DE68927097T2

DE68927097T2 - Differentieller refraktometer

Info

Publication number: DE68927097T2
Application number: DE68927097T
Authority: DE
Inventors: Philip Wyatt
Original assignee: Wyatt Technology LLC
Current assignee: Wyatt Technology LLC
Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1989-05-25
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2009-05-26
Also published as: JPH03501773A; EP0389571B1; WO1990004165A1; EP0389571A4; US4952055A; US5305071A; DE68927097D1; EP0389571A1

Description

Das Differentialrefraktometer der vorliegenden Erfindung zielt auf ein Verfahren und eine Vorrichtung von erheblicher Nützlichkeit für die Bestimmung des Brechungsindex von Fluiden, welche gelöste Stoffe enthalten können, insbesondere, wenn solche Substanzen eine Veränderung des Brechungsindex des Fluides zur Folge haben. Eine derartige Instrumentierung findet im Chemiebereich der hochleistungsfähigen Flüssigkeitschromatographie als ein Konzentrationsüberwachungsgerät breite Anwendung.
Im folgenden soll der Begriff Licht elektromagnetische Strahlung bedeuten.
Der Begriff "Lichtbündel" oder "Strahl" soll ein sich in paralleler oder fast paralleler Richtung fortbewegendes Lichtstrahlenbündel beschreiben.
Der Begriff "Strahldurchmesser" einer einstrahlenden Lichtquelle mit einem Gauss'schen Intensitätsprofil, wie etwa ein Laser, soll sich auf den Durchmesser des Strahles beziehen, gemessen zwischen den Punkten, an denen die Intensität auf 1/e² der Intensität in der Strahlmitte gefallen ist.
Der Begriff "Vorwärtsstreurichtung" bezieht sich auf den Bereich von Streuwinkeln kleiner als 90º in bezug auf die Richtung des einfallenden Strahls.
Der Begriff "Rückwärtsstreurichtung" bezieht sich auf den Bereich von Streuwinkeln größer als 90º in bezug auf die Richtung des einfallenden Strahls.
Für planpolarisiertes Licht ist die senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes verlaufende Ebene mit "V-Ebene" bezeichnet und das planpolarisierte Licht ist in bezug auf die senkrechte Ebene vertikal polarisiert. Die korrespondierende H- Ebene ist senkrecht zu der V-Ebene und enthält das einfallende elektrische Feld der ebenen Welle.
Die Messung des Brechungsindex von Fluiden und insbesondere der Veränderungen der Brechungsindizes, wenn verschiedene Stoffe in verschiedenen Konzentrationen in den Fluiden gelöst sind, ist ein wichtiges Erfordernis für eine Vielzahl von physikalischen Bestimmungen. Beispielsweise benötigt die Bestimmung der Molekulargewichte von gelösten Molekülen durch Lichtstreutechniken die Messung von dn/dc für die gelösten Moleküle. Diese differentielle Größe stellt die Veränderung des Brechungsindex dn des Lösungsmittels dar, bei einer Änderung der Konzentration dc des aus den zu messenden Molekülen bestehenden gelösten Stoffes. Auf dem Gebiet der Flüssigkeitschromatographie wird die Konzentration von gelösten Molekülen, die durch entsprechende Säulen getrennt wurden, oftmals mit Hilfe eines Brechungsindexdetektors bestimmt. Solch ein Instrument reagiert auf die durch Veränderungen in der Konzentration des gelösten Stoffes verursachten Änderungen im Brechungsindex des Fluides. Diese Instrumente zur Erfassung des Brechungsindex ermöglichen somit die Aufzeichnung der Konzentration des gelösten Stoffes, eine wichtige Bestimmung für viele Formen der Flüssigkeitschromatographie. Ein anderes Anwendungsgebiet der Bestimmung des Brechungsindex bezieht sich auf die Messung des Zuckergehaltes von verschiedenen Fluiden. Die Instrumente führen diese letzteren Messungen basierend auf einer Bestimmung der Differenz von linken und rechten Brechungsindizes der Lösung aus, dessen Zuckergehalt zu bestimmen ist. Beispielsweise fertigt die schwedische Firma Tecator solch eine Einheit unter dem Markennamen Optilab. Diese Technik ist im Detail in dem US-Patent 4,229,105 von Silverbage beschrieben.
Eine Vielzahl von anderen Techniken zum Messen der Differenzen im Brechungsindex wurden im Verlauf der Jahre entwickelt. Einiger signifikanter Stand der Technik schließt das folgende ein:
Das US-Patent 4,660,974 von Machler et al. beschreibt die Bestimmung der spektralen Charakteristiken des Brechungsindex eines Fluides unter Bestrahlung mit weißem Licht und Analyse der resultierenden interferierenden Lichtstrahlkomponente. Das Patent enthält ebenfalls eine Anzahl von Referenzen auf andere interferometrische Methoden.
Das US-Patent 4,569,590 von Karny et al. beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung eines Moiré-Referenzmusters bezüglich einer eine Referenzflüssigkeit enthaltenen Zelle. Durch Veränderung des Fluides verändert sich das Muster, wobei die Veränderungen dazu verwendet werden, den Brechungsindex des veränderten Fluides zu bestimmen.
Das US-Patent 3,619,068 von Broerman beschreibt ein Refraktometer von besonderer Bedeutung für das Gebiet der Flüssigkeitschromatographie. Es besteht aus zwei sich überschneidenden Kanälen, von denen einer das Fluid aufnimmt, dessen Brechungsindex zu messen ist. Der zweite Kanal schneidet den ersten in einem Winkel ungleich 90º. An den Schnittpunkten sind die zwei Abschnitte des zweiten Kanals mit polierten transparenten Fenstern abgedichtet. Ein Abschnitt enthält eine Lichtquelle, der andere einen Lichtdetektor. Der Lichtdetektorarm ist mit optischen Stäben gefüllt, deren sich dem Fluid am nächsten befindende Stirnflächen derart orientiert sind, daß das durch das Fluid hindurchtretende Licht die Stäbe ungefähr im Grenzwinkel des Fluides trifft. Da sich der Brechungsindex des Fluides verändert, wird sich die den Detektor erreichende Lichtmenge verändern, wodurch die Bestimmung der Veränderung des Brechungsindex des Fluides ermöglicht wird.
Eine weitere Vorrichtung zum Erfassen einer Veränderung des Brechungsindex ist in der US-A-4,710,643 veröffentlicht, bei der die betrachtete Flüssigkeit zwischen zwei flachen Fenstern eingesperrt ist, durch welche Laserlicht zu einem Detektor geleitet wird. Außerdem ist eine weitere Vorrichtung in Analytical Chemistry, Volume 58, Nr. 2, 1986, Seiten 504-505 gezeigt, in der ein polarisierter Laserstrahl durch eine runde Kapillarröhre geleitet wird.
Entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung wird zur Verfügung gestellt ein Differentialrefraktometer zum Messen einer Brechungsindexänderung Δn eines Fluides, verursacht durch eine Änderung Δc in der Konzentration eines darin gelösten Stoffes, wobei das Refraktometer einen transparenten Körper aufweist, in welchem sich eine Kapillarröhre zur Aufnahme des Fluides erstreckt, und Mittel, welche derart angeordnet sind, daß ein Lichtstrahl so in den transparenten Körper geleitet wird, daß dieser in einem derart relativ zur Röhrenachse orientierten Winkel auf der Kapillarröhre auftrifft, daß der Lichtstrahl durch die Röhre hindurchtritt und dabei zweimal gebrochen wird, und Sensormittel, reagierend auf die Verschiebung des zweimal gebrochenen Strahls, verursacht durch eine Änderung Δc in der Konzentration, um ein einer solchen Verschiebung entsprechendes Signal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper eine gebogene Lichteintrittsfläche aufweist, auf der der Lichtstrahl senkrecht auftrifft, eine Ebene vorgesehen ist, welche den einfallenden Lichtstrahl, die Längsrichtung der Röhre und die Verschiebung des Lichtstrahls enthält, und Umwandlungsmittel vorgesehen sind, welche so ausgelegt sind, daß von der erfaßten Verschiebung eine Darstellung der Änderung im Brechungsindex Δn erhalten wird.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung wird zur Verfügung gestellt ein Verfahren zur Messung einer Brechungsindexänderung Δn eines Fluides, verursacht durch eine Änderung Δc in der Konzentration eines darin gelösten Stoffes, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung des ersten Aspekts verwendet wird, die Röhre mit dem Fluid gefüllt wird, und der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf der Körper/Fluid-Grenzfläche nahe am Grenzwinkel gewählt wird.
Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es, den Brechungsindex eines innerhalb einer Kapillarröhre stationären Fluides oder eines durch eine Kapillarröhre fließenden Fluides, wobei die Kapillarröhre von einem transparenten Medium umgeben ist, zu erfassen.
Ausführungsformen können ebenfalls ein Mittel zum Messen der Änderung des Brechungsindex eines Fluides im wesentlichen der gleichen physikalischen Position, an der die Lichtstreueigenschaften des Fluides gemessen werden, zur Verfügung stellen. Diese räumlich übereinstimmende Messung ist insbesondere auf dem Gebiet der Flüssigkeitschromatographie wichtig, insbesondere bei Anwendung auf die Technik zur Ausschließung der Größe oder die Gelpermeationschromatographie.
Ausführungsformen können ebenfalls die Durchführung der Erfassung der Konzentration von in dem Fluid gelösten Stoffen ermöglichen, da eine sich verändernde Konzentration eines gelösten Stoffes entsprechende Veränderungen im Brechungsindex der sich ergebenden Lösung verursacht. Derartige Veränderungen in der Konzentration können durch Umwandlung der Strahlablenkung in entsprechende Konzentrationsveränderungen quantifiziert werden.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar, wenn sie auf eine der in dem US- Patent 4,616,927 beschriebenen Lichtstreuzelle ähnlichen Zelle angewendet wird.
Dieses Patent, im nachfolgenden das "927"-Patent genannt, beschreibt einen wichtigen Typ einer Lichtstreuzelle, welche die Messung von Lichtstreueigenschaften von Lösungen bei minimaler Interferenz durch an den Zellgrenzflächen gestreutem Licht ermöglicht.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe umgesetzt wird, wird nun beispielhaft auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Fig. 1 das Brechungsgesetz für die Brechung und Reflektion des Lichtstrahls zeigt;
Fig. 2 die Struktur einer Standardzelle eines geteilten Prismas zeigt, welches dazu verwendet wird, den Brechungsindexunterschied zweier Fluide zu messen;
Fig. 3 die Brechungen des sich innerhalb eines transparenten Mediums bewegenden Stahls zeigt, welcher eine Flüssigkeitskapillare durchquert;
Fig. 4 ein Detail der für die Strahlabweichungen verantwortlichen Brechungen zeigt, welche durch positive und negative Brechungsindexzunahme des Fluides innerhalb einer Kapillare entstehen;
Fig. 5 eine Aufsicht des Weges der durch die Kapillare gebrochenen Strahlen durch die gekrümmte Oberfläche einer in dem "927"-Patent beschriebenen Brechungszelle zeigt;
Fig. 6 die Flüssigkeitskapillare als eine als mit Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl mit endlichem Durchmesser wirkende zylindrische Divergenzzelle zeigt;
Fig. 7 eine Brechungszelle des "927"-Patentes zeigt;
Fig. 8 eine sphärische Brechungszelle zeigt, welche einen Lichtstrahleinfall normal zu gekrümmten Oberflächen außerhalb einer Ebene erlaubt, welche einen Satz von Detektoren zur Messung von Streulicht für dasselbe beleuchtete Volumenelement enthält; und
Fig. 9 die Ergebnisse einer frühen experimentellen Messung zeigt, welche die Empfindlichkeit der vorliegenden Erfindung bestätigt.
Fig. 1 zeigt ein Schema der Brechung und Reflektion eines Lichtstrahls 1 in einem transparenten Medium mit Brechungsindex n&sub1;, welcher auf der ebenen Grenzfläche 4-4 in einem Winkel θ&sub1; auftrifft und in ein Medium mit Brechungsindex n&sub2; eintritt. Der Strahl 2 wird in einem Winkel θ&sub1; reflektiert und der Strahl 3 wird in einem Winkel θ&sub2; in ein Medium 2 gebrochen. Die Beziehung zwischen den Winkeln θ&sub1; und θ&sub2; ist durch das Brechungsgesetz
n&sub1; sin θ&sub1; = n&sub2; sin θ&sub2;. (1)
gegeben.
Das Brechungsgesetz wurde im 17. Jahrhundert von Huygens aus seiner Wellenbeschreibung des Lichtes abgeleitet und kann genauer direkt aus den Maxwellschen Gleichungen direkt abgeleitet werden. Die sich ergebenden Gleichungen der Brechung und Reflektion zwischen Medien, deren Brechungsindizes komplex sein können, werden oft als Fresnel-Gleichungen bezeichnet. Fig. 1 wurde für den Fall n&sub2; > n&sub1; gezeichnet. Für diesen Fall sei die Situation betrachtet, in der der Strahl 1 gerade die ebene Grenzfläche streift, d.h.
θ&sub1; = π/2. (2)
Gleichung (1) muß daher in
θ&sub2; = θc = sin&supmin;¹ (n&sub1;/n&sub2;). (3)
umgeschrieben werden.
Die so geschriebene Gleichung (3) definiert den Grenzwinkel θc, sogenannt, da die Umkehrung der Strahlrichtung von Strahl 3 einen Einfallswinkel auf die Ebene 4-4 vom Medium n&sub2; definiert, welcher den begrenzenden Winkel in diesem Medium darstellt. Jeder von dem Medium n&sub2; in einem Winkel größer als θc auf die Grenzfläche 4-4 fallende Strahl wird perfekt reflektiert und es wird keine Energie in das Medium n&sub1; hineingebrochen. Es heißt, daß im Grenzwinkel zwischen den Medien eine Oberflächenwelle gestartet wird und diese im Medium n&sub1; exponentiell abgeschwächt wird. Es wurde gezeigt, daß diese Oberflächen- oder abgeschwächten Wellen höchst interessante Eigenschaften aufweisen und für eine Vielzahl von Vorrichtungen und Erfindungen im allgemeinen Gebrauch von Wichtigkeit sind. Ein Buch von N.J. Harrick über "Internal Reflection Spectroscopy" oder sein Artikel in Band 17 von Applied Spectroscopy (1987) sollten für weitere Erklärungen und interessante Anwendungen hinzugezogen werden.
Fig. 2 zeigt die Struktur einer konventionellen Vorrichtung mit geteiltem Prisma, um die Differenz der Brechungsindizes freier, in den dreiecksförmigen Regionen 5 bzw. 6 enthaltener Flüssigkeiten zu messen. Der einfallende Strahl 1 tritt durch das Medium 5 hindurch, trifft bei 8 auf die Grenzfläche und wird in das Medium 6 gebrochen. Der gebrochene Strahl verläßt das Medium 6 bei 9, wo er verschoben und parallel zu dem nicht abgelenkten Strahl 7 erscheint. Für kleine Brechungsindexdifferenzen zwischen den Flüssigkeiten kann gezeigt werden, daß
