DE4308202A1 - Mikro-Küvettensystem und dessen Anwendung in der Absorptionsphotometrie - Google Patents
Mikro-Küvettensystem und dessen Anwendung in der AbsorptionsphotometrieInfo
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Description
Die quantitative photometrische Analyse von Flüssigkeiten
beruht auf dem bekannten Bouguer-Lambert-Beer′schen Gesetz,
das den Zusammenhang zwischen Konzentration-Extinktion und
durchstrahlter Schichtlänge als Spektralfunktion erfaßt.
Als Voraussetzung für die Gültigkeit wird hier die
ungehinderte, also reflexionsfreie Durchstrahlung der
Flüssigkeit mit näherungsweise parallelem Licht angegeben.
Daraus ergibt sich zwangsläufig ein begrenzter
"Lichtleitwert" (nach DIN: "geometrischer Fluß"), der umso
niedriger wird, je kleiner der Strahlquerschnitt und je
größer die durchstrahlte Schichtlänge wird, was immer dann
der Fall ist, wenn an kleinen Substanzmengen mit hoher
Empfindlichkeit gemessen werden soll, also durchweg in der
Mikroanalytik. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Fehler
durch unvermeidlich verbleibende Reflexionen an den
Innenwänden der Küvetten durch sogenannte
"Brechungszahlkompensation" zu reduzieren. Eine vollständige
Beseitigung gelingt jedoch nicht, weil zwar die Dispersion
des Küvettenmaterials bekannt sein mag, nicht jedoch die
Dispersion des Probenmaterials. Man reduziert deshalb diese
systembedingten Restfehler durch permanente
Referenzmessungen, zumeist bezogen auf das jeweils verwendete
Lösungsmittel mit der Unterstellung, daß sich Lösung und
Lösungsmittel in Brechungszahl und Dispersion nicht
wesentlich unterscheiden.
Die vorliegende Erfindung wurde ausgelöst durch Entwicklungen
und Erfahrungen in der Spektralanalytik von kleinen
Substanzmengen, wie sie z. B. in der Biochemie typisch sind.
Die verfügbaren absoluten Substanzmengen sind in sehr vielen
Fällen extrem klein, z. B. bei Drüsensekreten usw. Die
physiologisch relevanten Konzentrationen sind ebenfalls meist
sehr niedrig, so daß es häufig problematisch, wenn nicht
sogar unmöglich ist, die für einen signifikanten
photometrischen Effekt nötige Schichtlänge zu realisieren,
weil sich, wie erwähnt, verschwindend enge
Küvettenquerschnitte nicht mit der notwendigen
Leistungsdichte reflexfrei auf größere Längen durchstrahlen
lassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Mikro-Küvettensystem für die Absorptionsphotometrie in
Vorschlag zu bringen, das trotz minimaler
Küvettenquerschnitte die Durchstrahlung der Probe mit einer
ausreichenden Leistungsdichte gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikro-
Küvettensystem für die Absorptionsphotometrie gelöst, welches
ein zylindrisches Küvettenrohr enthält, mit einem Hohlkern
zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit, die zumindest in einem
Längsstück des Hohlkerns von einer Strahlung durchsetzbar
ist, deren Absorption anschließend gemessen wird und das
dadurch gekennzeichnet ist, daß das Küvettenrohr und die
Probenflüssigkeit brechzahlmäßig so abgestimmt sind, daß sie
für die Strahlung als Stufen-Wellenleiter wirken, in welchem
die Probenflüssigkeit den Kern und die Wandung des
Küvettenrohres den Mantel bilden, so daß die Strahlung an der
Außenwand des Küvettenrohres eine mehrfache Reflexion,
vorzugsweise eine mehrfache Totalreflexion, erfährt und die
Probenflüssigkeit von der Strahlung mehrfach durchsetzt wird.
Man erhält eine optimale Strahlungsausbeute, wenn die
Strahlung dem aus Küvettenrohr und Probenflüssigkeit
gebildeten Stufen-Wellenleiter mit einem Öffnungswinkel
zuführbar ist, welcher der maximalen Apertur des Stufen-
Wellenleiters entspricht. Das Küvettenrohr besteht
vorzugsweise aus einem isotropen, im interessierenden
Spektralbereich absorptionsfreien Material.
Mit Vorteil ist das Küvettenrohr als kreiszylindrische Mikro-
Kapillare ausgebildet, die einen Innendurchmesser von weniger
als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,25 mm, und noch
bevorzugterweise weniger als 0,15 mm, und die einen
Außendurchmesser von weniger als 1,0 mm, vorzugsweise weniger
als 0,35 mm, und noch bevorzugterweise weniger als 0,20 mm,
aufweist, so daß man mit Probenflüssigkeiten auskommt, die im
Nanoliterbereich liegen können.
Die Erfindung schafft eine längsdurchstrahlte Küvette mit
meßbarer Länge, die im Prinzip einen Lichtleiter darstellt.
Meßraum ist die Flüssigkeit im zylindrischen Kern der
Kapillare. Die (beliebig lange) Strahlführung des Lichtes
längs der Küvette besorgt der absorptionsfreie Mantel der
Kapillare, der durch Totalreflexion das fortschreitende
Strahlbündel immer auf den zentrischen Probenraum fokussiert.
Die Erfindung beruht auf folgendem einfachen Prinzip:
Sie bezieht die - im interessierenden Spektralbereich - absorptionsfreie Küvettenwandung in das Strahlführungssystem mit ein und stellt damit einen Stufenindex-Lichtleiter dar, mit der Probenflüssigkeit als Kern des Lichtleiters und der Küvettenwand als Mantel.
Sie bezieht die - im interessierenden Spektralbereich - absorptionsfreie Küvettenwandung in das Strahlführungssystem mit ein und stellt damit einen Stufenindex-Lichtleiter dar, mit der Probenflüssigkeit als Kern des Lichtleiters und der Küvettenwand als Mantel.
Die Reflexionen an der Küvettenaußenwand sind verlustfreie
Totalreflexionen. Die erfindungsgemäße Lichtleiterküvette
ist, analog zu einer Ulbricht′schen Photometerkugel, jedoch
in gestreckter Form, auf die ganze Länge Integrator über den
gesamten Strahlungsfluß, d. h. der Lichtleitwert als Produkt
von Apertur und Eintrittsquerschnitt bleibt unabhängig von
der Länge konstant und ist um Größenordnungen höher als bei
konventionellen Küvetten.
Neu zu definieren ist allerdings die wirksame photometrische
Schichtlänge, die von den durchlaufenden Weglängen in der
Probe und in der Wand und von der Eintrittsapertur abhängt.
