DE2415049B2 - Spektralphotometer zur Messung des Absoptionsvermögens von chromatographisch getrennten Flüssigkeiten - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

h) die Strahlteilungseinrichtung aus wenigstens zwei, mittels eines scharnierartigen Teils (2') verbundenen Reflektoren (2 bzw. 3) besteht, die derart im Wege des von der Lichtquelle (1) ausgehenden Lichts angeordnet und derart ausgebildet sind, daß die von den Reflektoren ausgehenden Lichtbündel durch jeweils denselben Bereich des Beugungsgitters (4) in gleichartige aber räumlich getrennten Spektren (8, 9) zerlegt werden,

i) die Blendenanordnung (14) Öffnungen (8', 9') zur Aussonderung jeweils gleicher spektraler Komponenten aus den räumlich getrennten Spektren (8,9) aufweist, und

j) die Küvetten (5,6) jeweils hinter den Öffnungen (8', 9') der Blendenanordnung (14) angeordnet sind.

2. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilungseinrichtung aus vier Reflektoren (2,3,35,36) besteht.

Die Erfindung betrifft ein Spektralphotometer zur Messung des Absorptionsvermögens von chromatographisch getrennten Flüssigkeiten mit

a) einer Lichtquelle,

b) einem im Wege des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes drehbar angeordneten Beugungsgitter,

c) einer Strahlteilungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens zweier Teilstrahlen gleicher spektraler Charakteristik,

e) jeweils einer von einer der zu untersuchenden Flüssigkeiten durchströmten Küvette in jedem Teilstrahlengang,

f) einer photoelektrischen Wandleranordnung zur Erzeugung von der Absorption in den einzelnen Küvetten entsprechenden Ausgangssignalen, sowie

g) einer Auswerteschaltung zum Vergleich der einzelnen Ausgangssignale.

Ein solches Gerät ist aus der Veröffentlichung in G-I-T. Fachz. Lab, 15. Jg. Heft 5 Mai 1971 Seiten 480-482 bekannt

Bei der Chromatographie von Flüssigkeiten wird die Auftrennung dadurch erreich«, daß die zu analysierenden Proben in einen Flüssigkeitsstrom oberhalb der Auftrennungssäule eingespritzt werden. Die Auftrennungssäule besteht aus einem röhrenartigen Behälter, der mit dem Adsorptionsmittel gefüllt ist Die

ίο Auftrennung der Proben erfolgt aufgrund von kapillaren Wirkungen und anderen physikalisch-chemischen Erscheinungen, die bei der modernen Chromatographie auftreten. Die Flüssigkeiten, Lösungsmittel oder Puffermittel transportieren die Proben durch die Säule und die aus der Säule heraustretenden Flüssigkeiten enthalten die fraktionierten Bestandteile der ursprünglich eingeführten Substanzen. Diese Fraktionen sind optisch feststellbar, wenn der Flüssigkeitsstrom durch eine Durchflußküvette durchgeführt wird, die ein optisches Eingangs- und Ausgangsfenster besitzt, die den Durchgang eines Lichtstrahls ermöglichen. Der Lichtstrahl verändert seine Intensität, wenn er durch die durchlaufenden Fraktionen unterbrochen wird. Die durchlaufenden Fraktionen werden aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften mehr oder weniger durch die unterschiedlichen spektralen Frequenzen angezeigt

Die bei der Chromatographie von Flüssigkeiten erhaltenen und durch das Lösungsmittel transportierten

