DE3830002A1

DE3830002A1 - Vorrichtung fuer eine bewegliche kuevette fuer vergleichende reflektionsspektroskopische messungen

Info

Publication number: DE3830002A1
Application number: DE3830002A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Chem Dr Naumann; Freiherr Von Maltzan
Original assignee: MALTZAN FREIHERR VON BERND DIP
Current assignee: MALTZAN FREIHERR VON BERND DIP
Priority date: 1988-08-31
Filing date: 1988-08-31
Publication date: 1990-03-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Küvettenanordnung, bestehend aus einer Küvette und einem Küvettenhalter zur diskreten vergleichenden Analyse mindestens eines Probenfeldes filmbildendernder, flüssiger und fester Proben mittels reflektionsspektroskopischer Messungen.

Für Messungen mit abgeschwächter Totalreflektion (ATR) wurden bisher lediglich einzelne separate Küvetten verwendet, die nur eine Probe aufnehmen können.

Dies hat den Nachteil, daß störende konstruktionsbedingte Unterschiede der einzelnen Küvetten auftreten. Die Proben müssen einzeln nacheinander präpariert werden, wodurch unterschiedliche adhäsive Bindungen an die als Träger verwendete Prismenoberfläche auftreten können, bedingt durch die nicht völlig identische Vorbehandlung der Oberfläche der einzelnen Prismen. Weiterhin ist von Nachteil, daß die Präparationsparameter, wie Temperatur, Feuchtigkeit des Mediums über der Probe oder der Partialdruck eines Gases, hierbei nur schwer kontrollierbar für die einzelnen zu analysierenden Proben einheitlich gleich eingestellt werden kann. All dies beeinträchtigt die Qualität der Analysenergebnisse besonders für vergleichende Messungen.

Die bisherigen Küvetten für vergleichende Analysen mit mehreren diskreten Probenfeldern basieren auf Transmissionsmessungen. Hierbei ist eine eventuell notwendige gleiche Probenschichtdicke nur mit technischem Aufwand zu realisieren und mit konstruktionsbedingten Fehlern mehr oder weniger behaftet. Für strahlenundurchlässige Proben, wie z. B. Teere, schwarze Lacke oder pastöse Massen sind derartige Küvetten ungeeignet. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine exakte Temperierung der Proben oft nur äußerst schwer kontrollierbar durchgeführt werden kann, da der meistens kristalline Probenträger nur indirekt über die Temperierung seines meistens metallischen Halters erfolgt. Eine direkte Temperierung des Probenmaterials allein ist hierbei nicht möglich.

Messungen, die nach dem bekannten Prinzip der abgeschwächten Total reflektion (ATR) arbeiten, haben den Vorteil, daß mit extrem geringen Analysenmengen gearbeitet werden kann und die durchstrahlte Proben dicke nicht nur sehr gering, sondern auch bei gleicher eingestrahlter Wellenlänge und gleichem optischen Weg gleich ist. Weiterhin brauchen die Proben nicht strahlendurchlässig sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Küvettenanordnung gemäß dem Oberbegriff so zu gestalten, daß bei leichter Handhabbarkeit für alle Proben eine exakt gleiche, für die photometrische Analyse vorteilhafte übereinstimmende Schichtdicke gewährleistet ist, die auch gleiche umgebende Bedingungen aufweist, und sowohl für hochgiftige wie auch infektiöse Materialien dicht und leicht zu reinigen ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Küvette mehrere Probenfelder (pf) aufweist, als abnehmbare Einheit ausgebildet ist und in dem Küvettenhalter mittels eines mechanischen Antriebes beweglich gelagert ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mehrere zu analysierende Proben nach dem Prinzip der abgeschwäch ten Totalreflektion (ATR) gleichzeitig unter gleichen Bedingungen kontinuierlich vermessen werden können. So kann es bewerkstelligt werden, daß alle Proben auf den Probenfeldern dem exakt gleichen sie umgebenden Medium ausgesetzt sind, wie z. B. Temperatur, Feuchtigkeit oder Zusammensetzung des über den Proben befindlichen Gasgemisches. Da die Proben nur von einer Oberflächenseite durchstrahlt werden, ist es möglich, sie von der Rückseite direkt zu temperieren, was erheblich exakter erfolgen kann, als indirekt über den Halter und den Probenträger. Weiterhin ist es aber auch möglich, innerhalb einer Messung die diskreten Proben definierten exakt zu bestimmenden unterschiedlichen Temperaturen auszusetzen, wenn man die längliche Abdeckplatte (5) mit einem Temperaturgefälle temperiert. Vorteilhaft ist ferner, daß die Proben aus sehr ähnlichen Materialien, die als Filme untersucht werden und somit kaum mit gleicher Filmdicke herzustellen sind, auf diese Weise mit identischer Tiefe von dem Meßstrahl durchstrahlt werden. Dies gilt auch für völlig lichtundurch lässige Materialien, wie z. B. Teere oder Lacke. Bevorzugt einsetzbar ist die Küvette deshalb für extrem genaue vergleichende chemische, biochemische und mikrobiologische Analysen.

Vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Küvettenanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt Querschnitte der länglichen Prismen für einfache (a), für zweifache (d) und für mehrfache (b, c, e) Probendurchstrahlung mit dem skizzierten Strahlenverlauf an der Stirnseite der Prismen.

Fig. 2 zeigt eine schematisierte perspektivische Darstellung der Küvettenanordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Küvettenhalter in Kastenbauweise, mit der Anordnung der Spiegel und dem Küvettenschlitten, ohne die Küvette. Ein Prisma ist schematisch eingezeichnet.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die gasdichte Küvette mit einem Prisma für eine einfache Durchstrahlung der Probe und eine Aufsicht auf den Küvettenfuß.

Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Abdeckplatte mit hervorstehenden Noppen (np).

Fig. 6 zeigt einen schematisierten Querschnitt durch eine Küvette mit einer temperierbaren Abdeckplatte, wie in Fig. 5 dargestellt und einem Prisma für mehrfache Probendurchstrahlung.

Fig. 7 zeigt eine schematisierte Darstellung der Küvettenanordnung in Blockbauweise mit dem Küvettenschlitten und Säulenführung ohne Küvette.

Fig. 8 zeigt einen schematisierten Querschnitt eines Küvettenhalters in Blockbauweise mit eingesetzten Spiegeln, dem Reibradantrieb und der Säulenführung ohne Küvette und ohne Küvettenschlitten. Die Position des Prismas ist schematisiert angedeutet. Darunter ein Schnitt durch die Ebene der Säulenführung mit eingesetzten Säulen und der Lagerung mit Linearkugellagern.

Fig. 9 zeigt zwei Ausführungsbeispiele für den Reibrad-Antrieb.

Fig. 10 zeigt den Küvettenschlitten mit Antriebs- und Führungssäule in Aufsicht.

Fig. 1 zeigt verschiedene prismatische Probenträger (4) aus optisch durchlässigem Material. Die Proben können auf den separierten Proben feldern (pf) aufgetragen werden. Für schwach absorbierende Proben kann es von Nutzen sein, daß sie mehrfach durchstrahlt werden, wie z. B. bei der Prismenform (b) oder (e) drei Mal, während bei der Form (a) die Probe einfach durchstrahlt wird. Für zähflüssige oder klebrige Proben ist eine Separierung durch Einfräsen von Vertiefungen in den Proben träger (4) oder Auftragen von Abgrenzungen nicht unbedingt erforder lich. Für dünnflüssige oder wäßrige Proben ist dies aber für die Messung begünstigend. Für wäßrige Probenlösungen, die zu einem Film eingeengt werden, kann die Abgrenzung der Probenflächen (pf) durch Lacke erfolgen, die hydrophil sind, so daß sich der wäßrige Proben tropfen gleichmäßig über die gesamte Probenfläche (pf) aufspannen läßt und wenn nötig z. B. nach dem Eindampfen einen die gesamte Probenfläche überziehenden Film ergibt.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung eine schematisierte Küvettenanordnung. (1) ist der Küvettenhalter, in dem quer zur optischen Achse der Küvettenschlitten (3) geführt werden kann. Dieser kann manuell oder durch Motorantrieb mit Hilfe der Antriebswelle (13) über einen Zahnradantrieb und eine Zahnstange (Fig. 4, 16) allgemein bekannten Bauprinzipes bewegt werden. Der Küvettenhalter (1) selbst kann mit Hilfe der entsprechend dimensionierten Ankerplatte (12) in jeder Führung fixiert werden, die in den meisten kommerziellen Spektrometern bereits vorhanden ist. Weiterhin ist in Fig. 2 die Küvette (2) sichtbar, die mit dem Küvettenfuß (10) auf dem Schlitten (3) fixiert ist. Abgedeckt ist die Küvette mit der Abdeckplatte (5), in die die Ein- und Auslaßstopfen (9) eingearbeitet sind. Die Küvette (2) ist als Einheit abnehmbar und austauschbar.

