DE4308202C2 - Mikro-Küvettensystem für die Absorptionsphotometrie - Google Patents

Description

Die quantitative photometrische Analyse von Flüssigkeiten beruht auf dem bekannten Bouguer-Lambert-Beer′schen Gesetz, das den Zusammenhang zwischen Konzentration-Extinktion und durchstrahlter Schichtlänge als Spektralfunktion erfaßt.

Als Voraussetzung für die Gültigkeit wird hier die ungehinderte, also reflexionsfreie Durchstrahlung der Flüssigkeit mit näherungsweise parallelem Licht angegeben. Daraus ergibt sich zwangsläufig ein begrenzter "Lichtleitwert" (nach DIN: "geometrischer Fluß"), der umso niedriger wird, je kleiner der Strahlquerschnitt und je größer die durchstrahlte Schichtlänge wird, was immer dann der Fall ist, wenn an kleinen Substanzmengen mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden soll, also durchweg in der Mikroanalytik. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Fehler durch unvermeidlich verbleibende Reflexionen an den Innenwänden der Küvetten durch sogenannte "Brechungszahlkompensation" zu reduzieren. Eine vollständige Beseitigung gelingt jedoch nicht, weil zwar die Dispersion des Küvettenmaterials bekannt sein mag, nicht jedoch die Dispersion des Probenmaterials. Man reduziert deshalb diese systembedingten Restfehler durch permanente Referenzmessungen, zumeist bezogen auf das jeweils verwendete Lösungsmittel mit der Unterstellung, daß sich Lösung und Lösungsmittel in Brechungszahl und Dispersion nicht wesentlich unterscheiden.

Die vorliegende Erfindung wurde ausgelöst durch Entwicklungen und Erfahrungen in der Spektralanalytik von kleinen Substanzmengen, wie sie z. B. in der Biochemie typisch sind. Die verfügbaren absoluten Substanzmengen sind in sehr vielen Fällen extrem klein, z. B. bei Drüsensekreten usw. Die physiologisch relevanten Konzentrationen sind ebenfalls meist sehr niedrig, so daß es häufig problematisch, wenn nicht sogar unmöglich ist, die für einen signifikanten photometrischen Effekt nötige Schichtlänge zu realisieren, weil sich, wie erwähnt, verschwindend enge Küvettenquerschnitte nicht mit der notwendigen Leistungsdichte reflexfrei auf größere Längen durchstrahlen lassen.

Vorschläge zur Überwindung eines Teils der genannten Schwierigkeiten finden sich in der US 4 477 186 sowie in dem Artikel "Liquid Core Optical Fiber Total Reflection Cell as a Colorimetric Detector for Flow Injection Analysis" von Kito Fujiwara und Keiichiro Fuwa, Analytical Chemistry, Vol. 57 (1985), S. 1012-1016.

Beide Schriften offenbaren Kapillarküvetten, die für die zur Untersuchung der Proben verwendete Strahlung als Wellenleiter wirken. Die Probleme, die sich bei Ein- bzw. Auskopplung der Strahlung in die Kapillarküvette ergeben, werden jedoch nicht befriedigend gelöst.

Die DE 36 05 518 A1 offenbart eine Meßzelle für die Spektrometrie, insbesondere für die Infrarot-Spektrometrie.

Dabei wird ein Rohr aus einem für die Meßstrahlung transparentem Material mit einem wesentlich höheren Brechungsindex als dem im Rohrinnenraum befindlichen Material von der zu untersuchenden Probe durchströmt, falls es sich um eine kontinuierliche Messung handelt, bzw. wird die zu untersuchende Probe stationär in den Meßzelleninneraum bzw. auf die Meßzelleninnenwand gebracht. Das transparente Rohr wirkt als Lichtleiter, in dessen Wandungen die Meßstrahlung total reflektiert wird. Dabei tritt an der Rohrinnenwand eine abgeschwächte Totalreflexion (attenuated total reflection) auf. Durch das Auftreten der abgeschwächten Totalreflexion, wobei diese Absorption dem von der im Rohrinneren befindlichen Probe gemessenen IR-Spektrum entspricht, kann nun ein IR-Spektrum von kleineren Mengen an Probe, als bisher möglich, gemessen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikro-Küvettensystem für die Absorptionsphotometrie in Vorschlag zu bringen, das trotz minimaler Küvettenquerschnitte die Durchstrahlung der Probe mit einer ausreichenden Leistungsdichte gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikro- Küvettensystem für die Absorptionsphotometrie gelöst, welches ein zylindrisches Küvettenrohr enthält, mit einem Hohlkern zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit, die zumindest in einem Längsstück des Hohlkerns von einer Strahlung durchsetzbar ist, deren Absorption anschließend gemessen wird. Das Küvettenrohr und die Probenflüssigkeit sind brechzahlmäßig so abgestimmt, daß sie für die Strahlung als Wellenleiter wirken, in welchem die Probenflüssigkeit einen Kern und die Wandung des Küvettenrohres einen Mantel bilden, wobei die Strahlung an der Außenwand des Küvettenrohres eine mehrfache Totalreflexion erfährt, so daß die Probeflüssigkeit von der Strahlung mehrfach durchsetzt wird. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Schrägan- und/oder -aus­ kopplung der Strahlung an dem Küvettenrohr ein spitz­ zulaufender Kegelkörper angeordnet ist, der vorzugsweise aus dem gleichen Material besteht wie das Küvettenrohr, der auf seinem Kegelmantel eine Nut aufweist, deren Krümmungsradius dem Außenradius des Küvettenrohres entspricht, so daß das Küvettenrohr sich exakt in die Nut einfügt, wobei das Küvettenrohr unter Zwischenschaltung eines absorptionsfreien Mittels in der Nut derart gehaltert ist, daß im Falle der Strahlungsankopplung die Spitze des Kegelkörpers in Richtung des Strahlungsdurchgangs und im Falle der Strahlungsauskoppelung die Spitze des Kegelkörpers entgegen der Richtung des Strahlungsdurchgangs weist, wobei der Winkel, den die Kegellängsachse mit dem Kegelmantel oder gleich einem Viertel des maximalen Aperturwinkels des Wellenleiters ist.