Bei bekannter Apertur und Strahlungsverteilung über den
Raumwinkel läßt sich die wirksame Schichtlänge für jedes
spezielle Mikro-Küvettensystem berechnen. Untersuchungen des
Anmelders haben jedoch ergeben, daß Minimalvolumina bei
photometrischen Messungen in der Regel weitgehend falsch
eingeschätzt werden. Die Gültigkeit der photometrischen
Gesetze (Bouguer-Lambert-Beer usw.) setzt nämlich eine nicht
beugungsbegrenzte geometrische Optik voraus, die jedoch bei
den heutigen Mikro- und Submikromethoden, insbesondere nach
der vorliegenden Erfindung, unterschritten werden. Die Folge
ist eine - fast immer unbemerkte - inhomogene
Energieverteilung im Raum bzw. in der Ausbreitungsrichtung
(bedingt durch Interferenz- und Beugungseffekte). Mit der
vorliegenden Erfindung werden diese energetischen
Unstetigkeiten durch die integrierende Wirkung des
Lichtleiters ausgeglichen, so daß eine korrekte
photometrische Messung möglich wird. Wegen der Komplexität
der theoretischen Berechnung empfiehlt sich jedoch die
Kalibrierung mit Standardsubstanzen. In der Praxis wird daher
die wirksame Schichtlänge durch eine Vergleichsmessung mit
einer Standardprobe ermittelt, welche die gleiche
geometrische Anordnung und das gleiche Lösungsmittel enthält.
Die physikalischen und analytisch-methodischen Gewinne,
welche sich durch die vorliegende Erfindung ergeben, liegen
bei folgenden Schwerpunkten:
- 1) Der Lichtleitwert, d. h. die übertragbare optische Intensität und damit die photometrische Empfindlichkeit entsprechen der theoretisch möglichen Grenze, unabhängig von der Schichtlänge.
- 2) Die Küvette, die bis auf die Dimensionen einer Haarkapillaren schrumpfen kann, hat die geforderte ideale Konstanz des Querschnitts mit laminarer, übergangsfreier Strömung.
- 3) Eine Quarzkapillare kann auf diese Weise zugleich Trennsäule und Küvette sein. Dem Grenzvolumen ist dabei nach unten keine Grenze gesetzt.
Mit der Erfindung wird ein reflexionsarmer Übergang zwischen
Probenflüssigkeit und Material des Küvettenrohres angestrebt.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist auf der Außenseite des
Küvettenrohres, zumindest in Teilbereichen, eine
Metallschicht aufgebracht. Es ist jedoch vorzuziehen, das
Material des Küvettenrohres derart zu wählen, daß an seiner
Außenseite eine Totalreflexion gegenüber einem die Küvette
umgebenden Gas, vorzugsweise Luft, entsteht, da das
Reflexionsvermögen der Metallschicht etwa 20% niedriger ist
als bei Totalreflexion. Für einen Wellenlängenbereich der
Strahlung von etwa 200 bis 1000 nm, der spektroskopisch
besonders bedeutsam ist, empfiehlt sich die Verwendung eines
Küvettenrohres aus Quarz.
Nicht ummantelte Quarzfasern, die als angrenzende Schicht
Luft haben, lassen einen Aperturwinkel von 90° zu, d. h. eine
Strahlenneigung gegen die Achse von bis zu 45°.
Die Verwendung nicht ummantelter, d. h. "nackter" Kapillaren
als Küvetten ermöglicht eine einfache und billige Herstellung
der erfindungsgemäßen Mikro-Küvettensysteme.
Bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Küvettensystems ist
jedoch zu beachten, daß Verschmutzungen und Beschläge der die
Totalreflexion bewirkenden Oberfläche, z. B. durch
Kondenswasser, kondensierte Lösungsmittel usw., vermieden
werden sollten, da diese den Wirkungsgrad der
Energieübertragung beeinträchtigen. Die Übertragungsfähigkeit
bricht jedoch erst zusammen, wenn die Dicke eines Beschlages
etwa 0,5 bis 1 µm erreicht hat. Unter halbwegs normalen
Laborbedingungen treten solche massiven Beschläge allerdings
kaum auf und eventuelle derartige Störungen lassen sich
leicht beheben, indem man die Lichtleiter in einem
Ultraschallbad reinigt.
Trotz dieser Einschränkungen stellen nach heutigem
Verständnis nicht ummantelte Quarz-Lichtleiter ein
bevorzugtes, optisch brauchbares Material dar, da in dem für
die optische Analysentechnik wichtigen Spektralbereich UV,
VIS, NIR von etwa 200 nm bis 3000 nm nur wenige Materialien
durchgehend absorptionsfrei, isotrop und chemisch inert sind.
Es gibt kein Glas, das den ganzen Spektralbereich überdeckt,
vor allem gibt es für das kurzwellige UV keine geeigneten
Gläser. Die hervorragend durchlässigen Fluoride (Lithium-
Calcium, -Magnesium- und Barium-Fluorid) sind teilweise nicht
isotrop (MgF2), mechanisch ziemlich weich und lassen sich
nicht immer zu Fasern verarbeiten. Außerdem sind sie nicht
für alle Anwendungen ausreichend chemisch resistent. Von den
Oxiden sind vor allem zwei im betrachteten Sinne
hochinteressant: Al2O3 und eben SiO2, also synthetischer
Saphir und synthetischer Quarz. Beide sind hervorragend
optisch durchlässig, chemisch inert und hoch
temperaturbeständig. In den Brechungszahlen liegen sie indes
weit auseinander. Quarz liegt im unteren, Saphir im oberen
Grenzbereich der optischen Materialien.
Weil im Sinne einer möglichst einfachen Realisierung der
Erfindung ein möglichst reflexionsarmer Übergang zwischen
Flüssigkeit und Mantelmaterial angestrebt wird bei
vorzugsweise gleichzeitiger Totalreflexion gegen Luft, ist
Saphir mit seiner Brechungszahl von rund 1,8 weniger
geeignet, während Quarz mit einer Brechungszahl von 1,458
sehr gut geeignet ist, da die Probenflüssigkeiten in der
Regel in einem Brechzahlbereich von etwa 1,3 bis 1,5 liegen.
(Kunststoffe kommen wegen ihrer strukturbedingten
Absorptionsbanden weniger in Frage).
