DE69735319T2

DE69735319T2 - Methode zur Verbesserung der Empfindlichkeit und Linearität eines Elektroneneinfangdetektors und entsprechende Vorrichtung

Info

Publication number: DE69735319T2
Application number: DE69735319T
Authority: DE
Inventors: Mahmoud F. West Grove Abdel-Rahman
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2017-07-26
Also published as: US5804828A; EP0833152B1; EP0833152A1; DE69735319D1; JP3907800B2; JPH10111275A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Ionisierungsdetektoren und insbesondere auf einen Elektroneneinfangtyp eines Detektors für eine Verwendung bei einem Erfassen der Bestandteile einer Probe, die aus einem Chromatographen eluiert wird.
Hintergrund der Erfindung
Elektroneneinfangdetektoren für eine Gaschromatographie sind auf dem Gebiet gut bekannt. Eine Übersicht derartiger Detektoren ist beispielsweise in einem Artikel mit dem Titel „Electron Capture Detectors for GC", von Debra Noble, Analytical Chemistry, 1. Juli 1995, Seiten 439A–442A enthalten. Der Elektroneneinfangdetektor (ECD = Electron Capture Detector) ist extrem empfindlich für bestimmte Moleküle, wie beispielsweise Alkylhalogenide, aber ist relativ unempfindlich für Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone, etc. Dieser Detektortyp weist eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Selektivität gegenüber elektrophilen Verbindungen auf und wird häufig zum Erfassen von Pestizidspuren in biologischen Systemen und Nahrungsmittelprodukten verwendet. Derartige Verbindungen enthalten typischerweise Halogene, die sich mit freien Elektronen verbinden, die in einer Ionisierungszelle in dem Detektor erzeugt werden. Die resultierende Verringerung freier Elektronen in der Ionisierungszelle wird überwacht und als eine Angabe der Konzentration der Verbindungen in einer Probe verwendet.
Es wurde beobachtet, dass das Ansprechen des typischen Elektroneneinfangdetektors von vielen Variablen abhängig ist, wie beispielsweise der Molekularzusammensetzung der Probe und der Konzentration derselben, der Sauberkeit und Temperatur der Detektorzelle und der Flussraten des Make-up-Gases und des Eluats. Das Verhalten des Elektroneneinfangdetektors mit Bezug auf diese Variablen ist jedoch nicht vollständig klar.
Während der frühen Verwendung desselben wurde der Elektroneneinfangdetektor in dem Gleichstrom-(Direct Current = DC-) oder dem Festfrequenz-(FF-) Pulsbetriebsmodus betrieben, bei denen die Veränderung eines Stroms (I) als das Ansprechen angenommen wurde. Detektoren, die in einem dieser zwei Modi betrieben wurden, ergaben lediglich über den anfänglichen 10% des gesamten Ansprechbereichs lineare Kalibrierungskurven. Wentworth und Chen (J. Gas Chromatogr. 5 (1967), S. 170) zeigten 1967, dass lineare Kalibrierungskurven bis zu und mehr als 90% einer Detektorsättigung erhalten werden konnten, falls das Analyseansprechen bei dem Festfrequenzmodus als (I^o – 1)/I angenommen wurde, wobei I^o der gemessene stehende Strom bei dem Nichtvorhandensein einer Probe ist und I der Zellstrom ist, der während des Chromatogramms kontinuierlich gemessen wird. Eine praktische Begrenzung dieses Signalverarbeitungsmodus ist die Forderung desselben nach außergewöhnlich sauberen Chromatographiebedingungen, damit ein hoher stehender Strom mit langen Pulsperioden erreicht werden kann. Maggs, u. a. (Anal. Chem. (1971) S. 1966) schlugen 1971 ein Betreiben des Elektroneneinfangdetektors in dem frequenzmodulierten oder „Konstantstrom"-(CC = Constant Current) Betriebsmodus vor. In diesem Modus bewirkt ein Rückkopplungsnetzwerk, dass der Betrag des gemessenen Stroms konstant und gleich einem vorausgewählten Referenzwert ist, durch eine Steuerung der Pulsfrequenz. Wenn eine Elektroneneinfangverbindung die Zelle durchläuft, erhöht sich die Pulsfrequenz um eine Größe, die erforderlich ist, um den Strom konstant zu halten. Das Analyseansprechen wird als die Erhöhung einer Pulsfrequenz angenommen.
Es werden häufig Kalibrierungskurven vorgenommen, wodurch der Detektoransprechfaktor (d. h. das Detektoransprechen geteilt durch eine Probenkonzentration) über drei Größenanordnungen eines Dynamikbereichs innerhalb weniger Prozent konstant gemacht wird. In der Folge wird der Elektroneneinfangdetektor nun häufig bei einer Gaschromatographie verwendet, was häufig eine Empfindlichkeit auf Verbindungen gestattet, die in Mengen von lediglich mehreren Femtogramm vorhanden sind.
Unter anscheinend gleichbleibenden Bedingungen kann der Konstantstromelektroneneinfangdetektor jedoch Symptome einer nichtlinearen und unvorhersagbaren Beziehung zwischen dem gemessenen Ansprechen und einer Analytkonzentration zeigen. Wie in 1 gezeigt ist (wiedergegeben aus J. J. Sullivan, C. A. Burgett, NON-LINEARITY IN CONSTANT CURRENT ELECTRON CAPTURE DETECTION, Chromatographia, Bd. 8, Nr. 4, April 1975), kann der Betrag der Nichtlinearität derart sein, dass das Ansprechen bei einer geringen Probenkonzentration weniger als die Hälfte des Ansprechens bei einer hohen Probenkonzentration beträgt. Nichtlineare Ansprechverhaltensweisen dieses Typs wurden vorhergehend beschrieben (vgl. Sullivan & Burgett, oben; Lovelock, J. Chromtgr. 99 (1974), 3, Lovelock & Watson, J. Chromtgr. 158 (1978), 123; Grimsrud & Knighton, Anal. Chem. 54 (1982), 565).
Somit ist eine Quantitation schwierig, weil der Elektroneneinfangdetektor nun allgemein erwartungsgemäß ein nichtlineares Anspruchsverhalten auf diese Verbindungen (wie beispielsweise sehr halogenisierte Kohlenwasserstoffe) liefert, für die derselbe am empfindlichsten ist. Die fehlende Linearität für diese wichtige Gruppe von Verbindungen wurde nicht nur instrumentellen Mängeln zugeschrieben, sondern z. B. Aspekten der Änderung der Probenkonzentration innerhalb des Detektors durch den Elektronenanlagerungsprozess selbst.
Knighton & Grimsrud erläutern in Analytical Chemistry 55, (1983), S. 713–718 das Ansprechen des Elektroneneinfangdetektors auf stark ansprechende Verbindungen wie folgt:
Bei geringen Probenkonzentrationen wird ein erheblicher Bruchteil der Probe durch die Elektroneneinfangreaktion ionisiert, weil die Elektroneneinfangratenkonstante (k₁) und die durchschnittliche Elektronendichte (i^–) beide groß sind. Unter dieser Bedingung geringer Probenkonzentration wird ein näherungsweise lineares Ansprechen beobachtet, solange die Elektronenpopulation hoch und relativ konstant bleibt, was bewirkt, dass der gleiche Bruchteil von Analytmolekülen über diesen Bereich begrenzter Probenkonzentration reagiert wird. Wenn sich jedoch die Konzentration der Probe erhöht, verbraucht eine kleinere Population von Elektronen einen immer kleineren Bruchteil des Analyts, das in die Zelle eintritt. Man sagt, dass das Detektoransprechen direkt proportional zu der augenblicklichen Konzentration des Elektrolyts innerhalb des Detektors ist, und deshalb beobachtet man, dass das Ansprechen eine lineare Beziehung zu der Analytkonzentration, die in die Zelle eintritt, über den gesamten Dynamikbereich des Detektors vermissen lässt. Die Autoren beschreiben die Verwendung einer Signalverarbeitung als einen Ansatz, der eine verbesserte Linearität für stark ansprechende Verbindungen unter Verwendung eines Detektors irgendeiner Größe oder irgendeines Entwurfs liefern soll, der bei herkömmlichen Flussraten betrieben wird. Die Autoren beschreiben einen Konstantstromsteuermodus der mit einer erweiterten Definition des verarbeiteten Ansprechens betrieben wird; es soll eine Verbesserung auftreten, weil die Änderung einer Analytkonzentration durch die Anlagerungen von Elektronen berücksichtigt und in die Ansprechfunktion eingegliedert ist. Die offenbarte Definition verwendet lineare Kalibrierungskurven für stark Elektronen anlagernde Moleküle über dem Dynamikbereich des Instruments, wobei das Ansprechen des Detektors auf stark ansprechende Verbindungen gemäß der Funktion: (f – fo)(H + f)/fangenommen wird, wobei f die augenblickliche Pulsfrequenz ist, f_o die Basislinienfrequenz (oder analytfreie Frequenz) ist und H eine experimentell bestimmte Konstante ist. Die Anwendung eines derartigen Kalibrierungsschemas ist jedoch bei anderen Typen von Elektroneneinfangverbindungen nicht so wirksam. Ein weiterer Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Kalibrierungskurven dazu neigen, sich ansprechend auf Veränderungen bei dem Detektorhintergrundrauschen zu verschieben und die Kalibrierungskurven somit weniger als vollständig wirksam sind.
