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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wellenlängen-Kalibration eines
optischen Systems und zur Selbstdiagnose eines derartigen Systems,
umfassend eine derartige Kalibrierung.
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Hintergrund der Erfindung
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Spektrometersysteme
des Stands der Technik machen häufig
Gebrauch von einer Deuteriumlampe als eine Lichtquelle. Der Vorteil
einer derartigen Lampe ist es, dass sie nett in einer kontinuierlichen
Weise brennt, und dass sie ein paar gut definierte Wellenlängenpeaks
aufweist. Jedoch ist die Intensität einer Deuteriumlampe relativ
gering. In einem Flüssigkeits-Chromatographiesystem
erfordern die kleinen Fließzellen hohe
Lichtintensität,
um angemessene Detektion möglich
zu machen. Auch erfordert das optische System, das z.B. Faseroptiken
umfasst, mehr Licht, als es durch eine Deuteriumlampe geliefert
wird. Wellenlängen-Kalibration
in derartigen Systemen wird ausgeführt durch Lokalisieren eines
einzelnen Peaks. Dies ergibt unvermeidbar Probleme der Genauigkeit
bei den kurzen Wellen- bzw. langen Wellenenden der Wellenlängenskala. Es
ist auch sehr wichtig, dass eine ausgewählte Wellenlänge reproduzierbar
ist. Die Reproduzierbarkeit, die in einer Kalibration erreichbar
ist, sollte mindestens ±2
nm betragen.
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US-5,212,537 ist gerichtet
auf ein Verfahren zur Kalibration für Monochromatoren und Sprektrophotometer
unter Verwenden einer kontinuierlichen Lichtquelle, einer Wolframfilament-Quecksilberdampflampe,
mit zwei scharfen Intensitätspeaks.
Die Position der Peaks wird identifiziert durch Messen der Breite
der Peaks bei halber Höhe,
und der Mittelpunkt dieser Breite wird als die Position des Peaks
genommen. Es würde
nicht möglich
sein, diese Technik in Zusammenhang mit einer Blitzlampe zu verwenden,
z.B. einer Xenonlampe, da die Intensität der Peaks fluktuiert.
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US-5,268,737 ist gerichtet
auf eine Kalibration eines Spektrophotometers. Als die Quelle des
kontinuierlichen Lichtes wird eine Deuteriumlampe und eine Wolframlampe
verwendet. Ein Referenzpunkt wird bestimmt durch Verwenden von Licht
nullter Ordnung. Dies würde
nicht möglich
sein in Zusammenhang mit der Verwendung von optischen Fasern für die Transmission.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Kalibrationsverfahren
für ein
Spektrophotometersystem bereit zu stellen, wobei die Nachteile der
Systeme des Stands der Technik behoben werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit dem Verfahren nach Anspruch 1.
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Der
Vorteil des Verfahrens, wie es beansprucht ist, ist, dass mittels
der hohen Helligkeit der Blitzlampe, die in dem Verfahren verwendet
wird, die Menge des Lichtes, das in das System eingeführt wird,
vergrößert wird,
und dass die Genauigkeit in der Kalibrierung sichergestellt wird über den
gesamten Wellenlängenbereich von
Interesse.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Kurze Beschreibung der Ansprüche
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In
den Figuren
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ist 1 ein Überblick über ein
optisches System, in dem die Erfindung implementiert werden kann;
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ist 2 ein
Spektrum für
eine Xenon-Blitzlampe; und
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zeigt 3 schematisch
den Mechanismus zum Rotieren des Gitters.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung
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In 1 ist
ein Überblick über ein
Detektionssystem im UV-VIS gezeigt, allgemein bezeichnet mit 2, wobei
das Kalibrationsverfahren der Erfindung implementiert ist.
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Das
System umfasst eine Lichtquelle z.B. eine Xenon-Blitzlampe 4,
mit einem typischen Emissionsspektrum, wie in 2 gezeigt
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
der Abstand zwischen Elektroden in der Lampe annähernd 1,5 mm. Dies ergibt einen
Blitz mit sehr hoher Helligkeit. Das System umfasst weiter Linsen 6,
die das Licht auf einen Eingangsschlitz 8 fokussieren,
ein zentrales im Bezug auf eine konkave Aberration korrigiertes
holographisches Gitter 10, das eine Beugung des Lichtes
verursacht. Das Gitter besitzt bevorzugt 1200 Linien/mm für die fraglichen
Anwendungen, kann aber durch den Fachmann ausgewählt sein, um auf eine besondere
Anwendung zu passen. Eine optische Faser 12 ist angeordnet
in dem Bereich, in dem das von dem Gitter gebeugte Licht auftrifft,
derart, dass es möglich
ist, eine Wellenlänge
einer bestimmten engen Bandbreite auszuwählen, für die Zwecke der Erfindung
im Prinzip monochromatisches Licht, und Licht der Wellenlänge zum
Detektionssystem zu übertragen.
