DE69317874T2

DE69317874T2 - Verfahren und vorrichtung zur differentiellen messung von brechungsindizes und deren anwendung

Info

Publication number: DE69317874T2
Application number: DE69317874T
Authority: DE
Inventors: Claude Beauducel; Francois Couillard; Didier Frot; Pierre Gonzalez
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1992-10-28
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2013-10-28
Also published as: DE69317874D1; WO1994010552A1; FR2697336B1; KR950700533A; KR100302687B1; JP3679409B2; ATE164942T1; ES2117721T3; US5483344A; EP0619016B1; FR2697336A1; EP0619016A1; JPH07503324A; CA2126245C; CA2126245A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere, aber nicht ausschließlich auf den Bereich der Hochleistungs- Flüssigkeitschromatographie, bei der die Komposition eines flüssigen Mediums aufgrund seines Brechungsindex bestimmt werden soll.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Messung des Unterschieds des Brechungsindex zwischen zwei Medien, die je von einem Lichtstrahl durchquert werden.
Genauer betrachtet, betrifft die Erfindung ein Differential-Diffraktometer mit Phasenmodulation und mit gleitenden Interferenzstreifen.
Die Verwendung der vorliegenden Erfindung erlaubt es, Hochleistungschromatographen für die flüssige Phase (HPLC - High Performance Liquid Chromatography) zu verbessern.
Die meisten derzeit bekannten und in diesem Bereich verwendeten Detektoren sind Lichtmesser und Refraktometer und seltener für ganz besondere Anwendungen elektrochemische Detektoren, Leitfähigkeitsmesser u.s.w..
Die Lichtmesser haben den Vorteil einer hohen Empfindlichkeit und einer hohen Stabilität. Sie können immer verwendet werden, wenn die nachzuweisenden Eluate Licht im Wellenbereich zwischen etwa 190 und 700 um absorbieren. Diese Lichtmesser haben aber erhebliche Nachteile: Sie sind nicht universell und bei einer gleichen Analyse kann man Eluate antreffen, die Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen absorbieren oder sogar praktisch überhaupt nicht absorbieren, was insbesondere auf dem Gebiet der präparativen Chromatographie den Nachteil bringt, daß Verunreinigungen unerkannt bleiben.
Außerdem ist der Lichtmesser im Fall der präparativen Chromatographie rasch bei einer optischen Dichte von etwa 2 gesättigt. Teilt man beispielsweise die Länge des optischen Weg im Behälter durch 10, dann verringert man diesen Nachteil, aber verliert noch weiter an Empfindlichkeit.
Die Refraktometer ihrerseits haben den wesentlichen Vorteil, daß sie praktisch universell sind. Die meisten derzeit im Handel befindlichen Geräte beruhen auf dem Prinzip der Ablenkung von Lichtbündeln durch einen doppelten prismatischen Behälter mit Umlauf. In diesen Detektoren richtet eine Lichtquelle ein Lichtbündel auf einen doppelten Photodetektor, nachdem er nacheinander eine Blende, gegebenenfalls Sammellinsen, eine drehende Glaslamelle mit parallelen Seiten, um den optischen Nullpunkt des Geräts zu justieren, d.h. um die Lichtintensität, die die beiden Photodetektoren trifft, abzugleichen, und einen doppelten prismatischen Behälter durchquert hat, nämlich einen mit der Bezugsflüssikeit und einen mit der zu analysierenden Phase.
Wenn sich der Brechungsindex dieser Phase ändert, ist der prismatische Querschnitt der beiden aufeinanderfolgenden Behälter so, daß das Bündel von einem Photodetektor zum anderen abgelenkt wird, je nach dem Vorzeichen des Unterschieds der Brechungsindices der beiden Behälter. In bestimmten Fällen, insbesondere bei der präparativen Chromatographie, bei der hohe Konzentrationen in einem der beiden Behälter angetroffen werden können, oder wenn man einen Eluierungsgradienten erzeugt, können die Brechungsindexvanationen so sein, daß das Bündel bis zur Sättigung des Instruments abgelenkt wird, d.h. nur noch eine der beiden Photozellen beleuchtet. So wird das Chromatogramm oben abgeschnitten, und mehrere Spitzen mit gemeinsamer Basis können nicht mehr unterschieden werden.
Wie in Lichtmessern, kann man auch hier diese Nachteile durch Verringerung der Ablenkungen reduzieren, aber dies auch hier nur zu Lasten eines Verlustes an Empfindlichkeit. Man vermeidet dann die Sättigung, aber man kann nicht mehr die kleinen Spitzen unterscheiden, d.h. die Verunreinigungen, falls es sich um die präparative Chromatographie handelt.