In der überwiegenden Mehrzahl der Anwendungsfälle sind
Durchflußküvetten erforderlich, die im Idealfall ohne
Querschnittsänderung laminar durchströmt werden sollten,
wobei Fließrichtung und Strahlengang bei gestreckten Küvetten
zusammenfallen. Bei konventionellen Küvetten ist der
Strahlbüschelquerschnitt kleiner als der
Strömungsquerschnitt, eine Voraussetzung für die
reflexionsfreie, d. h. fehlerlose Durchstrahlung. Diese
systembedingte, unvollständige Volumenausnutzung macht die
Zufluß- und Abflußkanäle konstruktiv einfach. Bei der
erfindungsgemäßen Lösung ist dagegen der optische
Strahlbüschelquerschnitt durchwegs größer als der
Strömungsquerschnitt der Probe mit der zwangsläufigen Folge,
daß die Zu- und Abflußkanäle irgendwo in den Strahlengang
einschneiden müssen, wenn eine koaxiale Lichteinstrahlung in
den Küvetten-Lichtleiter angestrebt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Durchflußküvette
ist auf die beiden Enden des Küvettenrohres ein ringförmiges
Aufsatzstück aufgebracht, das eine Ein- bzw. Auslaßöffnung
enthält, welche in eine Ein- bzw. Auslaßbohrung des
Küvettenrohres mündet, wobei zwischen dem Aufsatzstück und
der Außenfläche des Küvettenrohres eine Metallschicht
aufgebracht ist. Diese Ausführungsform eignet sich besonders
für eine axiale An- und/oder Auskopplung der Strahlung an die
Küvette.
Besonders bevorzugt ist jedoch eine Schrägan- und/oder
-auskopplung der Strahlung an der Küvette.
Die An- und/oder Auskopplung erfolgt zweckmäßigerweise
mittels eines Kegelkörpers, der vorzugsweise aus dem gleichen
Material besteht wie das Küvettenrohr, der auf seinem
Kegelmantel eine Nut aufweist, und deren Krümmungsradius dem
Außenradius des Küvettenrohres entspricht, wobei das
Küvettenrohr unter Zwischenschaltung eines absorptionsfreien
Mittels in der Nut derart gehaltert ist, daß im Falle der
Strahlungsankopplung die Spitze des Kegelkörpers in Richtung
des Strahlungsdurchgangs und im Falle der
Strahlungsauskopplung in Spitze des Kegelkörpers entgegen der
Richtung des Strahlungsdurchgangs weist. Der Kegelkörper ist
vorzugsweise kreiszylindrisch ausgebildet, wobei der Winkel,
den die Kegellängsachse mit dem Kegelmantel einschließt,
vorzugsweise kleiner oder gleich einem Viertel des maximalen
Aperturwinkel des Stufen-Wellenleiters ist. Bei einem
Kegelkörper und einem Küvettenrohr aus Quarz beträgt der
Winkel, den die Kegellängsachse mit dem Kegelmantel
einschließt, etwa 15° bis 22,5°, vorzugsweise etwa 20° bis
22,5°, für eine optimale Energieübertragung.
Aus Gründen der Handhabbarkeit hat es sich ferner als günstig
erwiesen, wenn der Anschluß des Küvettensystems an eine
Lichtquelle und/oder an eine Meßeinrichtung mittels eines
Aperturwandlers erfolgt, der jeweils aus einem koaxialen,
kegelförmigen Lichtleiter oder Spiegel mit einer
Lichteintritts- und einer Lichtaustrittsöffnung besteht,
wobei die größere der Öffnungen jeweils dem Küvettenrohr
zugekehrt ist. Derartige Aperturwandler sind in der älteren
deutschen Patentanmeldung P 42 26 884.2-52 des Anmelders
beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Der
Aperturwandler besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material
wie das Küvettenrohr und gegebenenfalls der zur Ein- und/oder
Auskopplung verwendete Kegelkörper, wobei die
Lichteintrittsöffnung und die Lichtaustrittsöffnung des
Aperturwandlers bevorzugt senkrecht zur optischen Achse
verlaufende Querschnittsöffnungen sind. Der Aperturwandler
wird zweckmäßigerweise derart eingesetzt, daß der jeweils
kleineren Querschnittsöffnung des Aperturwandlers zumindest
ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters
vorgeschaltet ist, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den
Aperturwandler der kleineren Querschnittsöffnung entspricht,
zur Ankopplung des Aperturwandlers an eine Lichtquelle oder
Meßvorrichtung, wobei der Lichtleiter, zumindest zwischen
seinen Endbereichen, in der Regel als vorzugsweise flexibles
Lichtleitkabel ausgebildet ist. Die zumindest eine
Lichtleitfaser des Lichtleiters besteht zweckmäßigerweise aus
dem gleichen Material wie das Küvettenrohr und gegebenenfalls
der Kegelkörper und/oder der Aperturwandler. Man erhält eine
gute Ankopplung der Strahlung an das Küvettensystem, wenn die
Austrittsapertur des Kegelkörpers größer ist als die
Eintrittsapertur des Aperturwandlers, da hierdurch
sichergestellt ist, daß die Strahlung das Küvettenrohr mit
einem für die Totalreflexion ausreichenden Neigungswinkel
eintritt.
Bei Verwendung von Quarz als Küvettenrohr, Kegel und
Aperturwandler sowie gegebenenfalls als Lichtleiter beträgt
zweckmäßigerweise der Winkel, den der Kegelmantel des
Aperturwandlers zu seiner Mittelachse einschließt, etwa 13°
und der Winkel, den der Kegelmantel des Kegels zu seiner
Mittelachse einschließt, etwa 20° bis 22,5°. Gemäß einer
bevorzugten Variante der Erfindung sind der Kegelkörper und
der zugehörige Aperturwandler als vorzugsweise einstückiger
Doppelkegel ausgebildet.
In der Frage des Strahlungsübergangs von Beleuchtungs- oder
Transport-Lichtleitern auf Kapillar-(Küvetten-)Lichtleiter
gleicher zulässiger Apertur, erscheint die Anwendung von
Aperturwandlern mit Doppelkegeln vom Prinzip her zunächst
überflüssig, da der Strahlengang auf reduzierte Apertur
auf geweitet und anschließend wieder zurückgenommen wird. Die
Verwendung der Doppelkegel ist jedoch aus technischer Sicht
sehr nützlich, da beide Lichtleiter, der zur Beleuchtung
dienende und die Kapillare, in der Mikroanalyse Durchmesser
von nur wenigen Zehntel-Millimetern aufweisen. Es ist
technisch sehr aufwendig, in das Ende des Beleuchtungs-
Lichtleiters die Nut einzuarbeiten, die den Übergang zur
Kapillare schaffen soll. Bei Verwendung der Doppelkegel läßt
sich dies technisch besser beherrschen. Noch deutlicher wird
dieser Vorteil bei dem Übergang von einem Beleuchtungs-
Lichtleiter mit niedriger Apertur, wie z. B. 26°, auf eine
nicht ummantelte Quarz-Kapillare mit 44°-Apertur, wo man an
die Faser mit einem Durchmesser von 0,6 mm noch einen
Verjüngungskegel anschleifen und polieren und dazu noch mit
einer Nut versehen mühte.