Das Küvettenrohr besteht vorzugsweise aus einem isotropen, im interessierenden Spektralbereich absorptionsfreien Material.

Mit Vorteil ist das Küvettenrohr als kreiszylindrische Mikro- Kapillare ausgebildet, die einen Innendurchmesser von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,25 mm, und noch bevorzugterweise weniger als 0,15 mm, und die einen Außendurchmesser von weniger als 1,0 mm, vorzugsweise weniger als 0,35 mm, und noch bevorzugterweise weniger als 0,20 mm, aufweist, so daß man mit Probenflüssigkeiten auskommt, die im Nanoliterbereich liegen können.

Die Erfindung schafft eine längs durchstrahlte Küvette mit meßbarer Länge, die im Prinzip einen Lichtleiter darstellt. Meßraum ist die Flüssigkeit im zylindrischen Kern der Kapillare. Die (beliebig lange) Strahlführung des Lichtes längs der Küvette besorgt der absorptionsfreie Mantel der Kapillare, der durch Totalreflexion das fortschreitende Strahlbündel immer auf den zentrischen Probenraum fokussiert.

Die Reflexionen an der Küvettenaußenwand sind verlustfreie Totalreflexionen. Die erfindungsgemäße Lichtleiterküvette ist, analog zu einer Ulbricht′schen Photometerkugel, jedoch in gestreckter Form, auf die ganze Länge Integrator über den gesamten Strahlungsfluß, d. h. der Lichtleitwert als Produkt von Apertur und Eintrittsquerschnitt bleibt unabhängig von der Länge konstant und ist um Größenordnungen höher als bei konventionellen Küvetten.

Neu zu definieren ist allerdings die wirksame photometrische Schichtlänge, die von den durchlaufenden Weglängen in der Probe und in der Wand und von der Eintrittsapertur abhängt.

Bei bekannter Apertur und Strahlungsverteilung über den Raumwinkel lädt sich die wirksame Schichtlänge für jedes spezielle Mikro-Küvettensystem berechnen. Untersuchungen des Anmelders haben jedoch ergeben, daß Minimalvolumina bei photometrischen Messungen in der Regel weitgehend falsch eingeschätzt werden. Die Gültigkeit der photometrischen Gesetze (Bouguer-Lambert-Beer usw.) setzt nämlich eine nicht beugungsbegrenzte geometrische Optik voraus, die jedoch bei den heutigen Mikro- und Submikromethoden, insbesondere bei dem hier beschriebenen Mikro-Küvettensystem unterschritten werden. Die Folge ist eine - fast immer unbemerkte - inhomogene Energieverteilung im Raum bzw. in der Ausbreitungsrichtung (bedingt durch Interferenz- und Beugungseffekte). Mit dem Mikro-Küvettensystem werden diese energetischen Unstetigkeiten durch die integrierende Wirkung des Lichtleiters ausgeglichen, so daß eine korrekte photometrische Messung möglich wird. Wegen der Komplexität der theoretischen Berechnung empfiehlt sich jedoch die Kalibrierung mit Standardsubstanzen. In der Praxis wird daher die wirksame Schichtlänge durch eine Vergleichsmessung mit einer Standardprobe ermittelt, welche die gleiche geometrische Anordnung und das gleiche Lösungsmittel enthält.

Die physikalischen und analytisch-methodischen Gewinne, welche sich durch die vorliegende Erfindung ergeben, liegen bei folgenden Schwerpunkten:

• 1. Der Lichtleitwert, d. h. die übertragbare optische Intensität und damit die photometrische Empfindlichkeit entsprechen der theoretisch möglichen Grenze, unabhängig von der Schichtlänge.
• 2. Die Küvette, die bis auf die Dimensionen einer Haarkapillaren schrumpfen kann, hat die geforderte ideale Konstanz des Querschnitts mit laminarer, übergangsfreier Strömung.
• 3. Eine Quarzkapillare kann auf diese Weise zugleich Trennsäule und Küvette sein. Dem Grenzvolumen ist dabei nach unten keine Grenze gesetzt.

Bei dem Mikro-Küvettensystem wird ein reflexionsarmer Übergang zwischen Probenflüssigkeit und Material des Küvettenrohres angestrebt.

Für einen Wellenlängenbereich der Strahlung von etwa 200 bis 1000 nm, der spektroskopisch besonders bedeutsam ist, empfiehlt sich die Verwendung eines Küvettenrohres aus Quarz.

Nicht ummantelte Quarzfasern, die als angrenzende Schicht Luft haben, lassen einen Aperturwinkel von 90° zu, d. h. eine Strahlenneigung gegen die Achse von bis zu 45°.

Die Verwendung nicht ummantelter, d. h. "nackter" Kapillaren als Küvetten ermöglicht eine einfache und billige Herstellung der erfindungsgemäßen Mikro-Küvettensysteme.

Bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Küvettensystems ist jedoch zu beachten, daß Verschmutzungen und Beschläge der die Totalreflexion bewirkenden Oberfläche, z. B. durch Kondenswasser, kondensierte Lösungsmittel usw., vermieden werden sollten, da diese den Wirkungsgrad der Energieübertragung beeinträchtigen. Die Übertragungsfähigkeit bricht jedoch erst zusammen, wenn die Dicke eines Beschlages etwa 0,5 bis 1 µm erreicht hat. Unter halbwegs normalen Laborbedingungen treten solche massiven Beschläge allerdings kaum auf und eventuelle derartige Störungen lassen sich leicht beheben, indem man die Lichtleiter, in einem Ultraschallbad reinigt.

Trotz dieser Einschränkungen stellen nach heutigem Verständnis nicht ummantelte Quarz-Lichtleiter ein bevorzugtes, optisch brauchbares Material dar, da in dem für die optische Analysentechnik wichtigen Spektralbereich UV, VIS, NIR von etwa 200 nm bis 3000 nm nur wenige Materialien durchgehend absorptionsfrei, isotrop und chemisch inert sind. Es gibt kein Glas, das den ganzen Spektralbereich überdeckt, vor allem gibt es für das kurzwellige UV keine geeigneten Gläser. Die hervorragend durchlässigen Fluoride (Lithium- Calcium-, Magnesium- und Barium-Fluorid) sind teilweise nicht isotrop (MgF₂), mechanisch ziemlich weich und lassen sich nicht immer zu Fasern verarbeiten. Außerdem sind sie nicht für alle Anwendungen ausreichend chemisch resistent. Von den Oxiden sind vor allem zwei im betrachteten Sinne hochinteressant: Al₂O₃ und eben SiO₂, also synthetischer Saphir und synthetischer Quarz. Beide sind hervorragend optisch durchlässig, chemisch inert und hoch temperaturbeständig. In den Brechungszahlen liegen sie indes weit auseinander. Quarz liegt im unteren, Saphir im oberen Grenzbereich der optischen Materialien.

Weil im Sinne einer möglichst einfachen Realisierung des Küvettensystems ein möglichst reflexionsarmer Übergang zwischen Flüssigkeit und Mantelmaterial angestrebt wird bei vorzugsweise gleichzeitiger Totalreflexion gegen Luft, ist Saphir mit seiner Brechungszahl von rund 1,8 weniger geeignet, während Quarz mit einer Brechungszahl von 1,458 sehr gut geeignet ist, da die Probenflüssigkeiten in der Regel in einem Brechzahlbereich von etwa 1,3 bis 1,5 liegen. (Kunststoffe kommen wegen ihrer strukturbedingten Absorptionsbanden weniger in Frage).

In der überwiegenden Mehrzahl der Anwendungsfälle sind Durchflußküvetten erforderlich, die im Idealfall ohne Querschnittsänderung laminar durchströmt werden sollten, wobei Fließrichtung und Strahlengang bei gestreckten Küvetten zusammenfallen. Bei konventionellen Küvetten ist der Strahlbüschelquerschnitt kleiner als der Strömungs­ querschnitt, eine Voraussetzung für die reflexionsfreie, d. h. fehlerlose Durchstrahlung. Diese systembedingte, unvollständige Volumenausnutzung macht die Zufluß- und Abflußkanäle konstruktiv einfach. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist dagegen der optische Strahlbüschelquerschnitt durchwegs größer als der Strömungsquerschnitt der Probe.

Bei einem Kegelkörper und einem Küvettenrohr aus Quarz beträgt der Winkel, den die Kegellängsachse mit dem Kegelmantel einschließt, etwa 15° bis 22,5°, vorzugsweise etwa 20° bis 22,5°, für eine optimale Energieübertragung.

Aus Gründen der Handhabbarkeit hat es sich ferner als günstig erwiesen, wenn der Anschluß des Küvettensystems an eine Lichtquelle und/oder an eine Meßeinrichtung mittels eines Aperturwandlers erfolgt, der jeweils aus einem koaxialen, kegelförmigen Lichtleiter oder Spiegel mit einer Lichteintritts- und einer Lichtaustrittsöffnung besteht, wobei die größere der Öffnungen jeweils dem Küvettenrohr zugekehrt ist. Derartige Aperturwandler sind in der DE 42 26 884 C1 des Inhabers beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Der Aperturwandler besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Küvettenrohr und gegebenenfalls der zur Ein- und/oder Auskopplung verwendete Kegelkörper, wobei die Lichteintrittsöffnung und die Lichtaustrittsöffnung des Aperturwandlers bevorzugt senkrecht zur optischen Achse verlaufende Querschnittsöffnungen sind. Der Aperturwandler wird zweckmäßigerweise derart eingesetzt, daß der jeweils kleineren Querschnittsöffnung des Aperturwandlers zumindest ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters vorgeschaltet ist, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler der kleineren Querschnittsöffnung entspricht, zur Ankopplung des Aperturwandlers an eine Lichtquelle oder Meßvorrichtung, wobei der Lichtleiter, zumindest zwischen seinen Endbereichen, in der Regel als vorzugsweise flexibles Lichtleitkabel ausgebildet ist. Die zumindest eine Lichtleitfaser des Lichtleiters besteht zweckmäßigerweise aus dem gleichen Material wie das Küvettenrohr und gegebenenfalls der Kegelkörper und/oder der Aperturwandler. Man erhält eine gute Ankopplung der Strahlung an das Küvettensystem, wenn die Austrittsapertur des Kegelkörpers größer ist als die Eintrittsapertur des Aperturwandlers, da hierdurch sichergestellt ist, daß die Strahlung das Küvettenrohr mit einem für die Totalreflexion ausreichenden Neigungswinkel eintritt.