Was man auch unternimmt, man ist doch stets mit den Problemen konfrontiert, die ein Eluierungsgradient erzeugt.
Es wurde auch ein Diffraktometersystem mit einer monochromatischen Lichtquelle vorgeschlagen, bei dem das Bündel geteilt wird und zwei Behälter parallel durchquert, von denen der eine eine Bezugsflüssigkeit und der andere die zu analysierende Phase enthält. Dann werden diese beiden Bündel zusammengeführt, um einen Photodetektor zu beleuchten. Interferenzen ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen optischen Wege abhängig von der Variation des Brechungsindex. Man kann davon ausgehen, daß die Sinusform des Intensitätsverlaufs in der Nähe der Brechungsindexunterschiede des Werts null linear ist. Das ergibt eine akzeptable Empfindlichkeit, löst aber nicht das Problem der Sättigung und der Gradientenverwendung. Außerdem wird wie in den vorhergehenden Fällen die Sättigung nur zu Lasten der Empfindlichkeit vermieden.
Das französische Patent 2 596 526 beschreibt ein Beispiel eines Refraktometer-Detektors, bei dem jeder der Behälter (der Bezugsbehälter und der Meßbehälter) unabhängig vom anderen an einem Interferometersystem partizipiert, wobei die beiden Behälter durch die gleiche Lichtquelle beleuchtet werden.
Die Lichtmessung erfolgt nach diesem Stand der Technik mithilfe zweier unabhängiger Photodetektoren, die also je eine Lichtintensität empfangen, die eine sinusförmige Funktion des Unterschieds der Brechungsindices zwischen dem Bezugsbehälter oder Luft und dem Meßbehälter ist. Eine individuelle Eichung jedes der beiden Lichtmesser ist damit erforderlich.
Dieses optische System enthält insbesondere ein piezoelektrisches Element, das eine Spiegel zum Vibrieren bringen soll, an dem ein Teil des von der Quelle stammenden Lichtbündels reflektiert wird. Das piezoelektrische Element kann aber eine gewisse Abweichung der Messung (aufgrund der Erwärmung) der Messung mit der Zeit hervorrufen. Außerdem ist die Bewegungssteuerung des Spiegels durch das piezoelektrische Element notwendigerweise hinsichtlich der Frequenz und/oder der Amplitude begrenzt, sodaß ein großer Meßbereich oder eine große Genauigkeit bei der Messung unmöglich ist.
Außerdem ist aus dem französischen Patent 2 254 996, der deutschen Patentanmeldung DT 25 18 197 oder auch dem Patent US 4 289 403 bekannt, daß eine Messung des optischen Wegs einfach bei der Messung der Phasenverschiebung abgeleitet werden kann, die zwischen dem von einem in einer Interferenzfigur liegenden Photodetektor gelieferten Signal und der an ein einziges der Bündel des Interferometers angelegten Modulation registriert wird. Diese Messung des optischen Wegs ergibt für einen gegebenen Probenabstand den Unterschied des Brechungsindex für einen stabilen Bezugsfall, oder man könnte auch durch die gleiche Messung den Probenabstand bestimmen, wenn der Brechungsindex bekannt ist und konstant bleibt.
Diese verschiedenen Lehren ergeben, daß die Interferometervorrichtung stabil, möglichst kompakt und symmetrisch hinsichtlich der optischen Wege sein muß, die die beiden Bündel durchlaufen.
Das Patent US-4 289 403 beschreibt gut diese Feststellung, da Gegenstand jener Erfindung ein Modulator neuer Art ist, der den Unterschied der optischen Wege für die beiden Strahlenbündel durch den Modulator minimiert, selbst wenn dagegen die sich ergebende Modulation einige Nicht linearitäten aufweist.
In der deutschen Anmeldung DT 25 18 197 ergibt eine Kompensation, die an den Modulator angelegt ist, die Amplitude der Phasenverschiebung. Dieses System liefert eine schnelle Antwort bei der Analyse der durch die Veränderungen einer physikalischen Größe erzeugten Phasenverschiebung. Aus dieser Druckschrift geht deutlich hervor, daß eine Kompensation in Form beispielsweise einer hohen Spannung für eine Pockelszelle, die an den Modulator angelegt wird, jenseits einer Phasenverschiebung von 2 180º (ungefähr 4λ) nicht mehr linear ist und daß eine bessere Kompensation als dieser Wert den Modulator beschädigen würde. Das beschränkt somit die Dynamik des Geräts.
