DE4425462A1

DE4425462A1 - Spektralphotometer-Zelle

Info

Publication number: DE4425462A1
Application number: DE4425462A
Authority: DE
Inventors: Keith Hulme
Original assignee: Optiglass Ltd
Current assignee: Optiglass Ltd
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1994-07-19
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2014-07-20
Also published as: GB9414552D0; GB2280283B; GB2280283A; DE4425462C2; US5493405A; GB9314926D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zelle zum Messen des Spektrums einer Probe, insbesondere jedoch nicht ausschließlich einer flüssigen Pro be, in einem Lichtstrahl eines Spektralphotometers, welche Zelle ein ein fallsseitiges Wandteil und ein ausgangsseitiges Wandteil aufweist, das von ersterem mit Abstand angeordnet ist, um dazwischen eine Probenkammer zu bilden, die sich zwischen den inneren Oberflächen des Wandteils er streckt. Jedes Wandteil umfaßt ein Fenster am jeweiligen Ende der Pro benkammer, um zu ermöglichen, daß ein externer Lichtstrahl durch die Kammer hindurchlaufen kann.

Solche Zellen werden typischerweise aus zumindest zwei Stücken von po liertem optischen Material produziert. Die Stücke werden ausschließlich durch die Anwendung von Wärme miteinander verbunden. Durch diese Technik werden so keine zwischenliegenden oder klebenden Materialien im Aufbau der Zellen mit dem Resultat verwendet, daß diese völlig homogen und dauerhaft resistent gegen alle Lösungen mit Ausnahme derer sind, die auch das Grundmaterial angreifen. Während des Herstellungsprozesses werden alle Spannungen in der Zelle durch sorgfältiges Tempern entfernt. Auf diese Weise können die Zellen einem vernünftigen Maß an physikali schen und thermischen Schocks genauso wie Ultraschall-Vibrationen und Druckunterschieden bis hoch zu mehreren Atmosphären widerstehen. Mit entsprechender Sorgfalt können die Zellen sogar bei hohen und niedrigen Temperaturen verwendet werden. Unter bestimmten Umständen, wo ungleiche Materialien verwendet werden, ist es ebenfalls bekannt, einen Leim, Kleb stoff oder andere Materialien zu verwenden, um die Fenster mit der Zelle zu verbinden.

Es ist möglich, daß Zellen aus unterschiedlichen Rohmaterialien in Ab hängigkeit ihrer Verfügbarkeit für eine gegebene Anwendung hergestellt werden. Zum Beispiel können die Zellen aus Glas, Quarz oder sogar be stimmten Kunststoffmaterialien, wie z. B. Acryl hergestellt werden. Der verwendete Material- und Zellentyp wird von der jeweiligen Anwendung der Zelle abhängen. Die Zellen können in vielen unterschiedlichen Arten der Photometrie, wie beispielsweise in Spektralphotometern, Fluoreszenzmeß geräten, Colorimetern, Absorptionsmeßgeräten und in Detektoren für die Hochdruck-Flüssigchromatographie eingesetzt werden. In dieser Beschrei bung wird der Ausdruck "Licht" in der Bedeutung des jeweils relevanten Bereiches der elektromagnetischen Strahlung für den bestimmten Typ der durchgeführten Messung und nicht nur für sichtbare Wellenlängen verwen det.

Zellen existieren in einer Vielfalt von unterschiedlichen Typen für die verschiedenen unterschiedlichen Typen der Spektrometrie. In den meisten Fällen sind die äußeren Dimensionen der Zelle durch die jeweiligen Zel lenhalter des aktuell verwendeten Instrumentes vorgegeben. Es wird Bezug genommen auf ein Dokument, das von der Firma Starna Ltd., Romford, Es sex, UK, mit dem Titel "Starna Spectrophotometer Cells" (Erstveröffent lichung 1977) herausgegeben wurde und das die gebräuchlichsten Spek tralphotometer-Zellen in ihrer Bandbreite beschreibt.

