Aus der Abteilung fiir medizinisehe Physik an der Universit/~ts(Hautkt~nik Giegen

Ein DurehfluBspektrophotometer grol~er Empfindlichkeit fiir Absorptionsmessungen an L{~sungen*

Von

Walter Lang Mit 9 Abbildungen

(Eingegangen a~re 20. Januar 1966)

1. Einleitung Ffir spektrophotometrisehe Absorptionsmessungen an LSsungen kann

man bei Gfiltigkeit des Bougner-Lambert-Beerschen Gesetzes die Nachweis- empfindlichkeit proportional mit der ErhShung der Schichtdicke des Absorbens steigern. Eine solehe Empfindlichkeitssteigerung ist im allgemeinen mit einer orheblichen Zunahme des erforderlichen Bedarfes an Probenl6sung ffir die Durchffihrung einer Analyse verkniipft. Stehen nur begrenzte Probenmengen zu Verfiigung, so mug man zwangsl~ufig zu solchen Kiivetten fibergehen, die mit kleinen h 'obenmengen grebe Schichtdicken zulassen. Die in der Literatur versehiedentlich beschrie- benen Kapillarktivetten erfiillen diese Forderung.

So werden z.B. Kapillarkfivetten mit einer Sehiehtdieke yon 5 em be- sehrieben e, 9,~6; andere Autorena, 5, ~,la berichten fiber 10-cm-Kapitlarkfivetten; Absorptionsrohre mit noeh gr613eren Sehiehtcliekena, le sind vorwiegend ffir teehnisebe Zwecke vorgesehen mud sind wegen des grogen Probenbedarfes fiir ]Kikromethoden nieht geeigz~et. Kapillarkiivette~x mit grol3en Sehieht- dicken und Meinen Fiillmengen werden in den verschiedensten Ausfiihrungen von einer Reihe yon Firmen angeboten (zusammenfassende Literatur- iibersieht z.B. a,lo,ta,15).

Ernsthafte Sehwierigkeiten bei der Verwendung von Kapillarkfivetten bereitet das blasenfreie Einfiillen des Probengutes. Zwar sind geeignete Hilfsmittel zur Ffillung der Kapillarkiivetten vorgeschlagen worden (vgl. 10), aber die geinigung der Kiivetten ist umstgndlieh und zeit-

* Unterstfitzt aus Mitteln der Fraunhofer-Gesellschaft zur F6rderung der angewandten Forschung e. V.

W. Lang: Ein Durchflul~spektrophotometer grol]er Empfindlichkeit 53

raubend. Aus diesen Grfinden erseheint es zweckmal~ig, Kapfllarkfivetten kontinuierlich - - also als Durehflul~kfivetten - - zu betreiben.

In jfingster Zeit sind eine Anzahl DurchfluSkolorimeter und -spektro- photometer ffir Absorptionsmessungen an L6sungen auf den Markt gekommen (s. z .B. 1). Jedoch reichen deren nutzbare Schichtdicken nur bis zu maximal 5 cm und der Probenbedarf ist verhii]tnismaSig grol3, da der Innendurchmesser der Kapillare 2 mm nicht unterschreitet.

Im fo]genden soil fiber vor]~ufige Messungen mit Durchflu~kapillaren yon 5 und 10 cm Schichtdicke und 1 mm Innendurchmesser beriehtet werden. Das Fassungsverm6gen der ]0-cm-Kfivette betrggt rund 0,08 ml. Um Bestimmungsfehler infolge der Verschleppung yon Flfissigkeitsresten aus einer L6sung in die n~tehstfolgende zu vermeiden, wird die Kiivette mit der zu messenden LSsung gespfilt. Trotzdem betr~igt im kontinuier- lichen Betrieb der Probenbedarf selbst in ungfinstigen F~illen nur 0,1 ml L6sung je cm Sehiehtdicke; unter gfinstigeren Voraussetzungen kann der Probenbedarf um die H~lfte verringert werden. Bei den angewandten grol~en Schichtdicken yon 5 bzw. 10 cm und dem kleinen Innendureh- messer der Kapillarkfivette yon 1 mm lgBt es sich nieht vermeiden, da~ ein Tefl des eingestrahlten Lichtes auf die Kiivetteninnenwand auftrifft und zum Teil refiektiert wird. I)er dadurch verursaehte Fehler der Absorptionsmessung liegt aber bei den hier allein interessierenden Relativ- messungen (also Verwendung yon Blind- und EichlSsung) innerhalb der Bestimmungsgenauigkeit, wie aus vergleichenden Messungen im Makro- mal~stab und bei ruhender L6sung hervorgeht.