Vorzugsweise schlägt die Erfindung ein Instrument mit großer Dynamik vor, das die Wünsche der Chromatographie Fachleute zu erfüllen in der Lage ist. Dies gilt insbesondere im Eluierungsgradientenmodus, bei dem der Unterschied im Brechungsindex, ausgedrückt durch die Wellenlänge, meist in der Größenordnung von einigen 10λ liegt.
In allen oben genannten Fällen ist es außerdem notwendig, zwei Photodetektoren zu verwenden, die somit vollkommen identisch sein müssen, was eine individuelle Eichung erfordert und die Messung in Absorptionssystemen bei der verwendeten Wellenlänge ausschließt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere die obigen Nachteile zu beseitigen und ein einfach aufgebautes System vorzuschlagen, das außerdem nur einen Photodetektor enthält.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es insbesondere, die Empfindlichkeit und die Sättigung kompatibel zu machen, insbesondere für die präparative Chromatographie, und ermöglicht außerdem die Verwendung eines Eluierungsgradienten sowohl in der analytischen als auch in der präparativen Chromatographie.
Hierzu verwendet man erfindungsgemäß ein Interferenz Differentialdiffraktometer, dessen beide Behälter (der Bezugsbehälter und der Meßbehälter) unabhängig voneinander zu einem gemeinsamen Interferogramm beitragen, das durch eine gemeinsame Lichtquelle beleuchtet wird (beispielsweise einen Laser).
Außerdem können erfindungsgemäß unter Verwendung eines dem Fachmann gut bekannten Modulators wie einer Pokkelszelle, die geeignet in der Anordnung der Elemente des Interferometers plaziert ist, die beiden Bündel genau einen gleichen optischen Weg durchlaufen (im Sinn des Kristallgitters). Dieses Merkmal beruht auf der Tatsache, daß der erfindungsgemäße Modulator insbesondere auf dem ursprünglichen Bündel, d.h. vor der Teilung in zwei Strahlen, liegt.
Außerdem vermeidet man durch Verwendung eines bekannten Modulators die Probleme der Nichtlinearität, die bei Verwendung eines Modulators einer neuen Konzeption auftreten, wie er beispielsweise in dem Patent US-4 289 403 offenbart ist.
Außerdem besitzt das erfindungsgemäße Refraktometer praktisch keine Meßwertabweichung und dafür eine große Stabilität der erzeugten Interferenzen. Günstigerweise wird die Genauigkeit der Messung dadurch erhöht, daß keine mechanischen Begrenzungen vorliegen und kein Teil in Bewegung gesetzt wird.
Schließlich ist der Meßbereich außerordentlich groß und sogar unbegrenzt aufgrund der Art und der Kombination der die Erfindung realisierenden Elemente.
Hierzu partizipiert im erfindungsgemäßen Interferenz- Differentialdiffraktometer jeder der Behälter am gemeinsamen Interferometersystem. Die Lichtmessung erfolgt vorzugsweise in einem einzigen Detektor, der in der einzigen Interferenzfigur liegt, die vom Interferometer erzeugt wird.
Nachfolgend bezeichnet der Begriff "Interferenz figur" den Fall, daß zwei in einem gemeinsamen Raumpunkt kombinierte Bündel zu einem Beleuchtungsprofil mit sinusförmigem Kontrast führen, genauso wie im Fall, daß zwei in einem einzigen Bündel zusammengeführte Bündel ein Interferenzsystem "mit flachen Abschattierungen" ergeben. In allen Fällen ergibt die Analyse der Verschiebung der Interferenzstreifen (sinusförmiges Beleuchtungsprofil) oder der Polarisations zustand des aus der Kombination der beiden Bündel resultierende Strahls (Interferenzen mit flachen Abschattierungen) ein Signal, das hinsichtlich des Unterschieds der Brechungsindices äquivalent ist, die von jedem der Bündel durch je einen der Behälter angetroffen werden.
Außerdem empfängt der zugeordnete Photodetektor, wenn die optische Verarbeitung des Bezugszweigs mit einer Modulationsfrequenz FM moduliert ist, eine Lichtstärke, die eine Sinusfunktion der Frequenz FM ist, deren Phase proportional zu ihrer räumlichen Lage ist. Die Lichtstärke hängt also ebenfalls vom Unterschied der Brechungsindices im Bezugsbehälter und im Meßbehälter ab.
Genauer empfängt in einem solchen System der ortsfest montierte Photodetektor eine Lichtstärke mit sinusförmiger zeitlicher Veränderung einer Frequenz von FM, wobei die Phasenveränderung von der Änderung des Unterschieds der Brechungsindices zwischen dem Bezugsbehälter und dem Meßbehälter abhängt. Führt man also eine Phasenmessung zwischen dem Ausgangssignal des Photodetektors und einem festen Bezugssignal durch, dann kann man den Unterschied der Brechungsindices zwischen den beiden Behältern messen. Der Brechungsindex kann progressiv selbst in großen Maßstäben variieren, beispielsweise bei einem Gradienten.