Durch Rotieren des Gitters 10 um einen Drehpunkt P ist es
möglich,
eine beliebige Wellenlänge
von ungefähr
190 nm bis zu 700 nm auszuwählen.
Rotation des Gitters 10 wird erreicht mit einem Schrittmotor 20 (siehe 3),
der eine Mikrometerschraube betreibt, schematisch gezeigt bei 22.
Ein Mutter-Mittel 23, das auf der Schraube 22 in
Längsrichtung
verläuft,
ist vorgesehen mit einem hervorstehenden Element 25, das
einen Stab oder Arm 24 versetzt, der mit einem Ball 27 versehen
ist und an das Gitter 10 gesichert. Die Mechanik ist derart
entworfen, dass eine lineare Versetzung der Mikrometerschraube 22 eine
lineare Versetzung der Wellenlänge
des Lichtstrahls, der auf die optische Faser 12 auftrifft, ergibt.
Es ist wichtig, dass die longitudinale Achse der Schraube 22 senkrecht
zum Bisektor B des Winkels verläuft,
der zwischen dem Punkt der Stelle des Eingangsschlitzes 8,
dem Drehpunkt P und dem Punkt der Stelle des Endes der optischen
Faser 13 gebildet wird. Es ist eine technische Standardlösung, die
dem Fachmann gut bekannt ist, und bildet nicht Teil der Erfindung,
und wird daher hier nicht weiter diskutiert werden.
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Weil
die Lichtquelle eine Blitzlampe ist, muss das Licht, das in die
Faser übertragen
wird, in einen Referenzstrahl R, der auf einen Referenzdetektor
14 auftrifft,
und einen Detektions- oder Probenstrahl S, der auf einen Probendetektor
16 auftritt,
aufgespalten werden. Die Intensität des Lichtes vom Referenzstrahl
R, der auf den Referenzdetektor auftritt, wird als I
0 bezeichnet.
Die Intensität
des Lichtes, das auf den Probendetektor auftrifft, wird als I bezeichnet.
Der Probenstrahl tritt in eine Zelle ein, z.B. eine Fließzelle
18,
durch die Proben von einer chromatographischen Säule (nicht gezeigt) laufen,
wobei sie in einem Sammelsystem (nicht gezeigt) zum Sammeln von
Fraktionen des eluierten Materials enden, und trifft auf dem Probendetektor
16 auf,
der das Vorhandensein der Probe in der Fließzelle
18 als eine Änderung
in der übertragenen
Intensität
I und daher eine Änderung
in der Absorbanz A detektiert. Die Absorbanz ist definiert gemäß der gut
bekannten Gleichung
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Die
Absorbanz A ist proportional zur Konzentration C und zur Weglänge 1 in
der Zelle gemäß der folgenden
Gleichung A = εlCwobei ε der molare
Absorptionskoeffizient ist.
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Nun
zu 2 kommend ist das Spektrum der Xenonlampe gezeigt.
Es ist ein kontinuierliches Spektrum bei den hohen Strömen, die
während
der Entladung eingesetzt werden, und neben einem sehr breiten Peak
bei annähernd
200 nm gibt es ein paar charakteristischer Peaks, die für Kalibrationszwecke
eingesetzt werden.
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Daher
wird der Peak bei 229,6 nm als eine Kalibrationswellenlänge verwendet,
und der Peak bei 541,9 nm als die andere. Diese Peaks befinden sich
im Spektrum erster Ordnung des Gitters. Für Kontrollzwecke wird ein dritter
Peak verwendet, nämlich
der Spektrumspeak zweiter Ordnung, der 229,6 nm entpricht, d.h. 459,2
nm in der ersten Ordnung.
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Nun
wird die Kalibrationsprozedur beschrieben.
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Der
erster Schritt ist es, die Spannbreite der Mikrometerschraube 22 zwischen
ihren Endpositionen zu durchlaufen. Die Endpositionen werden erkannt
durch eine optische Erkennungsvorrichtung, die das Vorhandensein
oder die Abwesenheit von mechanischen „Marken" 26, die auf der Mikrometerschraube
vorgesehen sind, detektiert. Dieser anfängliche Lauf wird ausgeführt, um
das Mikrometer zu konditionieren und es durch Verteilung des Öls zu schmieren.
