ДВУХЛУЧЕВАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА ДЛЯ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано в хроматографическом анализе жидкостей.

Известна двухлучевая система анализа для жидкостной хроматографии, содержащая источник излучения, диафрагму, коллиматор, пару параллельных ячеек, в каждой из которых выполнено сквозное отверстие, по одному фотоприемнику на выходе каждого отверстия, специальные средства, обеспечивающие подачу жидкости во внутреннюю область каждого отверстия. Диафрагма выделяет из излучения источника два луча, симметричных относительно оптической оси. За диафрагмой расположена пара параллельных ячеек, оси и диаметр сквозных отверстий которых согласованы с осью и диаметром соответствующего луча. Сквозные отверстия имеют одинаковые длину и диаметр. Входной и выходной концы каждого сквозного отверстия герметично закрыты прозрачными элементами. Фотоприемники на выходе отверстий предусмотрены для регистрации интенсивности прошедшего излучения. Специальные элементы ограничивают диаметр каждого луча до величины, меньшей диаметра соответствующего сквозного отверстия и обеспечивают равенство диаметров лучей между собой [1]
Рассмотренная конструкция аналога рассчитана на работу с идеальным точечным источником света и обеспечивает компенсацию влияния изменения светосилы (световые нестабильности) и перемещений источника излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора (механические нестабильности) идеального точечного источника излучения.

В реальных конструкциях приходится иметь дело не с точечными идеальными источниками излучения, а с протяженными источниками конечных размеров, имеющих неравномерное распределение поверхностной яркости и меняющих свое положение в пространстве в связи с всевозможными механическими воздействиями или изменениями, например, температурных режимов. Протяженный реальный источник дает сложную картину распределения яркости в плоскости расположения диафрагмы коллиматора. Поэтому в рассматриваемом аналоге двумя отверстиями установленной после коллиматора диафрагмы, расположенными даже симметрично относительно оптической оси, формируются два луча с разным распределением яркости по поперечному сечению лучей. Разное распределение яркости по поперечному сечению лучей не обеспечивает полную компенсацию влияния изменения распределения поверхностной яркости источника (световые нестабильности) и влияния перемещений источника излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора (механические нестабильности). При этом специальные элементы, ограничивающие диаметр каждого луча до величины, меньшей диаметра сквозного отверстия ячеек, устраняют теневые эффекты на сквозных отверстиях ячеек, связанные с изменением пространственного положения источника излучения относительно оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора.

Недостатком аналога является значительная нестабильность в виде случайно изменяющегося во времени дрейфа нуля, что приводит к снижению точности измерений, прежде всего длительных и непрерывных, характерных для жидкостной хроматографии. Эта нестабильность вызвана изменениями в распределении поверхностной яркости источника излучения (световые нестабильности) и перемещениями источника излучения в фокальной плоскости и вдоль оптической оси коллиматора (механические нестабильности).

По величине амплитуда случайного смещения нулевой линии может не менее чем на порядок превышать шумовые флуктуации нулевой линии. Световые и механические нестабильности источника излучения приводят к нестационарному характеру случайного процесса изменения дрейфа нуля как по величине, так и по знаку первой производной. Такой нестационарный случайный процесс характеризуется узким энергетическим спектром и большим временем корреляции, соизмеримым с длительностями хроматографических пиков анализируемых жидкостей. Световые и механические нестабильности являются величинами одного порядка и повышение точности хроматографического анализа может быть обеспечено лишь при одновременной компенсации влияния указанных факторов.

Основной недостаток аналога это отсутствие полной компенсации влияния световой нестабильности (изменения распределения поверхностной яркости) и механических нестабильностей (перемещения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора) источника излучения и, как следствие, низкая точность хроматографического анализа. При этом по величине амплитуда случайного смещения нулевой линии, вызванного световыми и механическими нестабильностями источника излучения, не менее чем на порядок превышает шумовые флуктуации нулевой линии.