Bei Verwendung von Quarz als Küvettenrohr, Kegel und Aperturwandler sowie gegebenenfalls als Lichtleiter beträgt zweckmäßigerweise der Winkel, den der Kegelmantel des Aperturwandlers zu seiner Mittelachse einschließt, etwa 13° und der Winkel, den der Kegelmantel des Kegels zu seiner Mittelachse einschließt, etwa 20° bis 22,5°. Gemäß einer bevorzugten Variante des Küvettensystems sind der Kegelkörper und der zugehörige Aperturwandler als vorzugsweise einstückiger Doppelkegel ausgebildet.

In der Frage des Strahlungsübergangs von Beleuchtungs- oder Transport-Lichtleitern auf Kapillar-(Küvetten-)Lichtleiter gleicher zulässiger Apertur, erscheint die Anwendung von Aperturwandlern mit Doppelkegeln vom Prinzip her zunächst überflüssig, da der Strahlengang auf reduzierte Apertur aufgeweitet und anschließend wieder zurückgenommen wird. Die Verwendung der Doppelkegel ist jedoch aus technischer Sicht sehr nützlich, da beide Lichtleiter, der zur Beleuchtung dienende und die Kapillare, in der Mikroanalyse Durchmesser von nur wenigen Zehntel-Millimetern aufweisen. Es ist technisch sehr aufwendig, in das Ende des Beleuchtungs- Lichtleiters die Nut einzuarbeiten, die den Übergang zur Kapillare schaffen soll. Bei Verwendung der Doppelkegel lädt sich dies technisch besser beherrschen. Noch deutlicher wird dieser Vorteil bei dem Übergang von einem Beleuchtungs- Lichtleiter mit niedriger Apertur, wie z. B. 26°, auf eine nicht ummantelte Quarz-Kapillare mit 44°-Apertur, wo man an die Faser mit einem Durchmesser von 0,6 mm noch einen Verjüngungskegel anschleifen und polieren und dazu noch mit einer Nut versehen müßte.

Derartige Übergänge sind jedoch, wie aus der obengenannten früheren Anmeldung "Spektroskopisches System" bekannt ist, bei hochgeöffneten Spektrometern, vorzugsweise Simultanspektrometern, notwendig, wo durch eine Kombination von Quarz-Lichtleitern mit entsprechenden Aperturwandlern eine optische Energieausnutzung möglich ist, die der theoretisch möglichen Grenze nahe kommt. Die dabei eingesetzten Lichtleiter haben einen Kern aus synthetischem geschmolzenem Quarz, der von einem dünnen Mantel umschlossen ist, dessen Brechungszahl bzw. Dispersion kleiner sein muß als bei Quarz. Da Quarz schon im unteren Bereich der Brechungszahlen und Dispersionen liegt (nur einige Fluoride liegen noch darunter), kommen nur ganz wenige Mantelmaterialien in Frage. Zur Zeit üblich sind ein spezieller Kunststoff, der aber chemisch und thermisch empfindlich ist, sowie die Dotierung der Quarzaußenwand mit vorwiegend Fluor in einem komplizierten Verfahren. Diese dotierten Quarzfasern verfügen über nutzbare Aperturwinkel von rund 26°, d. h. die zulässige Strahlneigung gegen die Achse beträgt rund 13°. Die Werte für die mit Kunststoff ummantelten Quarzfasern liegen nur geringfügig höher.

Da nicht ummantelte Quarzfasern, die also als angrenzende Schicht ein Gas, insbesondere Luft, haben, einen Aperturwinkel von knapp 90° zulassen, also eine Strahlneigung gegen die Achse von knapp 45°, müssen die Doppelkegel derart gestaltet sein, daß eine optimale Lichtübertragung erfolgt.

Dies bedeutet, daß die dem Lichtleiter zugekehrte Verjüngung des Doppelkegels dessen maximaler Apertur von 26° angepaßt ist, was einem Kegelwinkel zur Symmetrieachse von etwa 13° entspricht, während die der Kapillare zugekehrte Verjüngung des Doppelkegels dessen maximaler Apertur von knapp 45° angepaßt sein muß, was bei der vorzugsweise verwendeten schrägen Einkopplung mittels der Nut in der Außenfläche des entsprechenden Kegels einem Kegelwinkel zur Symmetrieachse von maximal 22,5° entspricht. Hierdurch wird sicher vermieden, daß die Küvettenwandung zu einem selbständigen Lichtleiter mit nur reduziertem Strahlungsübergang zum Küvetteninhalt wird, was sich bei einer Ankopplung mit gleich niedriger Apertur, wie sie im Beleuchtungs-Lichtleiter herrscht, ergeben würde.

Als zweckmäßig hat es sich ferner erwiesen, wenn zwischen Aperturwandler und Kegelkörper ein zylindrisches Teil vorgesehen ist, welches die Austrittsfläche des Aperturwandlers an die Eintrittsfläche des Kegelkörpers ankoppelt und das vorzugsweise aus dem gleichen Material besteht wie der Kegelkörper und der Aperturwandler.

