DE3204578A1

DE3204578A1 - Photometer zur verwendung in einem chemischen analysator

Info

Publication number: DE3204578A1
Application number: DE19823204578
Authority: DE
Inventors: Taiichi Banno; Kazuo Hachioji Tokyo Hijikata; Hiroshi Sagamihara Takekawa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-02-10
Filing date: 1982-02-10
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE3204578C2; JPH0115012B2; JPS57132038A; US4498780A

Description

DR.-ING. DIETER BEHRENS

Olympus Optical Co., Ltd. Schweigerstrasse2

Tokyo, Japan telepon: (o8₉)^₂₀₅₁

lA-55 671 TELEGRAMMtPROTECTPATENT

TELEX! J 24 070

Photometer zur Verwendung in einem chemischen Analysator

Die Erfindung betrifft ein direkt messendes Photometer für einen chemischen Analysator, in dem eine kolorimetrisch^ Messung einer Probenflüssigkeit durchgeführt werden kann, während sich diese im Reaktionsgefäß befindet.

Es sind verschiedene Arten solcher direkt messender Photometer vorgeschlagen worden. In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 113 383/76 ist ein Photometer beschrieben, in dem ein Reaktionsgefäß aus lichtdurchlässigem Material in einen-Luftbadthermostaten eingebaut ist und die Absorption einer Probenflüssigkeit in dem Reaktionsgefäß gemessen wird, indem ein Meßlichtstrahl durch die Seitenwände des Reaktionsgefäßes durchgeführt wird. Der Luftbadthermostat kann jedoch im Vergleich zum Flüssigkeitsthermostaten eine gewünschte Temperatur nicht auf schnelle und genaue Art und Weise einstellen, so daß die erforderliche Zeit zur Durchführung der Photometrie zu lange ist und weiterhin eine hohe Meßgenauigkeit kaum erreicht werden könnte. Um diesen Mißstand zu überwinden, kann man erwägen, anstelle des Luftbadthermostaten einen Flüssigkeitsthermostacen zu verwenden. In diesem Fall muß jedoch die Photometrie in einer Flüssigkeit im Thermostaten betrieben werden und die hohe Meßgenauigkeit könnte

1Α-55 671

infolge der Absorption in der temperaturgeregelten Flüssigkeit im Thermostaten nicht erreicht werden.

Da der Meßlichtstrahl durch die Seitenwände des Reaktionsgefäßes in radialer Richtung geführt wird, sollte das Reaktionsgefäß in den bekannten Geräten genau dimensioniert werden, um eine exakte optische Weglänge zu erhalten. Daher werden die Produktionskosten des ReaTctionsgefäßes hoch. Im Falle eines Vielkanalanalysators müßten die· Reaktionsgefäße relativ weit auseinanderliegen, um gegenseitige Interferenzen zu vermeiden, so daß das Gerät zu große Abmessungen besitzen würde. Ein optisches System einer photometrif;chen Einheit ist dazu noch kompliziert, der Lichtverlust wird groß und verringert die Meßgenauigkeit.

Im US-Patent 3 999 862 ist ein ähnlich direktmessendes Rotations-Photometer beschrieben. In diesem Gerät sind ein Reaktionsgefäß und eine photometrische Zelle in einem einzigen Gefäß integriert. Die Probenflüssigkeit wird mit Hilfe von Zentrifugalkraft aus dem Reaktionsgefäß in die photometrische Zelle übergeführt. Dieses Gerät könnte jedoch nicht für den Vielkanalanalysator verwendet werden und besitzt eine niedrige Verarbeitungsrate, da die Testflüssigkeiten nicht kontinuierlich bearbeitet werden könnten. Da von der Zentrifugalkraft Gebrauch gemacht wird, wird der Antriebsmechanismus kompliziert und teuer. Zusätzlich wird ein Datenverarbeitungsprozeß extrem beschwerlich, da die Photometrie während der Drehung betrieben werden muß. Da die Thermostatier-Flüssigkeit mit Hilfe der Zentrifugalkraft zur photometrischen Zelle übergeführt werden muß, ist die photometrische Zelle ausgeschaltet, während der Rotor sich dreht. Die Temperatur der Testflüssigkeit kann nicht gut geregelt werden, so daß ein Meßfehler eingeführt wird.