Auch wird dadurch ein Steckenbleiben jeglicher Art detektiert und
falls es auftritt, wird zu diesem Zwecke eine Botschaft dem Betreiber
angezeigt, d.h. eine Kalibration ist nicht möglich.
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Zweitens
wird das Wellenlängenfeld
zwischen annähernd
100 und 352 nm gescannt werden, und ein Wert für jedes nm, entsprechend drei
Schritten des Schrittmotors, wird detektiert und in einem Datenfeld
gespeichert. Der höchste
Wert davon wird identifiziert und als max.peak bezeichnet. Die Messung
wird ausgeführt
wie folgt: nachdem schrittweisen Annähern bis zu einer Position,
die 100 nm entspricht (d.h. einer Anzahl von Schritten von der Endposition,
die von der zuvor erwähnten
Marke bestimmt wird. Diese Anzahl von Schritten ist annähernd bekannt
aus der Erfahrung und wird voreingestellt), ruht der Schrittmotor
für eine
Zeitdauer, die lang genug ist, dass das Detektionsgerät 5 Blitze
von der Xenonlampe detektiert. Die Lampe blitzt kontinuierlich bei
einer Rate von 100 Hz, so würden
5 Blitze erfordern, dass der Schrittmotor 50 ms ruht, bevor er weiter
läuft.
Die Intensitäten
der 5 Blitze werden addiert und gespeichert als ein Eintrag in dem
Datenfeld. Natürlich muss
die Anzahl von detektierten Blitzen nicht fünf sein, aber um ein vernünftiges
Mitteln von Variationen zu erhalten, wurde fünf ausgewählt als ein guter Kompromiss.
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Nach
der Detektion der fünf
Intensitätswerte
schreitet der Schrittmotor drei Schritte weiter, entsprechend 1
nm in ein paar Mikrosekunden, und ruht dann wieder, damit das System
fünf neue
Intensitätswerte detektiert,
dieselben addiert und sie in dem Datenfeld speichert. Dies wird
wiederholt über
dem Bereich 100 bis 352 nm. Weil die Systemoptik Licht in UV-Bereich
absorbiert, wird das System nicht „offen" sein bis um 190 nm, und so werden die
Detektoren kein Licht bis dorthin sehen.
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Nachdem
der Scan abgeschlossen ist, wird der erste detektierte Intensitätswert über Null,
der in dem Datenfeld gespeichert ist (d.h. ein Wert bei annähernd 190
nm oder so), mit dem höchsten
detektierten Wert verglichen. Falls der erste Wert geringer als
2% des höchsten
Wertes (max. Peak) ist, fährt
das System fort. Falls er es nicht ist, wird eine Anzeige zu diesem
Zweck angezeigt, was eine Art von Fehlfunktion signalisiert, normalerweise
eine defekte Optik. Z.B. könnte
Streulicht ein Hintergrundniveau über Null verursachen. Der Wert
2% ist willkürlich
ausgewählt
als ein vernünftiges
Maß, bei
dem die Optik genau funktioniert. Falls der Wert höher ist,
kann es Artefakte geben, wie Reflektionen von Fremdteilchen etc.
Der 2%-Wert ist nicht kritisch und könnte im Prinzip so hoch wie
20% sein. Der Wert bei dem „2%-Punkt" wird als Ausgangspunkt
für den nächsten Schritt
des Verfahrens genommen.
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Im
nächsten
Schritt überprüft das System
die Intensitätswerte
in dem Datenfeld, um den Peak bei 229,6 nm zu finden. Jedoch kann
der breite Peak bei annähernd
200 nm, der oben erwähnt
wurde, in einigen Fällen,
z.B. extrem hohen Entladungsströmen,
eine höhere
Peakintensität
als der Peak bei 229,6 nm besitzen, und deshalb ist das System programmiert,
um in das Datenfeld zu Werten voranzuschreiten, die einem Wert entsprechen,
der bei 36 nm (108 Schritten) vom „2%-Punkt" positioniert ist, um diesen breiten
Peak zu durchlaufen.
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Durch
Vergleichen der Daten, die durch Autokorrelation gesetzt sind, mit
einem idealen Peak, der einer y = –x2 – Kurve
entspricht, wird der Peak bei 229,6 nm positioniert. Eine Autokorrelation
ist eine Standardtechnik, die umfangreich in der Literatur beschrieben
ist, und Bezug wird z.B. genommen auf ein Kompendium „Tidsserieanalys” von Lennart
Olbjer, Universität
von Lund, für
mehr Details und alternative Verfahren.