2. $IeBanordnung

Als Leuchte verwenden wir die Glfihlampe 6 V 30 W mit dem zuge- h6rigen Netzanschlul~ger~t yon der Firma Carl Zeiss, Oberkochen. Bevor das Licht auf den Eintrittsspalt des Quarzprismenmonochromators ,,Uvispek" der Firma ~Iilger & Watts ~]]t, wird as mJttels eines rotieren- den Sektors mit 50 Hz moduliert. Hinter dem Austrittsspalt des Mono- chromators sind ein Kondensor, eine kreisf6rmige Lochblende und die Durchflu~kfivette angebracht (s. Abschnitt 2a). Der Photostrom des dahJnter angeordneten SEV ] P 28 der Firma RCA wird mit dem Lock-in- Verst~rker der Firma EMC., Modell RJB, verst~rkt und gleichgerichtet. Die Referenzspannung (50 Hz) wird dem Netz entnommen und die t)hasen- lage fiber den im Verst~rker eingebauten Phasenschieber eingeregelt. An den Gleiehstromausgang des Verst~rkers ist der Linienschreiber ,,Micrograph B D 2 " der Firma K i p p & Z o n e n angeschlossen. Eine (Peris~altik-) Pumpe (s. Abschni t t2b) f6rdert die Probenl6sung mit konstanter Geschwindigkeit dutch die Kapillare. Dem Ansaugschlauch der DurchfluBkapi]lare werden die Proben mit einem automatischen Probenwechsler (s. Abschnitt 2c) zugefiihrt.

5 4 W. Lang : [Mikrochim. Act~

a) Durch/lufiki~vetten Der Kondensor , die Durchflul~kiivet te und der SEV sind wie folgt

h in te r dem Monochroma to raus t r i t t s spa l t angeordne t (vgl. Schni t t - zeichnung, Abb. 1). I n der Hii lse a is t mi t der Fas sung b die Sammel- l inse c en tha l ten . Tefl a wird mi t e inem Bajone t t schne l lve rsch lu$ am Monochromato r befest igt . Tefl a is t m~t der Hii lse d ve r schraub t , die zent r i sch ein in der L~ngsr ich tung verschiebbares Mikroskopokula r e t r i g t .

Das aus dem Monochromatoraustr i t tsspMt austretende Licht wird mit Hilfe der Linse c trod des Okulars e zu einem a.nn/ihernd parMlelen Lichtbtindel yon etwa 3 m m t t6he zusammengezogen. Bei dieser Ar t der Beleuchtung (und wegen der nachgeschalteten Blende) wird nur ein Teil des Lichtst.romes

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Abb. 1. Sehnit~zeiehnung des Kondensors un4 der Durchflugkiivette

far die Messung benutzt (vgl. 7). Wegen tier guten Empfindl iehkei t der elektrischen Meftanordnung wird aber trotz der genarmten Lichtverluste ein gutes, Signal-zu-Rausch-Verhgltnis erzielt (s. unten).