Zusätzlich zu dem oben beschriebenen, direkt messenden Gerät wurde ein photometrisches Gerät vom Typ einer Durchflußzelle vorgeschlagen. In diesem Gerät ist jedoch eine größere Menge der

Ιο'

-3— lA-55

Probenflüssigkeit notwendig, da diese vom Reaktionsgefäß durch Saugkräfte zur Durchflüßzelle gebracht werden muß. Es wurde eine Vielzahl von Probentests mit den betreffenden Proben durchgeführt, die ergaben, daß die Menge an Testflüssigkeit kleiner sein sollte. Das obige Gerät befriedigt solch eine Forderung nicht. Da die Durchflußzelle für aufeinanderfolgende Testflüssigkeiten verwendet werden muß, tritt weiterhin das Problem der Verschmutzung auf, das die Meßgenauigkeit herabsetzt. Um die Verschmutzung zu vermeiden, muß ein komplizierter Mechanismus zur Reinigung der Durchflußzelle vorgesehen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Photometer der eingangs genannten Art zu entwickeln, welches die oben angeführten Nachteile der bekannten Photometer vormeidet und einen Flüssigkeitsthermostaten benützen kann, welcher die Probenflüssigkeit schnell und genau auf eine gewünschte Temperatur einstellen kann, welches eine hohe Meßgenauigkeit erreicht und welches einfach konstruiert, billig produziert und in Verbindung mit einem Vielkanalanalysator verwendbar ist.

Ein diese Aufgabe lösendes Photometer ist mit seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Da die Meßlichtstrahlen entsprechend der Erfindung nicht durch die Seitenwände der Reaktionsgefäße geführt werden, kann die Querschnittsform des Reaktionsgefäßes jede gewünschte Form besitzen, z.B. ein Kreis, Dreieck, Viereck, Vieleck und Kombinationen davon sein. Der Boden des Reakticnsgefäßes ist nicht immer eben und insbesondere die Randfornn kann gekrümmt sein. Bei solch einer Ausbildung kann die Flüssigkeitsmenge, die nach Beendigung des Vorgangs im Reaktionsgefäß verbleibt, reduziert werden. In jedem Fall ist es besser, einen Teil des Reaktionsgefäßbodens, durch den der Meß lichtstrahl geführt wird, flach auszubilden. Die Filter der photometrischen Einheit können durch Beugungsgitter ersetzt werden, die Filteir oder Gitter werden

--*-»■ lA-55

dabei zwischen die lichtempfangenden Wandlerelemente und die Reaktionsgefäße eingebracht. Die optischen Lichtwege der Kanäle können zueinander gleich gemacht, jedoch an verschiedenen Stellungen in Kanalrichtung angebracht werden. So können in einem beliebigen Fall in einem einzigen Kanal (Meßgefäßreihe) eine Vielzahl optischer Achsen für die Photometrie vorgesehen werden. In diesem Fall ist eine Vielzahl an Positionen für die Photometrie in Kanalrichtung angebracht. In einer abgeänderten Ausführung des Gerätes, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, können die Reaktionsgefäße, die eigene Bodenwandungen besitzen, in Öffnungen im Boden des Thermostats eingeführt werden. Im Falle der Verwendung einer klaren und entgasten Flüssigkeit im Thermostaten kann die Flüssigkeit in Räume zwischen der Bodenwandung des Thermostaten und den Bodenwandungen der Reaktionsgefäße eingebracht werden. Be>i solch einer Konstruktion können die Reaktionsgefäße mit einer Platte, die öffnungen besitzt, gesichert oder integriert ausgebildet werden. Die Platte kann beweglich auf die Bodenwandung des Thermostaten aufgebracht werden. Die Thermostatier-Flüssigkeit kann durch die Öffnungen in der Platte fließen.