d = L(n&sub1;-n&sub2;)/(2n&sub1;) (4)
wobei L die Breite der quadratischen Struktur ist. Merke, daß die Verschiebung d direkt proportional zur Differenz der Brechungsindizes der Lösungen ist.
Mit dieser Einleitung werden die Details meiner Erfindung für den Fachmann klar verständlich sein. Fig. 3 zeigt die Brechung eines Lichtstrahls, welcher durch eine eine Flüssigkeit enthaltene Kapillarröhre hindurchtritt. Der Strahl 1 hat seinen Ursprung im transparenten Medium 10, trifft am Punkt 12 auf eine Kapillarröhre 11 auf, wird mit der Differenz der Brechungsindizes zwischen dem Medium 10 und der Flüssigkeit 11 gebrochen, trifft auf die gegenüberliegende Seite der Kapillare auf und wird wiederum gebrochen, wenn der Strahl 3 bei 13 wiederum in das Medium 10 eintritt. Der Weg des ungestörten Strahls 14 ist durch die gestrichelte Linie angedeutet. Die Ablenkung d des gebrochenen Strahls bezüglich des ungestörten Strahls ist ebenfalls gezeigt. Die Geometrie dieser Figur entspricht allen Strahlen und Kapillaren, welche in derselben Ebene liegen. Wenn der Brechungsindex von 11 derselbe wäre, wie der des umgebenden transparenten Mediums 10, würde der Strahl 3 ungestört sein und den ungestörten Strahl 14 überlagern.
Es sei nun der weitere Fall analysiert, bei dem die Flüssigkeit einen kleineren Brechungsindex aufweist, als das umgebende Medium. Zur Vereinfachung der Diskussion sei das transparente Medium Glas und die Flüssigkeit ein transparentes Fluid, etwa Wasser oder Toluol oder Tetrahydrofuran oder andere sogenannte mobile Phasen, welche bei Formen der Flüssigkeitschromatographie verwendet werden. Alternativ werden diese Flüssigkeiten gebräuchlicher Lösungsmittel genannt. Diese Glas/mobile Phase-Zweiteilung dient nur illustrativen Zwecken. Es gibt viele andere transparente Festkörper und Flüssigkeiten, für welche die Erfindung ebenso funktioniert. Für die folgende Diskussion und Erklärung sei angenommen, daß
ng > ns (5),
wobei ng der Brechungsindex des Glases und ns der Brechungsindex des Lösungsmittels ist. Die Richtung der Verschiebung d der Fig. 3 ist charakteristisch für die Relation der Gleichung (5). Da der Brechungsindex der Flüssigkeit (Lösungsmittel) aufgrund der angestiegenden Konzentration von gelösten Stoffen ansteigt, wird die Verschiebung des gebrochenen Strahls 3 abnehmen und der gebrochene Strahl wird sich - wenn sich ns ng annähert - der Co-Linearität mit dem ungestörten Strahl annähern. Da die Kapillarröhre charakteristischerweise von endlicher Länge sein wird, ist es wichtig, den Einfallswinkel so zu wählen, daß die Strahlverschiebung nicht so groß ist, daß der Strahl vollständig entfernt wird, oder so, daß er die Enden der Kapillare oder die aufnehmende Struktur streift. Ist beispielsweise der Einfallswinkel vom Glas her der Grenzwinkel gemäß Gleichung (3), dann gibt es auf keinen Fall einen durch die Kapillare hindurchtretenden Strahl.
Die Fig. 4 zeigt die Brechungen und die Verschiebung des Strahls 1, wie er durch die Kapillare 11 hindurchtritt, beginnend und endend im Glas 10. Die Kapillarröhre weist in der alle Strahlen enthaltenden Ebene den Durchmesser 2r auf. Der einfallende Strahl 1 bildet einen Winkel θ' zur Kapillarachse. Für diese Geometrie ist der herkömmliche Einfallswinkel gleich π/2-θ'. Der ungestörte Strahl würde als Strahl 14 auftreten, Strahl 3 korrespondiert mit dem durch das reine Lösungsmittel verschobenen Strahl und Strahl 15, verschoben um die Strecke Δ gegenüber dem Strahl 3 in Richtung 14, ist der mit den Veränderungen, die aufgrund eines in dem Lösungsmittel gelösten und eine Veränderung Δn des Brechungsindex verursachenden Stoffes auftreten, korrespondierende Strahl.
Die verschiedenen Entfernungen rechts von der Senkrechten durch den Einfallspunkt 12 sind in der Fig. 3 bezeichnet. Durch Kombination dieser Ergebnisse kann die quer zum Strahl 3 verlaufende Verschiebung Δ einfach in der Form
Δ = 2r(cotθ&sub2; - cotθ&sub1;)sinθ'. (6)
ausgedrückt werden.
Die Winkel θ' und θ&sub1; stehen durch das Brechungsgesetz
ng sin(π/2-θ') = ns sin(π/2-θ&sub2;) (7)
oder
ng cosθ' ns cosθ&sub2;. (8)
in Beziehung zueinander.
Weiterhin ist
cotθ&sub2; = cosθ&sub2;/(1-cos² θ&sub2;)1/2 = (ng/ns) cotθ'/[1 - (ng/ns)² cos²θ']1/2 (9)
und auf ähnliche Art und Weise
Bei gegebenen θ', ng, Δn und ns kann die Gleichung (6) ohne weiteres gelöst werden. Darüber hinaus ist
θ' > cos&supmin;¹ (ns/ng), (11)
da die rechte Seite der Gleichung (11) π/2-θc entspricht, wobei θc der Grenzwinkel der Gleichung (3) ist. Wenn θ' kleiner oder gleich cos&supmin;¹ (ns/ng) ist, tritt kein Strahl in die Kapillare 11 ein.
Im Grenzfall
kann Gleichung (6) in der aproximierten Form
geschrieben werden, bei der
= ng/ns (14)
Merke, daß Gleichung (13) eine lineare Verschiebung Δ mit einer linearen Brechungsindexänderung Δn bestätigt, da θ', r, und ns feste Größen sind. Wenn Δn sehr viel größer ist als 10&supmin;&sup4; und θ' maximal 1º um den Grenzwinkel liegt, benötigt diese lineare Änderung Korrekturen zweiter Ordnung.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch die Zylinderzelle 10 des "927"-Patentes. Die Kapillare 11 ist entlang eines Zylinderdurchmessers gebohrt und poliert. Bei herkömmlicher Konfiguration strahlt die Lichtquelle von 16 her durch die Kapillarflüssig keit hindurch und tritt bei 17 aus. Streulichtdetektoren sind kreisförmig um den Zylinder herum angeordnet und liegen in der Ebene der Kapillare. Diese Detektoren zeigen in Richtung der Mitte der Kapillare und ihre Stirnflächen sind nahestmöglich parallel zur gekrümmten Oberfläche des Zylinders angeordnet. Details sind in dem "927"-Patent dargestellt. Zum Zwecke der vorliegenden Refraktometer-Erfindung zeigt eine zweite, in der Ebene der Detektoren, ansonsten oberhalb oder unterhalb einer solchen Ebene, liegende Lichtquelle 18 in Richtung der Mitte der Kapillare, durch welche das Licht es hindurchtreten würde, wenn es nicht von der Flüssigkeit innerhalb der Kapillare 11 gebrochen werden würde. Der Weg eines ungestörten Strahls ist mit 14 bezeichnet, während das Fluid den Strahl von dort in die Flüssigkeit bei 13 verschoben hat. Wenn der Brechungsindex des Fluides innerhalb der Glaskapillare ansteigt, wird der gebrochene Strahl bei 15 austreten und sich in Richtung bis zur Übereinstimmung mit 14 bewegen.