jo Fraktionen bestehen im allgemeinen aus einer sehr kleinen Menge der eingesetzten Substanz und zeigen nur extrem geringe Absorptions- oder Transmissionsveränderungen, wodurch ihre Feststellung sehr schwierig wird. Die bei der Chromatographie verwendeten Lösungsmittel oder Puffermittel sowie viele der zu untersuchenden und aufzutrennenden Verbindungen besitzen oft eine geringe chemische Stabilität über gegebene Zeiträume, die notwendig sind, um zuverlässige Messungen durchzuführen. Aus diesem Grunde entstehen nicht reproduzierbare Fehler bei den einzelnen Flüssigkeitschromatogrammen. Es ist daher wünschenswert, daß die charakteristischen Eigenschaften der Puffermittel oder Lösungsmittel zur gleichen Zeit gemessen werden, zu der die charakteristischen Eigenschaften der aufgetrennten Substanzen festgestellt werden. Die Verwendung eines Doppelstrahls hat sich als vorteilhaft erwiesen, da dadurch die Benutzung einer Probeküvette und einer Vergleichsprobeküvette ermöglicht wird. Da wie oben bereits erwähnt die Absorptions- oder Transmissionsveränderungen bei kleinen Probenmengen von beispielsweise 5 ml eine genaue und praktisch durchführbare Darstellung erfordern und da diese Absorptions- und Transmissionsveränderungen nur einige Zentausendstel der optischen Dichte (O. D.) ausmachen können, ist eine langfristige Stabilität eine vorteilhafte Eigenschaft eines Spektralphotometers.

Es ist bekannt, daß eine kontinuierlich einstellbare UV-Strahlung und sichtbare Strahlung erforderlich ist, um die günstigsten Absorptionsmaxima für das eluierte Medium herauszufinden und zwar durch die Verwendung eines monochromatischen Lichtes, das durch ein Dispersionselement erzeugt wird, wie beispielsweise durch ein Beugungsgitter.

Bei den herkömmlichen Vorrichtungen auf dem Gebiete der Spektrophotometrie, bei denen man Lichtquellen benutzt, werden optische Beleuchtungsvorrichtungen für den Eintrittsspalt, ein Monochroma-

tor mit Austrittsspalt, Austrittsstrahlungskollimatoren und optische rotierende, modulierende Zerhacker benutzt, um die Strahlung für die Vergleichsproben und Prcbenmessungen zu erhalten. Bei den herkömmlichen Vorrichtungen muß die Strahlung, de aus dem länglichen Ausgangsspalt des Monochromator austritt, kondensiert und optisch behandelt -werden, um einen kolliminierten Strahl geeigneter Größe zu erzeugen. Der Strahl muß durch die Küvetten durchgehen, die eine 1-mm-öffnung und eine Strahlendurchgangsstrecke von 10 mm gesiizen. Diese Behandlung der Strahlen, die aus den herkömmlichen Monochromatorspalten austreten, führt zu Lichtverlusten und zu einer niedrigen Energie der durch die Küvettsn gehenden Lichtstrahlen, so daß eine beträchtliche Verstärkung der Detektorsignale erforderlich wird. Dadurch entstehen unstabile und gestörte Signale und nachteilige Aufzeichnungen.

Bei den herkömmlichen Spektralphotometern vom Doppelstrahltyp werden normalerweise mindestens acht optische Bestandteile verwendet Diese Bestandteile bestehen meist aus einer die Strahlen zusammenfassenden Optik zwischen der Lampe und dem Monochromator, aus einem 45° Reflektor, um den Eintrittsspalt des Monochromator zu erreichen, aus einem Hauptkolliminator im Monochromator (und zwar einem, wenn eine Anordnung nach Littrow verwendet wird und zwei, wenn eine Anordnung nach Ebert verwendet wird), aus einem die Strahlen dispergierenden Element, das aus einem Prisma oder einem Gitter besteht, aus einem Kondensator und aus einer Kollimatoroptik nach dem Austrittsspalt des Monochromator, aus einer Strahlspaltvorrichtung oder einer Zerhackeranordnung, die normalerweise aus zwei stehenden und zwei zerhackenden oder oszillierenden Spiegeln besteht Bei den Spiegeln wird meist ein stehender und ein zerhackender Spiegel ausschließlich für die Vergleichsprobe verwendet Aufj,. and dieses Aufbaus wird eine große Anzahl ungleicher Oberflächenbereiche oder Bereiche möglicher mechanischer Instabilität eingeführt, die die Feststellung und Messung von geringen Unterschieden zwischen den Proben und den Vergleichsproben äußerst schwierig machen.