Die vorliegende Erfindung löst also sowohl das Problem der Dynamik als auch das der Maximalempfindlichkeit, wie sie insbesondere in der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie gewünscht wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Unterschieds zwischen den Brechungsindices zweier Medien, die je von einem Lichtbündel durchsetzt werden, wobei diese Bündel in der Lage sind, eine Interferenzfigur zu erzeugen, deren Verschiebung gemessen wird.
Erfindungsgemäß modifiziert man eine der Polarisationskomponenten des Bündels F und führt eine Phasenmodulation an mindestens einer der Polarisationskomponenten des Bündels F durch, sodaß der relative Unterschied der Brechungsindices der beiden Medien (Cr, Cm) quantifiziert werden kann.
Erfindungsgemäß verwendet man nur ein Mittel, um die Verschiebung der Streifen der Interferenzfigur zu erfassen, wobei dieses Mittel insbesondere dazu bestimmt ist, die Amplituden und die Richtung der Verschiebung der Streifen der Interferenzfigur zu erfassen.
Eine Pockelszelle kann zur Phasenmodulation verwendet werden.
Die Erfindung hat außerdem ein Differential-Diffraktometer zum Gegenstand, insbesondere in der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie, das aufweisen kann:
- eine ein Bündel F kohärenten Lichts aussendende Quelle,
- einen optischen Teiler, der insbesondere dazu bestimmt ist, die Polarisation des aus der Quelle stammenden Bündels F zu teilen,
- ein erstes optisches Element, das insbesondere dazu bestimmt ist, die beiden aus dem optischen Teiler stammenden Lichtbündel parallel zu machen,
- zwei Behälter Cr, Cm, von denen der eine Cr dazu bestimmt ist, eine Bezugsflüssigkeit aufzunehmen, und der andere Cm eine Meßflüssigkeit aufzunehmen, wobei jeder von einem der Lichtbündel, die aus dem optischen System stammen, durchsetzt ist,
- eine optische Anordnung, die jedes der beiden aus diesen Behältern kommenden Bündel I und II kombiniert und die Erzeugung einer Interferenzfigur ermöglicht,
- und einen Photodetektor, der dieser Interferenzfigur zugeordnet ist.
Erfindungsgemäß enthält das Refraktometer auch
- ein erstes optisches doppelbrechendes Medium, das im Verlauf des von der Quelle kommenden Bündels F vor dem optischen Teiler angeordnet und dazu bestimmt ist, eine der Polarisationskomponenten des Bündels F zu modifizieren,
- ein zweites doppelbrechendes Medium, das vor dieser Interferenzfigur angeordnet ist, vorzugsweise im Verlauf eines der vom Teiler kommenden Bündel,
- ein elektronisches System (11 - 18), das dazu bestimmt ist, die Phase einer der an das optische doppelbrechende Medium 2 angelegten Polarisationskomponenten zu modulieren, wobei dieses elektronische System im übrigen die Analyse der augenblicklichen relativen Phase zwischen dem Modulationssignal R, das an dieses doppelbrechende Medium 2 angelegt ist, und dem Signal 5 ermöglicht, das an den Klemmen des Photodetektors 9 gemessen wird, wodurch die relative Differenz der Brechungsindices zwischen dem Bezugsbehälter Cr und dem Meßbehälter Cm quantifiziert werden kann,
- und ein Informatiksystem, das dazu bestimmt ist, die aus dem elektronischen System stammenden Daten zu verarbeiten.
Vorzugsweise kann das erste doppeibrechende optische Medium eine Pockelszelle sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die optische Anordnung, die die aus den Behältern stammenden Lichtbündel I und II kombiniert, eine Linse, die dazu bestimmt ist, in ihrem Brennpunkt die Interferenzfigur zu erzeugen.
Vorzugsweise kann der Photodetektor von einer Lichtleitfaser gebildet werden, deren eines Ende im Brennpunkt der Sammellinse liegt, wobei die Stirnfläche der Faser, die die Lichtintensität empfängt, senkrecht zur optischen Achse des Refraktometers liegt, während das andere Ende der Lichtleitfaser mit einem Photodetektor verbunden ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält die die beiden Bündel I und II kombinierende optische Anordnung das zweite doppelbrechende und polarisierende optische Medium sowie eine Lamelle, die das Bündel ablenken soll.