Fachleute auf dem Gebiet haben beobachtet, dass die radioaktive Ionisierungsquelle freie Elektronen aus relativ wenigen Betapartikeln erzeugt. Man ist ebenfalls allgemein der Ansicht, dass eine größere Anzahl von freien Elektronen in der Ionisierungszelle ermöglicht, dass eine kleinere minimal erfassbare Menge (mdq = minimum detectable quantity) der Probe erreicht werden kann. Eine andere Beobachtung ist, dass die emittierten Betapartikeln eine relativ lange Reichweite aufweisen. Folglich besteht ein herkömmlicher Entwurfsansatz darin, das Volumen der Ionisierungszelle auf ein Volumen der Größenordnung von 1,0 bis 1,5 Millilitern zu vergrößern, um den wirksamen Radioaktivitätspegel zu erhöhen, wobei so eine größere Produktion freier Elektronen ermöglicht ist, und um unerwünschte Querschnittswirkungen zu vermeiden. Ein derartiges großes Volumen wird jedoch zu einem schwerwiegenden Nachteil, wenn der Detektor nicht für eine effiziente Verwendung bei Kapillarsäulen geeignet ist, die kleine Gasflüsse eluieren und deshalb ein kleineres Ionisierungszellvolumen erfordern. Ein Erhöhen des Pegels einer wirksamen Radioaktivität bringt ferner ein erhebliches Schrotrauschen hervor, was die minimale erfassbare Menge der Probe begrenzt.
Ein konträrer Ansatz für dieses Problem besteht darin, das Ionisierungszellvolumen sehr klein zu machen oder die Trägerflussrate sehr schnell zu machen, derart, dass die Verweilzeit des Analyts in der Ionisierungszelle dann sehr kurz ist und eine Ionisierung der Probe durch die Elektroneneinfangreaktion reduziert ist. Der Ansatz eines redu zierten Volumens wurde durch Patterson (in J. Chromatgr. 134 (1977), 25), gezeigt, wo das aktive Volumen einer kleinen Zelle durch Verwendung einer verlagerten Koaxialanode wirksam kleiner gemacht wurde. Wenn jedoch das Ionisierungszellvolumen eines Elektroneneinfangdetektors reduziert ist, werden mehr Betapartikel an den Zellwänden verloren, anstelle eines Ionisierens des Make-up-Gases, und es ist eine geringere Innenoberflächenfläche zum Positionieren der radioaktiven Quelle in der Zelle verfügbar; folglich gibt es eine Reduzierung der Anzahl von thermischen freien Elektronen, die verfügbar sind, um mit dem chemischen Analyt in Wechselwirkung zu treten. Somit gibt es bei diesem Ansatz eine praktische Grenze für ein Reduzieren des Ionisierungszellvolumens. Bestenfalls ist das Detektoransprechen auf stark ansprechende Verbindungen lediglich partiell verbessert, wohingegen die Empfindlichkeit des Elektroneneinfangdetektors für schwach und mäßig ansprechende Verbindungen verhältnismäßig reduziert ist.
Folglich besteht weiterhin ein Bedarf nach einem verbesserten Entwurfsansatz und einer verbesserten Methodologie für einen Aufbau und einen Betrieb eines Elektroneneinfangdetektors, wobei die zuvor erwähnten, wiederstreitenden Bedingungen und Begrenzungen nicht nur besser verstanden sondern auch zum Vorteil optimiert werden können, derart, dass die Empfindlichkeit und Linearität des Elektroneneinfangdetektors optimiert sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Elektroneneinfangdetektor, der ein verbessertes Detektoransprechen aufweist, und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Verbessern sowohl der Linearität als auch der Empfindlichkeit des Detektoransprechens, das durch einen Elektroneneinfangdetektor gezeigt wird, der in einem Hochauflösungsgaschromatographen verwendet wird. Wie es hierin beschrieben wird, wird der „Detektoransprechfaktor" als das Detektoransprechen pro Probeneinheit betrachtet, die einer Erfassung unterliegt; das „Zellvolumen" wird als das Volumen betrachtet, das durch eine Ionisierungszelle in einem Elektroneneinfangdetektor definiert ist; und die „wirksame Radioaktivität" wird als der Pegel einer Radioaktivität betrachtet, der aufgrund des Vorhandenseins einer radioaktiven Ionisierungsquelle in einem Ionisierungszellvolumen bewirkt wird.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die obigen und andere Merkmale durch ein Vorsehen eines Elektroneneinfangdetektors erreicht, der eine Ionisierungszelle und ein Probeneinlasssystem aufweist, das mit der Ionisierungszelle zum Liefern einer Fluidmischung verbunden ist, die eine Elektroneneinfangspezies aufweist, die einer Erfassung in der Ionisierungszelle unterliegt. Die Ionisierungszelle umfasst eine radioaktive Ionisierungsquelle, vorzugsweise in der Form einer radioaktiven Folie, die auf die Zellinnenwand aufgebracht ist. Die Ionisierungszelle definiert ein optimales Zellvolumen und unterliegt einem optimalen, wirksamen Pegel einer Radioaktivität, derart, dass die Elektroneneinfangreaktion gezwungen ist, gemäß einem Konzentrationsbetriebsmodus aufzutreten.
Bei dem bevorzugten Konstantstrombetriebsmodus mit variabler Frequenz wird ein Zellstrom gemessen und mit einem Referenzstrom verglichen. Die Pulsrate wird dann eingestellt, um einen konstanten Zellstrom beizubehalten. Wenn eine Probenverbindung, die Elektronen einfängt, in der Ionisierungszelle vorhanden ist, variiert die Pulsrate. Die Pulsrate wird in eine Spannung umgewandelt, die durch eine Schnittstelle gemäß einer neuartigen Linearisierungsformel verarbeitet wird und als Detektorausgangssignal für eine nachfolgende Analyse und/oder Aufzeichnung geliefert wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem man allgemein der Ansicht ist, dass eine größere wirksame Radioaktivität und somit eine größere Anzahl von verfügbaren freien Elektronen eine kleinere mdq ermöglicht, habe ich somit bestimmt, dass es einen optimalen Pegel einer wirksamen Radioaktivität gibt, bei dem der niedrigste minimal erfassbare Pegel erreicht werden kann. Eine verbesserte Empfindlichkeit bei einem Elektroneneinfangdetektor kann durch ein Eingrenzen des Pegels einer wirksamen Radioaktivität in der Ionisierungszelle auf den Bereich von 0,5 bis 3 Millicurie und vorzugsweise den Bereich von 1 bis 2 Millicurie erreicht werden.
Bei einer weiteren Abweichung von dem Stand der Technik habe ich herausgefunden, dass das Ionisierungszellvolumen wesentlich reduziert werden kann, während der zuvor erwähnte wirksame Pegel einer Radioaktivität beibehalten wird. Der bevorzugte Pegel einer wirksamen Radioaktivität wird am besten durch ein Reduzieren des Zellvolumens unter das Ionisierungszellvolumen bei einem herkömmlichen Elektroneneinfangdetektor bewirkt. Beispielsweise wurde herausgefunden, dass das optimale Zellvolumen in den Bereich von 100–150 Mikrolitern (μl) für einen Elektroneneinfangdetektor beträgt, der eine radioaktive N₆₃-Quelle aufweist und in dem Bereich von 200–400 Grad Celsius (C) bei Atmosphärendruck wirksam ist.
Weiterhin habe ich bestimmt, dass ein erheblicher Beitrag zu der Nichtlinearität bei Elektroneneinfangdetektoren des Stands der Technik hauptsächlich von einem herkömmlichen Betrieb über zwei Erfassungsmodi herrührt. Bei einem ersten Betriebsmodus, der bei geringen Probenkonzentrationen auftritt, fangen die meisten der Probenmoleküle im Wesentlichen alle freien Elektronen ein (was der coulometrische Erfassungsmodus genannt wird). Bei einem zweiten Betriebsmodus, der bei hohen Probenkonzentrationen auftritt, ist zu beobachten, dass die Probeneinfangrate eine Funktion der Konzentration freier Elektronen und der Probenkonzentration ist (was der Konzentrationserfassungsmodus genannt wird). Während des Übergangs zwischen diesem ersten und zweiten Betriebsmodus, der bei mäßigen Probenkonzentrationen auftritt, ist der Detektor zwischen dem coulometrischen und dem Konzentrationsmodus wirksam. Ich habe bestimmt, dass der Detektoransprechfaktor eine unvorteilhafte Nichtlinearität zeigt, wenn der Detektorbetrieb zwischen diesen zwei Erfassungsmodi wechselt. Dieser Beitrag zu einer Nichtlinearität bei dem Detektoransprechen besteht typischerweise, wenn variierende Konzentrationen unterschiedlicher Probenverbindungen analysiert werden. Bei höheren Probenkonzentrationen beispielsweise wurde herausgefunden, dass bestimmte Verbindungen einen Ansprechfaktor bewirkten, der mehrere Male höher als der Ansprechfaktor ist, der sich bei niedrigeren Probenkonzentrationen der gleichen Verbindung zeigt. Andere Verbindungen bewirken eventuell eine gegenteilige Wirkung, d. h. ein viel kleinerer Ansprechfaktor zeigt sich bei hohen Probenkonzentrationen und ein großer Ansprechfaktor bei niedrigen Konzentrationen. Somit variiert bei dem Übergang zwischen einem coulometrischen und einem Konzentrationsbetriebmodus der Detektoransprechfaktor für eine gegebene Probe beträchtlich.
Es kann gezeigt werden, dass ein Detektorbetrieb in dem Konzentrationsmodus auftritt, wobei die Anzahl von freien Elektronen in einem stetigen Zustand durch folgende Beziehung bestimmt ist: C = k1(e)(B/u)wobei:

C: = Einfangrate, Elektronen/Sek
B: = Rate einer Analyteinbringung, Moleküle/Sek
U: = Flussrate durch die Zelle, Milliliter/Sek
e: = Anzahl von freien Elektronen
k₁: = Ratenkonstante eines Elektroneneinfangs

Es wurde bisher erwartet, dass diese Beziehung, wenn dieselbe mit der Annahme des Stands der Technik gelöst wurde, dass k₁ konstant ist, ein lineares Detektoransprechen zeigt (z. B. wobei eine Detektorausgangsfrequenz proportional zu B ist).
Bei einer anderen Abweichung von dem Stand der Technik habe ich herausgefunden, dass k₁ tatsächlich nicht konstant ist. Bei höheren Probenkonzentrationen wird die Anzahl von freien Elektronen viel kleiner als die Anzahl von Probenmolekülen. Ich habe somit beobachtet, dass eine im Wesentlichen logarithmische Abnahme dieses Ansprechfaktors während des Konzentrationsmodus auftritt, und insbesondere während Ionisierungsbedingungen, bei denen die Anzahl von nicht eingefangenen freien Elektronen viel kleiner als die Anzahl von Probenmolekülen ist, die in der Detektorionisierungszelle vorhanden sind. Wenn dies geschieht, bewirkt eine Erhöhung der Probenkonzentration keine entsprechende Erhöhung der Anzahl von freien Elektronen. Daher habe ich herausgefunden, dass k₁ sich auf logarithmische Weise verringern sollte, wenn sich die Probenkonzentration erhöht.
Eine Linearisierung des Elektroneneinfangdetektors kann durch ein Überwinden und/oder Kompensieren einiger oder aller der zuvor erwähnten Quellen einer Nichtlinearität erhalten werden. Dies wird durch eines oder beides der Folgenden erreicht: (1) Zwingen des Detektors, um in lediglich dem Konzentrationsbetriebsmodus wirksam zu sein, und (2) Verarbeiten des Signals, das von dem Detektoransprechen abgeleitet wird, um die logarithmische Abnahme des Ansprechfaktors bei höheren Probenraten zu kompensieren.
Daher kann eine Linearisierung durch ein Liefern eines optimalen Pegels einer wirksamen Radioaktivität in der Ionisierungsquelle des Detektors erreicht werden, wobei so der Detektorbetrieb auf den Konzentrationsmodus eingegrenzt ist. Ein Reduzieren des Ionisierungszellvolumens auf ein optimales Volumen zwingt ferner die Rekombinationskonstante k_d, erheblich größer zu werden, wobei so der Detektor ebenfalls in den Konzentrationsmodus gezwungen wird. Ein optimales Ionisierungszellvolumen in dem Bereich von näherungsweise 100–150 Mikrolitern (μl) liefert eine maximale wirksame Radioaktivität von näherungsweise 1–2 Millicurie und ein k_d, das ausreichend groß ist, um zu bewirken, dass der Detektor in dem Konzentrationsmodus wirksam ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung habe ich durch eine empirische Bestimmung herausgefunden, dass die logarithmische Abnahme von k₁ durch ein Ändern des Detektorsignals kompensiert werden kann, das aus dem Detektoransprechen abgeleitet wird, gemäß einer Linearisierungsformel: f(lin) = f[1 + (f/f(dec))]pwr
Wobei:

f_(lin): = linearisierte Ausgangsfrequenz des Elektroneneinfangdetektors
f: = nicht linearisierte Ausgangsfrequenz des Elektroneneinfangdetektors
f_(dec): = Detektorfrequenz, bei der k₁ die beobachtete Abnahme desselben beginnt
pwr: = Potenz der Abnahme von k₁