Die Doppelkegel werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung im zylindrischen Teil vorzugsweise über punktuelle Anlageflächen gehaltert.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung des Küvettensystems sind zwei Kegelkörper derart beabstandet voneinander angeordnet, daß ihre Nuten miteinander fluchten und nach oben gekehrt sind und daß in den Nuten das Küvettenrohr liegt. Vorzugsweise ist dabei zumindest einer der Kegelkörper längs des Küvettenrohres verschiebbar gelagert zur Einstellung der optischen Weglänge und/oder des einer Absorptionsmessung zuzuführenden Längsstücks des Küvettenrohres. Diese Konstruktion gestaltet sich besonders praktisch, wenn zumindest einer der Doppelkegel oder wenn beide Doppelkegel verschiebbar gelagert sind.

Eine bevorzugte Verwendung des vorbeschriebenen Mikro- Küvettensystems wird in der HPLC gesehen. In der HPLC (High Pressure Liquid Chromatography bzw. High Performance Liquid Chromatography) ergibt sich nämlich durch die Erfindung eine völlig neue meßtechnische Möglichkeit. Weil die Kapillarküvette die Chromatographiesäule weder im Querschnitt noch funktionell unterbricht, können in einer längeren Säulenkolonne beliebig viele Meßstellen in Folge untergebracht werden, die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Das wird besonders interessant, wenn den verschiedenen Meßorten auch verschiedene optische Kriterien zugeordnet sind, wie im folgenden gezeigt wird.

Weil der Abstand zwischen den Koppelstellen frei gewählt werden kann, ist es problemlos möglich, das Meßgut in der Kapillare durch physikalische Größen zu beeinflussen, z. B. durch elektronische, magnetische oder hochfrequente Felder, durch UV-, Alpha-, Neutronen-, Röntgenbestrahlung usw. Wegen der Lichtleiteranschlüsse zum eigentlichen Meßgerät sind dabei nur einfache Teile kontaminationsgefährdet. Im Falle der UV-Bestrahlung ergibt sich ganz zwanglos die Fluoreszenzmessung. Wenn man in diesem Fall den auskoppelnden Aperturwandler aus geeignetem Glas herstellt, ist die Anregungsstrahlung für die nachfolgende Fluoreszenzstrahlungsmessung automatisch abgeblockt. Was für die Fluoreszenz gesagt wurde, gilt in gleicher Weise auch für Raman-Strahlungsmessungen. Dabei sei nochmals ausdrücklich festgestellt, daß auch im Falle dieser energiearmen optischen Effekte die erfindungsgemäße Anordnung das geometrische Optimum der Energieübertragung liefert, weil der spektrometrisch ausnutzbare Raumwinkel, also die Meßapertur, von der Küvettenapertur voll ausgefüllt wird. Das erfindungsgemäße Mikro-Küvettensystem hat somit für die optische Meßtechnik der Mikroanalytik eine universelle Bedeutung. Man kann erwarten, daß damit auch ein Fortschritt auf dem Gebiet der mikrochemischen Reaktionstechnik bzw. -ki­ netik erzielt werden wird. So ist es bekannt, die Innenwände von Glas-(Quarz-)Kapillaren chemisch zu aktivieren, wobei sehr spezifische Reaktionen nach der Befüllung ablaufen, die wegen der Kapillarkräfte von selbst erfolgt. Die Erfindung ermöglicht hier eine erheblich verbesserte Meßgenauigkeit.

Mit der Erfindung wird des weiteren die Möglichkeit für ein spektroskopisches System geschaffen, in welchem zumindest eine Probe mittels von einer Lichtquelle ausgehendem Licht beleuchtet und das von der Probe ausgehende Licht auf den Eintrittsspalt zumindest eines Spektrometers, insbesondere eines Simultanspektrometers, gebündelt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß im Objektraum zwischen der Lichtquelle bzw. deren Bild und dem Eintrittsspalt ein vorbeschriebenes Mikro-Küvettensystem vorgesehen ist.

Das spektroskopische System verwendet mit Vorteil als Beleuchtungsanordnung eine punktförmige oder quasi punktförmige Lichtquelle, die mittels eines asphärischen, vorzugsweise eines Ellipsoid-Spiegels, auf die Eintrittsöffnung eines zwischen Lichtquelle und Objekt angeordneten Aperturwandlers oder eines diesem vorgeschalteten Lichtleiters abgebildet ist. Zweckmäßigerweise wird als Spektrometer eine aus einem Beugungsgitter und einer Empfängereinheit bestehende Anordnung verwendet. Als Beugungsgitter dient mit Vorteil ein holographisches Konkavgitter und als Empfänger eine Photodiodenzelle. Es ist günstig, wenn der Spiegel der Beleuchtungseinrichtung und das Konkavgitter des Spektrometers die gleiche Apertur aufweisen.

Abschließend sei noch vermerkt, daß die Erfindung, die im Kern eine geometrisch-optische bzw. eine energetisch-optische Optimallösung darstellt, nicht nur auf Anwendungen mit hoher spektraler Auflösung in einem großen Spektralbereich begrenzt ist, sondern mit dem gleichen energetischen Gewinn im einfachen monochromatischen Betrieb einzusetzen ist.

Die beiliegenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels des Mikro- Küvettensystems als Durchflußküvette mit schräger Strahlungsankopplung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV des in Fig. 1 gezeigten Küvettensystems.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Mikro-Küvettensystems als Durchflußküvette, bei welchem mit Hilfe von Doppelkegeln eine An- und Auskopplung der Strahlung erfolgt.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch den linken Teil der Anordnung von Fig. 3, wobei hier die speziellen, für eine optimale Übertragung mit Quarzelementen geeigneten Kegelwinkel angegeben sind.