Der Verlauf des Strahlenbündels ist schematisiert in Fig. 3 dargestellt. Durch die Umlenkspiegel (11) und Lochblenden (17) wird der Strahl auf die Probenfläche (pf) des Probenträgers (4) fokussiert. Die Umlenkspiegel (11) können justierbar (18) angebracht sein, um an verschiedene Positionen des Probenträgers (4) optimal ausgerichtet zu werden. Der Küvettenhalter (1) ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einzelnen Platten in Kastenbauweise (1 b) zusammengefügt.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Küvette (2) und den Schlitten (3) im Bereich des Strahlenganges. Mit Stiften (14) wird die Küvette auf dem Schlitten (3) justiert, in dem die entsprechenden Führungs bohrungen vorhanden sind. In den Küvettenfuß (10) ist der Probenträger (4) eingelassen. Die Ausführung des Küvettenfußes ist so gestaltet, daß der meistens empfindliche prismatische Probenträger (4) geschützt wird, wenn die Küvette aus dem Küvettenhalter entfernt und auf einer Unterlage abgestellt wird. Die Dicke des Küvettenfußes (10) und die Führungsstifte (14) verhindern beim Abstellen ein Anschlagen der unteren Kante des Prismas gegen eine Unterlage. Der Probenträger kann durch Einkleben oder über Dichtungen mit dem Abstandhalter (Fig. 6, 7) im Küvettenfuß festgehalten werden. Der Abstandhalter ist als Rahmen (7) so ausgelegt, daß ein O-Ring (6) darumgelegt werden kann und dieser als Dichtung funktioniert. Durch die darüber gelegte Abdeckplatte (5), die mit den Rändelmuttern (Fig. 6, 15) angezogen werden kann, ist ein gas- und mikrobendichter Probenraum geschaffen. Dieser kann über die eingearbeiteten Ein- und Auslaßstopfen (9) begast oder gespült werden. Dies ist besonders beim Arbeiten mit Mikroben von Vorteil, da diese durch Spülen mit Desinfektionsmittel abgetötet werden können, ohne das die Küvette (2) geöffnet werden muß. Diese Lösung gestattet ein einfaches Reinigen des Probenraumes.

Für prismatische Probenträger (4) aus empfindlichen Materialien kann es schädlich sein, die Probenfelder darin einzuarbeiten, da die Prismen dann zerbrechen können. Auch kann das Auftragen von Lacken oder anderen Materialien, die die Probenfelder (pf) separieren sollen, die Messungen stören, wenn sie mit in den Meßstrahl gelangen und diesen absorbieren. Dieser Nachteil kann dadurch behoben werden, daß die Abdeckplatte (5) mit Noppen (np) versehen wird (vgl. Fig. 5). Die Analysenproben können auf diese aufgetragen werden und gegen den prismatischen Probenträger (4) gedrückt werden (Fig. 6,pr). Der Rahmen (7) kann gleichzeitig als Abstandhalter ausgelegt sein, so daß ein sehr geringer Abstand zwischen Abdeckplatte (5) und Prisma (4) eingehalten wird. Selbst flüssige Proben können so durch kohäsive und adhäsive Wirkung stabil gehalten und separiert werden.

Auf Grund der direkten Berührung der Noppen (np) mit der Probe (pr), die auch direkt gemessen wird, ist eine sehr genaue Temperierung dieser Probe möglich, wenn die Abdeckplatte (5) temperierbar ausgeführt wird. Die Temperierung der länglichen Abdeckplatte (5) kann so ausgeführt werden, daß an dem einen Ende der Platte (5) die Temperatur t ₁ und an dem anderen Ende eine andere Temperatur t ₂ herrscht. Ist die Abdeckplatte aus wärmeleitendem Material, wie z. B. Kupfer, Aluminium oder dessen Legierungen, so stellt sich über den gesamten Bereich der Probenfelder ein Temperaturgefälle so ein, daß die Probenfelder auch exakt, aber definiert unterschiedlich temperiert werden können.

Fig. 7 zeigt in perspektivischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Küvettenhalter (1) mit einem Küvettenschlitten (3) mit Säulenführung (27), ohne Küvette; Fig. 8 die dazugehörigen Querschnitte. Im Gegensatz zum oben beschriebenen Küvettenhalter (1) in Kastenbauweise ist dieser in Blockform (1 b) ausgeführt. Er kann also in einer Form gegossen werden oder ist aus einem Block herausgefräst. Dies hat den Vorteil der Vereinfachung in der Herstellung des Küvettenhalters (1 b). In eine durch den ganzen Block durchgehende Bohrung (21) für den Meßstrahl können die Spiegel (23) eingesetzt werden, die auf runden abgeschrägten Spiegelfüßen (22) angebracht sind. Dieses hat den Vorteil, daß die Spiegel leicht und genau auf der optischen Achse eingepaßt werden können. Durch seitlich auf die Spiegelfüße (22) pressende Schrauben und die Fixierschrauben (24) werden diese fixiert. Eine eventuell erforderliche genauere Justierung kann mit den Justierschrauben (25) erfolgen.