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Implementierung dieser Linearisierungsformel über eine Signalverarbeitung des Detektorsignals mittels eines Linearisierungsabschnitts bei einer Detektorausgangssignalschnittstelle erzielt werden. Die bevorzugte Kompensation kann somit in einer diskreten elektronischen Schaltungsanordnung (d. h. in einer Hardware), einer Firmware oder einer Software implementiert sein.
Eine derartige Linearisierung des Ausgangsansprechens, um die Nichtlinearität der Ratenkonstante k₁ zu berücksichtigen, kann auf irgendeinen Ionisierungsdetektor angewandt werden, der gemäß dem oben beschriebenen Konzentrationsbetriebsmodus wirksam ist. Dies umfasst einen Heliumionisierungsdetektor, einen Argonionisierungsdetektor, gleich ob radioaktive oder nicht radioaktive Typen.
Vorteile der Erfindung
Es wurde beobachtet, dass ein Elektroneneinfangdetektor, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, mit einer verbesserten Empfindlichkeit und Linearität über einem bisher unrealisierten Dynamikbereich wirksam ist (d. h. näherungsweise sechs Dekaden einer Probenkonzentration). Der Elektroneneinfangdetektor zeigte diese hervorragende Empfindlichkeit und Linearität über einem breiten Bereich von Gasflussraten und Detektortemperaturen. Es wurde herausgefunden, dass weder ein Make-up-Gastyp noch mäßige Pegel einer Verunreinigung die Detektorlinearität verschlechtern. Analyselabore, die bisher Schwierigkeiten bei einem Einhalten der Linearitätsanforderungen für eine von der Regierung geforderte Analyse bestimmter Verbindungen hatten, z. B. diesen, die bei einer Pestizidanalyse zu finden sind, werden in der Lage sein, die Lehren dieser Erfindung zu verwenden, um einen Elektroneneinfangdetektor zu betreiben, der die Linearitätsanforderung ohne Weiteres einhält.
Wenn sich der lineare Dynamikbereich dieses Detektors über sechs Dekaden von Probenkonzentrationen ausdehnt, sind nun Analyseanwendungen denkbar, die einen breiten Bereich von Probenkonzentrationen erfordern. Beispielsweise können Anwendungen, die bisher vorbereitende Schritte für eine Probenverdünnung oder Probenkonzentration erforderten, ohne den Bedarf nach derartigen Schritten erzielt werden.
Es wurde beobachtet, dass ein Elektroneneinfangdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung weniger empfindlich für eine Verunreinigung ist und somit ein weniger häufiges Reinigen erfordert. Diese Vorteile ermöglichen, dass der Elektroneneinfangdetektor ohne Unterbrechung länger betrieben werden kann, für eine erhebliche Erhöhung eines Probendurchsatzes und eine Produktivität einer Bedienperson. Im Gegensatz zu Detektoren des Stands der Technik, bei denen zu sehen ist, dass eine Linearität mit den Faktoren variiert, wie beispielsweise der Reinheit eines Detektorgases oder Make-up-Gases oder dem Ausmaß eines Säulenverlaufens, und die einer häufigen Neukalibrierung unterliegen (einer beschwerlichen Aufgabe, die eine Produktivität nachteilig beeinflusst), ist eine Linearität bei bevorzugten Ausführungsbeispielen viel weniger abhängig von den zuvor erwähnten Faktoren. Eine anfängliche Kalibrierung ist für eine viel längere Periode wirksam.
Ein Elektroneneinfangdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet vorzugsweise ein kleineres Ionisierungszellvolumen als es typischerweise bei dem Stand der Technik zu finden ist. Schmälere chromatographische Spitzen sind dadurch erfassbar und kürzere chromatographische Dürchläufe und ein hoher Probendurchsatz können dann erreicht werden.
Die Lehren dieser Erfindung gelten für irgendeinen Detektor, der an einer Ionisierung einer Fluidmischung wirksam ist, wie beispielsweise ein Heliumionisierungsdetektor, ein Argonionisierungsdetektor und andere Elektroneneinfangdetektoren, die entweder radioaktive oder nicht radioaktive Elektronenquellen aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine grafische Darstellung der Ansprechfaktornichtliearität, die durch einen Elektroneneinfangdetektor des Stands der Technik gezeigt wird.
2 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Chromatographen gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines Elektroneneinfangdetektors, der bei dem Chromatographen von 2 verwendet wird.
4 ist eine grafische Darstellung des minimalen erfassbaren Pegels (mdl = minimum detectable level) über einer wirksamen Radioaktivität, berechnet und empirisch bestätigt für eine Prototypversion des Elektroneneinfangdetektors von 2, und zeigt die bevorzugte Optimierung des Pegels einer wirksamen Radioaktivität.
5 ist ein vereinfachtes Schema einer Detektorausgangssignalsschnittstelle zum Durchführen von Steuer- und Signalverarbeitungsfunktionen bei dem Elektroneneinfangdetektor in 3.
6A und 7A sind grafische Darstellungen der nichtlinearisierten Ansprechfaktoren über einer injizierten Probe und 6B und 7B sind grafische Darstellungen der linearisierten Ansprechfaktoren über einer injizierten Probe, gezeigt durch einen Prototypen des Elektroneneinfangdetektors von 5, und zeigen eine experimentelle Verifizierung des Betriebs der Linearisierung, die bei der Detektorausgangssignalschnittstelle von 5 geliefert wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung können insbesondere verwendet werden, um die Erfassung eines Analyts zu verbessern, das eventuell in einer Vielfalt von Fluiden vorhanden ist. Gase sind die bevorzugten Fluide gemäß der Praxis der vorliegenden Erfindung und deshalb umfasst die folgende Beschreibung der Erfindung eine Beschreibung der Anordnung, des Aufbaus und des Betries eines neuartigen Elektroneneinfangdetektors in einem Gaschromatographieanalysesystem (hierin im Folgenden ein Chromatograph).
Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden für eine Verwendung als ein temperaturgesteuerter, pulsmodulierter Konstantstrom-Elektroneneinfangdetektor in einem Gaschromatographen betrachtet. Die Betriebsbasis des betrachteten Detektors hinsichtlich eines Chromatographen ist allgemein wie folgt zu verstehen. Bei einer chromatographischen Trennung einer gegebenen Probenverbindung wird eine Probe mit einem mit Druck beaufschlagten Trägergas in eine Trennsäule injiziert und das Säuleneluat wird als ein Fluidstrom in den Elektroneneinfangdetektor gerichtet. Es sind eine oder mehrere pneumatische Verteileranordnungen vorgesehen, von denen jede teilweise dazu dient, eine Mehrzahl von Gasflüssen, einschließlich des Trägergases und einer Mehrzahl von Detektorgasen geeigneter Typen, wie beispielsweise Luft, Wasserstoff und Make-up-Gas, zu steuern und umzuleiten. Folglich kann der pneumatische Verteiler betreiben werden, um eine Modulation irgendeines der zuvor erwähnten Gasflüsse zu bewirken, und insbesondere, um einen modulierten Spülgasfluss und einen Make-up-Gasfluss zu dem hierin unten beschriebenen Elektroneneinfangdetektor zu liefern. Aspekte einer derartigen Fluidlieferung bei den in 2 und Folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen werden vorzugsweise über eine elektronische pneumatische Steuerung (EPC = Electronic Pneumatic Control) geliefert. Für weitere Einzelheiten von elektronischen pneumatischen Steuertechniken kann man beispielsweise Klein u. a., US-Patent Nr. 4,994,069 und das US-Patent Nr. 5,108,466 konsultieren.
Insbesondere jedoch werden die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung als gemäß bisher unrealisierten Aspekten eines optimalen Entwurfs, Aufbaus und Betriebs eines Elektroneneinfangdetektors aufgebaut und betrieben betrachtet; die theoretische Basis für diese Aspekte wird zunächst in einem Abschnitt mit dem Titel „Theorie der Erfindung" präsentiert. Der folgende Abschnitt mit dem Titel „Aufbau und Betrieb eines Elektroneneinfangdetektors in einem GC-System" beschreibt den Aufbau und den Betrieb des bevorzugten Ausführungsbeispiels des betrachteten Elektroneneinfangdetektors mit Bezug auf einen Chromatographen.
1.0 Theorie der Erfindung
1.1 Einleitung
1.1.1 Elektroneneinfangdetektorratengleichung:
Wenn in der Elektroneneinfangdetektor-Ionisierungszelle ein Gleichgewicht erreicht ist, ist die Erzeugungsrate freier Elektronen gleich der Rate einer Elektronenentfernung. A = e·kd + C Gl. 1wobei:

A: = Rate einer Elektronenerzeugung durch Betapartikelionisierung (Elektronen Sek^–1)
C: = Elektroneneinfangrate durch das chemische Analyt (Elektronen Sek^–1)
e: = Anzahl von freien Elektronen, die zu irgendeiner Zeit in der Zelle zu finden sind (Elektronen)
k_d: = Ratenkonstante einer Rekombination freier Elektronen mit den positiven Ionen (Sek^–1)

Diese Konstante umfasst auch Elektronen, die durch andere Prozesse verloren werden, insbesondere dieselben, die an Zellwände verloren werden.
1.1.2 Coulometrischer Modus einer Elektroneneinfangerfassung:
Bei sehr niedrigen Analytkonzentrationen gibt es eine relative Fülle von freien Elektronen und jedes Analytmolekül fängt die maximale Anzahl möglicher Elektronen ein. Dies ist der coulometrische Erfassungsmodus. Deshalb kann man schreiben: C = n·Bwobei:

n: = die maximale Anzahl von Elektronen, die durch ein Analytmolekül eingefangen werden kann. Ich habe beobachtet, dass bei Standardpestizidproben n einen Wert zwischen 1 und 10 abhängig von der Pestizidmolekülstruktur annimmt.
B: = Einbringungsrate des Analyts in die Ionisierungszelle (Moleküle Sek^–1)

Wenn man aus Gl. 2 in Gl. 1 einsetzt, bekommt man die Gleichung einer Rate eines coulometrischen Modus: A = e·kd + n·B Gl. 3
1.1.3 Konzentrationsmodus einer Elektroneneinfanganpassung
In der Ionisierungszelle können freie Elektronen und Analytkonzentrationen ausgedrückt werden als:
wobei:

V: = Ionisierungszellvolumen (cm³)
U: = Gasflussrate durch die Ionisierungszelle (cm³ Sek^–1)

Wenn die Konzentration der Analytmoleküle größer als diese von freien Elektronen ist, wird die Elektroneneinfangrate „C" proportional zu der Konzentration freier Elektronen, der Konzentration eines aktiven Analyts und dem Zellvolumen. Aufgrund der Seltenheit von Elektronen fangen die meisten Moleküle lediglich ein Elektron ein und die Einfangrate „C" ist deshalb unabhängig von der Analytanzahl „n". Die Proportionalitätskonstante k₁ ist analytabhängig. Deshalb kann man schreiben:
Wenn man Gl. 6 in Gl. 1 einsetzt, bekommt man die Konzentrationsmodusratengleichung:
1.1.4 Ansprechfaktoren bei dem Konstantstrompulsentwurf
Bei dem Konstantstrompulsentwurf wird die Anode mit einem schmalen, positiven, elektrischen Puls gepulst, um momentan irgendwelche verfügbaren Elektronen in der Zelle zu sammeln. Die Pulsfrequenz wird variiert, um einen durchschnittlichen Nettostrom eines festen Betrages zu erreichen. Wenn mehr und mehr Elektroneneinfanganalyt in die Zelle eingebracht wird, erhöht sich somit die Pulsfrequenz, um die Reduzierung der Elektronen zu berücksichtigen, die für eine Sammlung verfügbar sind. Bei diesem Entwurf ist die Pulsfrequenz das Detektorausgangssignal.
Um eine konstante Stromsammlung beizubehalten, gilt die folgende Gleichung: e(B)·f(B) = e0·f0 Gl. 8wobei:

e(B): = Anzahl von freien Elektronen, die für eine Samm lung verfügbar sind, als eine Funktion einer Ana lyteinbringungsrate „B"
f(B): = Pulsfrequenz als eine Funktion von „B"(Hz)
e₀: = e(0) = Wert von e(B = 0)
f₀: = f(0) = Wert von f(B = 0)(Hz)