Fig. 5 zeigt eine Darstellung entsprechend dem linken Teil von Fig. 3 mit zusätzlichen Halterungen für den Doppelkegel.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt längs der Linie IIX-IIX von Fig. 5 zur Erläuterung der Konstruktion für die Halterung.

Fig. 7 zeigt eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung, bei welcher die Doppelkegel längs des Küvettenrohres zur Einstellung der optischen Weglänge verschiebbar sind.

Fig. 8 zeigt ein spektroskopisches System, bei welchem das erfindungsgemäße Mikro-Küvettensystem Verwendung findet.

Die Fig. 1 und 2 zeigen das Prinzip einer schrägen Einkopplung des Lichtes in ein kreiszylindrisches Küvettenrohr 1.

Hier ist ein Kegelkörper 10, der aus dem gleichen Material besteht wie das Küvettenrohr 1, also z. B. aus Quarz, entlang seines Kegelmantels mit einer teil- bzw. halbzylindrischen Nut 11 versehen, die den gleichen Radius aufweist wie der Außenmantel des Küvettenrohres 1 und in die sich das Küvettenrohr 1 exakt einfügt. Die kreiszylindrische Nut 11 kann über die gesamte Länge die gleiche Tiefe aufweisen, sie kann aber auch, von einem tangentialen Berührungspunkt ausgehend, zunehmend tiefer werden. Ein absorptionsfreies Immersionsmittel stellt den optischen Kontakt zwischen Kegelkörper 10 und Küvettenrohr 1 her. Durch die Schrägeinkopplung wird die theoretisch vorhandene Verlustrate durch Licht, das sich nur im absorptionsfreien Mantel als Lichtleiter fortpflanzt, prinzipiell ausgeschaltet. Der aufgesetzte Kegelkörper 10 wirkt als Aperturwandler und gestattet auf diese Weise eine optische Einkopplung mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad durch Anpassung des Kegelwinkels, wobei, wie der Strahlengang in Fig. 1 andeutet, eine effektiv größere Apertur der Beleuchtung erreicht wird mit der Folge, daß die Probenflüssigkeit 2 öfters durchlaufen und damit die wirksame Schichtlänge vergrößert wird. Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkung derartiger Aperturwandler ist in der DE 42 26 884 C1 beschrieben.

Die Verwendung derartiger Aperturwandler beruht auf der Erkenntnis, daß in der Spektralanalytik nur energetisch­ optische Fragestellungen zu lösen sind (Frequenz, Amplitude, Geschwindigkeit, Azimut und Achsenverhältnis der elektromagnetischen Strahlung), so daß alle Fragen nach der Bildlage, der Bildschärfe usw. zurückstehen können, und daß man sich daher auf die Forderung beschränken kann, das Licht bzw. die Strahlung so verlustarm wie möglich durch den Objektraum zu führen sowie mit geeigneten Mitteln die Strahlneigungen, als die Aperturen, der Meßmethode anzupassen. Da Brechungs- und Beugungseffekte dispersionsbehaftet, also nicht achromatisch sind, sind darauf beruhende Mittel ungeeignet. Als Mittel der Wahl verbleiben daher Reflexionsmittel, wobei man vorzugsweise von der Totalreflexion Gebrauch macht.

Der kegelartige Aperturwandler läßt sich auch als konsequente Reduzierung eines koaxialen Teleskops mit Innenwandreflexionen verstehen.

Der Aperturwandler kann in einfacher Weise an die bei vielen Ausführungsformen von photometrischen und spektroskopischen Systemen ohnehin zweckmäßigerweise verwendeten Lichtleiter angekoppelt werden. Wie leicht zu ersehen ist, verändert seine kegelartige Ausgestaltung die Apertur des durchfallenden Lichts immer in dem Sinn, daß am kleinen Querschnitt des Kegels die Apertur groß und am großen Querschnitt klein ist.

Der Aperturwandler ermöglicht es somit, daß man mit Lichtleitern verschiedener Aperturen beliebige photometrische Systeme in Absorption oder Emission aufbauen kann, deren Energieübertragungsgrad dem jeweils leistungsfähigsten optischen Spektrometersystem angepaßt ist.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Variante des Küvettensystems kann das Ausflußende des Küvettenrohres 1 offen gelassen sein, so daß die Probenflüssigkeit dort frei abtropft, wenn eine integrale Absorptionsmessung durchgeführt wird, wobei in diesem Falle am Auslaßende lediglich eine Photomultiplier- oder eine entsprechende Meßvorrichtung angeschlossen ist.

Aus der erwähnten früheren Anmeldung ist bekannt, daß die Wirkung der Aperturwandlung durch die Kombination von zylindrischen und konischen Lichtleitern reversibel und in der Wirkung variierbar ist. Man kann daher am Ausflußende des Küvettenrohres einen weiteren Kegelkörper entsprechend befestigen, der die Austrittsapertur verkleinert und beispielsweise an die Eingangsapertur eines Meßsystems oder eines Lichtleiters, welcher das austretende Licht einem Meßsystem zuführt, anpaßt.

Diese Konstruktion ist in den Zeichnungen jedoch nicht näher dargestellt.