Eine d r i t t e Hfilse ], mi t Teil d ve r seh raub t , t r i ig t d ie mi t je drei k re i sver te i l t en Zen t r i e r schrauben h jus t i e r te Dureh f lugk t ive t t e g. Die Durchflul3ki ivet te , m i t einer Schich td icke yon 10 cm (bzw. 5 era) und e inem Innendurchmesse r yon 1 ram, is t bUS PVC gefer t ig t und an den S t i rnse i ten mi t Quarzfens tern i yon 0,05 m m Dicke ve rk i t t e t . Zwischen d e m Mikroskopokula r und der K i ive t t e is t eine Lochblende ] mi t 1 m m Innendurchmesse r in die H/ilse f eingepaBt. Dich t vor den Endfl/~chen t ier K t i v e t t e s ind zwei a m 180 ~ verse tz te V 2 A - K a p i l l a r e n m mi t 1 m m Innendurchmesse r und 1 , 5 r a m AuBendurchmesser e ingeki t te t . (~ber diese Kap i l l a re s ind PVC-Schl~uche k, I nnendurchmesse r 1 ,5 ram, AuBendurchmesser 2,1 m m gezogen und zur Zugen t l a s tung mi t je e inem anfge ldeb ten PVC-Ring n versehen. U m das E i n t r e t e n yon St reu l ich t zu vermeiden, s ind die PVC-ScMguche mi t undurchs ich t igem Mater ia l 1 umman te l t . Das SEV-Gehgnse wird an die Hiilse [ ebenfal is mi t e inem

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BajonettschnellversehluB angesetzt. Bei der Verwendung yon 5-cm- Kiivet ten der gleiehen Bauar t wird Tell ] gegen eine entspreehend kfirzere ttfilse ausgetauscht.

])as verwendete Kiivetten- und Schlauchmaterial (PVC bzw. Tygon) setzt der Untersuehung yon L6sungen, die organische L6sungsmittel enthalten, enge Grenzen (vgl. auch 2). Es ist deshalb geplant, die Durchflul~kiivette aus Teflon zu fertigen und als Sehlauchmaterial ebenfMls Teflon zu verwenden. Aul]erdem sollen die Stirnfenster der Kapillare in anderer Weise (ohne Verwendung yon Kibb) ~ngebracht werden.

b) Peristaltikpumpe Die Abb. 2 zeigt die Pumpe in Aufsieht und Seitenansieht (es ist

jewefls nut eine H~lfte dargestellt, da die Pumpe symmetrisch aufgebaut

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Abb. 2. Schnittzeichnung der Peristal~ikpumpe in Aufsicht mit abgenommenem neckel (linke Bild. h~iHte) and in Seitenansicht mit seitlich versetztem Deckel (rechte Bildh~lfte)

ist). In der ]inken Bfldh~lfte (Aufsicht) ist der Deutlichkeit hMber der Deckel ~bgenommen und der Kunststoffsch]auch ] i m Schnitt gezeichnet. Der Rotor a im PumpenkSrper b wird fiber die Antriebswelle c yon einem Kleinstgetriebemotor mit Vorgelege angetrieben. Der Rotor a tr~gt kreisverteilt vier Kugellager d, deren Achsen e parallel und in gleichem Abstand yon der Achse c angebracht sind.

Bei der in der Schnittzeiehnung angenommenen Drehriehtung ent- gegen dem Uhrzeigersinn wird der in HShe der Kugellager gefiihrte Kunststof~schlauch f dutch die aufgeklebte Kunststoffmanschette g gehMten. Bei der Drehung des Rotors a pressen die Lauffl~chen der Kugellager d den Kunststoffsehlauch / gegen die Innenwand des Pumpen- kSrpers b. Der kleinste Abstand zwischen der Lauffl~iche der Kugellager und der Innenseite des PumpenkSrpers ist etwas kleiner gew~ihlt Ms der doppelten Wandst~rke des Kunststoffschlauehes entspricht. W~hrend des Umlaufes des Rotors ist der Kunststoffschlauch stets an mindestens einer Stelle abgedriiekt (vgl. Seitenansicht, Sehlauch/). Auf diese Weise wird zun~chst aus dem Kunststoffschlauch w~hrend des Anfahrens die

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Luft verdrgngt und der am rechten Sch]auchende entstehende Unterdruck saugt die Probenfliissigkeit an und fSrdert sie mit annghernd konst~nter Geschwindigkeit.