Wenn in Gl. 1C = 0 gemacht wird, erhält man:
Der Detektoransprechfaktor als eine Funktion der Analyteinfügungsrate B kann wie folgt ausgedrückt werden:
Wenn man aus Gl. 8 in Gl. 9 einsetzt, erhält man:
1.1.5 Elektroneneinfangdetektor-Ansprechfaktor in dem coulometrischen Modus
Wenn man aus Gl. 3 in Gl. 11 einsetzt, erhält man R(B) für den coulometrischen Modus:
Für die Detektoren des Stands der Technik, die bei einer wirksamen Radioaktivität von 15 Millicurie wirksam sind, n.B << A und man kann Gl. 12 annähern an:
Gl. 12 zeigt, dass bei den Detektoren des Stands der Technik die Ansprechfaktoren für unterschiedliche Verbindungen eine Quantennatur aufweisen (weil n eine Ganzzahl > 1 ist).
1.1.6 Elektroneneinfangdetektor-Ansprechfaktor in dem Konzentrationsmodus
Wenn man aus Gl. 7 in Gl. 10 einsetzt, kann man R(B) für den Konzentrationsmodus erhalten:
Es ist zu beachten, dass bei der herkömmlichen Annahme, dass k₁ konstant ist, erwartet wird, dass R(B)_Konz. konstant ist, und das Elektroneneinfangdetektoransprechen in dem Konzentrationsmodus für linear gehalten wird. Es wird jedoch unten gezeigt, dass diese Annahme inkorrekt ist.
1.1.7 Elektroneneinfangdetektor-Nichtlinearität aufgrund von Übergängen von einem Erfassungsmodus zu einem anderen.
Dies ist der Hauptgrund einer Nichtlinearität bei den herkömmlichen Detektoren mit 15 Millicurie. Der Ansprechfaktor in dem coulometrischen Modus R(B)_Coul. und derselbe des Konzentrationsmodus R(B)_Konz. sind unterschiedlich. Folglich erfahren Elektroneneinfangdetektoren des Stands der Technik eine dramatische Veränderung eines Ansprechfaktors, wenn sich die Analytmengen von niedrigen Pegeln auf hohe Pegel erhöht. Dieser Übergang erstreckt sich über etwa 2 Größenordnungen (1 Picogramm (pg) bis 100 pg von Analytinjektionen), was in dem mittleren Teil des Dynamikbereichs liegt. Ein gutes Maß dieser Nichtlinearität ist das Verhältnis der zwei Ansprechfaktoren. Wenn man aus Gl. 13 und Gl. 14 einsetzt, erhält man:
Wenn man aus Gl. 2 einsetzt, erhält man:
Für ein lineares Ansprechen über den gesamten Dynamikbereich muss dieser Faktor gleich eins sein. Bei dem herkömmlichen Detektor mit 15 Millicurie/1500 Mikroliter und zum starken Einfangen von Analyten und für moderate Flussraten ist dieser Faktor größer als 1. Für Analyte mit einem niedrigen k₁, ist NL_faktor kleiner als 1. Deshalb kann ein Versuch, die Flussrate U zu verändern, um irgendein Analyt zu linearisieren, bewirken, dass andere Analyte in einer nichtlinearen Weise erfasst werden. Ferner ist ein Erzeugen von Kalibrierungskurven für unterschiedliche Analyte beschwerlich. (Eine Detektorverunreinigung wirkt wie ein Hintergrundanalyt und bewegt die Testanalyte in dem Übergangsabschnitt der Ansprechfaktorkurve auf und ab, wobei so das Ansprechen unvorhersagbar verändert wird.)
Die vorhergehende Analyse gibt deutlich an, dass ein Detektor, der in beiden Erfassungsmodi wirksam ist, in der Praxis unmöglich zu linearisieren ist.
1.1.8 Abschluss der vorhergehenden Erörterung
Basierend auf der vorhergehenden Analyse kann man darauf schließen, dass die Erfassungsmodus-Übergangsregion vermieden werden muss, um einen im Wesentlichen lineareren Elektroneneinfangdetektor zu entwerfen. Dies bedeutet, dass ein linearerer Elektroneneinfangdetektorentwurf am besten in einem Erfassungsmodus betrieben wird, und vorzugsweise, wie es unten gezeigt wird, in dem Konzentrationsmodus über den gesamten Dynamikbereich desselben.
Ein Detektor mit irgendeinem Wert von e₀ arbeitet theoretisch in beiden Modi, aber ein wichtiger Aspekt sind die praktischen Grenzen einer Probengröße. Die untere Grenze der Probengröße ist natürlich der MDL. Durch ein Entwerfen eines Detektors mit einem kleinen Wert von e₀, derart, dass der MDL desselben in Molekülen etwa die gleiche Größenordnung wie der e₀ aufweist, kann man einen Detektor erreichen, der lediglich in dem Konzentrationsmodus wirksam ist. Durch ein Entwerfen eines Detektors mit einem e₀ viel größer als der MDL kann man jedoch einen Detektor erreichen, der lediglich in dem coulometrischen Modus wirksam sein kann.
Welcher der zwei Entwürfe ist empfindlicher (d. h. bietet einen niedrigeren MDL)? Wie ist eine Detektorempfindlichkeit (ein MDL) durch die Menge an Radioaktivität und andere Detektorparameter, wie die Gasflussrate, das Analyt-k₁ und die Detektorgröße beeinflusst?
Um diese sehr wichtigen Fragen zu beantworten, habe ich ein mathematisches Modell entwickelt, das das Elektroneneinfangdetektoransprechen in den zwei Erfassungsmodi sowie der Übergangsperiode beschreibt. Rauschformeln für den Elektroneneinfangdetektor sagen einen viel größeren Rauschpegel voraus, als derselbe bei herkömmlichen Detektoren empirisch gemessen wird. Somit muss eine korrekte Formel für ein Elektroneneinfangdetektorrauschen abgeleitet werden.
Unter Verwendung des Ansprechmodells und des Rauschmodells kann man ein mathematisches Modell für MDL als eine Funktion von Detektorparametern ableiten.
1.2 Universelle Gleichung für das Elektroneneinfangdetektoransprechen
Das Wort „universell" bedeutet, dass das Elektroneneinfangdetektoransprechen über beide Erfassungsmodi sowie den Übergangsbereich gekennzeichnet ist. Mit anderen Worten beschreibt dasselbe das Ansprechen über den gesamten Dynamikbereich des Detektors. Man definiere „M_e", um die wirk same Konzentration von Analytmolekülen zu sein, die bereit sind, um freie Elektronen einzufangen. „M_e" kann ausgedrückt werden als:
Die Elektroneneinfangrate durch das Analyt „C" ist proportional zu der Konzentration freier Elektronen „e/V", der Konzentration analytfreier Moleküle „M_e" und dem Zellvolumen. Deshalb kann man schreiben:
Wenn man Gl. 18 nach „C" löst, erhält man:
Man nehme an, dass: e·k₁ >> n·U. Dann kann Gl. 19 angenähert werden an: C ≈ n·B Gl. 20
Gl. 20 ist ähnlich Gl. 2, die den coulometrischen Erfassungsmodus beschreibt.
Man nehme an, dass: e·k₁ << n·U. Dann kann Gl. 19 angenähert werden an:
Gl. 21 ist ähnlich Gl. 6, die den Konzentrationserfassungsmodus zeigt. Es ist zu beachten, dass in Gl. 19, wenn B größer wird, e kleiner und kleiner wird, wobei so der Detektor zu dem Konzentrationsmodus hin bewegt wird. Es ist wichtig, zu beobachten, dass, um einen Detektor zu entwerfen, der lediglich in dem Konzentrationsmodus wirksam ist, die benötigte Bedingung lautet:
wobei:

e_mdl: = der Wert von e ist, wenn B = MDL.