Während die oben beschriebenen Zellen befriedigend für Anwendungsfälle arbeiten, wo das Probenkammervolumen etwa im Bereich zwischen 50 bis 500 µl (50 bis 500 × 10^-9 m³) beträgt, wird es immer mehr notwendig, die Probenkammer hinsichtlich ihres Volumens zu verkleinern, insbesondere für die Anwendung auf dem mikrobiologischen Gebiet. Oftmals ist es notwen dig, ein Probenkammervolumen von 5 µl oder weniger zu haben. Ein be sonderer Vorteil eines kleineren Volumens liegt darin, daß es möglich ist, mehr Proben durch die Kammer zu Analysenzwecken in einer vorgegebenen Zeit durchzuschleusen, was signifikante wirtschaftliche Kostenvorteile mit sich bringt. Wenn jedoch die Probenkammer in ihrem Querschnitt kleiner wird, fällt auch die durch die Probe hindurchlaufende Lichtmenge.

Als Folge davon reduziert die Erniedrigung der Energiemenge das Signal- Rausch-Verhältnis, welches ein Niveau erreichen kann, auf dem verläßli che Messungen unmöglich sind.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Lichtquelle des Spektralphotometers auf eine kleiner Probenkammer zu fokussieren. Dies ist schwierig, da die Probenkammern einen typischen Querschnitt von nur 1 × 1 mm (1 × 10^-6 m²) haben und normale Spektralphotometer-Linsen eine Fokuslän ge zwischen 30 mm und 200 mm aufweisen. So kann eine nur kleine Fehl stellung der Zelle in dem Spektralphotometer mit sich bringen, daß der Lichtstrahl die Probenkammer völlig verfehlt. In der Praxis ist dies schwierig und nur in aufwendiger Weise zu vermeiden. Dies hat weiterhin noch den anderen Nachteil, daß das Spektralphotometer beschränkt wird, wenn es mit Zellen mit einer längeren Lichtweglänge benutzt wird, da der benötigte enge Strahl in seiner Wirksamkeit reduziert werden würde, da er nur durch einen kleinen Teil der verfügbaren Blendenöffnung hin durchlaufen würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spektralpho tometer-Zelle mit verbessertem Lichtdurchsatz zu schaffen, so daß befrie digende Messungen mit kleineren Probenvolumen durchgeführt werden kön nen, wobei kein besonderes Spektralphotometer erforderlich ist.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Zelle zum Messen des Spektrums einer Probe in einem Lichtstrahl eines Spektralphotometers vor gesehen, welche Zelle ein einfallsseitiges Wandteil und ein ausgangssei tiges Wandteil aufweist, das von ersterer mit Abstand angeordnet ist, um dazwischen eine Probenkammer zu bilden, die sich zwischen den inneren Oberflächen der einfallsseitigen und ausgangsseitigen Wandteile erstreckt, wobei das einfallsseitige Wandteil ein Fenster umfaßt, das eine Linse um faßt, die so ausgelegt ist, daß das darauf einfallende Licht in der Pro benkammer gebündelt wird.

Durch die Einbeziehung der Linse in die Zelle kann das Licht auf die Probe konzentriert werden, um den Lichtdurchsatz zu verbessern und ein deutliches meßbares Spektrum herzustellen. Dies bedeutet, daß es nicht notwendig ist, das Spektralphotometer an die Verwendung mit einer beson ders kleinen Probe speziell anzupassen. Der Lichtstrahl wird durch die Linse in der Zelle nochmals fokussiert und erlaubt so die Anwendung ei nes Standard-Spektralphotometers. Natürlich gibt es keinen Grund, warum die Zellen gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mit Probenkammern an derer Größen verwendet werden können, um die Lichtmenge zu verbessern, die korrekt durch eine bestimmte Probe hindurchläuft, wo es die Abmes sungsdetails erlauben.