In der Seitenansicht ist abweichend yon der Aufsicht noch der Deckel h des PumpenkSrpers, zur besseren Darstellung seitlich versetzt gezeichnet, sichtbar.

Die Pumpe wird angetrieben durch einen netzgespeisten Motor mi t Stirnradgetriebe in oftener Bauform (Firma Heidolph-Elektro, Typ G I I mit Motor Eg 10, zirka zwei Umdrehungen pro Minute). Der ffir die Pumpe verwendete Kunststoffsch]auch h~t einen Innendurchmesser yon 1,4 mm und einen Aul~endurchmesser yon 3 ram. Die Pumpe fSrdert unter diesen Bedingungen 0,67 m] Fliissigkeit in der Minute. Durch Anderung der Drehzahl der Pumpe k~nn die FSrdermenge gegndert werden.

c) Automatischer Probenwechsler (Abb. 3)

Mit der Grundplatte a ist die S~ule b lest verbunden. Die Itfilse c umschliel~t die Sgule b u n d i s t in vertikaler Richtung (konzentrisch zur Sgule) verschiebbar. Eine Lgngsnut in der tIiilse c, in die ein Stilt d eingreift, der fiber die I-Ialterung e mit der Grundplatte lest verbunden ist, verhindert die Drehung der Hfilse c. Aul~erdem trggt die Hiilse c ein Kugellager ] (s. unten), sowie eine Blattfeder mit Raste g. Eine weitere ttfilse h ist mit dem Probenwechselteller i fiir sechs Proben- beh~lter ~ (hier ist nnr ein Probenbehglter eingezeiehnet) und mit der Rastenscheibe /c fest verbnnden. Die ]{iilse h lgBt sieh um die S~tule b drehen und in vertik~ler l%iehtung verschieben (s. unten). Aul~erdem sind auf der ttiilse h sechs Kugelsenkungen kreisverteilt angebracht, in die nacheinander die Blattfeder mit Raste g einrasten kann.

Fiir den Antrieb des Probenwechslers verwenden wir einen netz- gespeisten Motor (mit Stirnradgetriebe) der Firma tteidolph-Elektro (Type: G I I mit Motor Eg 10 mit 2 Umdrehungen/min). Mit Hflfe leicht austauschbarer Zahnradsgtze kann die Umdrehungszahl der Antriebswelle l stufenweise gegndert werden. ~ b e r den Kegeltrieb m wird die Drehung auf die Achse n iibertragen. Die Lagerung der Achse n erfolgt dureh Kuge]lager an beiden Enden (der ~bersichtlichkeit wegen in der Zeiehnung nieht angegeben). Mit der Aehse n sind ~ul3er dem einen Kegelrad noch folgende Tefle lest verbunden: Die Scheibe o mit dem Rastst if t /~, sowie die Seheibe q mit der Fiihrungskurve r. Diese ist mit der Seheibe q verschraubt.

Zur Beschreibung der Funktionsweise des Probenweehslers gehen wir yon der in der Zeichnnng angegebenen Stellung aus: Bei der Drehung der Achse n i m Uhrzeigersinn lguft das Kugellager ] zungehst auf die schiefe Ebene der Kurve r auf (s. Abwieklung), wodurch die Hfilse c

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mit der lose aufliegenden tttilse h (lest verbunden mit der Rastenscheibe ]c und dem Probenteller i) nach oben verschoben wird. Bei diesem Vorgang verhindert die l~astfeder g eine Verdrehung der Hfilse h. Der Hub des Probentellers ist d~bei dutch die maximMe ttShe der Ftihrungskurve r festgelegt und so bemessen, dM] die Ansaugkapil]are (in der Zeichnung nicht dargestellt) bis in Bodenn~he des jeweiligen Probenbeh~lters eintaucht. Bei der weiteren Drehung der Ftihrungskurve r l~uft das Kugellager f in konstanter t tShe (s. Abwieklung), so dM~ w~hrend dieser Zeit die Ansaugkapillare in den Probenbeh~tlter eintaueht. Der eigent]iche