Da bei einem praktischen Detektorentwurf e_mdl näherungsweise gleich e₀ ist, wird Gl. 22 zu:
Wenn man aus Gl. 19 in Gl. 1 einsetzt, erhält man die erwünschte Universalratengleichung:
Durch ein Lösen von Gl. 23 nach e(B) und ein Einsetzen in Gl. 11 unter Verwendung eines Mathematikrechenprogramms, wie beispielsweise Mathematica, wurden Auftragungen des Ansprechfaktors für unterschiedliche Parameter erhalten.
1.3 Schrotrauschen bei dem Elektroneneinfangdetektor
Schrotrauschen eines Gleichstroms ist durch die folgende Gleichung beschrieben:
Gl. 24 gilt für den Fall, wenn jedes Elektron zufällig ankommt. Für den Fall, wenn Stöße von N Elektronen erzeugt werden, wird Gl. 24 zu:
Für den Fall des Elektroneneinfangdetektors existieren drei Schrotrauschmechanismen (siehe auch Gl. 1):

1. Das Schrotrauschen in dem Term „A" aufgrund einer Elektronenerzeugung durch Betapartikel.
2. Das Schrotrauschen in dem Term „k_d·e" aufgrund der Rekombination freier Elektronen mit positiven Ionen und den Zellwänden.
3. Das Schrotrauschen in dem Term „C" aufgrund des Analyts (der Analyte), das (die) freie Elektronen einsammelt (einsammeln).

Der Wert von N für den Rekombinations- und den Einfangprozess ist gleich 1. Während N für praktische Elektronenein fangdetektoren > 25 ist. Dies führt uns zu dem Schluss, dass das Schrotrauschen des Elektroneneinfangdetektors hauptsächlich von dem Elektronenerzeugungsprozess herrührt. Deshalb kann man schreiben: Ash = √2·N·A·Δf Elektronen/Sek (RMS) Gl. 26wobei:

A_sh: = Schrotrauschen in A.

Da das eigentliche Elektroneneinfangsignal von aufeinanderfolgenden Sammlungen von „e" abgeleitet ist, kann man den Rauschgehalt von e₀ als „N_e0" berechnen.
Man nehme an, dass das Spitze-zu-Spitze-Rauschen sechs Mal das quadratische Mittel (RMS = Root-Mean-Square) des Rauschwerts beträgt, deshalb:
Dies ist der wahre Ausdruck eines Elektroneneinfangdetektorrauschens. Ein Experimentieren hat gezeigt, dass dasselbe mit empirischen Rauschmessungen übereinstimmt. Im Gegensatz zu den Lehren des Stands der Technik muss das Elektroneneinfangdetektorrauschen für „e" berechnet werden und nicht für den Zellstrom. Bei Berechnen eines Rauschens für den Zellstrom oder für die Rate einer Erzeugung freier Elektronen „A" ergibt einen fehlerhaft großen Wert.
1.4. Ableitung des MDL bei einem Elektroneneinfangdetektor
Man nehme an, dass der minimale erfassbare Pegel eines Analyts B_mdl der Wert von B ist, der eine Reduzierung von e₀ gleich dem Spitze-zu-Spitze-Rauschen N_p-p bewirkt. Somit kann man schreiben: e0 – emdl = Np-p wobei:

e_mdl: = e(B_mdl)