In einer bevorzugten Ausführungsform bündelt die Linse das Licht auf ei nen Punkt in der Mitte der Probenkammern. Vorzugsweise ist eine weitere Linse in dem ausgangsseitigen Wandteil eingesetzt, die so ausgelegt ist, daß das Licht aus der Probenkammer in Richtung einer Meßvorrichtung zerstreut wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein Zwischenwandteil zwischen dem einfallsseitigen Wandteil und ausgangsseitigen Wandteil angeordnet, wobei die Probenkammer zwischen dem Zwischenwandteil und dem ausgangsseiti gen Wandteil gebildet ist. In dieser Ausführungsform kann eine weitere Linse in dem Zwischenwandteil angeordnet sein, um die Fokussierung des Strahles zu modifizieren. Vorzugsweise ist der Strahlfokus so modifiziert, daß ein im wesentlichen paralleler Lichtstrahl durch die Probenkammer gebildet wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a eine bekannte Durchfluß-Spektralphotometer-Zelle,

Fig. 1b und 1c Spektralphotometer-Zellen entsprechend der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine bekannte Zelle im Lichtgang eines Spektralphotometers,

Fig. 3 und 3b schematische Darstellungen einer Zelle gemäß der vor liegenden Erfindung im Lichtgang eines Spektralphotometers,

Fig. 4 ein Kurvenschaubild der prozentualen Transmission verglichen mit Luftspaltresultaten bei der bekannten Zelle und Zellen gemäß der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 5 ein Kurvenschaubild des Transmissionsverhältnisses verglichen mit Luft der bekannten Zelle und Zellen entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1a zeigt eine typische Durchflußzelle, die in herkömmlicher Weise aus einer Anzahl von Stücken aus homogenen und optisch geeigneten Materialien, wie z. B. Quarz, Glas oder Acryl zusammengebaut ist, die durch Schmelzschweißen oder auf andere Weise miteinander verbunden sind. Einlaß-/Auslaßröhren oder Leitungen sind in der Zelle durch kon ventionelle oder Ultraschall-Bearbeitung oder Bohrungen gebildet. Das gezeigte Beispiel umfaßt einen rechteckigen Block aus geschwärztem Quarz 1, der einen J-förmigen Kanal 2 aufweist, der auf einer Seitenfläche durch Ultraschallbearbeitung eingeformt ist. Eine Probenkammer 3 ist durch Einarbeitung einer Bohrung durch den Block vom Ende des Kanals 2 aus senkrecht zu der Fläche gebildet, in der der Kanal 2 ausgebildet ist.

Ein transparenter Quarzblock 4 ist mit der Oberseite des Blocks 1 schmelzverschweißt. Vor diesem Verbindungsschritt wird eine Einlaßleitung 5 durch Ultraschall-Bohren in den Block 4 eingebracht, so daß diese auf den Kanal 2 hin ausgerichtet ist. Eine ähnlich gebohrte Auslaßleitung 6 ist ebenfalls vorgesehen. Die Auslaßleitung 6 ist auf eine Bohrung (nicht gezeigt) im Block 4 ausgerichtet, die zu dem Ende der Kammer 3 führt, das dem Kanal 2 abgewandt ist, um dadurch den Flüssigkeitsdurchflußweg durch die Kammer 2 zu komplettieren. Der Kanal 2 und der Einlaß zur Kammer 3 sind durch eine transparente Quarzscheibe 7 verschlossen, die mit der außenseitigen Fläche des Blocks 1 schmelzverschweißt ist, um die Einlaßpassage zur Kammer für die zu untersuchende Flüssigkeit zu bilden.

Die Fig. 1b und 1c zeigen zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung, in der übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen sind. Die Zelle ist aus einer Anzahl von aus Quarz gebildeten Kom ponenten zusammengesetzt, die miteinander schmelzverschweißt sind, um die vollständige Zelle zu bilden. In einer Oberseite eines ersten Blocks aus geschwärztem Quarz 11 sind Einlaß- und Auslaß-Anschlüsse 12 und 13 durch Ultraschallbohren gebildet. An der Oberseite sind die Anschlüsse bezüglich einer Ebene senkrecht zur Papierebene ausgerichtet und zu den jeweiligen Enden einer Probenkammer 14 in einem Winkel geneigt. Die Pro benkammer 14 wird mit Ultraschall durch den Quarz gebohrt und die En den der Bohrung sind jeweils durch transparente Quarzscheiben 15, 16 verschlossen, die mit den Oberflächen des geschwärzten Blocks 11 schmelzverschweißt sind, um die Kammer 14 zu komplettieren und Fenster in der Kammer zu schaffen, so daß ein Lichtstrahl durch die Kammer hin durchlaufen kann. Die Einlaß-/Auslaßanschlüsse 12, 13 können so herge stellt sein, daß sie Injektionsnadeln oder Pipettenspitzen aufnehmen, um das Probenmaterial einzuspritzen oder abzuziehen.