Die optische Anordnung kann weiter ein reflektierendes Element enthalten, das dazu bestimmt ist, die beiden Bündel I und II durch je einen der Behälter (Cr, Cm) und weiter zum ersten optischen Element, zum optischen Teiler, zur Lamelle und zum zweiten doppelbrechenden optischen Medium zurückzuschicken.
Andere Einzelheiten, Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden nun anhand der die Erfindung lediglich illustrierenden und keineswegs einschränkenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten der Erfindung und ihre gegenseitige Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten der Erfindung und ihre gegenseitige Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Figur 3 zeigt schematisch und vereinfacht den elektronischen Teil der Erfindung.
Figur 4 zeigt einen Verarbeitungsalgorithmus.
In Figur 1 sieht man schematisch die wesentlichen Elemente der Erfindung: Eine Quelle 1 eines kohärenten und vorzugsweise monochromatischen Lichts (vom Lasertyp) emittiert ein polarisiertes Lichtbündel F bestehend aus zwei orthogonalen Komponenten
Erfindungsgemäß liegt eine Pockelszelle 2 oder irgend ein anderes optisches doppelbrechendes und an sich bekanntes Medium im Verlauf des Bündels F und verleiht ihm eine Phasennach- oder -voreilung, woraus sich am Ausgang der Zelle ein Strahlenbündel F1, dessen eine Polarisationskomponente verändert ist.
Wie weiter unten außerdem erläutert wird, empfängt die Pockelszelle 2 ein Modulationssignal R von einem elektronischen System. Die Verwendung einer Pockelszelle als Modulator, deren elektrisches Verhalten ausschließlich kapazitiv ist, im Gegensatz beispielsweise zu einer piezoelektrischen Lamelle, gewährleistet eine größere Stabilität der erzeugten Interferenzen und damit eine wesentlich geringere Abweichung während der Messung.
Das Bündel F1 tritt in einen optischen Teiler 3 ein, beispielsweise ein Wollaston-Prisma, der das Bündel in mindestens zwei Lichtbündel F2 und F3 aufteilen soll, die an ein erstes optisches Element 4 gelangen. Eines der Bündel ist phasenmoduliert und das andere nicht.
Das erste optische Element 4 kann beispielsweise ein Doppelprisma oder eine Sammellinse sein, die die räumlich getrennten Bündel F2 und F3, welche am Ausgang des Teilers 3 nicht parallel waren, parallel machen soll.
Vorzugsweise liegt ein zweites optisches doppelbrechendes Medium 5 (oder eine Verzögerungslamelle) im Verlauf eines des Bündels F2 oder F3, um die Polarisation des Lichtbündels (z.B. F2) zu verändern, in dessen Verlauf es liegt, sodaß die beiden Bündel F2 und F3 in das erste optische Element 4 (Doppelprisma) mit einer gemeinsamen Polarisation eintreten können.
Am Ausgang des Doppelprismas 4 durchquert jedes der beiden parallelen Bündel I und II, die gleiche Polarisationszustände haben und räumlich getrennt sind, einen der Behälter. Einer dieser Behälter Cm enthält die zu messende Komposition und der andere Cr eine Bezugskomposition. Die beiden Behälter können auch in einem gemeinsamen Block (oder Element) enthalten sein.
Nach Durchlauf je eines Behälters werden die Bündel I und II von einer Sammellinse aufgenommen, die das Bild der beiden Bündel in ihrem Brennpunkt 7 bringt. An dieser Stelle ergeben sich also die Interferenzen oder Interferenzfiguren.
Ein optimaler Kontrast der Interferenzstreifen der Interferenzfigur kann erreicht werden, indem man das aus der Lichtquelle 1 kommende Bündel um seine Achse X dreht.
Im Brennpunkt 7 liegt ein Interferenzdetektor, der von einer Lichtleitfaser 8 (mit einem Radius Rf) gebildet werden kann. Ein Ende der Faser liegt im Brennpunkt der Sammellinse 6 derart, daß der Radius Rf höchstens dem Abstand zwischen zwei Interferenzstreifen gleicher Art entspricht. Mit anderen Worten ist der Radius Rf von der gleichen Größenordnung wie der Abstand zwischen den Streifen.
Der Querschnitt der Lichtleitfaser 8 liegt vorzugs weise senkrecht zur Längsachse X des Refraktometers. Diese Achse fällt im allgemeinen mit der Achse der Lichtquelle 1 zusammen. Das andere Ende der Lichtleitfaser 8 kann an einen an sich bekannten linearen Photodetektor 9 gekoppelt sein, der in einem vorbestimmten Bereich der Lichtintensität arbeitet.