Wenn man nach N_p-p aus Gl. 28 löst, erhält man:
Gl. 29 kann umgeschrieben werden als:
Wenn man Gl. 23 hinsichtlich e_mdl und B_mdl umschreibt, erhält man:
Wenn man Gl. 30 und Gl. 31 unter Verwendung eines mathematischen Rechenprogramms, wie beispielsweise Mathematica, löst, kann man Auftragungen von B_mdl über unterschiedlichen Detektorparametern erhalten.
1.6. Konstanz der Analyseeinfangratenkonstante ‚k₁’
Ich habe Detektoren aufgebaut, die Gl. 22.1 genügen, und durch eine empirische Bestimmung herausgefunden, dass die Ansprechfaktorkurven für unterschiedliche Proben (z. B. Verbindungen, die in Pestiziden verwendet werden) nicht flach sind und sich bei einem virtuellen Punkt an der Achse einer logarithmischen Analytkonzentration (x-Achse bei einer Auftragung der Ansprechfaktoren) zu treffen scheinen. Dies gibt an, dass eine Annahme in Gl. 14, dass ‚k₁’ konstant ist, nicht wahr ist.
Eine Erklärung für die logarithmische Abnahme wird nun abgegeben. Für die folgende Erörterung nehme man Bezug auf Gl. 6.
Argumentehalber nehme man an, dass ‚e’ konstant bleibt. Damit ‚k₁’ konstant bleibt, sollte ein Verdoppeln der Analytkonzentration ‚B/U’ die Einfangrate ‚C’ verdoppeln. Dies gilt, solange die Konzentrationen ‚e/V’ und ‚B/U’ die gleiche Größenordnung aufweisen. Wenn die Analytkonzentration ‚B/U' viel größer als die Konzentration freier Elektronen ‚e/V' ist, erhöht ein Verdoppeln von ‚B/U’ die Möglichkeit eines Einfangens von Elektronen um weniger als das Doppelte. Somit scheint sich ‚k₁’ zu verringern, wenn das Verhältnis zwischen Analytkonzentration und Konzentration freier Elektronen höher und höher wird.
1.7. Optimaler EC-Detektorentwurf
Es wurde herausgefunden, dass die vorhergehende theoretische Analyse mit den empirischen Ergebnissen übereinstimmt, die von einer Ionisierungszelle des Stands der Technik mit einem Volumen von 1500 Mikrolitern und einer wirksamen Radioaktivität von 15 Millicurie erhalten werden. Dies erklärt auch die Nichtlinearitäten der Zelle, eine Ansprechverschiebung bei Verunreinigungspegeln, ein Basislinienrauschen und einen MDL.
Ferner zeigte das theoretische Modell, dass ein optimaler Entwurf erreichbar ist. Wenn man die MDL-Auftragungen betrachtet, ist klar, dass es einen Pegel einer wirksamen Radioaktivität gibt, bei dem der Detektor am empfindlichsten ist. Dieser Pegel beträgt etwa 1 bis 2 Millicurie abhängig von einem Analyt k₁ und einer Flussrate U. Eine Auftragung von MDL (vgl. 4) zeigt ferner, dass eine geringere oder höhere wirksame Radioaktivität bewirkt, dass der MDL höher wird, d. h. der Detektor weniger empfindlich wird.
Zur gleichen Zeit zeigen Linearitätsauftragungen, dass Detektoren, die in diesem gleichen wirksamen Radioaktivitätsbereich (1–2 Millicurie) arbeiten, weitaus linearer sind als die herkömmlichen Detektoren, die wirksamen Radioaktivitätspegeln in dem Bereich von etwa 13 Millicurie arbeiten. Mit Bezug auf Gl. 23 ist klar, dass ein wesentliches Verkleinern der Zahl von freien Elektronen „e₀", um die Bedingung (e·k₁ << n·U) zu erfüllen, in einem linearen Detektor resultiert, der lediglich im den Konzentrationsmodus arbeitet. Der mittlere freie Weg für N⁶³-Betapartikel beträgt jedoch 1 cm. Kleiner zu gehen als 1000 Mikroliter der Ionisierungszelle bewirkt somit, dass mehr Betapartikel auf die Wände auftreffen und die Energie derselben bei dem Aufschlag verlieren, anstatt mehr freie Elektronen zu erzeugen. Folglich tritt eine geringere Ionisierung auf und die wirksame Radioaktivität ist verringert. Ein anderes Phänomen tritt bei dem verringerten Zellvolumen auf; d. h. mehr freie Elektronen verbinden sich wieder mit den Zellwänden. Daher wird die Rekombinationsratenkonstante k_d größer, wobei so die Anzahl von verfügbaren freien Elektronen reduziert wird.
2.0 Aufbau und Betrieb eines Elektroneneinfangdetektors in einem GC-System
Folglich kann ein Elektroneneinfangdetektor für eine Verwendung bei einem Analyseinstrument entworfen werden, wie es in 2 gezeigt ist. Das Instrument ist allgemein als Chromatograph 10 bezeichnet. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Chromatograph 10 ein HP6890-Gaschromatograph von Hewlett-Packard, der modifiziert ist, um einen Elektroneneinfangdetektor gemäß den Lehren hierin zu betreiben.
Ein Betrieb des Chromatographen ist allgemein wie folgt zu verstehen. Um eine chromatographische Trennung einer gegebenen Probenverbindung durchzuführen, wird eine Probe mit einem mit Druck beaufschlagten Trägergas mittels eines Injektors 12 injiziert. Das Trägergas, das zu dem Injektor 12 geliefert wird, wird von einer Quelle 12A durch eine oder mehrere pneumatische Verteileranordnungen 13 geliefert, von denen jede teilweise dazu dient, eine Mehrzahl von Gasflüssen, einschließlich des Trägergases und einer Mehrzahl von Detektorgasen geeigneter Typen, wie beispielsweise Luft, Wasserstoff und Make-up-Gas, zu steuern und umzuleiten. Die Detektorgase werden von jeweiligen Quellen (es ist eine derartige Quelle 24A gezeigt) zu der pneumatischen Verteileranordnung 13 geliefert. Geeignete Fluidhandhabungsvorrichtungen, wie beispielsweise Ventile, Sensoren und dergleichen in der pneumatischen Verteileranordnung 13 werden unter der Steuerung des Computers 22 und der Steuerung 26 mittels Steuersignalen betrieben, die an einer Daten- und einer Steuerleitung 28, 30 geliefert werden. Die Steuerungs- und Datenleitung 30 ermöglicht auch die Rückgabe von Erfassungsinformationen von geeigneten Sensoren und Signalschnittstellenelektronik, die in der pneumatischen Verteileranordnung 13 vorgesehen sind. Ein anderer Satz von Daten- und Steuerleitungen 112, 118 ermöglicht die Rückgabe von Detektorausgangssignalinformationen von einer Linearisierungs- und Detektorausgangssignalschnittstelle 116 (hierin im Folgenden Schnittstelle 116), die mit dem Computer 22 und dem Detektor 24, 124 verbunden sind.
Eine Säule 14 ist innerhalb eines Ofens 16 positioniert. Die Trägergas-/Probenkombination, die die Säule 14 durchläuft, wird einem Temperaturprofil ausgesetzt, das teilweise aus dem Betrieb eines Heizers 18 innerhalb des Ofens 16 resultiert. Während dieses Profils von sich verändernden Temperaturen trennt sich die Probe in die Komponenten derselben hauptsächlich aufgrund Unterschieden bei der Wechselwirkung jeder Komponente mit der Säule 14 bei einer gegebenen Temperatur. Wenn die Komponenten aus der Säule 14 austreten, werden dieselben durch einen Elektroneneinfangdetektor (hierin im Folgenden Detektor) 24 erfasst.
Der Computer 22 behält eine Gesamtsteuerung der Systeme bei, die dem Gaschromatographen 10 zugeordnet sind. Es ist zu erkennen, dass irgendein spezieller Gaschromatograph mehr Systeme umfassen kann, als diese, die mit Bezug auf die vorliegende Erfindung beschrieben sind. Beispielsweise ist ein elektronisches Steuerbedienfeld 50 als eine Bedienpersonschnittstelle umfassend gezeigt, die in der Form eines Tastenfelds 58 und einer Anzeige 60 vorgesehen ist. Es ist ferner klar, dass, obwohl der Computer 22 und die Schnittstelle 116 jeweils als ein einziger Block gezeigt sind, andere Ausführungsbeispiele betrachtet werden; beispielsweise können die Funktionen des Computers 22 und der Schnittstelle 116 zu einer Einheit subsummiert sein. Der Computer 22 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit und alle zugeordneten Peripheriegeräte, wie beispielsweise Direktzugriffsspeicher, Nur-Lese-Speicher, Eingabe/Ausgabe-Isolationsgeräte, Takte und die Schnittstelle 116 kann eine ähnliche zentrale Verarbeitungseinheit oder vorzugsweise eine Digitalsignalverarbeitungseinheit und andere verwandte elektronische Komponenten umfassen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zentrale Prozessor, der bei dem Computer 22 verwendet wird, ein Mikroprozessor. An sich können der Computer 22 und/oder die Schnittstelle 116 einen Speicher umfassen, in dem Informationen und eine Programmierung durch bekannte Verfahren gespeichert und wiedererlangt werden können.
Es ist ersichtlich, dass die programmierte Steuerung der Signalverarbeitung, die hierin unten mit Bezug auf die Schnittstelle 116 beschrieben ist, durch eine digitale Recheneinrichtung implementiert sein kann, wie beispielsweise einen Digitalsignalprozessor (DSP = digital signal processor) oder einen eingebetteten Prozessor, die beide ein Linearisierungsschema, wie es unten beschrieben ist, über eine Firmware oder eine zweckgebundene Analognetzwerkschaltung implementieren können, die in einem speziellen Detektorausgangssignalweg innerhalb der Schnittstelle 116 enthalten ist. Ferner wird die Programmierung, die dem Linearisierungsschema zugeordnet ist, das mit Bezug auf die vorliegende Erfindung verwendet wird, Fachleuten auf dem Gebiet aus der Linearisierungsformel, die unten beschrieben werden soll, ohne Weiteres ersichtlich.
Wie es in 3 gezeigt ist, ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Detektors 24 vorzugsweise als ein Elektroneneinfangdetektor 200 aufgebaut, der einen oberen Körper 210, eine Anode 212, eine Flussführung 220, eine gekrümmte Scheibe 230, eine Dichtung 240, einen unteren Körper 250 und einen Adapter 260 umfasst. Der obere Körper ist als eine Kollektorelektrode betreibbar und umfasst eine Anodenröhre 213, die eine zentrale Bohrung 214 zum Aufnehmen der Anode 212 in einer beabstandeten, konzentrisch gelegenen Position in derselben definiert. Die Flussführung 220 und ein elektrisch isolierender Einsatz (nicht gezeigt, aber typischerweise bei dem oberen Ende der zentralen Bohrung 214 befestigt) sind vorzugsweise aus hochreinem Aluminiumoxid gebildet, um sicherzustellen, dass die Anode 212 ordnungsgemäß positioniert und elektrisch von dem oberen Körper 210 getrennt (isoliert) ist.
Der untere Körper 250 umfasst eine Ausnehmung 251 in einer Schnittstelle 252 zum Aufnehmen der Dichtung 240 und zum Aufnehmen einer entsprechenden zusammenpassenden Oberfläche 216 an dem oberen Körper 210. Der untere Körper 250 umfasst eine Mehrzahl von koaxial verschobenen, verbundenen, inneren Kammern, die in einer Fluidkommunikation stehen zwischen: einer zentralen Bohrung 254, einer Abdeckungsaussparung 255, einer Ionisierungszelle 256, die in derselben eine radioaktive Quelle 258 aufweist, und einer Anodenkammer 257. Die gekrümmte Scheibe 230 und die Flussführung 220 sind in der Anodenkammer 257 positionierbar, derart, dass die oberste Oberfläche der Flussführung 220 eng auf die gegenüberliegende Oberfläche der Anodenröhre 213 passt. Der obere Körper 210 umfasst ferner einen Spülflusseinlass 218, der mit der zentralen Bohrung 214 und einem Spülflussauslass 219 kommuniziert, der mit der Anodenkammer 257 kommuniziert. Eine hermetische Abdichtung zwischen den zusammenpassenden Oberflächen 216, 252 wird durch eine Komprimierung der Dichtung 240 durch eine geeignete Klemmeinrichtung geliefert, wie beispielsweise Schrauben, die sich durch Schraubenbohrungen 242 in eine geeignete Aufnahmeeinrichtung (nicht gezeigt) erstrecken, die an oder in dem oberen Körper 210 positioniert sein kann. Der obere Körper 210, der untere Körper 250 und bestimmte Komponenten in denselben (wie beispielsweise die gekrümmte Scheibe 230) sind vorzugsweise aus einem inerten, wärmeresistenten Material hergestellt, wie beispielsweise rostfreiem Stahl. Der Adapter 260, der obere Körper 210 und der untere Körper 250 können durch eine auf dem Gebiet bekannte Einrichtung (nicht gezeigt) auf eine ausgewählte Temperatur erwärmt werden.
Ein Auslassende einer chromatographischen Säule 270 ist in einer Einlage (einem Liner) 262 positioniert und die Säulen-/Einlagen-Anordnung ist in der zentralen Bohrung 263 positioniert. Gas, das analysiert werden soll, wie beispielsweise das Eluat aus der chromatographischen Säule 270, wird innerhalb der Säule 270 geleitet. Make-up-Fluid wird danach in die zentrale Bohrung 263 und in eine zentrale Bohrung der Einlage 262 durch eine Make-up-Gaszufuhr 264 geleitet. Eine Fluidmischung, die aus einer im Wesentlichen einheitlichen Mischung des Make-up-Gases und des Säuleneluats gebildet ist, wird dann von einer Adapterabdeckung 266 in die zentrale Bohrung 254 geleitet. Wenn somit der Adapter 260 vollständig in die zentrale Bohrung 254 eingebracht ist, tritt die Fluidmischung aus der Abdeckung 266 aus und tritt unmittelbar in die Ionisierungszelle 256 ein.
Die Ionisierungszelle 256 weist einen schalenförmigen Abschnitt auf, wobei die radioaktive Quelle 258 an der Seitenwand derselben so entworfen und positioniert ist, derart, dass die Fluidmischung zu einer nachfolgenden Ionisierung der Probenmoleküle, die in der Fluidmischung vorhanden sind, aufwärts in die Ionisierungszelle 256 durchlaufen kann. Das erwünschte Mischen des Eluats und des Make-up-Gases ist vorzugsweise durch eine Mischvorrichtung implementiert, die in der Form einer holen, röhrenförmigen Einlage 262 vorgesehen ist, die aus deaktiviertem Quarz gebildet ist und eine Flussbeschleunigungsregion aufweist, in der das Make-up-Gas und das Eluat einer momentanen, aber wesentlichen Geschwindigkeitserhöhung unterliegen, wobei so ein turbulenter Fluss innerhalb der Flussbeschleunigungsregion erzeugt wird.
4 ist eine grafische Darstellung des minimalen erfassbaren Pegels (MDL) über einer wirksamen Radioaktivität, berechnet und empirisch bestätigt für eine Prototypversion des Elektroneneinfangdetektors von 2, und zeigt die bevorzugte Optimierung des Pegels einer wirksamen Radioaktivität gemäß der vorliegenden Erfindung. 4 stellt drei Kurven dar, die die Variation bei dem minimalen erfassbaren Pegel (B_mdl) einer Probe mit Bezug auf Variationen bei der wirksamen Radioaktivität darstellen. Kurven A, B und C wurden für Flussraten von 35, 70 bzw. 140 Milliliter pro Minute unter Verwendung von Gleichung 31 (unten) berechnet. Diese Kurven wurden dann empirisch durch die Verwendung einer Prototypversion des Elektroneneinfangdetektors 200 verifiziert, der Ionisierungszellen aufweist, die mit unterschiedlichen Mengen einer radioaktiven Quelle (Ni₆₃) ausgerüstet waren, um so jeweils unterschiedliche Pegel einer wirksamen Radioaktivität in der Ionisierungszelle zu zeigen, und wurden bei den zuvor erwähnten Gesamtflussraten betrieben. Eine Optimierung des minimalen erfassbaren Pegels (B_mdl) und des Pegels einer wirksamen Radioaktivität wird in dem Bereich von näherungsweise 0,5 bis 4 Millicurie einer wirksamen Radioaktivität und bevorzugter in dem Bereich von näherungsweise 1–2 Millicurie einer wirksamen Radioaktivität als erreicht angesehen.
5 ist eine Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Schnittstelle 116 von 2. Die Schnittstelle 116 umfasst vorzugsweise einen Konstantstrompulsabschnitt 302, einen Frequenz-zu-Strom-Wandler (F/I-Wandler) 304, einen Analog-zu-Digital-Wandler 306 und einen Linearisierungsabschnitt 308. Eine Linearisierung des Ansprechfaktors ist vorzugsweise implementiert, um so die oben beschriebene logarithmische Abnahme des Ansprechfaktors gemäß einer Umwandlungstabelle 310 zu kompensieren. Umwandlungsfaktoren in der Umwandlungstabelle 310 sind gemäß der folgenden Linearisierungsformel vorgesehen: f(lin) = f[1 + (f/f(dec))]pwr
Wobei:

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine Implementierung dieser Linearisierungsformel unter Verwendung einer Firmware realisiert, die die Umwandlungstabelle 310 betreibt, und in einem Digitalsignalprozessor (DSP) 312 implementiert. Fachleute auf dem Gebiet verstehen, dass diese Kompensation alternativ in einer diskreten elektronischen Schaltungsanordnung (d. h. in einer Hardware) oder über eine Software erzielt werden kann, die in einem Mikroprozessor wirksam ist.
Wie durch einen Vergleich von 6A mit 6B und von 7A mit 7B ersichtlich wird, sind verbesserte quantitative Ergebnisse bei den linearisierten Ansprechfaktoren dargestellt, die aus dem Elektroneneinfangdetektor 200 erhalten werden, der in 3 dargestellt ist. Bei der Prototypversion des Elektroneneinfangdetektors 200 betrug das Ionisierungszellvolumen näherungsweise 150 Mikroliter; die radioaktive Quelle war in der Form einer Beschichtung von 7,5 Millicurie von Ni⁶³ vorgesehen, die an einem Zylinder plattiert war, der an die Innenwand der Ionisierungszelle gepasst war, derart, dass die wirksame Radioaktivität näherungsweise 2 Millicurie betrug. Die nicht linearisierten Ansprechfaktoren, die in 6A und 7A gezeigt sind, wurden nach einer Modifikation der Schnittstelle 116 aufgezeichnet, derart, dass der Linearisierungsabschnitt 308 deaktiviert (d. h. umgangen) war, und somit unterlag das Detektorausgangsansprechen keiner Linearisierung. Die Prototypversion des Elektroneneinfangdetektors 100 wurde dann betrieben, wobei der Linearisierungsabschnitt 308 vollständig gemäß den Lehren hierin wirksam sein durfte, und die linearisierten Ansprechfaktoren wurden in 6B und 7B aufgezeichnet. Der Nutzen einer Linearisierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 6B und 7B klar ersichtlich. Die dargestellten Ansprechkurven zeigen die verbesserte Beziehung zwischen einer injizierten Probenmen ge und der resultierenden Spitzenhöhe bei dem Detektoransprechen.

Claims

Ein Elektroneneinfangdetektor zum Aufnehmen einer Fluidmischung, die eine Elektroneneinfangspezies aufweist, die einer Erfassung unterliegt, der folgende Merkmale aufweist: eine Ionisierungszelle (256), die ein Zellvolumen definiert; eine radioaktive Ionisierungsquelle (258), die der Ionisierungszelle zugeordnet ist, zum Erzeugen einer Mehrzahl von thermischen Elektronen in der Fluidmischung, wobei die Elektroneneinfangspezies, die in der Fluidmischung vorhanden ist, mit den thermischen Elektronen reagieren kann, um negative Ionen zu bilden; eine Signalerzeugungseinrichtung (124), die mit Bezug auf die Fluidmischung zum Erfassen einer nachfolgenden Variation bei der Konzentration thermischer Elektronen in der Fluidmischung gemäß einem Detektoransprechfaktor und Liefern eines darstellenden Signals positioniert ist; und eine Signalkompensationseinrichtung (116), die mit der Signalerzeugungseinrichtung verbunden ist, zum Kompensieren einer logarithmischen Abnahme bei dem Detektoransprechfaktor durch ein Ändern des Signals gemäß einer Linearisierungsformel: f(lin) = f[1 + (f/f(dec))]pwr wobei f_(lin) = linearisierte Ausgangsfrequenz des Elektroneneinfangdetektors f = nicht linearisierte Ausgangsfrequenz des Elektroneneinfangdetektors f_(dec) = Detektorfrequenz, bei der k₁ die beobachtete Abnahme desselben beginnt pwr = Potenz der Abnahme von k₁.
Der Elektroneneinfangdetektor gemäß Anspruch 1, bei dem das Zellvolumen, das durch die Ionisierungszelle definiert ist, optimal in dem Bereich von 100–150 Mikrolitern liegt.
Der Elektroneneinfangdetektor gemäß Anspruch 1, der ferner ein Probeneinlasssystem (250) aufweist, das mit der Ionisierungszelle (256) verbunden ist, um die Fluidmischung in der Ionisierungszelle (256) bereitzustellen.
Der Elektroneneinfangdetektor gemäß Anspruch 1, bei dem die Ionisierungszelle (256) in einem Konzentrationsmodus wirksam ist.
Der Elektroneneinfangdetektor gemäß Anspruch 1, bei dem die Signalkompensationseinrichtung (116) ferner eine Kompensationsfaktortabelle (310) aufweist, die verschiedene Umwandlungsfaktoren der Linearisierungsformel speichert.
Der Elektroneneinfangdetektor gemäß Anspruch 1, bei dem die Signalkompensationseinrichtung (116) ferner folgende Merkmale aufweist: eine Konstantstrompulsschaltung (302), die mit der Signalerzeugungseinrichtung (124) gekoppelt ist; einen Frequenz-Zu-Strom-Wandler (304), der mit der Konstantstrompulsschaltung gekoppelt ist, um das Signal umzuwandeln; einen Analog-Zu-Digital-Wandler (306), der mit dem Frequenz-Zu-Strom-Wandler gekoppelt ist, um das Signal zu digitalisieren; einen Digitalsignalprozessor (312), der mit dem Analog-Zu-Digital-Wandler gekoppelt ist, um das Signal basierend auf der Linearisierungsformel zu ändern, wobei der Digitalsignalprozessor ferner eine Kompensationsfaktortabelle (310) aufweist, die verschiedene Umwandlungsfaktoren der Linearisierungsformel speichert.