Derartige Übergänge sind jedoch, wie aus der obengenannten
früheren Anmeldung "Spektroskopisches System" bekannt ist,
bei hochgeöffneten Spektrometern, vorzugsweise
Simultanspektrometern, notwendig, wo durch eine Kombination
von Quarz-Lichtleitern mit entsprechenden Aperturwandlern
eine optische Energieausnutzung möglich ist, die der
theoretisch möglichen Grenze nahe kommt. Die dabei
eingesetzten Lichtleiter haben einen Kern aus synthetischem
geschmolzenem Quarz, der von einem dünnen Mantel umschlossen
ist, dessen Brechungszahl bzw. Dispersion kleiner sein muß
als bei Quarz. Da Quarz schon im unteren Bereich der
Brechungszahlen und Dispersionen liegt (nur einige Fluoride
liegen noch darunter), kommen nur ganz wenige
Mantelmaterialien in Frage. Zur Zeit üblich sind ein
spezieller Kunststoff, der aber chemisch und thermisch
empfindlich ist, sowie die Dotierung der Quarzaußenwand mit
vorwiegend Fluor in einem komplizierten Verfahren. Diese
dotierten Quarzfasern verfügen über nutzbare Aperturwinkel
von rund 26°, d. h. die zulässige Strahlneigung gegen die
Achse beträgt rund 13°. Die Werte für die mit Kunststoff
ummantelten Quarzfasern liegen nur geringfügig höher.
Da nicht ummantelte Quarzfasern, die also als angrenzende
Schicht ein Gas, insbesondere Luft, haben, einen
Aperturwinkel von knapp 90° zulassen, also eine Strahlneigung
gegen die Achse von knapp 45°, müssen die Doppelkegel derart
gestaltet sein, daß eine optimale Lichtübertragung erfolgt.
Dies bedeutet, daß die dem Lichtleiter zugekehrte Verjüngung
des Doppelkegels dessen maximaler Apertur von 26° angepaßt
ist, was einem Kegelwinkel zur Symmetrieachse von etwa 13°
entspricht, während die der Kapillare zugekehrte Verjüngung
des Doppelkegels dessen maximaler Apertur von knapp 45°
angepaßt sein muß, was bei der vorzugsweise verwendeten
schrägen Einkopplung mittels der Nut in der Außenfläche des
entsprechenden Kegels einem Kegelwinkel zur Symmetrieachse
von maximal 22,5° entspricht. Hierdurch wird sicher
vermieden, daß die Küvettenwandung zu einem selbständigen
Lichtleiter mit nur reduziertem Strahlungsübergang, zum
Küvetteninhalt wird, was sich bei einer Ankopplung mit gleich
niedriger Apertur, wie sie im Beleuchtungs-Lichtleiter
herrscht, ergeben würde.
Als zweckmäßig hat es sich ferner erwiesen, wenn zwischen
Aperturwandler und Kegelkörper ein zylindrisches Teil
vorgesehen ist, welches die Austrittsfläche des
Aperturwandlers an die Eintrittsfläche des Kegelkörpers
ankoppelt und das vorzugsweise aus dem gleichen Material
besteht wie der Kegelkörper und der Aperturwandler.
Die Doppelkegel werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
im zylindrischen Teil vorzugsweise über punktuelle
Anlageflächen gehaltert.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung sind zwei Kegelkörper derart beabstandet
voneinander angeordnet, daß ihre Nuten miteinander fluchten
und nach oben gekehrt sind und daß in den Nuten das
Küvettenrohr liegt. Vorzugsweise ist dabei zumindest einer
der Kegelkörper längs des Küvettenrohres verschiebbar
gelagert zur Einstellung der optischen Weglänge und/oder des
einer Absorptionsmessung zuzuführenden Längsstücks des
Küvettenrohres. Diese Konstruktion gestaltet sich besonders
praktisch, wenn zumindest einer der Doppelkegel oder wenn
beide Doppelkegel verschiebbar gelagert sind.
Die Erfindung betrifft des weiteren die Verwendung des
vorbeschriebenen Mikro-Küvettensystems in einem
spektroskopischen System, insbesondere in der
Absorptionsspektrometrie von vorzugsweise schwach
absorbierenden Flüssigkeiten, wie z. B. bei der
Konzentrationsmessung von wäßrigen Nitratlösungen.
Eine weitere bevorzugte Verwendung des vorbeschriebenen
Mikro-Küvettensystems wird in der HPLC gesehen. In der HPLC
(High Pressure Liquid Chromatography bzw. High Performance
Liquid Chromatography) ergibt sich nämlich durch die
Erfindung eine völlig neue meßtechnische Möglichkeit. Weil
die Kapillarküvette die Chromatographiesäule weder im
Querschnitt noch funktionell unterbricht, können in einer
längeren Säulenkolonne beliebig viele Meßstellen in Folge
untergebracht werden, die sich gegenseitig nicht
beeinflussen. Das wird besonders interessant, wenn den
verschiedenen Meßorten auch verschiedene optische Kriterien
zugeordnet sind, wie im folgenden gezeigt wird.
Weil der Abstand zwischen den Koppelstellen frei gewählt
werden kann, ist es problemlos möglich, das Meßgut in der
Kapillare durch physikalische Größen zu beeinflussen, z. B.
durch elektronische, magnetische oder hochfrequente Felder,
durch UV-, Alpha-, Neutronen-, Röntgenbestrahlung usw. Wegen
der Lichtleiteranschlüsse zum eigentlichen Meßgerät sind
dabei nur einfache Teile kontaminationsgefährdet. Im Falle
der UV-Bestrahlung ergibt sich ganz zwanglos die
Fluoreszenzmessung. Wenn man in diesem Fall den auskoppelnden
Aperturwandler aus geeignetem Glas herstellt, ist die
Anregungsstrahlung für die nachfolgende
Fluoreszenzstrahlungsmessung automatisch abgeblockt. Was für
die Fluoreszenz gesagt wurde, gilt in gleicher Weise auch für
Raman-Strahlungsmessungen. Dabei sei nochmals ausdrücklich
festgestellt, daß auch im Falle dieser energiearmen optischen
Effekte die erfindungsgemäße Anordnung das geometrische
Optimum der Energieübertragung liefert, weil der
spektrometrisch ausnutzbare Raumwinkel, also die Meßapertur,
von der Küvettenapertur voll ausgefüllt wird. Das
erfindungsgemäße Mikro-Küvettensystem hat somit für die
optische Meßtechnik der Mikroanalytik eine universelle
Bedeutung. Man kann erwarten, daß damit auch ein Fortschritt
auf dem Gebiet der mikrochemischen Reaktionstechnik bzw.
-kinetik erzielt werden wird. So ist es bekannt, die
Innenwände von Glas-(Quarz-)Kapillaren chemisch zu
aktivieren, wobei sehr spezifische Reaktionen nach der
Befüllung ablaufen, die wegen der Kapillarkräfte von selbst
erfolgt. Die Erfindung ermöglicht hier eine erheblich
verbesserte Meßgenauigkeit.