Wenn man die Möglichkeiten der Aperturwandler konsequent ausnützt, dann gelangt man zu der in Fig. 3 dargestellten Konstruktion. Das Küvettenrohr 1 mit der durch dieselbe geleiteten Probenflüssigkeit 2 liegt hier in den angepaßten Nuten der Kegel 10 auf. Diese Kegel 10 gehen über kurze zylindrische Teile 12 in Gegenkegel 13 über, an deren Spitzen, wie in der vorgenannten älteren Anmeldung beschrieben, Lichtleiter 14 angeschlossen sind. Die Funktionselemente 10, 12, 13 sind jeweils in einem Stück als Doppelkegel 15 gefertigt, wobei die mechanische Halterung im optisch unkritischen zylindrischen Teil 12 erfolgen kann, wie im folgenden anhand der Fig. 5 und 6 noch näher ausgeführt wird.

Fig. 4 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel für die Ankopplung eines Quarz-Lichtleiters 14 an ein nicht ummanteltes Quarz-Küvettenrohr 1, da Quarz-Lichtleiter, wie erwähnt, für die Anwendungen der Spektroskopie im UV- und VIS-Spektralbereich besonders günstig sind. In Fig. 4 ist die Dimensionierung des aus Aperturwandler 13 und als Koppelglied wirkender Kegelkörper 10 kombinierten Doppelkegels 15 für eine praktische Anwendung in einem Spektralbereich von etwa 200 bis 1000 nm angegeben. Dieser Doppelkegel 15 mit zylindrischen Zwischenstück 12 stellt die Verbindung her zwischen dem dotierten Quarz-Lichtleiter 14 mit etwa 26° zulässiger Apertur und der "nackten" Quarzküvette 1 mit etwa 45° Apertur. Der Kegel 13 zum koaxialen Anschluß des Lichtleiters 14 hat den zulässigen gesamten Öffnungswinkel von 26°, also 13° Neigung des Kegelmantels gegen die Achse. Der küvettenseitige Kegel hat dagegen wegen der Asymmetrie der Einstrahlung einen gesamten Öffnungswinkel von 40° bis 45°, d. h. eine Neigung des Kegelmantels gegen die Achse von 20° bis 22,5°. Die exakten Werte werden durch die praktischen Anforderungen gegeben. Der zylindrische Teil 12 zwischen den beiden Kegeln erleichtert primär die Herstellung, er gestattet zugleich aber auch eine einfache und gut reproduzierbare Befestigung, wie sie in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist.

Der über die Nut 11 das Küvettenrohr 1 von unten zur Hälfte umschließende Doppelkegel 15, der an seinem, dem Küvettenrohr 1 abgekehrten Ende an dem Lichtleiter 14 angekoppelt ist, wird im Bereich des zylindrischen Teils 12 von zwei Klammern 16, 17 getragen, von denen jede über je drei annähernd punktuell gestaltete Anlageflächen 18, 19, 20 um je 120° gegeneinander versetzt an der Außenseite des Doppelkegels 15 elastisch anliegt. Die Klammern 16, 17 sind zangenförmig ausgebildet, wobei die eine Zangenbacke zwei der Anlageflächen 19, 20 und die andere Zangenbacke die dritte Anlagefläche 18 trägt. Die, bezogen auf die Drehachse 23, den Zangenbacken 21, 22 abgekehrten Betätigungsarme 24, 25 der Klammern werden durch eine Feder 26 auseinandergepreßt, so daß durch Überwindung der Federkraft die Klammern gelöst werden können. Die Klammern 16, 17 können an einem gemeinsamen Halter 27 befestigt sein.

Fig. 7 zeigt eine besonders interessante Ausgestaltung des Mikro-Küvettensystems. Da, wie schon erwähnt, die jeweils photometrisch optimale Schichtlänge, bedingt durch Konzentration und Extinktionskoeffizient, von der jeweiligen Meßaufgabe abhängt und die Küvette wegen der Schrägeinkopplung eine Kapillare beliebiger Länge sein kann, läßt sich die wirksame Schichtlänge einfach dadurch variieren und einstellen, daß man die beiden Doppelkegel 15 mit den Klammern 16, 17 und dem Halter 27 auf je einem Schlitten 28, 29 befestigt, der auf einer Schlittenführung 30 linear und reproduzierbar verschoben werden kann, z. B. durch eine nicht dargestellte Mikrometerschraube oder -spindel. Die Anordnung nach Fig. 7 eignet sich besonders für die Absorptionsspektroskopie an schwach absorbierenden Flüssigkeiten, weil die Schichtlänge beliebig verlängert werden kann. Als praktisches Beispiel sei genannt die direkte Nitratbestimmung in Wasser. Auch im Rahmen der HPLC (High Performance Liquid Chromatography) ermöglicht diese Anordnung völlig neue meßtechnische Dimensionen, wie dies bereits vorstehend erörtert wurde.

In Fig. 8 ist ein einfaches Anwendungsbeispiel des Mikro-Küvettensystems schematisch wiedergegeben. Eine Kontinuums-Lichtquelle 31 mit kleinem Leuchtfeld wird durch einen Ellipsoid-Spiegel 32 auf die Eintrittsfläche 33 eines Übertragungs-Lichtleiters 34 abgebildet. Dieser Lichtleiter 34 schließt an den Doppelkegel 15 als Aperturwandler und Koppler an und besorgt zugleich die Schrägeinkopplung der Strahlung in die Kapillarküvette 1. In einem durch die Meßaufgabe gegebenen Abstand folgt ein gleichartiger Doppelkegel 15 zur Auskopplung der Strahlung, die in streng analoger Weise über einen Lichtleiter 35 zum Spektrometer 36, als dem eigentlichen Meßteil der Anordnung, führt. Vorzugsweise ist die Apertur in Leuchte und Spektrometer gleich, mit dem derzeit höchsten erreichbaren Wert gewählt. Bezüglich der Einzelheiten der Leuchte und des Spektrometers, das z. B. ein Simultanspektrometer sein kann, wird ebenfalls auf die DE 42 26 884 C1 verwiesen.