Известна двухлучевая система анализа жидкостной хроматографии, выбранная в качестве прототипа, содержащая источник света, коллиматор, светоделитель и зеркало, герметичные прозрачные и параллельные между собой две кюветы, по одной фокусирующий линзе на входе и по одной фокусирующей линзе и по одному фотоприемнику на выходе каждой кюветы для регистрации интенсивности прошедшего через кювету излучения. Коллимированный световой поток источника излучения разделяется светоделителем на два луча. Параллельные лучи на выходе светоделителя и зеркала фокусируются линзами на кюветы. Обе кюветы установлены на одинаковых расстояниях от светоделителя и зеркала и имеют сквозные просвечиваемые отверстия одинакового диаметра и длины. Наличие в конструкции прототипа светоделителя обеспечивает возможность работы с реальными протяженными источниками света и полную компенсацию влияния временной нестабильности светосилы и распределения поверхностной яркости источника, так как после делителя действуют два параллельных луча абсолютно, идентичных как по распределению интенсивности излучения в поперечном сечении луча, так и по общей интенсивности луча [2] Однако прототип не обеспечивает полную компенсацию влияния перемещений источника излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора, что определяется тем, что обе кюветы установлены на одинаковых оптических расстояниях от светоделителя и зеркала.

Основной недостаток прототипа это отсутствие полной компенсации влияния механических нестабильностей (перемещений источника излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора) источника излучения и, как следствие, недостаточно высокая точность хроматографического анализа. При этом по величине амплитуда случайного смещения нулевой линии, вызванного механическими нестабильностями источника излучения, не более чем на порядок превышает шумовые флуктуации нулевой линии.

Целью изобретения является повышение точности хроматографического анализа.

Поставленная цель достигается тем, что в двухлучевой системе анализа для жидкостной хроматографии, содержащей источник излучения, расположенные по ходу излучения на оптической оси системы коллиматор, светоделитель, расположенный под углом к оптической оси системы, зеркало, расположенное на расстоянии A от светоделителя параллельно ему, две параллельные между собой с расстоянием A между своими осями ячейки, ось одной из которых совпадает с оптической осью системы, выполненные в ячейках сквозные идентичные отверстия, оси которых совпадают с осями ячеек, герметично установленные в сквозных отверстиях прозрачные уплотнительные элементы, выполненные в ячейках входные и выходные каналы для создания потока жидкости во внутренней полости сквозных отверстий ячеек, фотоприемники, ячейки расположены со смещением D друг относительно друга по ходу излучения таким образом, что одна ячейка расположена на расстоянии B от зеркала, другая на расстоянии C от светоделителя при соблюдении соотношений D=A и C=B+A.

Повышение точности хроматографического анализа в предлагаемой двухлучевой системе достигается за счет одновременной компенсации влияния световых и механических нестабильностей источника излучения, обеспечиваемой расположением ячеек со смещением относительно друг друга по ходу лучей и в направлении оптической оси, расположением входа одного из сквозных отверстий на расстоянии B от зеркала, расположением входа другого сквозного отверстия на расстоянии C от светоделителя, увязкой смещения D и расстояний A, B, C равенствами D=A и C=B+A.

В реальных конструкциях приходится иметь дело не с идентичными точечными источниками излучения, а с протяженными источниками конечных размеров. Реальные источники света обычно имеют неравномерное распределение поверхностной яркости. При этом реальные источники излучения могут изменять свое положение в пространстве, перемещаться как вдоль оптической оси коллиматора, так и в фокальной плоскости (механические нестабильности). Такие механические нестабильности связаны с всевозможными механическими воздействиями или изменениями температурных режимов. В этом случае механические или температурные воздействия обычно имеют случайных характер. Кроме того, для реальных источников света характерны временные нестабильности светосилы и распределения поверхностной яркости (световые нестабильности).

При этом световые нестабильности также имеют случайный характер. Световые и механические нестабильности источника излучения проявляются, как правило, в виде случайных кратковременных (несколько минут) дрейфов нулевой линии. Световые и механические нестабильности источника излучения приводят к нестационарному характеру случайного процесса изменения дрейфа нуля как по величине, так и по знаку первой производной. Такой нестационарный случайный процесс также характеризуется узким энергетическим спектром и большим временем корреляции, соизмеримым с длительностями хроматографических пиков анализируемых жидкостей. Такие случайные дрейфы нулевой линии могут в несколько раз превосходить по амплитуде шумовые флуктуации нулевой линии, могут накладываться на хроматографические пики, искажать их и значительно снижать точность хроматографического анализа.

Световые и механические нестабильности являются величинами одного порядка и повышение точности измерений может быть обеспечено лишь при одновременной компенсации указанных факторов.

Реальный источник дает сложную картину распределения яркости в плоскости расположения диафрагмы коллиматора. Такая же сложная картина распределения яркости может наблюдаться и в отверстиях диафрагмы коллиматора, расположенных и на оптической оси в центре диафрагмы и расположенных симметрично относительно оптической оси. Причем даже в симметрично расположенных отверстиях диафрагмы могут быть разными и распределение яркости по площади каждого отверстия, и интегральное значение яркости между отверстиями. Световые лучи после диафрагмы направляются на вход сквозных отверстий ячеек. При этом на входах сквозных отверстий наблюдаются световые пятна, центры которых обычно совмещаются с центрами входов сквозных отверстий.