Daher ist ein bestimmter Fehler in allen zur Zeit bekannten monochromatischen Meß- und Anzeigesystemen vorhanden, falls keine Vorrichtungen eingebaut werden, die die optische Unbeständigkeit und die mechanischen Instabilitäten auf ein Mindestmaß reduzieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Spektralphotometer zur Messung des Absorptionsvermögens von chromatographisch getrennten Flüssigkeiten zu entwickeln, bei dem Lichtverluste vermieden werden und bei dem für eine Beeinflussung von Meß- und Referenzstiahl jeweils durch den gleichen Beugungsgitterbereich geborgt ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Spektralphotometeraufbau, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Strahlteilungseinrichtung aus wenigstens zwei, mittels eines scharnierartigen Teils verbundenen Reflektoren besteht, die derart im Wege des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts angeordnet und derart ausgebildet sind, daß die von den Reflektoren ausgehenden Lichtbündel durch jeweils denselben Bereich des Beugungsgitters in gleichartige aber räumlich getrennte Spektren zerlegt werden, die Blendenanordnung öffnungen zur Aussonderung jeweils gleicher spektraler Komponenten aus den räumlich getrennten Spektren aufweist, und die Küvetten jeweils hinter den öffnungen der Blendenanordnung angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Spektralphotometers nach der Erfindung besteht die Strahlteilungseinrichtung aus vier Reflektoren.

In der folgenden Beschreibung wird das Spektralphotometer nach der Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert
F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer

jo bevorzugten Ausführungsform des Spektralphotometers,

Fig.2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Spektralphotometers, bei der die Vergleichsproben- und Probenanordnung

is zweifach und somit auch zwei Vergieichsprobestrahlen und zwei Probestrahlen vorhanden sind,

F i g. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Spektralphotometers, bei der eine reflektierende strahlenzusammenfassende Optik sowie Teile für eine Unterbrechung der Energie gezeigt werden,

Fig.4 ist ein teilweise im Schnitt gezeigter Aufriß einer Durchflußküvette, die für eine Fluoreszenzmessung verwendet wird,

F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung für eine Anordnung gemäß F i g. 3. Die aus F i g. 1 ersichtliche Lichtquelle 1 ist als ein Lichtbogen dargestellt, der im gesamten Raumwinkel von 360° seine Strahlung abgibt Eine Maske 7 ist an der Lichtbogenquelle angeordnet, um die Lichtstrahlen auf eine Strahlenteilungseinrichtung zu lenken.

Diese Strahlenteilungseinrichtung besteht aus wenigstens zwei, mittels eines Scharnierteils 2' eines Scharniers verbundenen Reflektoren 2 bzw. 3, die derart im Wege des von der Lichtquelle 1 ausgehenden Lichts angeordnet und derart ausgebildet sind, daß die von den Reflektoren ausgehenden Lichtbündel durch jeweils denselben Bereich eines Beugungsgitters 4 in gleichartiger aber räumlich getrennte Spektren 8 und 9 zerlegt

werden. Nach dem Überziehen bzw. Beschichten der polierten Oberfläche der Reflektoren mit einem reflektierenden Material werden reflektierende Oberflächen erzeugt, die es ermöglichen, daß identische Bereiche auf dem Beugungsgitter 4 beleuchtet werden und zwar durch jeden der Reflektoren 2 und 3. Das das Beugungsgitter 4 erreichende Licht wird durch dieses Gitter in die Spektren 8 und 9 zerlegt. Das Licht, das den Bereich der projezierten Spektren erreicht, wird durch die Blendenanordnung 14 begrenzt, die zwei identische öffnungen 8' und 9' besitzt Aufgrund dieser identischen öffnungen 8' und 9' können nur bestimmte Teile der Spektren die Küvetten 5 und 6 erreichen. Das durch die Küvetten 5 und 6 durchgehende Licht erreicht dann die Photodetektoren 10 und 11, die mit einem Verhältnis— Stromkreis 12 verbunden sind. Die Signale werden verglichen und das Ergebnis in der Anzeigevorrichtung 13 angegeben. Das Beugungsgitter 4 kann zwischen den Drehzapfenpunkten 20 mittels eines Armes 22 innerhalb eines Winkels 25 schräg eingestellt werden, indem ein Aufhaltestift 24 verwendet wird sowie ein Sinusantrieb, wie er bei herkömmlichen Monochromatoren verwendet wird. Die Veränderung des Winkels des Beugungsgitters ermöglicht das Abtasten der Spektren 8 und 9 durch die öffnungen 8' und 9'. Falls das Beugungsgitter 4 uewegt wird (wie durch den Pfeil 25 angegeben), bewegen sich zwei identische Spektren durch die zwei Öffnungen 8' und 9' in der Blendenanordnung 14. damit die erwünschten spektralen Bereiche ausgewählt und