Der Küvettenschlitten (26) wird in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Säulenführung (27) (Fig. 7) beweglich gelagert. Die Führungssäule (28) wird in dem Lager (29) geführt, das als Gleitlager oder als Linearkugellager (29) ausgelegt ist. Die Antriebssäule (30) wird mit einem Reibradantrieb (31) geführt und durch Drehen dieses bewegt. Der Küvettenhalter (1) kann mit einer Verstellschraube (38) in verschiedene Höhen optimal in den Meßstrahl positioniert werden.

Der Reibradantrieb ist in zwei Ausführungsbeispielen in Fig. 9a, b dargestellt. In der einen Ausführung (Fig. 9a) werden die beiden konisch geformten Reibräder (32) auf der Antriebswelle (33) durch einen Federring (34) gegen die Führungssäule (30) gedrückt. In der anderen Ausführung (Fig. 9b) ist das untere Reibrad (35) fest mit der inneren Welle (36) verbunden, die mit einer Feder durch die Hohlwelle (37) so gezogen wird, daß das untere Reibrad (35) gegen die Führungssäule (30) drückt. Die drehbare Antriebswelle ist in einer Fassung (39) gelagert, die in den Küvettenblock (1) eingeschraubt wird (Fig. 8). Jene ist so in diesen eingearbeitet, daß mit ihr die Höhenposition der Antriebssäule (30) und damit des Küvettenschlittens (3) justiert werden kann.

Fig. 10 zeigt eine Aufsicht und einen Querschnitt des Küvettenschlitten (3) mit der Anordnung der Führungs- und Antriebssäulen.

Die Küvette (2) selbst ist so ausgeführt, daß sie auch ohne den Küvettenhalter (1) zum Kauf angeboten werden kann.

Claims

1. Küvettenanordnung mit einer Küvette und einem Küvettenhalter zur diskreten Analyse mindestens eines Probenfeldes mittels reflek tionsspektroskopischer Messungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (2) mehrere Probenfelder (pf) aufweist, als abnehmbare Einheit ausgebildet ist und in dem Küvettenhalter (1, 1 a, 1 b) mittels eines mechanischen Antriebes beweglich gelagert ist.

2. Küvettenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Antrieb ein steuerbarer Schlitten ist, der quer zum Meßstrahl beweglich ist.

3. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Antrieb des Küvettenschlittens ein Zahnradantrieb mit Zahnstange ist.

4. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Antrieb des Küvettenschlittens ein Reibradantrieb mit Säulenführung ist.

5. Küvettenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Küvettenhalter (1) in Kastenbauweise (1 a) gearbeitet ist (Fig. 3).

6. Küvettenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Küvettenhalter (1) in einem Block (1 b) gearbeitet ist (Fig. 7).

7. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (2) einen länglichen Probenträger (4) mit prismatischen Querschnitt aus optisch durchlässigem Material enthält.

8. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der prismatische Querschnitt des länglichen Probenträgers (4) so gestaltet ist, daß die Probe einfach durchstrahlt wird (Fig. 1, a).

9. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der prismatische Querschnitt des länglichen Probenträgers (4) so gestaltet ist, daß die Probe mehrfach durchstrahlt wird (Fig. 1, b-e).

10. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der prismatische Probenträger (4) Vertiefungen aufweist, durch die die einzelnen Probenfelder (Fig. 1, pf) separiert werden.

11. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenträger (4) auf der die Probenfelder (pf) aufweisenden Oberfläche mit einer Materialschicht versehen ist, wobei die Probenfelder (pf) ausgespart sind.

12. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (2) eine Abdeckplatte (5) aufweist.

13. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (2) eine Abdeckplatte (5) mit gasdichter und mikroben dichter Dichtung (6) aufweist.

14. Küvettenanordnung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (5) durch Vertiefungen separierte umgrenzte Bereiche (Fig. 5, np) enthält.

15. Küvettenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (5) durch einen Abstandshalter (Fig. 6, 7) zwischen Prisma und Abdeckplatte gehalten wird und die Proben (Fig. 6, pr) zwischen den Noppen (np) und der Prismenoberfläche sind, und seitlich durch ein gasförmiges Medium abgegrenzt und voneinander separiert sind.

16. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (5) temperierbar ist.

17. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (5) durch in der Abdeckplatte (5) befindliche Hohlräume (Fig. 6, 8) mit einer Temperierflüssigkeit temperierbar ist.

18. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdeckplatte (5) mit einem stromleitenden aufheizbaren Material überzogen ist.

19. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (5) mit getrennten Heizungen versehen ist.

20. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (5) mit einem Temperaturgefälle aufgeheizt ist.

21. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (5) mit Ein- und Auslaßkanälen (9) versehen ist.

22. Küvettenanordnung nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßstrahlenbündel durch Blenden und Spiegel auf jeweils nur eine Probenfläche (pf) fokussiert ist.