При отсутствии смещения D между ячейками и без увязки смещения D и расстояний A, B, C равенствами D=A и C=B+A создается ситуация, характерная для прототипа со светоделителем после коллиматора. В этом случае входы сквозных отверстий находятся на разном оптическом расстоянии от источника излучения и освещаются световыми пятнами разного диаметра. В связи с этим при перемещении излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора наблюдается неодинаковое смещение световых пятен относительно входов сквозных отверстий и неодинаковое увеличение световых пятен на входах сквозных отверстий. При этом в рассматриваемом случае не обеспечивается полная компенсация влияния изменения распределения поверхностной яркости источника и перемещения источника излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора. Тем самым не обеспечивается устранение случайных дрейфов нулевой линии, связанных с соответствующими световыми и механическими нестабильностями, и, как следствие, не обеспечивается повышение точности хроматографического анализа.

При установке входов сквозных отверстий на одинаковом оптическом расстоянии от источника излучения и при симметричном расположении входов сквозных отверстий относительно оптической оси коллиматора создается ситуация, характерная для аналога на основе установленной после коллиматора диафрагмы с двумя отверстиями. В рассматриваемом случае наблюдаются световые пятна одинакового диаметра и одинаковые по величине смещения световых пятен при всех рассмотренных пространственных нестабильностях положения источника излучения. Однако в данном случае наблюдается сложная картина распределения яркости диафрагмы и аналог принципиально никогда не может иметь лучей с абсолютно одинаковым распределением яркости по световым пятнам на входах сквозных отверстий ячеек. Кроме того, в аналоге принципиально невозможно получить одностороннее смещение световых пятен при перемещении источника света вдоль оптической оси коллиматора. В данном случае пятна подвергаются одинаковой дефокусировке и расползаются в разные стороны. Указанные особенности не позволяют в рассматриваемом случае иметь полную компенсацию влияния перемещений источника излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора. Тем самым также не обеспечивается устранение случайных дрейфов нулевой линии, связанных с соответствующими световыми и механическими нестабильностями, и повышение точности хроматографического анализа.

Расположением ячеек со смещением D относительно друг друга по ходу лучей и в направлении оптической оси и увязкой смещения D и расстояний A, B, C равенствами D= A и C=B+A создается ситуация, характерная для предлагаемой конструкции со светоделителем после коллиматора. В рассматриваемом случае обеспечивается равенство оптических расстояний между источником излучения и входом сквозного отверстия каждой из ячеек. При этом на входах сквозных отверстий наблюдаются световые пятна одинакового диаметра и с абсолютно одинаковым между пятнами и распределением яркости по пятну и интегральным значениям яркости. Кроме того, в рассматриваемом случае при перемещении источника излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора обеспечивается одинаковое смещение световых пятен относительно входов сквозных отверстий. Рассмотренные особенности предлагаемой конструкции обеспечивают полную компенсацию влияния изменения пространственной нестабильности поверхностной яркости и перемещения источника излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора, а также полную компенсацию влияния временного изменения яркости источника. В предлагаемой конструкции обеспечивается одновременная компенсация влияния световых и механических нестабильностей источника излучения. Тем самым полностью устраняются случайные дрейфы нулевой линии и обеспечиваются повышение точности хроматографического анализа.

На чертеже представлена оптическая схема системы анализа.

Двухлучевая система анализа для жидкостной хроматографии содержит источник света 1, коллиматор 2, светоделитель 3, зеркало 4, измерительную ячейку 7 со сквозным отверстием 8, сравнительную ячейку 16 со сквозным отверстием 13, фотоприемники 9, 12, усилитель 11. Сравнительная 16 и измерительная 7 ячейки имеют входные каналы 5, 17 для подвода жидкости во внутреннюю полость сквозных отверстий 8, 13. Для герметизации сквозных отверстий 8,13 на их концах обычно устанавливаются прозрачные уплотнительные элементы, для простоты не показанные на чертеже. Сквозные отверстия 8, 13 гидравлически связаны между собой через тройник 6. Вход тройника 6 может быть соединен с выходом разделительной хроматографической колонки, а выходы с входными каналами 5, 17 ячеек. Перед работой элюент прокачивается через оба сквозных отверстия 8, 13. После прокачки системы выходной канал 14 сравнительной ячейки 16 закрывается заглушкой 15 и поток элюента остается только в сквозном отверстии 8 измерительной ячейки 7. Сравнительное сквозное отверстие 13 при этом заполнено неподвижным элюентом. Гидравлическая связь между ячейками обеспечивает дополнительный гидравлический баланс в предлагаемой двухлучевой системе анализа.