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann eine Lochblende, die sich in der Zone 7 befindet, in der die Bündel konvergieren, unmittelbar mechanisch mit dem gemeinsamen Photodetektor gekoppelt sein. Wie weiter unten im einzelnen erläutert wird, ermöglicht die Analyse der augenblicklichen relativen Phase zwischen dem an die Pockelszelle 2 angelegten Modulationssignal und dem an den Klemmen des Photodetektors 9 gemessenen Signal die Quantifizierung des relativen Brechungsindex unterschieds zwischen dem Bezugsbehälter und dem Meßbehälter.
Zuvor wird noch eine andere Ausführungsform der Erfindung anhand der Figur 2 erläutert.
Diese Ausführungsform ist der ersten hinsichtlich der Funktionen und zu erreichenden Ziele äquivalent. Sie unterscheidet sich aber insbesondere durch geringere Herstellungskosten und eine bessere Empfindlichkeit.
Nur die Abweichungen gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform werden nun herausgestellt.
Nach Durchgang durch den Modulator 2 trifft das Bündel F1 auf eine halbtransparente Lamelle 7', die vorzugsweise einen Winkel von 45º mit der Hauptachse x einschließt. Dann tritt das Bündel F1 in einen optischen Teiler 3 ein, beispielsweise ein Wollaston-Prisma, der das Bündel in mindestens zwei Bündel F2 und F3 aufteilt, die an ein erstes optisches System 4 gelangen. Eines der Bündel ist phasenmoduliert und das andere nicht.
Wie bereits dargelegt, kann das erste optische Element 4 beispielsweise ein Doppelprisma oder eine Sammel linse sein, um die beiden Bündel F2 und F3, die am Ausgang des Teilers nicht parallel waren, räumlich getrennt parallel zu machen.
So durchquert jedes der beiden parallelen und räumlich getrennten Bündel I und II am Ausgang des Doppelprismas 4 einen Behälter, und zwar das eine Bündel den Behälter Cm mit der zu messenden Komposition und das andere den Behälter Cr mit einer Bezugskomposition.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Bündel I und II hinter ihrem jeweiligen Behälter an einer Metallschicht 6' reflektiert, die auf die Hinterseite jedes der Behälter Cm, Cr aufgebracht ist. Dann werden sie wieder vom Doppelprisma 4 aufgenommen und vereinen sich im Teiler 3 zu einem gemeinsamen Bündel F4, das an einer Lamelle 7' um 90º zur Hauptachse X umgelenkt wird.
Das Bündel F4 durchläuft einen Polarisator 5', der den Polarisationszustand nach der Wiedervereinigung im optischen Teiler 3 zu analysieren vermag. Dann gelangt das Bündel F4 zu einem Lichtempfänger 9.
Der Lichtempfänger 9 empfängt eine Lichtintensität, die proportional zur Projektion der Amplitude des elektrischen Feldvektors auf die "transparente" Achse des Polarisators 5' ist.
Gegenüber der ersten Ausführungsform ergeben sich folgende Unterschiede:
- Diese zweite Ausführungsform (gefaltetes Interferometer) erspart eine λ/2-Lamelle, eine Sammellinse, ein Lichtleitfasersystem oder einen Schlitz vor dem Lichtempfänger.
- Außerdem wird das Interferogramm entsprechend der vorhergehenden Ausführungsform auf eine einzige Interferenz ordnung gebracht, sodaß die Amplitude der Intensität des Signals an den Klemmen des Photodetektors 9 erheblich vergrößert wird.
- Aufgrund des doppelten Durchlaufs (hin und zurück) durch die beiden Behälter Cm und Cr wird das System bei gegebenen Behältervolumen doppelt so empfindlich.
- Ganz allgemein ist das System aufgrund des kompakteren Aufbaus (gefaltetes Interferometer) unempfindlicher gegenüber Vibrationen, Wärmedehnungen u.s.w.
Wie nun im einzelnen genauer erläutert wird, ermöglicht die Analyse der augenblicklichen relativen Phase zwischen dem Modulationssignal R, das an die Pockelszelle 2 angelegt wird, und dem an den Klemmen des Photodetektors 9 gemessenen Signal die Quantifizierung des relativen Brechungsindexunterschieds zwischen dem Bezugsbehälter und dem Meßbehälter.
Figur 3 zeigt ein vereinfachtes Schema des Phasenmeßprinzips, das natürlich für alle Ausführungsformen der Erfindung gilt.
Ein Quarzoszillator 11 liefert ein Signal H einer Frequenz von N 2Fm. Hierbei bedeutet N die Auflösungsgenauigkeit der Phasenmessung. Das Signal H wird mithilfe eines Teilers 12 geteilt, der somit ein Bezugssignal R der Frequenz Fm liefert. Dieses Signal wird sowohl an einen Vorwärts/Rückwärtszähler 18 als auch an die Pockelszelle 2 angelegt.
Ehe das Signal R an die Pockelszelle 2 gelangt, wird es vorzugsweise in einem Integrierglied 13 integriert und dann in einem Verstärker 14 verstärkt.