Wir werden nun die Gleichungen (6) und (10) für Winkel analysieren, die die Gleichung (11) erfüllen. Beispielsweise sei ng = 1,61655 und ns = 1,3333. Hier ist ng der Brechungsindex von Hoya F2-Glas bei einer Wellenlänge von 632.8 nm. Derartiges Glas wird vielfach sowohl in optischen Fasern als auch in der Brechungszelle meiner parallelen Erfindung "927" verwendet. F2-Glas wird unter anderem normalerweise von Schott und den Hoya-Glasfirmen hergestellt. Der Brechungsindex ns des Lösungsmittels sei der von Wasser, einem/einer herkömmlichen Lösungsmittel/mobilen Phase in der Flüssigkeits-Chromatografie und die einfallende Wellenlänge sei 632.8 nm. Dies ist die Wellenlänge des sehr gebräuchlichen He-Ne-Lasers. Für das genannte Glas und die genannte Flüssigkeit muß der einfallende Strahl die Kapillare in einem Winkel θ' größer als
cos&supmin;¹(1,333/1,61655) = 34,4º (15)
treffen.
Zum Zwecke der nachfolgenden Berechnung betrage der Durchmesser 2d der Kapillare 1,5 mm, eine übliche Messung der oben genannten Brechungszelle.
Die Tabelle 1 zeigt die Verschiebung für den gebrochenen Strahl 3 der Fig. 4 gegenüber dem ungestörten Strahl 14 für die zuvor erwähnten Werte von ng und ns in Millimeter. Ebenfalls aufgeführt sind die berechneten Transmissionsfaktoren für den Strahl 3 für vertikale und horizontale Polarisation des einfallenden Strahls. Vertikal polarisiertes Licht entspricht linearpolarisiertem Licht, bei welchem das elektrische Feld senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist. Horizontal polarisiertes Licht entspricht linear polarisiertem Licht, dessen elektrisches Feld in der Zeichenebene liegt. Das durch die Kapillarröhre in das Glas entlang Strahl 3 transmittierte Licht weist einen Transmissionsfaktor T auf, welcher, wie z.B. in dem Buch "Light" von C.W. Ditchburn gezeigt, aus den Fresnel-Gleichungen abgeleitet werden kann. An jeder Glas-/Flüssigkeits-Grenzfläche tritt ein reflektierter Teil R der eingestrahlten Energie auf. Das durch die Kapillare transmittierte Licht ist daher
T = (1-R). (16)
Das Reflektionsvermögen R im Falle von horizontal polarisiertem Licht (das elektrische Feld liegt in der Ebene der Kapillarröhrenachse) beträgt
RH = tan²(θ'-θ&sub1;)/tan²(θ'+θ&sub1;). (17)
Für vertikal polarisiertes, einfallendes Licht (das elektrische Feld ist senkrecht zur Kapillarröhrenachse polarisiert)
Rv = sin²(θ'-θ&sub1;)/sin²(θ'+θ&sub1;). (18) TABELLE 1 Strahlverschiebung in mm für eine wassergefüllte Kapillarröhre in F2-Glas.
Merke, daß je näher der einfallende Strahl 1 dem Grenzwinkel von 34,4º ist, je größer ist die Verschiebung und je kleiner ist der transmittierte Teil für jede Polarisation.
Als nächstes sei der Effekt einer Brechungsindexänderung von 0,0005 in der Kapillarflüssigkeit betrachtet, d.h. der Brechungsindex der Flüssigkeit soll auf 1,3338 ansteigen. Dies ist eine Änderung, welche bei einer Maximalkonzentration von 5 mg/ml bei einem die Größe ausschließenden chromatografischen Experiment auftreten kann. Die Nützlichkeit eines Differentialrefraktometers steht in direkter Beziehung zu seiner Fähigkeit derartige Veränderungen im Brechungsindex erfassen zu können. Die folgenden Berechnungen der Tabelle 2 schließen eine weitere Spalte ein, nämlich die Änderung Δ der Verschiebung bezüglich der Position der Verschiebung für reines Wasser. TABELLE 2 Strahlverschiebung und Änderungen Δ (in mm) der Verschiebung, verursacht durch einen Anstieg von 0,0005 des Brechungsindex des Lösungsmittels (Wasser) in der Kapillare im F2-Röhrenglas
Erneut treten die stärksten Effekte in der Nähe des Grenzwinkels auf.
Es sei nun ein zweites Beispiel betrachtet, bei dem anstelle von F2-Glas Schott K5-Glas gewählt ist, dessen Brechungsindex bei 632,8 nm 1,52064 beträgt. Der Grenzwinkel (bezüglich der Kapillarachse gemessen) beträgt gemäß Gleichung (11) nunmehr 28,74º. Tabelle 3 zeigt die Verschiebung in mm des gebrochenen Strahls 3 der Fig. 4 gegenüber dem ungestörten Strahl 14 im Falle von Wasser in der K5-Zelle. TABELLE 3 Strahlverschiebung in mm für eine wassergefüllte Kapillarröhre in K5-Glas.
Die Einführung einer Brechungsindexänderung von 0,0005 führt nun zu den in Tabelle 4 gezeigten Werten: TABELLE 4 Strahlverschiebung und Änderungen (in mm) Δ der Verschiebung, verursacht durch einen Anstieg von 0,0005 des Brechungsindex des Lösungsmittels (Wasser) in der Kapillarröhre in K5-Glas.
Als letztes Beispiel sei - in F2-Glas - das Lösungsmittel Toluol betrachtet, dessen Brechungsindex etwa 1,49 beträgt. Der Grenzwinkel aus Gleichung (3) beträgt nunmehr 22,82º. Die Tabellen 5 und 6 stellen die entsprechenden Daten dar. TABELLE 5 Strahlverschiebung in mm für eine Toluol-gefüllte Kapillarröhre in F2-Glas. TABELLE 6 Strahlverschiebung und Veränderungen Δ (in mm) der Verschiebung, verursacht durch einen Anstieg von 0,0005 des Brechungsindex des Lösungsmittels (Toluol) in der Kapillarröhre in F2-Glas.
Die Messung der Veränderung Δ der Verschiebung kann relativ einfach erhalten werden. Bei Verwendung einer Split-Fotodiode, beispielsweise vom von United Detector Technology hergestellten Typ, können Änderungen kleiner als 0,1 Mikrometer erfaßt werden. Solch eine Brechungsverschiebung würde einer Änderung der Konzentration im Bereich von 10&supmin;&sup4; ng/ml entsprechen. Bezüglich der vorgestellten Beispiele sei folgendes festgehalten:
1) Die größten Änderungen der Verschiebung treten bei Lichteinfallswinkeln in der Nähe des Grenzwinkels auf. Die Änderung der Verschiebung wird relativ schnell kleiner, wenn sich der einfallende Strahl von diesem Grenzwinkel wegbewegt.
2) Die Änderung der Verschiebung steigt mit ansteigender Differenz des Glas/Flüssigkeitsbrechungsindex an.
3) Die Änderung der Transmission dT/dθ' nimmt sowohl für V- als auch für H-Einfallspolarisationen ab, wenn der Brechungsindex der Flüssigkeit zunimmt.
Merke, daß ein schmaler Lichtstrahl mit endlicher Querschnittsfläche X, welcher durch eine Kapillarröhre mit kreisförmigem Querschnitt hindurchtritt, nach Austritt aus der Kapillarstruktur der Fig. 5 einen "flaired" rechteckförmigen, transversal zur Brechungsebene verlaufenden, gebrochenen Strahl erzeugen wird. Die Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht eines endlichen Strahls mit dem Durchmesser X, welcher durch eine Kapillare hindurchtritt, dessen Brechungsindex kleiner ist, als der des umgebenden Mediums. Da der Brechungsindex der Kapillare kleiner ist als der von Glas, wirkt die Kapillare als eine negative zylindrische Linse. Ein Split-Photodiodendetektor würde bevorzugterweise mit seiner Stirnfläche nahezu senkrecht zum auftretenden Strahl und mit seiner Teilungsachse entlang der "flair"-Richtung angeordnet.