Система анализа работает следующим образом. Коллимированный световой поток источника излучения 1 после коллиматора 2 разделяется на две равные части светоделителем 3. Световой поток, прошедший через светоделитель 3, попадает в сравнительное сквозное отверстие 13, а световой поток, отраженный светоделителем 3 после зеркала 4 попадает в измерительное сквозное отверстие 8. Излучение, существующее в сквозных отверстиях 8, 13 в виде двух параллельных коллимированных пучков света после прохождения сквозных отверстий 8, 13 попадает на фотоприемники 9, 12. С помощью фотоприемников 9, 12 прошедшее через сквозные отверстия 8, 13 излучение преобразуется в электрические сигналы, которые усиливаются и обрабатываются логарифмическим усилителем 11 и подаются на регистратор. При работе системы компоненты пробы последовательно выходят из разделительной хроматографической колонки. При прохождении через сквозное измерительное отверстие 8 компоненты пробы частично поглощают излучение, поступающее на вход отверстия 8. Поглощение излучения преобразуется с помощью фотоприемников 9, 12 и логарифмического усилителя 11 в электрический сигнал, пропорциональный изменению ΔД оптической плотности элюента, линейно зависящей от концентрации компонента пробы на выходе разделительной хроматографической колонки.

Преимущество предлагаемой конструкции по сравнению с известной является повышение точности хроматографического анализа за счет полной компенсации влияния световых и механических нестабильностей источника излучения. При этом известная система анализа [2] обеспечивает полную компенсацию влияния только световых нестабильностей (светосилы и распределения поверхностной яркости) источника излучения, но не обеспечивает полную компенсацию влияния механических нестабильностей (перемещения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора) источника излучения. Предлагаемая система анализа обеспечивает одновременную и полную компенсацию влияния всех световых и механических нестабильностей источника излучения (нестабильностей светосилы и распределения поверхностной яркости, перемещений источника излучения вдоль оптической оси и в фокальной плоскости коллиматора). Тем самым обеспечивается повышение на порядок точности хроматографического анализа с помощью двухлучевой системы анализа. При этом в прототипе амплитуда случайного смещения нулевой линии, вызванная механическими нестабильностями источника излучения, на порядок превышает амплитуду шумовых флуктуаций нулевой линии. В то же время в предлагаемой конструкции амплитуда случайного смещения нулевой линии, вызванная всеми световыми и механическими нестабильностями источника излучения, не превышает амплитуду шумовых флуктуаций нулевой линии.

Использование: изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано в хроматографическом анализе жидкости. Сущность изобретения: в двухлучевой системе анализа для жидкостной хроматографии, содержащей источник излучения, коллиматор, светоделитель, зеркало, расположенное на расстоянии A от светоделителя, две параллельные между собой и имеющие равные диаметры луча ячейки со сквозными отверстиями, средства, обеспечивающие подачу жидкости во внутреннюю область каждого сквозного отверстия, два фотоприемника, ячейки расположены со смещением D относительно друг друга по ходу лучей и в направлении оптической оси, причем вход одного из сквозных отверстий расположен на расстоянии C от светоделителя, при этом смещение D и расстояния A, B, C связаны между собой равенствами D=A, C=B+A. 1 ил.

Двухлучевая система анализа для жидкостной хроматографии, содержащая источник излучения, расположенные по ходу излучения на оптической оси системы коллиматор, светоделитель, расположенный под углом к оптической оси системы, зеркало, расположенное на расстоянии A от светоделителя параллельно ему, две параллельные между собой с расстоянием A между своими осями ячейки, ось одной из которых совпадает с оптической осью системы, выполненные в ячейках сквозные идентичные отверстия, оси которых совпадают с осями ячеек, герметично установленные в сквозных отверстиях прозрачные уплотнительные элементы, выполненные в ячейках входные и выходные каналы для создания потока жидкости во внутренней полости сквозных отверстий ячеек, фотоприемники, отличающаяся тем, что ячейки расположены со смещением D друг относительно друга по ходу излучения таким образом, что одна ячейка расположена на расстоянии B от зеркала, а другая на расстоянии C от светоделителя при соблюдении соотношения D A, а C B + A.