Claims (16)

1. Mikro-Küvettensystem für die Absorptionsphotometrie, enthaltend ein zylindrisches Küvettenrohr mit einem Hohlkern zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit, die zumindest in einem Längsstück des Hohlkerns von einer Strahlung durchsetzt wird, deren Absorption anschließend gemessen wird, wobei das Küvettenrohr (1) und die Probenflüssigkeit (2) brechzahlmäßig so abgestimmt sind, daß sie für die Strahlung als Wellenleiter wirken, in welchem die Probenflüssigkeit (2) einen Kern und die Wandung des Küvettenrohres (1) einen Mantel bilden, wobei die Strahlung an der Außenwand des Küvettenrohres (1) eine mehrfache Totalreflexion erfährt, so daß die Probenflüssigkeit von der Strahlung mehrfach durchsetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schrägan- und/oder -aus­ kopplung der Strahlung an dem Küvettenrohr (1) ein spitzzulaufender Kegelkörper (10) angeordnet ist, der vorzugsweise aus dem gleichen Material besteht wie das Küvettenrohr (1), der auf seinem Kegelmantel eine Nut (11) aufweist, deren Krümmungsradius dem Außenradius des Küvettenrohres (1) entspricht, so daß das Küvettenrohr (1) sich exakt in die Nut (11) einfügt, wobei das Küvettenrohr (1), unter Zwischenschaltung eines absorptionsfreien Mittels in der Nut (11) derart gehaltert ist, daß im Falle der Strahlungsankopplung die Spitze des Kegelkörpers (10) in Richtung des Strahlungsdurchgangs und im Falle der Strahlungsauskopplung die Spitze des Kegelkörpers (10) entgegen der Richtung des Strahlungsdurchgangs weist und wobei der Winkel, den die Kegellängsachse mit dem Kegelmantel einschließt, kleiner oder gleich einem Viertel des maximalen Aperturwinkels des Wellenleiters ist.

2. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelkörper (10) kreiszylindrisch ausgebildet ist.

3. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kegelkörper (10) und einem Küvettenrohr (1) aus Quarz der Winkel, den die Kegellängsachse mit dem Kegelmantel einschließt, etwa 15° bis 22,5°, vorzugsweise etwa 22° bis 22,5°, beträgt.

4. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Küvettensystems an eine Lichtquelle und/oder an eine Meßeinrichtung mittels eines Aperturwandlers (13) erfolgt, der jeweils aus einem koaxialen, kegelförmigen Lichtleiter oder Spiegel mit einer Lichteintritts- und einer Lichtaustrittsöffnung besteht, wobei die größere der Öffnungen jeweils dem Küvettenrohr (1) zugekehrt ist.

5. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aperturwandler (13) aus dem gleichen Material besteht wie das Küvettenrohr (1) und gegebenenfalls der zur Ein- und/oder Auskopplung verwendete Kegelkörper (10), und/oder daß die Lichteintrittsöffnung und die Lichtaustrittsöffnung des Aperturwandlers (13) senkrecht zur optischen Achse des Aperturwandlers (13) verlaufende Querschnittsöffnungen sind.

6. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils kleineren Querschnittsöffnung des Aperturwandlers (13) zumindest ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters (14) vorgeschaltet ist, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler (13) der kleineren Querschnittsöffnung entspricht, zur Ankopplung des Aperturwandlers (13) an eine Lichtquelle oder eine Meßvorrichtung.

7. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsapertur des Kegels größer ist als die Eintrittsapertur des Aperturwandlers.

8. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Quarz als Küvettenrohr (1), Kegelkörper (10) und Aperturwandler (13) der Winkel, den der Kegelmantel des Aperturwandlers (13) zu seiner Mittelachse einschließt, etwa 13° und der Winkel, den der Kegelmantel des Kegelkörpers (10) zu seiner Mittelachse einschließt, etwa 20° bis 22,5° beträgt.

9. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelkörper (10) und der zugehörige Aperturwandler (13) als einstückiger Doppelkegel (15) ausgebildet ist.

10. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Aperturwandler (13) und Kegelkörper (10) ein zylindrisches Teil (12) angeordnet ist, welches die Austrittsfläche des Aperturwandlers (13) an die Eintrittsfläche des Kegelkörpers (10) ankoppelt.

11. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Doppelkegel (15) im zylindrischen Teil (12) vorzugsweise über punktuelle Anlageflächen (18, 19, 20) gehaltert ist.

12. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kegelkörper (10) derart beabstandet voneinander angeordnet sind, daß ihre Nuten (11) miteinander fluchten und daß in den Nuten das Küvettenrohr (1) liegt.

13. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Kegelkörper (10) längs des Küvettenrohres (1) verschiebbar ist, zur Einstellung der optischen Weglänge des Küvettenrohres (1).

14. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Doppelkegel (15) verschiebbar gelagert ist.

15. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Küvettenrohr (1) aus einem isotropen, im interessierenden Spektralbereich absorptionsfreien Material besteht.

16. Verwendung eines Mikro-Küvettensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in der Hochpräzisionsflüssigkeits­ chromatographie (HPLC High Performance Liquid Chromatography).