Die Fig. 7 ist eine Zeichnung der zylindrischen Brechungszelle und der in dem "927"-Patent beschriebenen Vielzweckstruktur. Die zylindrische Glaszelle 10 weist eine feine Kapillarröhre 11 auf, an deren Enden jeweils ein Einlaß- bzw. Auslaßverteiler 16 und 17 angebracht ist. Die Flüssigkeitsprobe wird bei 18 eingebracht, in die Zelle gepumpt und verläßt die Zelle bei 19. An jedem Verteiler ist ein Laserstrahleingangs- oder Ausgangsfenster 20 bzw. 21 angesetzt. Die für Streuexperimente verwendete, von 22 her einstrahlende Laserquelle erzeugt einen bei 20 eintretenden Strahl, welcher entlang der Achse der Kapillare 11 läuft und durch das Fenster 21 austritt. Eine Reihe von Detektoren (nicht gezeigt) liegt kreisförmig um die Zylinderzelle in einer Ebene parallel zu den Zylinderenden und koplanar mit der Kapillarröhre 11.
Die tatsächliche Form der transparenten Region, durch welche die Kapillare hindurchtritt kann verschiedene Formen aufweisen, wobei jede Form auf der Basis der Geometrie und Funktion der Region, in welcher das Differentialrefraktometer anzuordnen, ausgewählt ist. Beispielsweise würde bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Glasregion die Form der Brechungszelle aufweisen, welche in dem zuvor erwähnten "927"-Patent von Philiips et al. offenbart und schematisch und im Querschnitt in der Fig. 5 gezeigt ist. Solch eine Anordnung des einfallenden Lichtstrahls bezüglich der Kapillarachse könnte jedoch entsprechend gut durch Positionierung der Quelle 18 oberhalb der Streudetektionsebene 23 durch Verwendung einer sphärischen Glaszelle 24 auf die in Fig. 8, der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, angedeuteten Weise erzielt werden. Hier fällt der Lichtstrahl 18 auf die Oberfläche bei 28 ein, tritt durch die Kapillare 11 hindurch, wird durch diese wie zuvor beschrieben gebrochen und tritt dann durch die gegenüberliegende Oberfläche bei 26 aus, um bei 27 detektiert zu werden. Merke, daß der Positionserfassungsdetektor 27 und die einstrahlende Lichtquelle 18 außerhalb der herkömmlichen Detektionsebene 23 des zuvor erwähnten "927"-Patentes liegen.
Die Refraktometerlichtquelle 18 sollte mit einer zweiten Lichtquelle 22 kontrastiert werden, dessen Strahl parallel durch die Kapillare 11 hindurchtritt und von der dort eingeführten Lösung gestreut wird. Während die Lichtquelle 22 und die Kapillare 11 in der Streulichtdetektorebene 23 liegen, liegen die Refraktometerlichtquelle 18 und der entsprechende Positionserfassungsdetektor 27 im allgemeinen in einer anderen Ebene, welche auch die Kapillarachse 11 enthält.
Obwohl die bevorzugte und gebräuchlichste Ausführung der Kapillare einen zylindrischen Querschnitt aufweist, können andere Formen mit gleichem Vorteil genutzt werden. Der Querschnitt kann beispielsweise rechtwinklig sein, gebildet durch Kombination planarer, polierter, transparenter Elemente, um eine Kapillaröffnung mit rechteckigem Querschnitt zu erhalten, durch welche das Fluid fließen oder in welcher das Fluid angeordnet werden kann. Rechteckige Boxen können einfach durch Ultraschallbearbeitung gebohrt werden, wie sie etwa von denen von Bullen Ultrasonics, Ohio, hergestellten Maschinen erbracht wird. Darüber hinaus braucht die Kapillare nicht gerade zu sein, da eine etwas gebogene Kapillare, dessen Biegeradius im Vergleich zu ihren transversalen Abmessungen groß ist, für bestimmte Typen von Geometrien nützlich sein kann.
Nachdem ich die Elemente meiner Erfindung zusammen mit einigen Beispielen von Glaskapillarenstrukturen, welche darin verwendet werden können, beschrieben habe, diskutiere ich nun im weiteren einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Fähigkeit, die Brechungsindexänderung eines Fluides zu bestimmen, in welchem ein zu lösender Stoff gelöst wurde, benötigt die folgenden Elemente:
A) Ein parallel ausgerichteter Lichtstrahl, in bezug auf die das Fluid enthaltene Kapillarröhre 11 in einem Winkel orientiert, welcher etwas kleiner ist als der Grenzwinkel, welcher durch die durch Gleichung (11) gegebenen Brechungsindizes des beschickten, transparenten Mediums (höherer Brechungsindex) und des von dem gelösten Stoff freien Fluides (niedrigerer Brechungsindex) definiert ist. Bevorzugterweise ist der beleuchtende Lichtstrahl ein unpolarisierter oder polarisierter Laser. Die einfallende Polarisation kann eine lineare oder eine zirkulare oder eine Kombination derselben sein;
B) Befestigungsmittel, wodurch der Lichtstrahl gemäß A bezüglich denselben positioniert und an denselben fest angebracht werden kann;
C) eine transparente Brechungszelle, welche eine fein polierte Kapillarröhre enthält, welche wiederum das Fluid enthält; und
D) Positionserfassungsmittel, wodurch die Verschiebung des gebrochenen transmittierten Strahls, verursacht durch eine Brechungsindexänderung des Fluides, detektiert und quantifiziert werden kann.
Es ist wichtig festzustellen, daß, wenn der gelöste Stoff ein negatives Brechungsindexinkrement dn/dc gegenüber der Konzentration aufweist, der Einfallswinkel des einfallenden Strahls vorzugsweise kleiner sein wird als dann, wenn dn/dc positiv ist. Dies wird verhindern, daß sich der gebrochene Strahl dem Grenzwinkel zu sehr nähert und jegliche Lichtbrechung verhindert. Bei dem zuvor beschriebenen Broerman-Gerät kann diese Art der Anpassung nicht ausgeführt werden. Darüber hinaus zielt das Broerman-Gerät darauf Intensitätsdifferenzen zu erfassen, während das vorliegende Gerät sowohl Verschiebungs- als auch Intensitätsänderungen, mit dem größten Gewicht auf ersterem, erfaßt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung würde die Brechungszelle die in dem "927"-Patent beanspruchte sphärische Form aufweisen. Die Lichtquelle würde ein feiner, normal zur sphärischen Stirnfläche orientierter Laserstrahl sein und die fluidtragende Kapillarröhre in einem Winkel (gemessen in bezug auf die normale auf die Kapillarröhrenachse) treffen, welcher etwas kleiner ist als der durch Gleichung (3) definierte Grenzwinkel. Nach der Brechung durch die Kapillarröhre in der in Fig. 4 gezeigten Weise und nach dem Austritt durch die gegenüberliegende Fläche der Kugel, wie in Fig. 8 detailliert gezeigt, ist der Strahl zentral auf ein Positionserfassungselement 27 ausgerichtet. Die Referenzposition des Strahls bezüglich des Erfassungselementes korrespondiert bevorzugterweise mit der ausschließlich durch das reine Lösungsmittel verursachten gebrochenen Position 3 der Fig. 4. Jede Änderung des Brechungsindex des Lösungsmittels würde eine Verschiebung des Strahls 15 von der Referenzposition 3 verursachen, welche wiederum eine Änderung des Ausgangssignals des Positionserfassungsgerätes, wie bei 27 in Fig. 8 gezeigt, verursachen würde.