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Danach
wird der Bereich zwischen 225–235
nm wieder gescannt, wobei nun ein Satz von Messungen für jeden
Schritt des Schrittmotors aufgenommen wird, wobei jeder Schritt
annähernd
0,33 nm entspricht, um den Peak bei 229,6 nm zu finden. Wieder wird
Autokorrelation unter Verwendung der Daten in dem Datenfeld beginnend
bei 225 nm verwendet, um die genaue Position des Peaks bei 229,6
nm zu finden. Der Bereich 535–565
nm wird auf dieselbe Weise gescannt, um den Peak bei 541,9 nm zu
finden, unter Verwendung desselben Autokorrelationsverfahrens. Natürlich ist
es denkbar, das gesamte Spektrum zu scannen, aber um Zeit zu sparen,
wird das Scannen begrenzt auf zwei Regionen des Spektrums.
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Wenn
die Peaks etabliert worden sind, wird die Intensität bei 229,6
nm überprüft, um zu
sehen, ob sie einen ausgewählten
minimalen Wert überschreitet
oder nicht.
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Falls
nicht, wird eine Fehlermeldung „geringe Lichtintensität" anzeigen. Dies ist
eine Anzeige, dass die Lampe ersetzt werden sollte. Das System speichert
auch die Zeit, die die Lampe in Gebrauch war, und nach einer Anzahl
von Stunden wird eine Botschaft angezeigt, die ausdrückt, dass
die Lampe ersetzt werden sollte.
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Die
Kalibrationskonstante wird berechnet. Sie ist definiert als der
Abstand (gezählt
in Schritten des Schittmotors) von der „Marke" der Mikrometerschraube zum „Knie" beim „2%-Punkt" auf der Intensitätskurve. Die
Kalibrationskonstante wird als ein Anzeichen genommen, dass das
System genau funktioniert, falls sie sich innerhalb bestimmter Grenzen
befindet. Die Dispersion wird auch berechnet. Die Dispersion ist
definiert als eine Anzahl von Schritten/nm, und wird berechnet als
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Die
Dispersion variiert von Durchlauf zu Durchlauf der Gitter und hängt von
den Toleranzen des mechanischen Systems ab. Nutzbare Dispersionen
sind 2,9–3,1
Schritte/nm.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Überprüfung der Kalibration bereitgestellt,
d.h. eine Validierprüfung,
um zu sehen, ob die Kalibration noch gültig ist. Eine derartige Überprüfung kann
nötig sein, falls
die Ergebnisse eines chromatographischen Durchlaufs aus einigen
Gründen
Artefakte aufzuweisen scheinen. Normalerweise „springt" das System zwischen drei Wellenlängen während eines
Durchlaufs, und es kann gelegentlich passieren, dass der Schrittmotor
hinter einen Schritt springt wegen des Feststeckens auf der Mikrometerschraube
etc. Dies kann zu einer Versetzung der Kalibrationseinstellung führen.
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Die
Kalibrationsüberprüfung wird
ausgeführt
durch erneutes Durchlaufen der Kalibrationsprozedur, aber diesmal
nur unter Berechnen der Abweichung in der Kalibrationskonstante
und der Dispersion, die bei der Kalibration etabliert wurde. Falls
es eine Abweichung gibt, wird das System dem Betreiber eine Botschaft anzeigen,
der dann entscheiden kann, zu rekalibrieren.
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In
diesem Prozess gibt es eine extra Prüfung gegen den Spektrumpeak
zweiter Ordnung des Peaks bei 229,6 nm, der bei 459,2 nm gefunden
wird. Dieser Peak wird während
eines chromatographischen Durchlaufs blockiert durch Einführen eines
UV-Blockfilters
bei 360 nm und höher.
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Während des
Hochlaufens werden andere Überprüfungen ausgeführt, wie
eine Lampenintensitätsüberprüfung. Falls
die Überprüfung eine
niedrige Intensität
anzeigt, wird eine Warnbotschaft angezeigt, die eine Notwendigkeit
zum Wechseln der Lampe anzeigt. Die Betriebszeit für die Mechanik
wird auch von dem System gespeichert und so wird sie automatisch
angezeigt, wenn es wahrscheinlich ist, dass das mechanische System einen
Service benötigt.