Da die Testflüssigkeiten durch die Thermostatier-Flüssigkeit mit hoher Wärmekapazität erhitzt werden, können sie -schnell auf eine gegebene Temperatur erhitzt werden und werden durch eine Änderung der Umgebungstemperatur nicht beeinflußt. TemperaturSchwankungen können ausgeschaltet und eine genaue Temperaturkontrolle kann erreicht werden. Weiterhin trifft der Meß lichtstrahl senkrecht auf die Testflüssigkeit auf, so daß die Messung nicht durch Fehler in der Dimensionierung der Reaktionsgefäße und der Menge an Testflüssigkeiten beeinflußt werden kann. Aus diesem Grund können die Reaktionsgefäße billig produziert werden. Der Vielkanalanalysator kann in kleiner Ausführung gebaut werden, da der Raum zwischen benachbarten Kanälen verkleinert werden kann. Eine direkte Messung kann durchgeführt werden und die Mengen an benötigter Probenflüssigkeit können so reduziert werden, wobei

"ο '

-5—· lA-55 671

jede Verschmutzung zwischen den Probenflüssigkeiten vermieden wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführung

des Photometers,
Fig. 2 einen Querschnitt einer abgeänderten Ausführung des

Photometers,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführung

des Photometers, und
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführung des Photometers.

Das Photometer enthält einen Flüssigkeitsthermostaten 1, in dem ein Block 3 eingepaßt ist, der eine Anzahl an Reaktionsgefäßen 2 in einer Matrixform aufnimmt. Der Analysator dieser Ausführung ist vom Dreikanaltyp. Der Block 3 kann aus durchsichtigem Kunstharz hergestellt sein. Er ist direkt an die Bodenwandung la des Thermostaten 1 angepaßt und kann auf dieser in eine Richtung, die durch einen Pfeil A angedeutet ist, verschoben werden. In dem Thermostaten 1 befindet sich eine Thermostatier-Flüssigkeit 4, die die Testflüssigkeiten in den Reaktionsgefäßon 2 bei einer gewünschten Temperatur hält. Die Thermostatier-Flüssigkeit 4 dringt entsprechend der Erfindung nicht zwischen die Bodenwandung la des Thermostaten und den Block 3.

In geeigneter Position des Meßweges des Blocks 3 ist eine Vielzahl von Lichtquellen 5a, 5b und 5c, Filtern 6a, 6b und 6c und lichtempfangenden Elementen 7a, 7b und 7c angebracht, daß die von den Lichtquellen abgegebenen und den Filtern durchgclassenen Lichtstrahlen senkrecht auf die Probenflüssigkeitsoberfläche in den Reaktionsgefäßen auftreffen. Die Filter 6a, 6b und 6c besitzen qrwünsoht c spnkt.rnlo Durch! fips i gkoi 1 on , um die gewünschten Analysen durchführen zu können. Die Licl tstr;ihlen, dir auf dio

1Λ-55 671

Testflüssigkeiten auftreffen, werden durch die Bodenpartien 3a der Reaktionsgefäße und der Bodenwandung la des Thermostaten 1 durchgelassen und treffen beispielsweise auf die lichtempfangenden Elemente 7a, 7b und 7c senkrecht auf, d.h. die lichtdurchlässigen Teile der Bodenwandung la des Thermostats müssen aus durchsichtigem Material bestehen. In dieser Ausführung besteht der Thermostat 1 vollständig aus durchsichtigem Material. Auf diese Weise kann die Lichtabsorption der Testflüssigkeiten in den Reaktionsgefäßen 2 aufeinanderfolgend gemessen werden. Da die Reaktionsgefäße 2 in die Thermostatier-Flüssigkeit 4 eingetaucht werden, können in diesem Fall die Probenflüssigkeiten schnell und genau auf eine gewünschte Temperatur erhitzt werden. Weiterhin werden die Meßlichtstrahlen nicht durch die Thermostatier-Flüssigkeit 4 geleitet, so daß eine sehr genaue Messung erreicht werden kann. Die Meßlichtstrahlen treffen erfindungsgemäß senkrecht auf die Probenflüssigkeitsoberfläche auf und daher kann irgendeine Änderung in den Testflüssigkeitsmengen aufgrund der folgenden Tatsache die Messung nicht wesentlich beeinflussen. Eine Absorption A der Testflüssigkeit wird im allgemeinen durch folgende Gleichung ausgedrückt, wobei k einen Koeffizienten darstellt.

A = k χ (Konzentration) χ (optische Weglänge) = k χ (Probenmenge) χ (optische Weglänge)/

(Gesamtmenge der Probenflüssigkeit) = k χ (Probenmenge) χ (optische Weglänge)/

(Querschnittsfläche) x (optische Weglänge) = k χ (Probenmenge)/(Querschnittsfläche)

In dieser Gleichung ist die Probenmenge sehr viel kleiner als die Mengen an Lösungsmittelreagenz usw. und kann daher als weitgehend konstant betrachtet werden. Deshalb wirkt sich irgendeine Änderung der Gesamtmenge an Probenflüssigkeit und somit an der optischen Weglänge nicht auf die Messung aus.