Das Ausgangssignal könnte auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Beispielsweise mit einer Split-Fotodiode des zuvor beschriebenen Typs, wobei jede Hälfte der Fotodiode verschiedenen Stärken des einfallenden Lichtflusses ausgesetzt sein würde, verursacht durch Änderungen in der Zentrierung des Strahls sowie durch Intensitätsänderungen transversal zum Strahl, verursacht durch verschiedene spezifische Durchlässigkeiten der gebrochenen Elemente des Strahls aufgrund seines endlichen Querschnittes und der korrespondierenden leichten Unterschiede der Einfallswinkel. Ein typisches Ausgangssignal würde durch die Differenz der beiden korrespondierenden Ausgangsströme oder -spannungen erzeugt werden. Da für erhöhte Präzision Lichtquellen mit erheblicher Kurzzeitstabilität benötigt werden, könnte das Differenzsignal auf die auf die Struktur einfallende Lichtenergie bezogen werden. Die einfallende Lichtenergie kann von einem auf eine andere Fotodiode einfallenden Referenzstrahl erhalten werden. Beispielsweise läßt sich dieses Licht auf einfache Art und Weise durch den schlichtesten Fotodetektor erfassen, welcher auf der Rückseite des Lasers angebracht ist, da viele Laser eine kleine Menge Lichtenergie durch ihren rückwärtigen Laserspiegel verlieren. Da die Laserausgangsleistung variiert, so würde dies auch die rückwärtige Strahlleistung. Alternativ könnte die einfallende Referenzleistung bezüglich eines Strahlteilers am emittierenden vorderen Ende des Lasers erfaßt werden. Derartige Erfassungssysteme wurden in erheblichem Maße im Detail in der parallel anhängigen Anmeldung beschrieben, auf die zuvor in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde. Ein anderer Typ einer Vorrichtung mit zwei Ausgängen ist eine kontinuierliche Fotodiodenstruktur, hergestellt von der Silicon Detector Corporation. Dieses Gerät erzeugt ein Ausgangssignal an jedem seiner Enden proportional zur Entfernung des Strahls von der Mitte des Gerätes.
Merke, daß die differenzielle Antwort des Positionssensors sowie des Lichtstrahlmonitors für den praktischen Gebrauch in eine numerische oder analoge Darstellung umgewandelt werden sollte. Ein bevorzugtes Ausgangssignal des Instrumentes würde daher eine numerische Darstellung der Veränderung des Brechungsindex des Lösungsmittels relativ zu einem zuvor gemessenen oder gespeicherten Referenzwert sein. Die genauesten, derart dargestellten Werte würden intern oder durch externe Computermittel generiert, um einen Wert dn proportional zum Verhältnis des differenziellen Detektorausgangs und der einfallenden Lichtstrahlintensität zu erhalten. Da die Gleichung (6) eine Proportionalität suggeriert, welche im allgemeinen nicht derart linear, wie in Gleichung (13) gezeigt, sein wird, kann der Proportionalitätsfaktor als eine Funktion von Δ in mit dem Instrument verbundenen Computermitteln als spätere Referenz gespeichert werden, kann durch Mittel einer Kalibrationsprozedur erzeugt und gespeichert werden und/oder kann durch externe Computermittel erzeugt werden. Wenn die Einheit On-line verwendet werden soll, beispielsweise für eine simultane Lichtstreumessung, wie in der Ebene 23 der Fig. 8 gezeigt, dann würden die durch das Instrument erzeugten Analogsignale für den On-line- Gebrauch in einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung direkt in einen Analog/Digitalmultiplexwandler übertragen werden.
Da die Änderung Δ eine monotone Funktion der Brechungsindexänderung dn ist und die Brechungsindexänderung direkt proportional zur Konzentrationsänderung der gelösten Substanz ist, kann die Änderung direkt auf die aktuelle Konzentration der gelösten Substanz bezogen werden. Daher, bezogen auf die Änderung d der reinen Flüssigkeit, kann die gemessene Änderung, welche eine monotone Antwort in Positionserfassungsmitteln induziert, dazu verwendet werden, einen Konzentrationswert c des gelösten Stoffes zu bilden. Jede Änderung wird daher mit einer spezifischen Konzentration korrespondieren, durch die Gleichung
n = n&sub0; + (dn/dc) c, (19)
oder n - n&sub0; = Δn = (dn/dc) c (20)
und c = Δn/(dn/dc), (21)
wobei n&sub0; der Brechungsindex des reinen Fluides in Abwesenheit von gelösten Stoffenist und n der Brechungsindex des Fluides mit gelöstem Stoff ist. dn/dc läßt sich leicht durch eine Messung des durch eine Konzentrationsänderung Δc verursachten Δn messen und dann auf den Grenzwert von Δn/Δc extrapolieren, d.h.
(dn/dc) = lim (Δn/Δc), wenn Δc T 0. (22)
Die Fig. 9 zeigt das Ergebnis einer frühen experimentellen Bestätigung der Erfindung. Ein linear polarisierter 5W-Laserstrahl wurde an einer Struktur angeordnet, welche eine zylindrische Brechungszelle von dem in dem "927"-Patent beschriebenen Typ enthält. Die Wellenlänge des Lasers war 632.8 nm, der Brechungsindex der Zelle war 1.61655 und die Kapillare war mit Wasser des Brechungsindex 1.333 gefüllt. Eingefüllt in die Kapillare und durch diese hindurchgepumpt, mittels einer 510-Chromatographiepumpe des von Waters Company hergestellten Typs, wurde ein 20 Mikroliter Aliquot aus 0,1 % Dextran (in NaCl-Puffer), ungefähres Molekulargewicht 600000. Die Änderung des Brechungsindex bezüglich der Konzentration dn/dc war ungefähr 0.1. Die Differenz der beiden durch die United Detector Technology Split-Fotodiode erzeugten Signale wurde verstärkt, um den Spannung-gegen-Zeit-Graph der Fig. 9 zu erzeugen. Da die Pumpe mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ml/Minute arbeitete, korrespondiert die Zeitskala ebenfalls mit dem sogenannten Retentionsvolumen, welches durch Multiplizieren der Zeit mit dem Faktor 0.5 ml/min erhalten wurde. Die der Kurve überlagerten kleinen Spikes rühren von Pumpen- Pulsationen her, welche die Struktur dazu veranlassen, sich relativ zur Laser- und Detektorquelle leicht zu bewegen. Diese können leicht durch Inkorporation der Brechungszellenelemente in eine stationäre Struktur entfernt werden. Die zur Ausführung dieser frühen Messungen verwendete Konfiguration des Schaltungsaufbaus wurde ohne spezielle Rücksicht auf die strukturelle Stabilität erstellt.
Obwohl die eindrucksvollen Resultate der Fig. 9 unter Verwendung eines Lasers mit kontinuierlicher Welle erzeugt wurden, könnte eine weitere Signalverstärkung dadurch erzielt werden, daß der Laserstrahl durch elektrische Mittel oder durch Chopper-Mittel moduliert wird. Bei einer Frequenz oberhalb der Abschneidefrequenz der Standardmultiwinkeldetektoren des "927"-Gerätes würde das modulierte Brechungsindexsignal nicht durch die Multiwinkeldetektoren erfaßt werden. Es könnten daher die Multiwinkelstreuung sowie die Brechungsindexänderungen sogar dann gleichzeitig erfaßt werden, wenn beide bei der gleichen Wellenlänge unter Verwendung verschiedener Laserquellen auftreten. Alternativ können beide Messungs-Sätze verschachtelt werden, indem ein Laser ausgeschaltet wird, während der andere eingeschaltet ist. Eine weitere Variation der dualen Messung könnte dadurch durchgeführt werden, daß Lichtquellen verschiedener Wellenlängen in Kombination mit Filtern verwendet werden, welche die Multiwinkelstreudetektoren abdecken und somit die selektive Erfassung der entsprechenden Signale erlauben, mit einem Schmalbandfilter, welcher den positionssensitiven Detektor entsprechend der Wellenlänge der Refraktometerlichtquelle abdeckt und wobei die Multiwinkelstreulichtdetektoren mit Schmalbandfiltern bei den Wellenlängen der Streulichtquelle abgedeckt werden. Viele Variationen dieser Detektionsstrategien werden dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Lichtdetektion aus raumfesten Quellen ohne weiteres offensichtlich sein.
