster Ordnung des ersten Wellenlängenbereichs, und aus einem zweiten Teil (7), der angeordnet ist zum Detektieren von Licht, das durch das Gitter (5) in einem zweiten Wellenlängenbereich dispergiert ist, der zumindest teilweise den ersten Wellenlängenbereich überlappt, wobei das durch den zweiten Teil (7) detektierte Licht eine Interferenz aufweist, die im Vergleich zu der Ordnung der Interferenz des durch den ersten Teil (6) detektierten Lichts eine unterschiedliche Ordnung hat, und dadurch, daß ein Prozessor (8) vorgesehen ist zum Ermitteln des Durchschnitts von Ausgangssignalen in Form eines Absorptionsspektrums von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Teil der Mehrkanal-Lichtdetektor- Einlichtung (6, 7; 60).

2. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (6) und der zweite Teil (7) der Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung (6, 7; 60) einstückig oder getrennt ausgebildet sind.

3. Spektrophotometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (7) der Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung angeordnet ist zum Detektieren des Lichts in einem Wellenlängenbereich, in dem die Lichtintensität der Lichtquelle (1) gering ist.

4. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (6) der Mehrkanal-Lichtdetektor- Einrichtung die Interferenz erster Ordnung detektiert, und dadurch, daß der zweite Teil (7) der Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung die Interferenz zweiter Ordnung detektiert.

5. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Deuteriumlampe ist, der erste Teil (6) der Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung die Interferenz erster Ordnung der ultravioletten und sichtbaren Wellenlängenbereiche detektiert, und der zweite Teil (7) der Mehrkanal-Lichtdetektor- Einrichtung die Interferenz des sichtbaren Wellenlängenbereichs detektiert.

6. Spektrophotometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (6) der Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung das Licht in einem Wellenlängenbereich von 200 - 600 nm detektiert und der zweite Teil (7) der Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung das Licht in einem Wellenlängenbereich von 400 - 600 nm detektiert.

7. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilden des Durchschnitts der Ausgangssignale in Form des Absorptionsspektrums der zwei Teile (6, 7) der Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung gemäß folgender Formel erfolgt:

wobei j eine ganze Zahl ist; i = 0, 1, 2, ...; A(j) das Ausgangssignal einer Photodiode des ersten Teils (6), das einen vorbestimmten Wellenlängenbereich abdeckt, B(i + 1) und B(i + 2) Ausgangssignale zweier benachbarter Photodioden des zweiten Teils (7) sind, die zusammen den gleichen vorbestimmten Wellenlängenbereich abdecken; und k&sub1;, k&sub2; Gewichtsfaktoren für die Ausgangssignale A(j) und

sind.

8. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der zwei Teile (6, 7) der Mehrkanal-Lichtdetektor-Einrichtung eine identische Photodiodenanordnung ist.