-hl·

—?— lA-55

Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführung des Photometers, das in Fig. 1 dargestellt ist. In dieser Ausführung ist die Konstruktion des Flüssigkeitsthermostats 1 und des Blocks 3 ähnlich zu derjenigen, die in Fig. 1 gezeigt ist, nur ist der Raum zwischen den Reaktionsgefäßen benachbarter Kanäle viel kleiner und daher kann ein kleinerer Vielkanalanalysator verwirklicht werden. Bei solch einer Konstruktion könnte nicht genügend Raum geschaffen werden, um die Lichtquellen 5a bis 5d, die Filter 6a bis 6d und die lichtempfangenden Elemente 7a bis 7d anzuordnen. Deshalb sind zwischen den Filtern und den Reaktionsgefäßen 2 und zwischen den Reaktionsgefäßen und den lichtempfangenden Elementen beispielsweise Lichtleiter 8a bis 8d und 9a bis 9d angebracht. Mit Hilfe der Lichtleiter können Lichtquellen, Filter und lichtempfangende Elemente getrennt eingebaut werden, ohne daß zwischen ihnen eine Interferenz auftreten kann.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 steht die Flüssigkeit 4, um die Temperatur der Testflüssigkeiten viel gerauer regeln zu können, in Kontakt zu den betreffenden Reaktionsgefäßen 2. Für diesen Verwendungszweck sind vom Boden des Blocks 3 in diesen Aussparungen 10 eingebracht. Die Thermostatier-Flüssigkeit 4 zirkuliert durch diese Aussparungen 10. Da dia Aussparungen 10 sich entlang des Kanals als zwischenliegende Teile zwischen aufeinanderfolgenden Kanälen erstrecken und die unteren Wandungen 3a der Reaktionsgefäße 2 direkt in Kontakt zu der unteren Wandung la des Thermostaten 1 stehen, kann dazwischen keine Flüssigkeit eindringen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind im Block 3 eine Anzahl von Löchern .angebracht, die zusammen mit einer unteren Wandung la eines Flüssigkeitsthermostaten 1 die rleaktionsgefäße 2 bilden. Dabei ist Block 3 auf der unteren Wandung la angebracht. Um einen möglichen Verlust an Testflüssigkeit, die in den Reaktionsgefäßen 2 enthalten ist, zu vermeiden, können Manschetten zwischen dem Block 3 und der unteren Wandung la eingefügt wer-

JH ■

—8— lA-55

den. In dieser Ausführung dient die untere Wandung la des Thermostaten als untere Wandung der Reaktionsgefäße und daher kann der Block 3 völlig aus lichtundurchlässigem Material gefertigt sein. Da keine Möglichkeit besteht, daß die Thermostatier-Flüssigkeit 4 in den Strahlengang eindringt, wird die Messung nicht von der Thermostatier-Flüssigkeit 4 beeinflußt.

Die Erfindung ist nicht auf die oben erläuterten Ausführungen beschränkt, sondern kann auf verschiedene Weise abgeändert werden. Beispielsweise ist in den obigen Ausführungen der Block 3 beweglich auf der unteren Wandung la des Thermostaten angebracht; sie können aber auch fest zusammengefügt sein. In diesem Fall muß dia Einheit aus Block 3 und Thermostat 1 in einer gegebenen Richtung bewegt werden. Solch eine Konstruktion ist besonders vorteilhaft in der Ausführung, die in Fig. 4 dargestellt ist. In den obigon Ausführungen sind alle Reaktionsgefäße 2 in den einzigen Block 3 eingebracht, aber der Block kann aus einer Vielzahl von Blockabschnitten zusammengesetzt sein, die in einer Richtung parallel oder senkrecht zur Richtung der Gefäßreihe unterteilt ist. Bei einer solchen Konstruktion kann die Thermostatier-Flüssigkeit des Thermostaten zwischen benachbarte Blockabschnitte eingebracht werden, so daß die Effizienz des Thermostaten weiterhin erhöht werden kann.