Ein weiterer Block 17 aus geschwärztem Quarz ist mit dem Block 11 und der Scheibe 16 schmelzverschweißt. Vor dem Schmelzschweißen wird der Block 17 mit einer darin eingebohrten, konischen Bohrung 18 versehen, die mit der Achse der Kammer 14 koaxial ausgerichtet ist. Das Außenende der Bohrung 18 ist durch eine Linse 19 verschlossen, die schmelzver schweißt oder auf andere Art mit dem Block 17 verbunden ist, um eine einfallsseitige Wand zu bilden. Die Linse 19 dient zur Fokussierung des Lichtstrahls auf einen Punkt in der Nähe der Mitte der Kammer 14.

Es ist natürlich möglich, daß die Linse 19 in der Scheibe 16 gebildet oder damit verbunden ist, damit diese sowohl die Funktion einer Linse als auch eines Verschlußteils für das Ende des Kammer 14 erfüllt.

Fig. 2 zeigt eine in dem Lichtgang des Spektralphotometers angeordnete Zelle, so daß das Licht mittels der Instrumentenoptik durch den Eingang der Probenkammer auf die ausgangsseitige Wand fokussiert wird. Es könn te die Instrumentenoptik jedoch so konstruiert sein, daß das Licht in der Mitte der Probenkammer oder - falls erwünscht - anderswo fokussiert wird, indem eine geeignete Linse ausgewählt und eine exakte Positionie rung der Zelle in dem Spektralphotometer gewährleistet wird. Die Schwär zung der Zellenwände blockiert die Transmission jeglichen Lichtes mit Ausnahme von Licht, daß durch die Probenkammer durch die Linse gerich tet wird, wodurch die Auflösung des gemessenen Spektrums erhöht wird.

Wie schematisch in Fig. 3a und 3b gezeigt ist, ist in einer weiteren Aus führungsform der vorliegenden Erfindung eine weitere Linse 20 in eine Zwischenwand eingesetzt, die durch die Scheibe 16 gebildet ist. Wie ge zeigt dient die Hauptinstrumentenlinse L dazu, den Lichtstrahl auf die Linse 19 in der einfallsseitigen Wand zu richten, welche Linse den Strahl nochmals auf die Linse 20 fokussiert. Die weitere Linse 20 ist so ausge legt, daß der Strahl durch die Probenkammer als möglichst paralleler Lichtstrahl hindurchläuft. Auf diese Weise kann eine Maximalmenge an Lichtenergie in der Kammer gebündelt werden.

Die ausgangsseitige Wand 15 kann eine weitere Linse oder ein Deflektor system umfassen, um den aus der Probenkammer austretenden Strahl auf den Detektor zu richten. In Zellen zur Verwendung in einem Fluoreszenz meßgerät würde ein zusätzliches Fenster in den Seitenwänden der Proben kammer vorgesehen sein.

Eine Zelle entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde auf die folgen de Weise getestet:

Verfahren

Die Zellen wurden für einen Lichtdurchsatz mit unterschiedlichen Blenden öffnungen unter Verwendung eines AA6-Spektralphotometers bei einer Wel lenlänge von 250 nm getestet. Eine Farbstofflösung wurde ebenfalls ver wendet, um die Meßgenauigkeit der Zellen zu prüfen, wobei das Instru ment bei F40 mit einer Wellenlänge von 594,5 nm arbeitete. Alle Messun gen wurden mit einer spektralen Bandbreite von 0,5 nm und einer Schlitz höhe von 1 mm durchgeführt. Eine Wasserstofflampe wurde als 250-nm- Lichtquelle und eine Eisen-Lampe als 594,4-nm-Lichtquelle verwendet.