Zu jedem Fluid-Typ mit unterschiedlichem Brechungsindex wird es einen einzigen optimalen Winkel geben, mit dem der einfallende Lichtstrahl einfallen sollte. Daher sollten, falls nicht das Fluid immer das gleiche ist, Mittel zur Verfügung gestellt werden, um den Winkel des einfallenden Strahls bezüglich der Kapillare auszurichten. Optimalerweise wird dieser Winkel in der Nähe des Grenzwinkels liegen, möglicherweise ein oder zwei Grad daneben. Alternativ kann die Lichtquelle fixiert und die die Kapillarröhre enthaltene Brechungszelle rotiert werden, so daß die Einstellung des Strahl/Kapillarröhre-Winkels dadurch angepaßt werden kann. Wenn benötigt, sollten ebenfalls Mittel zur Verfügung gestellt werden, die Positionserfassungselemente, die die Position des gebrochenen Strahls erfassen, auszurichten. Wenn der Lichtstrahl/Kapillarröhre-Winkel einmal für das ausgewählte Lösungsmittel eingestellt wurde, geht die Ausrichtung der Positionserfassungselemente einfach vor sich: mit der Kapillarröhre, gefüllt mit dem reinen Lösungsmittel, wird das Positionserfassungselement in eine Position eingestellt, die ein elektrisches Signal gleich Null zur Folge hat. Alternativ könnte es an einer Position angeordnet werden, welche zu einem Signal führt, welches klein relativ zu jenem ist, welches von ihm mit ansteigender Konzentration des gelösten Stoffes erzeugt werden würde. Abhängig von der aktuellen physikalischen Struktur des Positionserfassungselementes gibt es viele ähnliche Ausrichtungen desselben, wie dem Durchschnittsfachmann sofort klar sein wird.
Zum Abschluß dieser Diskussion meiner Erfindung werden einige weitere Eigenschaften offenbart. Der Lichtstrahl, welcher vorzugsweise ein Laserstrahl sein sollte, sollte einen Querschnitt aufweisen, welcher kleiner ist als der Querschnitt der Kapillarröhre, da nur solche Teile des die Kapillare treffenden Strahls gebrochen werden, und, in einer bevorzugten Ausführungsform, es sollten alle Elemente des einfallenden Lichtstrahls durch die Brechung in der Kapillarröhre beeinflußt werden. Weiterhin, wie zuvor angedeutet wurde, sollte die bestmögliche Orientierung der Kapillarröhre und des Lichtstrahls derart sein, daß ihre Mittellinien sich schneiden. Jede andere Orientierung würde einem partiellen Streifen des einfallenden Lichtstrahls entsprechen. Die symmetrische räumliche Überschneidung der beiden Achsen wird weiterhin die symmetrische Brechung des einfallenden Lichtstrahls durch die Kapillarröhre bezüglich der durch diese beiden Linien definierten Ebene sicherstellen.
Aus Gleichung (6) ergibt sich weiterhin, daß die Änderung Δ des gebrochenen Strahls bezüglich des einfallenden Strahls mit zunehmendem Kapillarröhrendurchmesser 2r ansteigt. Die Kapillarröhre muß daher selbst lang genug sein, um sowohl den gebrochenen Strahl als auch den intern reflektierten Strahl zu akkomodieren, ohne daß die Strahlen die kapillaren Enden oder andere ähnliche Hindernisse treffen. Derartige Hindernisse würden Reflektionen zweiten Grades durch die Strahlen zur Folge haben und diese Reflektionen sind allgemein unerwünschte Quellen von Streulicht. Da die Empfindlichkeit des Refraktometers mit Zunahme des Durchmessers der Kapillare ansteigt, ist die optimale Zelle möglicherweise größer als die Standardbrechungszelle, welche etwa 22 mm groß ist. Aus der Sicht der Chromatographie wird jedoch ein größeres Kapillarenvolumen in einer größeren Bandverbreiterung des darin enthaltenen gelösten Stoffes münden. Es muß daher eine wohl überlegte Abwägung der Designparameter vorgenommen werden.
In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung würde die Refraktometerstruktur, wie in Fig. 8 angedeutet einen doppelten Zweck erfüllen. Umgeben von Detektoren 27, welche koplanar mit der Kapillare 11 sind, und beleuchtet durch die Kapillare hindurch mittels einer Lichtquelle 22, dient die Struktur dazu, die Winkelvariation des Lichtes zu messen, welches durch die durch die Kapillare fließenden Partikel entsprechend dem "927"-Patent gestreut wird. Durch Hinzufügen der zweiten Lichtquelle 18 und des Verschiebungsdetektors 27 wird die Lichtquelle als ein konzentrationssensitiver Detektor, wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben, funktionieren. Um dafür zu sorgen, daß keine der Lichtquellen mit den Detektoren der jeweils anderen interferiert, kann es notwendig sein, eine abzuschalten, während die andere verwendet wird. Dies kann durch mechanische Shutter erreicht werden, oder, in dem Fall von bestimmten Klassen von Lasern, durch Modulation der Lichtquellen selbst. In jedem Fall kann die Zeitverzögerung zwischen derartigen aufeinanderfolgenden Messungen auf eine Zeitdauer reduziert werden, welche relativ zur Verschiebung der in dem durch die Kapillare 11 fließendem Fluid enthaltenen Partikel klein ist. Auf diese Weise kann die Messung der Streulichtvariationen mit Detektorwinkelposition eines Ensembels von Partikeln/Molekülen von im wesentlichen den gleichen physikalischen Partikeln durchgeführt werden, deren Konzentration gleichzeitig erfaßt wird. Dies kann mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie in Fig. 8 gezeigt, erreicht werden.
Für den technologischen Hintergrund sei der Leser auf die US-Patente 4,490,042 und 4,710,025 verwiesen.
Ein die Erfindung enthaltenes Durchfluß-Differentialrefraktometer kann wesentliche industrielle Anwendungen für die Chemie und insbesondere die Polymerchemie, in der die physikalischen Eigenschaften von großen Molekülen untersucht werden, aufweisen. Kombiniert mit der Technik der Größen ausschließenden Chromatographie wird die bevorzugte Ausführungsform meiner Erfindung Messungen der molekularen Größe und des Gewichtes jeder getrennten Fraktion erlauben, unabhängig von der Konstanz der Flußrate, da sowohl die Lichtstreu- und die Konzentrationsmessung an demselben fließenden Volumenelement des Abwassers durchgeführt werden kann. Zusammen mit einer anderen Art eines Konzentrationsdetektors, wie etwa der Ultraviolettabsorption oder der Verdampfungsmassendetektion, verwendet, wird die Erfindung die Ermittlung des differentiellen Brechungsindexinkrementes dn/dc gegenüber der Konzentration ermöglichen. Auf diese Weise können die physikalischen Parameter von Co- Polymeren durch Kombination der Messungen von Differentialrefraktometer, Lichtstreureihe und konzentrationsempfindlichem Detektor ermittelt werden.