Mit der Erfindung wird des weiteren ein spektroskopisches
System geschaffen, in welchem zumindest eine Probe mittels
von einer Lichtquelle ausgehendem Licht beleuchtet und das
von der Probe ausgehende Licht auf den Eintrittsspalt
zumindest eines Spektrometers, insbesondere eines
Simultanspektrometers, gebündelt wird, und das dadurch
gekennzeichnet ist, daß im Objektraum zwischen der
Lichtquelle bzw. deren Bild und dem Eintrittsspalt ein
vorbeschriebenes Mikro-Küvettensystem vorgesehen ist.
Das spektroskopische System verwendet mit Vorteil als
Beleuchtungsanordnung eine punktförmige oder quasi
punktförmige Lichtquelle, die mittels eines asphärischen,
vorzugsweise eines Ellipsoid-Spiegels, auf die
Eintrittsöffnung eines zwischen Lichtquelle und Objekt
angeordneten Aperturwandlers oder eines diesem
vorgeschalteten Lichtleiters abgebildet ist.
Zweckmäßigerweise wird als Spektrometer eine aus einem
Beugungsgitter und einer Empfängereinheit bestehende
Anordnung verwendet. Als Beugungsgitter dient mit Vorteil ein
holographisches Konkavgitter und als Empfänger eine
Photodiodenzelle. Es ist günstig, wenn der Spiegel der
Beleuchtungseinrichtung und das Konkavgitter des
Spektrometers die gleiche Apertur aufweisen.
Abschließend sei noch vermerkt, daß die Erfindung, die im
Kern eine geometrisch-optische bzw. eine energetisch-optische
Optimallösung darstellt, nicht nur auf Anwendungen mit hoher
spektraler Auflösung in einem großen Spektralbereich begrenzt
ist, sondern mit dem gleichen energetischen Gewinn im
einfachen monochromatischen Betrieb einzusetzen ist.
Die beiliegenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele
dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine schematisierte, längsgeschnittene
Seitenansicht von einem Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Mikro-Küvettensystems.
Fig. 2 zeigt im Längsschnitt ein weiteres
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikro-
Küvettensystems als Durchflußküvette mit axialer
Strahlungsankopplung.
Fig. 3 zeigt eine Teilansicht von einem weiteren
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikro-
Küvettensystem als Durchflußküvette mit schräger
Strahlungsankopplung.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV des in
Fig. 3 gezeigten Küvettensystems.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Mikro-Küvettensystems als
Durchflußküvette, bei welchem mit Hilfe von
Doppelkegeln eine An- und Auskopplung der
Strahlung erfolgt.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch den linken Teil
der Anordnung von Fig. 5, wobei hier die
speziellen, für eine optimale Übertragung mit
Quarzelementen geeigneten Kegelwinkel angegeben
sind.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung entsprechend dem linken
Teil von Fig. 5 mit zusätzlichen Halterungen für
den Doppelkegel.
Fig. 8 zeigt einen Schnitt längs der Linie IIX-IIX von
Fig. 7 zur Erläuterung der Konstruktion für die
Halterung.
Fig. 9 zeigt eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung,
bei welcher die Doppelkegel längs des
Küvettenrohres zur Einstellung der optischen
Weglänge verschiebbar sind.
Fig. 10 zeigt ein spektroskopisches System, bei welchem
das erfindungsgemäße Mikro-Küvettensystem
Verwendung findet.
Fig. 1 zeigt einen Stufenindex-Wellenleiter, der aus einem
kreiszylindrischen Küvettenrohr 1 besteht, welches für den
interessierenden Spektralbereich absorptionsfrei ist und in
seinem Inneren eine Probenflüssigkeit 2 enthält. Das
Küvettenrohr 1 dient als Mantel des Wellenleiters, dessen
Kern die Probenflüssigkeit 2 bildet. Man bezieht auf diese
Weise die Küvettenwandung in das Strahlenführungssystem ein,
wie dies der Strahlenverlauf im Inneren der Küvette andeutet.
Mit 3 ist die Eintrittsapertur, mit 4 die Austrittsapertur
des Küvettensystems bezeichnet.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer
Durchflußküvette. Darin sind wieder 1 das Küvettenrohr als
Mantel des Lichtleiters, 2 die Probenflüssigkeit, 3 und 4
Eintritts- und Austrittsapertur, sowie 5. die
Küvettenabschlußfenster. Ringförmige Aufsatzstücke, 6
enthalten Zufluß- 7 bzw. Abflußbohrungen 8 für die
Probenströmung, die gemäß dem Pfeil P1 in das Küvettenrohr 1
eintritt und gemäß dem Pfeil P2 aus diesem austritt. Diese
Aufsatzstücke 6 sind mit den Abschlußfenstern 5 und dem
Küvettenrohr 1 verkittet und versteifen die Konstruktion. Auf
dem kurzen, zylindrischen Abschnitt, in welchem das
Aufsatzstück 6 auf der Außenfläche des Küvettenrohres
aufsitzt, d. h. im Bereich der Kittfuge zwischen 1 und 6 ist
der Küvettenaußenmantel, wie durch das Bezugszeichen 9
angedeutet, metallisch verspiegelt, um die Funktion der
Lichtleitung auch in diesem Abschnitt nicht zu unterbrechen.
Das Reflexionsvermögen dieser Metallschicht ist zwar um etwa
20% niedriger als die Totalreflexion, doch ist dieser
Teilverlust auf die Gesamtfläche bezogen gering.
Wenn man auf eine koaxiale Lichteinstrahlung in das
Küvettenrohr 1 der Lichtleiterküvette verzichtet, ergibt sich
eine besonders einfache und überzeugende Lösung für den
Durchfluß der Probenflüssigkeit 2, die dann an den Enden des
Küvettenrohres 1 zu- bzw. abgeführt werden kann. Die Fig. 3
und 4 zeigen das Prinzip einer derartigen schrägen
Einkopplung des Lichtes in das kreiszylindrische Küvettenrohr
1.
Während bei zentrischer Einkopplung gemäß Fig. 1 und Fig. 2
die theoretisch vorhandene Verlustrate durch Licht, das sich
nur im absorptionsfreien Mantel als Lichtleiter fortpflanzt,
gering ist, wird diese bei der bevorzugten Schrägeinkopplung
gemäß den Fig. 3 und 4 prinzipiell ausgeschaltet.