die Küvetten 5 und 6 beleuchtet werden. Die zwei identischen Spektren werden durch den gleichen Bereich des Beugungsgitters erzeugt und stammen von dem gleichen Raumwinkelbereich der Strahlen her, die von der Lichtquelle kommen und mittels der Strahlteilungseinrichtung auf das Beugungsgitter gerichtet werden.

F i g. 2 zeigt ein ähnliches System wie es in F i g. 1 beschrieben wird, das jedoch zwei zusätzliche Reflektoren 35 und 36 in der Strahlteilungseinrichtung enthält. Die zusätzliche Verwendung dieser zwei Reflektoren 35 und 36, die ähnliche Oberflächen haben wie die Reflektoren 2 und 3, ermöglicht die Beleuchtung eines einzelnen Beugungsgitters mit zwei zusätzlichen Lichtstrahlen, die den gleichen Bereich auf dem Beugungsgitter 4 erreichen, durch das Gitter in zwei zusätzliche Spektren 43 und 44 geteilt werden und durch die öffnungen 43' und 44' in der Blendenanordnung 14 durchgehen. Die zwei zusätzlichen Spektren erreichen die Photodetektoren 41 und 42. Die zusätzliche Verwendung dieser zwei Photodete:ktoren zeigt die offensichtlichen Vorteile des Spektralphotometers, in dem mindestens ein Paar identischer Spektren erzeugt wird. Die spektralphotometrische Vorrichtung enthält dabei nur ein Beugungsgitter, besitzt: jedoch mehrere analysierende Kanäle, und zwar ohne daß strahlteilende Zerhackvorrichtungen verwendet werden müssen, und wobei die Spektren aus einer Strahlungsquelle stammen. Für die spektralphotometrischen Messungen werden die Küvetten 5, 6, 39 und 40 verwendet und der Vergleich wie bereits oben beschrieben mittels eines Verhältnis-Stromkreises und einer Anzeigevorrichtung durchgeführt.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform des Spektralphotometers, bei dem zwei Kanäle, die zur Bestimmung der Verhältnisse zwischen der Probe und der Vergleichsprobe verwendet werden, durch einen einzigen Photodetektor 19 bedient werden können, indem eine elliptische oder eine andere asphärische Strahlenkombinationsoptik 17, 18 und 18' verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform werden die Strahlen 15 und 16, die die zentralen Strahlen der Spektren 8 und 9 darstellen und durch die Küvetten 5 und 6 gehen, alternativ durch das Zerhackerblatt 28 durchgelassen, um den Photovervielfacher 19 zu erreichen. Das Zerhackerblatt 28 wird durch den Motor 27 angetrieben und zwar in einer Hin- und Herbewegung wie durch den Pfeil 28' angezeigt.

Fig.4 zeigt eine besondere Ausführungsform einer Küvette 5' für das Spektralphotometer. Der Küvettenkörper 5' besteht aus Quarz oder einem anderen geeigneten Material und ist in einem durchsichtigen Block 70 aus Plastik oder Glas eingebettet, der eine sphärische, asphärische oder elliptische Konfiguration besitzt oder von einem elliptischen, sphärischen oder asphärischen Reflektor umgeben ist, um die heraustretende Fluoreszenz von den Wänden der Küvette 5 durch ein Filter 32 zu dem Photodetektor 19 zu richten. Der Verlauf der Strahlen wird durch die Bezugsziffer 30 und gestrichelte Linien angegeben. Die Küvette 5' arbeitet so, daß Spektralenergie, die ans den Strahlen 15 und 16 stammt (siehe Fig. S), durch das Fenster 34 geschickt wird. Fluoreszierende Proben, die durch die öffnung 31 in die Küvette geführt werden und im Hauptkörperteil 34' des Küvettenkörpers 5 vorhanden ^r) sind, werden durch diese hineinkommende Strahlung erregt. Diese Strahlung kann aufgrund der Maske 71 nicht aus der Küvette direkt auf den Photodetektor 19 auftreffen. Die so erzeugte Strahlungsenergie der Fluoreszenzproben wird wie oben beschrieben reflek-

Ui tiert.