Claims

1. Differentialrefraktometer zum Messen einer Brechungsindexänderung Δn eines Fluides, verursacht durch eine Änderung Δc in der Konzentration eines darin gelösten Stoffes, wobei das Refraktometer einen transparenten Körper (10, 24) aufweist, in welchem sich eine Kapillarröhre (11) zur Aufnahme des Fluides erstreckt, und Mittel (18), welche derart angeordnet sind, daß ein Lichtstrahl so in den transparenten Körper (10, 24) geleitet wird, daß dieser in einem derart relativ zur Röhrenachse orientierten Winkel auf der Kapillarröhre auftrifft, daß der Lichtstrahl durch die Röhre hindurchtritt und dabei zweimal gebrochen wird, und Sensormittel (27), reagierend auf die Verschiebung des zweimal gebrochenen Strahls, verursacht durch eine Änderung Δc in der Konzentration, um ein einer solchen Verschiebung entsprechendes Signal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (10, 24) eine gebogene Lichteintrittsfläche aufweist, auf der der Lichtstrahl senkrecht auftrifft, eine Ebene vorgesehen ist, welche den einfallenden Lichtstrahl, die Längsrichtung der Röhre (11) und die Verschiebung des Lichtstrahls enthält, und Umwandlungsmittel vorgesehen sind, welche so ausgelegt sind, daß von der erfaßten Verschiebung eine Darstellung der Änderung im Brechungsindex Δn erhalten wird.

2. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (11) im Querschnitt kreisförmig ist und die Ebene durch die Symmetrieachse der Röhre hindurchtritt.

3. Refraktometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Lichtstrahls kleiner als die Weite der Röhre (11) ist.

4. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitmittel (18) einen Laser aufweist.

5. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitmittel (18) derart einstellbar ist, daß der Einfallswinkel des Lichtstrahls verändert wird, um es zu ermöglichen, den Grenzwinkel bei Fluiden mit einer Bandbreite von Brechungsindizes zu erreichen.

6. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhre (11) Mittel zum Hantieren mit Flüssigkeit aufweist, welche die Zufuhr von Fluid durch sie hindurch erlauben.

7. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine zweite Lichtquelle (22), derart angeordnet, daß ein Lichtstrahl durch die Kapillarröhre axial zur Röhre hindurchtritt, und einen Satz von Detektoren, welche koplanar mit der Kapillarachse angeordnet sind, wodurch das Refraktometer auch als ein Streulichtdetektor dient.

8. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10, 24) eine gebogene Lichtaustrittsfläche aufweist, durch welche das zweimal gebrochene Licht hindurchtritt, wobei die Austrittsfläche einen innerhalb der Röhre liegenden Mittelpunkt der Krümmung aufweist.

9. Refraktometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper einen aufrecht stehenden kreisförmigen Zylinder (10) aufweist und die Kapillarröhre (11) entlang eines Durchmessers des Zylinders hindurchtritt.

10. Refraktometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper eine Kugel (24) aufweist und die Kapillarröhre (11) entlang eines Durchmessers der Kugel hindurchtritt.

11. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel, welche ein Signal proportional zur Intensität des zuerst erwähnten Lichtstrahls zur Verfügung stellen, wobei die Umwandlungsmittel so ausgelegt sind, daß das der Verschiebung entsprechende Signal durch das der Intensität proportionale Signal dividiert wird.

12. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel (27) ein lichtempfindliches Gerät mit zwei Elementen und Mittel zum Bilden der Differenz zwischen deren Ausgängen aufweist.

13. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Sensormittel (27) derart anpaßbar ist, daß der zweimal gebrochene, durch die Kapillarröhre hindurchtretende Strahl abgefangen wird.

14. Refraktometer nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Sensormittel (27) so gewählt ist, daß das durch sie erzeugte Signal Null ist, wenn sich kein gelöster Stoff im Lösungsmittel befindet.

15. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel (27) eine absolute Intensität relativ zu der Intensität des auf den transparenten Körper auftreffenden Lichtstrahls erfaßt.

16. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verschiebung des zweimal gebrochenen Strahls eine Änderung in der auf den Sensormitteln (27) auftreffenden Energie ergibt, wobei das Signal auf die Änderung in der Energie reagiert.

17. Verfahren zur Messung einer Brechungsindexänderung Δn eines Fluides, verursacht durch eine Änderung Δc in der Konzentration eines darin gelösten Stoffes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung einer der vorstehenden Ansprüche verwendet wird, die Röhre mit dem Fluid gefüllt wird, und der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf der Körper/Fluid-Grenzfläche nahe am Grenzwinkel gewählt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Lichtstrahls kleiner ist als die Weite der Röhre (11).

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßte Verschiebung die Verschiebung in der Ebene ist, welche die Röhrenachse und den einfallenden Lichtstrahl enthält.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Lichtstrahl parallel zur Röhrenachse durch die Kapillarröhre (11) geleitet wird und gestreutes Licht an einer Vielzahl von Punkten außerhalb des transparenten Körpers, koplanar mit der Kapillarröhrenachse erfaßt wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10, 24) eine gebogene Lichtaustrittsfläche aufweist, durch welche das zweimal gebrochene Licht hindurchtritt, wobei der Mittelpunkt der Krümmung der Austrittsfläche in der Röhre liegt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid durch die Kapillarröhre eingeführt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Intensität des zuerst erwähnten Lichtstrahls proportionales Signal zur Verfügung gestellt wird, und daß das der Verschiebung entsprechende Signal durch das der Intensität proportionale Signal dividiert wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorschritt einen Positionsdetektor verwendet, welcher eine Photodiode mit zwei Elementen ist, wobei das Verfahren die Verbindung der Ausgänge der beiden Elemente umfaßt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetektor derart ausgerichtet wird, daß das so erzeugte Signal Null ist, wenn kein Stoff im Lösungsmittel gelöst ist.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des zweimal gebrochenen Strahls als eine Änderung der an einem bestimmten Punkt anliegenden Energie erfaßt wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der zuerst erwähnte Lichtstrahl plan polarisiert wird.