Hier ist ein Kegelkörper 10, der aus dem gleichen Material
besteht wie das Küvettenrohr 1, also z. B. aus Quarz, entlang
seines Kegelmantels mit einer teil- bzw. halbzylindrischen
Nut 11 versehen, die den gleichen Radius aufweist wie der
Außenmantel des Küvettenrohres 1 und in die sich das
Küvettenrohr 1 exakt einfügt. Die kreiszylindrische Nut 11
kann über die gesamte Länge die gleiche Tiefe aufweisen, sie
kann aber auch, von einem tangentialen Berührungspunkt
ausgehend, zunehmend tiefer werden. Ein absorptionsfreies
Immersionsmittel stellt den optischen Kontakt zwischen
Kegelkörper 10 und Küvettenrohr 1 her. Der aufgesetzte
Kegelkörper 10 wirkt als Aperturwandler und gestattet auf
diese Weise eine optische Einkopplung mit dem bestmöglichen
Wirkungsgrad durch Anpassung des Kegelwinkels, wobei, wie der
Strahlengang in Fig. 3 andeutet, eine effektiv größere
Apertur der Beleuchtung erreicht wird mit der Folge, daß die
Probenflüssigkeit 2 öfters durchlaufen und damit die wirksame
Schichtlänge vergrößert wird. Der grundsätzliche Aufbau und
die Wirkung derartiger Aperturwandler ist in der älteren
deutschen Patentanmeldung P 42 26 884.2-52 des Anmelders
beschrieben, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird.
Die Offenbarung dieser Patentanmeldung, von der eine Kopie
beiliegt, wird in die vorliegende Anmeldung einbezogen.
Die Verwendung derartiger Aperturwandler beruht auf der
Erkenntnis, daß in der Spektralanalytik nur energetisch
optische Fragestellungen zu lösen sind (Frequenz, Amplitude,
Geschwindigkeit, Azimut und Achsenverhältnis der
elektromagnetischen Strahlung), so daß alle Fragen nach der
Bildlage, der Bildschärfe usw. zurückstehen können, und daß
man sich daher auf die Forderung beschränken kann, das Licht
bzw. die Strahlung so verlustarm wie möglich durch den
Objektraum zu führen sowie mit geeigneten Mitteln die
Strahlneigungen, als die Aperturen, der Meßmethode
anzupassen. Da Brechungs- und Beugungseffekte
dispersionsbehaftet, also nicht achromatisch sind, sind
darauf beruhende Mittel ungeeignet. Als Mittel der Wahl
verbleiben daher Reflexionsmittel, wobei man vorzugsweise
von der Totalreflexion Gebrauch macht.
Der kegelartige Aperturwandler läßt sich auch als konsequente
Reduzierung eines koaxialen Teleskops mit
Innenwandreflexionen verstehen.
Der Aperturwandler kann in einfacher Weise an die bei vielen
Ausführungsformen von photometrischen und spektroskopischen
Systemen ohnehin zweckmäßigerweise verwendeten Lichtleiter
angekoppelt werden. Wie leicht zu ersehen ist, verändert
seine kegelartige Ausgestaltung die Apertur des
durchfallenden Lichts immer in dem Sinn, daß am kleinen
Querschnitt des Kegels die Apertur groß und am großen
Querschnitt klein ist.
Der Aperturwandler ermöglicht es somit, daß man mit
Lichtleitern verschiedener Aperturen beliebige photometrische
Systeme in Absorption oder Emission aufbauen kann, deren
Energieübertragungsgrad dem jeweils leistungsfähigsten
optischen Spektrometersystem angepaßt ist.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante des erfindungsgemäßen
Küvettensystems kann das Ausflußende des Küvettenrohres 1
offen gelassen sein, so daß die Probenflüssigkeit dort frei
abtropft, wenn eine integrale Absorptionsmessung durchgeführt
wird, wobei in diesem Falle am Auslaßende lediglich eine
Photomultiplier- oder eine entsprechende Meßvorrichtung
angeschlossen ist.
Aus der erwähnten früheren Anmeldung ist bekannt, daß die
Wirkung der Aperturwandlung durch die Kombination von
zylindrischen und konischen Lichtleitern reversibel und in
der Wirkung variierbar ist. Man kann daher am Ausflußende des
Küvettenrohres einen weiteren Kegelkörper entsprechend
befestigen, der die Austrittsapertur verkleinert und
beispielsweise an die Eingangsapertur eines Meßsystems oder
eines Lichtleiters, welcher das austretende Licht einem
Meßsystem zuführt, anpaßt.
Diese Konstruktion ist in den Zeichnungen jedoch nicht näher
dargestellt.
Wenn man die Möglichkeiten der Aperturwandler konsequent
ausnützt, dann gelangt man zu der in Fig. 5 dargestellten
Konstruktion. Das Küvettenrohr 1 mit der durch dieselbe
geleiteten Probenflüssigkeit 2 liegt hier in den angepaßten
Nuten 11 der Kegel 10 auf. Diese Kegel 10 gehen über kurze
zylindrische Teile 12 in Gegenkegel 13 über, an deren
Spitzen, wie in der vorgenannten älteren Anmeldung
beschrieben, Lichtleiter 14 angeschlossen sind. Die
Funktionselemente 10, 12, 13 sind jeweils in einem Stück als
Doppelkegel 15 gefertigt, wobei die mechanische Halterung im
optisch unkritischen zylindrischen Teil 12 erfolgen kann, wie
im folgenden anhand der Fig. 7 und 8 noch näher ausgeführt
wird.
Fig. 6 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel für die
Ankopplung eines Quarz-Lichtleiters 14 an ein nicht
ummanteltes Quarz-Küvettenrohr 1, da Quarz-Lichtleiter, wie
erwähnt, für die Anwendungen der Spektroskopie im UV- und
VIS-Spektralbereich besonders günstig sind. In Fig. 6 ist die
Dimensionierung des aus Aperturwandler 13 und als Koppelglied
wirkender Kegelkörper 10 kombinierten Doppelkegels 15 für
eine praktische Anwendung in einem Spektralbereich von etwa
200 bis 1000 nm angegeben. Dieser Doppelkegel 15 mit
zylindrischen Zwischenstück 12 stellt die Verbindung her
zwischen dem dotierten Quarz-Lichtleiter 14 mit etwa 26°
zulässiger Apertur und der "nackten" Quarzküvette 1 mit etwa
45° Apertur. Der Kegel 13 zum koaxialen Anschluß des
Lichtleiters 14 hat den zulässigen gesamten Öffnungswinkel
von 26°, also 13° Neigung des Kegelmantels gegen die Achse.
Der küvettenseitige Kegel hat dagegen wegen der Asymmetrie
der Einstrahlung einen gesamten Öffnungswinkel von 40° bis
45°, d. h. eine Neigung des Kegelmantels gegen die Achse von
20° bis 22,5°. Die exakten Werte werden durch die praktischen
Anforderungen gegeben. Der zylindrische Teil 12 zwischen den
beiden Kegeln erleichtert primär die Herstellung, er
gestattet zugleich aber auch eine einfache und gut
reproduzierbare Befestigung, wie sie in den Fig. 7 und 8
dargestellt ist.