Das aus dem Photodetektor 9 kommende Signal S wird außerdem vorzugsweise in einem Verstärker 15 verstärkt und in ein Rechtecksignal der Frequenz 2Fm umgewandelt sowie mit einer Schwelle in einem Komparator 16 verglichen. Dann wird das Signal in einem Teiler 17 durch 2 geteilt, um schließlich das Rechtecksignal I für die interferometrische Messung zu liefern.
Die ansteigende Flanke des Signais 1 löst den Beginn des Zählvorgangs im Vorwärts/Rückwärtszähler 18 aus, der mit der Frequenz N Fm arbeitet, während die ansteigende Flanke des Signals R, das an diesen Zähler 18 angelegt ist, das Ende des Zählvorgangs bewirkt. Der Zähler wird dann bis zum Eintreffen einer neuen Vorderflanke des Signals I auf null gesetzt.
Der Zähler 18 enthält (vor der Nullsetzung) also eine Zahl kfi zwischen null und N, die die augenblickliche relative Phase zwischen dem Bezugssignal R und dem Meßsignal I aus dem Photodetektor 9 darstellt.
Diese Zahl kfi kann vorzugsweise an ein Datenverarbeitungssystem transferiert werden (jeder bekannte Mikroprozessor uP kann verwendet werden), das die augenblickliche absolute Phase φi nach jeder Periode 1/Fm berechnet.
Ein Beispiel für den Rechenalgorithmus ist in Figur 4 angegeben. Der berechnete Wert lautet (in rad): φi = ki 2π. Die Größe ki ist ein Bruchwert, der aus der Verkettung von zwei Registerwerten kfi und kei des Mikroprozessors stammt.
Die absolute augenblickliche Phase φi kann im Mikroprozessor weiter verarbeitet werden: Mittelwert, Abstand zu einer Schwelle u.s.w..
Mehrere Ausgänge können vorgesehen sein, beispielsweise ein Ausgang zu einem Mikrorechner über einen an sich bekannten Informatikport (vom Typ RS). Auch ein analoger Ausgang kann vorgesehen sein.
Außerdem können die Messungen in den beiden Polarisationskonfigurationen der Bündel I und II, die die Behälter durchqueren, nacheinander durchgeführt werden. So wird gemäß einer ersten Messung das zweite optische doppelbrechende Element 5 im Verlauf des Bündels F2 angeordnet, während bei einer zweiten Messung das Element 5 im Verlauf des Bündels F3 liegt. So könnte eine Erfassung des chiralen Charakters der Moleküle im Meßbehälter durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird die Erfindung, wie in der Einleitung der Beschreibung angegeben, für die Messung bei der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie eingesetzt, und zwar beispielsweise bei Absorptions- und Ionenaustauschmessungen.
Besonders günstig aufgrund der großen Meßdynamik ist es, wenn das erfindungsgemäße Refraktometer hinter einer Chromatographiesäule mit Gelpermeation verwendet wird.
Außerdem kann das erfindungsgemäße Refraktometer ohne nennenswerte Veränderung an die quantitative Messung des Brechungsindex einer Lösung abhängig von der Konzentration des gelösten Stoffs oder an die Eichmessung angepaßt werden, die für die Auswertung der bei der statischen Lichtdiffusion erhaltenen Ergebnisse erforderlich ist.
Natürlich können verschiedene andere Anwendungen und/oder Veränderungen des oben beschriebenen Refraktometers vom Fachmann realisiert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Differenz, ausgehend von einer Quelle (1) kohärenten ein Bündel F aussendenden Lichtes, zwischen den Brechungsindices zweier Medien (Cr, Cm), die je von einem Lichtbündel (I, II) durchsetzt sind, wobei diese Bündel (I, II) in der Lage sind, eine Interferenzfigur zu erzeugen, deren Verschiebung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man eine der Polarisationskomponenten des Bündeis F modifiziert, daß, bevor dieses Bündel F geteilt wird, man eine Phasenmodulation an wenigstens einer dieser Polarisationskomponenten des Bündels F durchführt, um ein Gleiten der Interferenzstreifen der Interferenzfigur zu erhalten, was es ermöglicht, die relative Differenz der Brechungsindices der beiden Medien (Cr, Cm) zu quantifizieren und daß man ein einziges Mittel (9) verwendet, um die Verschiebung der Interferenzstreifen der Interferenzfigur (2) zu erfassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Pockelszelle zur Modulierung dieser Phase verwendet.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Mittel (9) dazu bestimmt ist, die Amplitude und die Richtung der Verschiebung der Interferenzstreifen der Interferenzfigur zu erfassen.