F i g. 5 zeigt einen Sinuswellengenerator 56 und einen Verstärker 57 zur Steuerung des Zerhackermotors 27 und des Zerhackerblatts 28, um während der positiven Wellenhälfte den Strahl 16 passieren zu lassen, und um

r, den Strahl 15 während der negativen Wellenlänge passieren zu lassen. Der Detektor 19 registriert daher das Signal und erzeugt synchron mit dem Auftreffen der Lichtstrahlen 15 und 16 die in den graphischen Darstellungen 58, 59 und 59' angezeigten Meß- und Referenzsignale S und R, die bei den Punkten 50', 5 Γ und 52' erscheinen. Da die Trägheit bzw. das Beharrungsvermögen des Motors 27 zu einer Zeitverschiebung oder einer Phasenverschiebung im Ansprechverhalten führt, verschiebt der Phasenschieber 55 die Phase der Sinuswelle, die durch den Generator 56 erzeugt wird um den gleichen Betrag. Die verschobene Sinuswelle am Ausgang des Phasenverschiebers 55 erzeugt einen genauen Zeitimpuls mittels des Impulsgenerators 53 während der positiven Wellenhälfte. Der Impulsgenerator 54 erzeugt einen genauen Zeitimpuls während der negativen Wellenhälfte. Diese Impulse treiben die Festkörper-Schalter 51 oder 52 in der Weise an, daß die Signalwelle vom Photodetektor 19, die durch den Verstärker 50 verstärkt worden ist (siehe graphische Darstellung 58), nur während der Plateautei le der Signale R und S weitergleietet wird. Das Signal nach graphischer Darstellung 58 wird in zwei Signale aufgeteilt, die in den graphischen Darstellungen 59 und 59' dargestellt sind. Die graphische Darstellung 59 erscheint an Punkt 51'. Ein Signalkanal enthält nur Λ-Signale und der andere Signalkanal enthält nur S-Signale. Die »AN«-Zeit der Antriebsimpulse von den Generatoren 53 und 54 ist identisch und daher repräsentiert die integrierte Fläche des Impulses R in der graphischen Darstellung 59 das Referenzsignal bzw. das Vergleichsprobensignal R und der integrierte Bereich des Impulses S in der graphischen Darstellung 59' repräsentiert das Probensignal .£ wodurch der Einfluß der unsicheren Bereiche am Anfang und am Ende der Kurven der Signale R und S (wie in der graphischen Darstellung 58 gezeigt) eliminiert werden. Die Schaltpunkte der Schalter 51 und 52 sind in den graphischen Darstellungen 58, 59 und 59' mit den gleichen Zahlen angegeben und zeigen, welcher Teil der in der graphischen Darstellung 58 dargestellten Kurve durch die Schalter 51 und 52 weitergeleitet worden ist Der Verhältnis-Stromkreis 12 enthält verhältnisbadende elektronische Vorrichtungen mit Ausgängen, um die bekannten Ablesevorrichtungen zu speisen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Spektralphotometer zur Messung des Absorptionsvermögens von chromatographisch getrennten Flüssigkeiten mit

a) einer Lichtquelle,

b) einem im Wege des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes drehbar angeordneten Beugungsgitter,

c) einer Blendenanordnung zur Ausblendung bestimmter Teile des vom Gitter erzeugten Spektrums,

d) einer Strahlteilungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens zweier Teilstrahlen gleicher spektraler Charakteristik,

e) jeweils einer von einer der zu untersuchenden Flüssigkeiten durchströmten Küvette in jedem Teilstrahlengang,

f) einer photoelektrischen Wandleranordnung zur Erzeugung von der Absorption in den einzelnen Küvetten entsprechenden Ausgangssignalen, sowie

g) einer Auswerteschaltung zum Vergleich der einzelnen Ausgangssignale,