10X1128

Claims

PATENTANWÄLTE dr.-ing. franz tuesthoff

■' WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ

D1PL.-ING. GERHARD PULS (195J-1971) EUROPEANPATENTATTORNEYS

DR.-INC. DJE.TER BEHRENS

D1PL.-ING.J DIPL.-WIRTSCH.-ING. RUPERT GOHTZ

D-8000 MÜNCHEN 90

Olympus Optical Co., Ltd. Schweigerstrasse2

Tokyo, Japan , ,

telefon: (089) 66 20 jr

1A— 55 671 TELEGRAMM: I'KOTECTPATENT

TELEX: J 24 070

Patentansprüche

Photometer für die Verwendung in einem chemischen Analysator mit thermostatisierten Probengefäßen (2), durch die hindurch eine photometrische Einheit die Lichtschwächung eines durchtretenden Lichtstrahls mißt, wobei die photometrische Einheit mindestens eine Lichtquelle (5a) zur Emission eines Lichtstrahls und mindestens ein lichtempfangendes Wandlerelement (7a) für den von der Lichtquelle (5a) emittierten und durch die Testflüssigkeit in den Reaktionsgefäßen (2) hindurchgetretenen Lichtstrahl aufweist,

dadurch gekennzeichnet , daß der Flüssigkeitsthermostat (1) eine Thermostatier-Flüssigkeit (4) enthält und eine lichtdurchlässige Wandung (la) aufweist, die aus lichtdurchlässigem Material gefertigt ist; daß eine Vielzahl an Reaktionsgefäßen (2), die im Thermostaten (1) angeordnet sind und deren untere Bodenwandungen (3a) aus lichtdurchlässigem Material gefertigt sind, vorgesehen sind, und daß die Lichtquelle (5a) und das lichtempfangende Element (7a) so angeordnet sind, daß ihre optischen Achsen senkrecht zu einer Oberfläche der Testflüssigkeit durch die untere Wandung (la) des Thermostaten (1) und der Reaktionsgefäße (2) verlaufen.
2. Photometer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet/ daß die Reaktionsgefäße (2) im Thermostaten (1) in einer Matrixform angeordnet sind und eine Vielzahl an Kanälen bilden.

- 2 - lA-55
3. Photometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die photometrische Einheit mehrere Sätze von Lichtquellen (5a) und lichtempfangendem Wandlerelement (7a) aufweist und jeder Satz für eine Reaktionsgefäßreihe vorgesehen ist.
4. Photometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Filter (6a) im Strahlengang eines jeden Satzes aus Lichtquelle (5a) und lichtaufnehmendem Element (7a) angeordnet ist.
5. Photometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß Lichtleiter (9a bis d) zwischen den Lichtquellen (5a bis d) und Reaktionsgefäßen (2) und zwischen den Reaktionsgefäßen (2) und den lichtempfangenden Wandlerelementen (7a bis d) vorgesehen sind.
6. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgefäße (2) durch Vertiefungen in einem Block (3) aus lichtdurchlässigem Material gebildet sind und dieser auf die untere Wandung (la) des Thermostaten (1) montiert ist.
7. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Reaktionsgefäße (2) durch Löcher in einem Block (3) gebildet sind, der auf der unteren Wandung (la) des Thermostaten angebracht ist.
8. Photometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Block (3) beweglich auf die untere Wandung (la) des Thermostaten aufgesetzt ist.

- 3 - lA-55 671
9. Photometer nach Anspruchs oder 7, dadurch gekennz e ichnet ,

daß der Block (3) mit der unteren Wandung des Thermostaten (la) fest verbunden ist.
10. Photometer nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Block (3) mittels einer öffnungen enthaltenden Spanneinrichtung auf der unteren Wandung (la) des Thermostaten befestigt ist und die Thermostatier-Flüssigkeit (4) in den Thermostaten (1) durch diese öffnungen zirkulierbar ist.
11. Photometer nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Block (3) mindestens eine Aussparung an seiner Unterseite aufweist, durch die die Thermostatier-Flüssigkeit zirkulierbar ist.

IX. Gerät entsprechend Anspruch 6, worin besagter Block schließlich eine Aussparung aus der unteren Fläche des Blocks enthält und besagte temperaturkontrollierte Flüssigkeit durch besagte Aussparung zirkuliert.

10X1128