Resultate

Die Resultate der Lichtdurchgangsexperimente sind in den beigefügten Kurvenschaubildern gemäß den Fig. 4 und 5 dargestellt. Das Meßgenauig keitsexperiment war befriedigend, die mittlere Ablesegenauigkeit mit den experimentellen Zellen war 0,179 gegenüber einem Wert von 0,361 für die gleiche Lösung bei Messung in einer Standardtyp-1-Quarz-10 mm-Zelle. Die experimentelle Zelle hatte einen besseren Lichtdurchsatz, als die konven tionelle Typ-16.10-Zelle mit einer 10-µl-Probenkammer mit einem Quer schnitt von 1 × 1 mm und dieser Vorteil erhöhte sich bei niedrigen F-Zahlen. Das AA6 kann jedoch nicht unter F10 betrieben werden, so daß das Maß der Verbesserung bei kleinen F-Zahlen schwer abzuschätzen ist.

Die folgende Information ist ein Leitfaden für praktisch anwendbare Be reiche, wie so von oftmals verwendeten Materialen abgedeckt werden:

1. Optisches Glas 334 nm bis 2500 nm.
2. Behandeltes optisches Glas 300 nm bis 2600 nm.
3. Nahes UV-Silikat Quarzmaterial geeignet zwischen 210 nm und 2700 nm. Im allgemeinen nicht empfehlenswert für Fluoreszenzmes sungen.
4. Fernes UV-Silikat Quarzmaterial geeignet zwischen 170 nm und 2600 nm. Diese Materialien zeigen keine Fluoreszenz, haben jedoch ein starkes Absorptionsband bei 2700 nm.
5. IR-Silikat Quarzmaterial ohne signifikantes Ab sorbtionsband in UV-Bereich ist geeignet zwischen 220 nm bis 3800 nm.

Zellen, die entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert sind, haben den Vorteil, daß befriedigende Messungen mit viel kleineren Proben erhalten werden können. Dies erhöht nicht nur die Vielseitigkeit des Spektralphotometers, sondern kann auch im wesentlichen die Testrate für Proben erhöhen, was zu einer Erhöhung der Produktivität führt.

Claims

1. Zelle zum Messen des Spektrums einer Probe in einem Lichtstrahl eines Spektralphotometers, welche Zelle ein einfallsseitiges Wandteil und ein ausgangsseitiges Wandteil aufweist, das von ersterem mit Abstand ange ordnet ist, um dazwischen eine Probenkammer zu bilden, die sich zwi schen den Innenflächen des einfallsseitigen und ausgangsseitigen Wand teils erstreckt, wobei das einfallsseitige Wandteil ein Fenster umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster der einfallsseitigen Wand eine Linse umfaßt, die das darauf einfallende Licht in der Probenkammer bün delt.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse das Licht auf einen Punkt in der Mitte der Probenkammer bündelt.

3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus gangsseitige Linse in das ausgangsseitige Wandteil eingesetzt ist, die das Licht von der Probenkammer in Richtung einer Meßvorrichtung zerstreut.

4. Zelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenwandteil zwischen dem einfallsseitigen Wandteil und den aus gangsseitigen Wandteil angeordnet ist, wobei die Probenkammer zwischen dem Zwischenwandteil und dem ausgangsseitigen Wandteil gebildet ist.

5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Linse in dem Zwischenwandteil eingesetzt ist, um die Fokussierung des Strahles zu modifizieren.

6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlfokus derart modifiziert ist, daß ein im wesentlichen paralleler Lichtstrahl durch die Probenkammer gebildet ist.

7. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgangsseitige Wandteil einen Deflektor oder ein Linsensystem umfaßt, um den aus der Probenkammer austretenden Strahl auf eine De tektoreinrichtung zu richten.