4. Differentialrefraktometer, insbesondere in der Hochleistungsflüssigchromatographie verwendbar, umfassend:

eine ein Bündel F aussendende Quelle (1) kohärenten Lichtes,

einen optischen Teiler (3), der dazu bestimmt ist, die Polarisation dieses aus dieser Quelle stammenden Bündels F zu teilen,

ein erstes optisches Element (4), das dazu bestimmt ist, die beiden kohärenten Bündel (F2, F3), die aus dem optischen Teiler (3) stammen, parallel zu machen,

zwei Behälter oder Schalen Cr, Cm von denen der eine Cr dazu bestimmt ist, eine Bezugsflüssigkeit, der andere Cm eine zu messende Flüssigkeit zu enthalten, wobei jeder von einem der Lichtbündel, die aus dem ersten optischen System (4) stammen, durchsetzt ist,

eine optische Anordnung, die jedes der beiden aus diesen Behältern stammenden Bündel I und II kombiniert und die Erzeugung einer Interferenzfigur ermöglicht und einen einzigen Photodetektor (9), der dieser Interferenzfigur zugeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß es im übrigen ein erstes optisches doppelbrechendes Medium (2) umfaßt, das auf dem Bündel F der Quelle (1) vor dem optischen Teiler (3) angeordnet und dazu bestimmt ist, eine der Polarisationskomponenten dieses Bündels F zu modifizieren,

ein zweites doppeibrechendes optisches Medium (5; 5'), das vor dieser Interferenzfigur angeordnet ist,

ein elektronisches System (11-18), das dazu bestimmt ist, die Phase einer der an das optische doppelbrechende Medium (2) gelegten Polarisationskomponenten zu modulieren, wobei dieses elektronische System im übrigen die Analyse der augenblicklichen relativen Phase zwischen dem Modulationssignal R, das an dieses doppelbrechende Medium (2) gelegt ist und dem Signal S, das an den Klemmen dieses Photodetektors (9) gemessen ist, ermöglicht, wodurch die Differenz bzgl. der Brechungsindices des Bezugsbehälters Cr und des Meßbehälters Cm zu quantifizieren kann, und

ein Informatiksystem, das dazu bestimmt ist, die aus dem elektronischen System stammenden Daten zu verarbeiten.

5. Refraktometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieses erste doppelbrechende optische Medium (2) eine Pokkelszelle ist.

6. Differentialrefraktometer nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung, die jedes der aus diesen Behältern stammenden Bündel I und II kombiniert, eine Linse (6) umfaßt, die dazu bestimmt ist, in ihrem Brennpunkt (7) diese Interferenzfigur zu erzeugen.

7. Differentialrefraktometer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische doppelbrechende Medium (5) auf einem der Bündel (F2, F3), die aus dem Teiler (3) stammen, angeordnet ist.

8. Refraktometer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Photodetektor (9) insbesondere aus einer optischen Faser (8) gebildet ist, von der ein Ende im Brennpunkt (7) dieser konvergenten Linse (6) angeordnet ist, wobei die Endfläche der Faser (8), die die Lichtintensität empfängt, senkrecht zur optischen Achse X des Refraktometers ist, wobei das andere Ende der optischen Faser mit diesem Photodetektor (9) verbunden ist.

9. Differentialrefraktometer nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung, die jedes der Bündel I und II kombiniert, das zweite optische doppelbrechende polarisierende Medium (5') sowie eine Lamelle (7') umfaßt, die dazu bestimmt ist, dieses Bündel abzulenken.

10. Differentialrefraktometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung, die jedes der Bündel I und II kombiniert, im übrigen ein reflektierendes Element (6') umfaßt, das dazu bestimmt ist, jedes der Bündel I und II durch eines der Behälter (Cr, Cm) zurückzuschicken und dann gegen das erste optische Element (4), den optischen Teiler (3), diese Lamelle (7') und das zweite doppelbrechende optische Medium (5') zu richten.

11. Refraktometer nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Lichtquelle 1 monochromatisch, vom Lasertyp ist.

12. Verwendung des Refraktometers nach einem der Ansprüche 4 bis 11 in der Hochleistungsflüssigchromatographie.

13. Verwendung des Refraktometers nach einem der Ansprüche 4 bis 11 in der Gelpermeations-Chromatographie.

14. Verwendung des Refraktometers nach einem der Ansprüche 4 bis 11 für Messungen für die Variation des Brechungsindices einer Lösung als Funktion der Löslichkeitskonzentration, um eine statische Lichtdiffusionsvorrichtung zu kalibrieren.