Der über die Nut 11 das Küvettenrohr 1 von unten zur Hälfte
umschließende Doppelkegel 15, der an seinem, dem Küvettenrohr
1 abgekehrten Ende an dem Lichtleiter 14 angekoppelt ist,
wird im Bereich des zylindrischen Teils 12 von zwei Klammern
16, 17 getragen, von denen jede über je drei annähernd
punktuell gestaltete Anlageflächen 18, 19, 20 um je 120°
gegeneinander versetzt an der Außenseite des Doppelkegels 15
elastisch anliegt. Die Klammern 16, 17 sind zangenförmig
ausgebildet, wobei die eine Zangenbacke zwei der
Anlageflächen 19, 20 und die andere Zangenbacke die dritte
Anlagefläche 18 trägt. Die, bezogen auf die Drehachse 23, den
Zangenbacken 21, 22 abgekehrten Betätigungsarme 24, 25 der
Klammern werden durch eine Feder 26 auseinandergepreßt, so
daß durch Überwindung der Federkraft die Klammern gelöst
werden können. Die Klammern 16, 17 können an einem
gemeinsamen Halter 27 befestigt sein.
Fig. 9 zeigt eine besonders interessante Variante der
Erfindung. Da, wie schon erwähnt, die jeweils photometrisch
optimale Schichtlänge, bedingt durch Konzentration und
Extinktionskoeffizient, von der jeweiligen Meßaufgabe abhängt
und die Küvette wegen der Schrägeinkopplung eine Kapillare
beliebiger Länge sein kann, läßt sich die wirksame
Schichtlänge einfach dadurch variieren und einstellen, daß
man die beiden Doppelkegel 15 mit den Klammern 16, 17 und dem
Halter 27 auf je einem Schlitten 28, 29 befestigt, der auf
einer Schlittenführung 30 linear und reproduzierbar
verschoben werden kann, z. B. durch eine nicht dargestellte
Mikrometerschraube oder -spindel. Die erfindungsgemäße
Anordnung nach Fig. 9 eignet sich besonders für die
Absorptionsspektroskopie an schwach absorbierenden
Flüssigkeiten, weil die Schichtlänge beliebig verlängert
werden kann. Als praktisches Beispiel sei genannt die direkte
Nitratbestimmung in Wasser. Auch im Rahmen der HPLC (High
Performance Liquid Chromatography) ermöglicht diese Anordnung
völlig neue meßtechnische Dimensionen, wie dies bereits
vorstehend erörtert wurde.
In Fig. 10 ist ein einfaches Anwendungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Mikro-Küvettensystems schematisch
wiedergegeben. Eine Kontinuums-Lichtquelle 31 mit kleinem
Leuchtfeld wird durch einen Ellipsoid-Spiegel 32 auf die
Eintrittsfläche 33 eines Übertragungs-Lichtleiters 34
abgebildet. Dieser Lichtleiter 34 schließt an den
erfindungsgemäßen Doppelkegel 15 als Aperturwandler und
Koppler an und besorgt zugleich die Schrägeinkopplung der
Strahlung in die Kapillarküvette 1. In einem durch die
Meßaufgabe gegebenen Abstand folgt ein gleichartiger
Doppelkegel 15 zur Auskopplung der Strahlung, die in streng
analoger Weise über einen Lichtleiter 35 zum Spektrometer 36,
als dem eigentlichen Meßteil der Anordnung, führt.
Vorzugsweise ist die Apertur in Leuchte und Spektrometer
gleich, mit dem derzeit höchsten erreichbaren Wert gewählt.
Bezüglich der Einzelheiten der Leuchte und des Spektrometers,
das z. B. ein Simultanspektrometer sein kann, wird ebenfalls
auf die vorgenannte ältere Patentanmeldung P 42 26 884.2-52 des
Anmelders verwiesen.
Claims (37)
1. Mikro-Küvettensystem für die Absorptionsphotometrie,
enthaltend ein zylindrisches Küvettenrohr mit einem
Hohlkern zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit, die
zumindest in einem Längsstück des Hohlkerns von einer
Strahlung durchsetzt wird, deren Absorption
anschließend gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Küvettenrohr (1) und die Probenflüssigkeit
(2) brechzahlmäßig so abgestimmt sind, daß sie für
die Strahlung als Stufen-Wellenleiter wirken, in
welchem die Probenflüssigkeit (2) den Kern und die
Wandung des Küvettenrohres (1) den Mantel bilden, so
daß die Strahlung an der Außenwand des Küvettenrohres
(1) eine mehrfache Reflexion, vorzugsweise eine
mehrfache Totalreflexion, erfährt und die
Probenflüssigkeit von der Strahlung mehrfach
durchsetzt wird.
2. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlung dem aus
Küvettenrohr und Probenflüssigkeit gebildeten Stufen-
Wellenleiter mit einem Öffnungswinkel (3) zuführbar
ist, welcher der maximalen Apertur des Stufen-
Wellenleiters entspricht.
3. Mikro-Küvettensystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Küvettenrohr (1) aus einem isotropen, im
interessierenden Spektralbereich absorptionsfreien
Material besteht.
4. Mikro-Küvettensystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Küvettenrohr (1) als kreiszylindrische Mikro-
Kapillare mit einem Innendurchmesser von weniger als
0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,25 mm, und noch
bevorzugterweise weniger als 0,15 mm, und mit einem
Außendurchmesser von weniger als 1,0 mm, vorzugsweise
weniger als 0,35 mm, und noch bevorzugterweise
weniger als 0,20 mm, ausgebildet ist.
5. Mikro-Küvettensystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch einen reflexionsarmen
Übergang zwischen Probenflüssigkeit (2) und Material
des Küvettenrohres (1).
6. Mikro-Küvettensystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der
Außenseite des Küvettenrohres (1), zumindest in
Teilbereichen, eine Metallschicht aufgebracht ist.
7. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des
Küvettenrohres (1) derart gewählt ist, daß an seiner
Außenseite eine Totalreflexion gegenüber einem die
Küvette umgebenden Gas, vorzugsweise Luft, entsteht.
8. Mikro-Küvettensystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für einen
Wellenlängenbereich der Strahlung von etwa 200 bis
1000 nm ein Küvettenrohr (1) aus Quarz verwendet ist.
9. Mikro-Küvettensystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette
als Durchflußküvette ausgebildet ist.
10. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß auf die beiden Enden des
Küvettenrohres (6) ein ringförmiges Aufsatzstück (6)
aufgebracht ist, das eine Ein- bzw. Auslaßöffnung
(7, 8) enthält, welche in eine Ein- bzw. Auslaßbohrung
des Küvettenrohres mündet, und daß zwischen dem
Aufsatzstück (6) und der Außenfläche des
Küvettenrohres (1) eine Metallschicht aufgebracht
ist.
11. Mikro-Küvettensystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch eine axiale An- und/oder
Auskopplung der Strahlung an der Küvette.
12. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 1 bis
10, gekennzeichnet durch eine Schrägan- und/oder
-auskopplung der Strahlung an der Küvette.
13. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die An- und/oder Auskopplung
mittels eines Kegelkörpers (10) erfolgt, der
vorzugsweise aus dem gleichen Material besteht wie
das Küvettenrohr (1), der auf seinem Kegelmantel eine
Nut (11) aufweist, deren Krümmungsradius dem
Außenradius des Küvettenrohres (1) entspricht, wobei
das Küvettenrohr (1) unter Zwischenschaltung eines
absorptionsfreien Mittels in der Nut derart gehaltert
ist, daß im Falle der Strahlungsankopplung die Spitze
des Kegelkörpers (10) in Richtung des
Strahlungsdurchgangs und im Falle der
Strahlungsauskopplung die Spitze des Kegelkörpers
(10) entgegen der Richtung des Strahlungsdurchgangs
weist.
14. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kegelkörper (10)
kreiszylindrisch ausgebildet ist.
15. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der Winkel, den die
Kegellängsachse mit dem Kegelmantel einschließt,
kleiner oder gleich einem Viertel des maximalen
Aperturwinkels des Stufen-Wellenleiters ist.
16. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einem Kegelkörper (10) und
einem Küvettenrohr (1) aus Quarz der Winkel, den die
Kegellängsachse mit dem Kegelmantel einschließt, etwa
15° bis 22,5°, vorzugsweise etwa 22° bis 22,5°,
beträgt.
17. Mikro-Küvettensystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet), daß der Anschluß
des Küvettensystems an eine Lichtquelle und/oder an
eine Meßeinrichtung mittels eines Aperturwandlers
(13) erfolgt, der jeweils aus einem koaxialen,
kegelförmigen Lichtleiter oder Spiegel mit einer
Lichteintritts- und einer Lichtaustrittsöffnung
besteht, wobei die größere der Öffnungen jeweils dem
Küvettenrohr (1) zugekehrt ist.
18. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Aperturwandler (13) aus dem
gleichen Material besteht wie das Küvettenrohr (1)
und gegebenenfalls der zur Ein- und/oder Auskopplung
verwendete Kegelkörper (10), und/oder daß die
Lichteintrittsöffnung und die Lichtaustrittsöffnung
des Aperturwandlers (13) senkrecht zur optischen
Achse verlaufende Querschnittsöffnungen sind.
19. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils kleineren
Querschnittsöffnung des Aperturwandlers (13)
zumindest ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen
Lichtleiters (14) vorgeschaltet ist, dessen
Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler
(13) der kleineren Querschnittsöffnung entspricht,
zur Ankopplung des Aperturwandlers (13) an eine
Lichtquelle oder eine Meßvorrichtung.
20. Mikro-Küvettensystem nach. Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (14), zumindest
zwischen seinen Endbereichen, als vorzugsweise
flexibles Lichtleitkabel ausgebildet ist.
21. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 19 oder 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine
Lichtleitfaser des Lichtleiters (14) aus dem gleichen
Material besteht wie das Küvettenrohr (1) und
gegebenenfalls der Kegelkörper (10) und/oder der
Aperturwandler (13).
22. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 17 bis
21, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsapertur
des Kegels größer ist als die Eintrittsapertur des
Aperturwandlers.
23. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Quarz als
Küvettenrohr, Kegel und Aperturwandler sowie
gegebenenfalls als Lichtleiter der Winkel, den der
Kegelmantel des Aperturwandlers (13) zu seiner
Mittelachse einschließt, etwa 13° und der Winkel, den
der Kegelmantel des Kegelkörpers (10) zu seiner
Mittelachse einschließt, etwa 20° bis 22,5° beträgt.
24. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 13 bis
23, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelkörper (10)
und der zugehörige Aperturwandler (13) als
vorzugsweise einstückiger Doppelkegel (15)
ausgebildet ist.
25. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 24, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen Aperturwandler (13) und
Kegelkörper (10) ein zylindrisches Teil (12)
vorgesehen ist, welches die Austrittsfläche des
Aperturwandlers (13) an die Eintrittsfläche des
Kegelkörpers (10) ankoppelt.
26. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 25, dadurch
gekennzeichnet, daß der zumindest eine Doppelkegel
(15) im zylindrischen Teil (12) vorzugsweise über
punktuelle Anlageflächen (18, 19, 20) gehaltert ist.
27. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 13 bis
26, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kegelkörper (15)
derart beabstandet voneinander angeordnet sind, daß
ihre Nuten (11) miteinander fluchten und nach oben
gekehrt sind, und daß in den Nuten das Küvettenrohr
(1) liegt.
28. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 27, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest einer der Kegelkörper
(15) längs des Küvettenrohres (1) verschiebbar ist,
zur Einstellung der optischen Weglänge und/oder des
einer Absorptionsmessung zuzuführenden Längsstückes
des Küvettenrohres (1).
29. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 28, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest einer der Doppelkegel
(15) verschiebbar gelagert ist.
30. Verwendung des Mikro-Küvettensystems nach einem der
vorstehenden Ansprüche in einem spektroskopischen
System.
31. Verwendung des Mikro-Küvettensystems nach einem der
vorstehenden Ansprüche in der
Absorptionsspektrometrie, insbesondere von schwach
absorbierenden Flüssigkeiten.
32. Verwendung des Mikro-Küvettensystems nach einem der
Ansprüche 1 bis 29 in der HPLC.
33. Spektroskopisches System, in welchem zumindest eine
Probe mittels von einer Lichtquelle ausgehendem Licht
beleuchtet und das von der Probe ausgehende Licht auf
den Eintrittsspalt zumindest eines Spektrometers,
insbesondere eines Simultanspektrometers, gebündelt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Objektraum
zwischen der Lichtquelle (31) bzw. deren Bild (33)
und dem Eintrittsspalt des Spektrometers (36) ein
Mikro-Küvettensystem (1, 15, 34, 35) nach einem der
Ansprüche 1 bis 29 vorgesehen ist.
34. Spektroskopisches System nach Anspruch 33, dadurch
gekennzeichnet, daß als Beleuchtungsanordnung eine
punktförmige oder quasi punktförmige Lichtquelle (31)
verwendet ist, die mittels eines asphärischen,
vorzugsweise eines Ellipsoid-Spiegels auf die
Eintrittsöffnung (33) eines zwischen Lichtquelle und
Objekt angeordneten Aperturwandlers oder eines diesem
vorgeschalteten Lichtleiters (34) abgebildet ist.
35. Spektroskopisches System nach Anspruch 33 oder 34,
dadurch gekennzeichnet, daß als Spektrometer eine aus
einem Beugungsgitter und einer Empfängereinheit
bestehende Anordnung verwendet ist.
36. Spektroskopisches System nach Anspruch 35, dadurch
gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter ein
holographisches Konkavgitter und als Empfänger eine
Photodiodenzeile dienen.
37. Spektroskopisches System nach Anspruch 34 und 36,
dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel der
Beleuchtungseinrichtung und das Konkavgitter des
Spektrometers die gleiche Apertur aufweisen.
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