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Abb. 3. Automat ischer l~robenwechsler

Probenwechsel erfolgt in der Weise, dal~ am Ende der Ftihrungskurve das Kugellager ] auf die Seheibe g abf~tllt; dadurch wird der Probenteller um die gleiche Strecke gesenkt, so dab das untere Ende der Ansaug- kapillare zirka 3 mm oberhMb des betreffenden Probenbeh~lters steht; bei der weiteren Drehung der Aehse 1 greift der Raststift p in die Rast- seheibe /~, die Sperrung der Hiilse h dureh die Blattfeder mit Raste g wird iiberwunden und der Probenteller dreht sich. SobMd sich die n~ehste Probe unter der Ansaugkapillare befindet, raster die Blattfeder wieder ein und zugleieh kommt der l~aststilt p aul~er Eingriff. Danach wird der Probenteller angehoben (s. oben).

3. Betriebseigenschaften der benutzten Meganordnung

In den folgenden Absehnitten wird fiber den nutzbaren SpektrM- bereich, die LinearitHt der Anzeige, den Probenbedarf - - und damit

58 ~7. Lang: [Mikrochim. Acta,

zusammenhi~ngend die Verschleppung und Durchflul~geschwindigkeit - - sowie fiber die Stabiliti~t der Anzeige und die minimal mef~b~re Extinktion bzw. Konzentration berichtet.

a) Nutzbarer Spektralbereich

Den nutzbaren Spektralbereich eines Spektrophotometers kann man mit der effektiven spektralen Empfind]ichkeit des Ger~tes charak- terisieren. Unter effektiver spektraler Empfindlichkeit wollen wir den

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Abb. 4. Eflekt ive spektra.le Empfiadt iehkei t der ~ '~e~nordnung mi t 10-cm-D~]rclfflugkapillare. Er l~uterungen s, Text

mit konstanter spektraler Bandbreite bei verschiedenen Wellenlgngen gemessenen Photostrom des betriebsbereiten Ger~tes verstehen, bezogen auf den maximal gemessenen Photostrom. Das so definierte Verhi~ltnis ist also abh~ngig yon der spektra]en Intensitgtsverteilung des ver- wendetenKontinuums~rahlers,den Durchli~ssigkeiten des Monoehromators, des Kondensors, der Fenster an der Kapillarkfivette und des SEV- Fensters, sowie der spektralen Empfindliehkeit des Photomultipliers. Das Ergebnis dieser Messungen ist in Abb. 4 in halblogarithmischer Darstellung wiedergegeben. Die effektive spektrale Empfindlichkeit hat ihr Maximum bei 4500 A, ihre ,,Zehntelwertbreite" entsprieht einem Spektralbereieh yon 2700 A (zwisehen zirka 3400 und 6100 ]k).

Das Abfallen der Knrve auf der langwe]ligen Seite des Spektrums ist in der Hauptsaehe dutch die Abnahme der Spektralempfindlichkeit

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des SEV bedingt, dessen maximale Empfindlichkeit nach Angaben der Herstellerfirma bei 3400 ~ liegt. Nach der kurzwelligen Seite zu ist die DurcM~ssigkeit des hier verwendeten Mikroskopokulars (ftir das sichtbare Gebiet) ffir die relative spektrale Empfindlichkeit der MeBanordnung ausschlaggebend. Mit der Verwendung einer Quarzoptik kSnnte der nutzbare Spektralbereich des DurchfluBspektrophotometers bis zur unteren Durchlgssigkeitsgrenze des Quarzprismenmonochromators (2000 A) ausgedehnt werden.

Urn die Stabilitgt der beschriebenen Mel3anordnung zu ver- anschaulichen, shad in Abb. 5 die Registrierkmven yon Messungen an w~Brigen Kaliumpermanganat]Ssnngen unterschiedlicher Konzentration mit der 10-cm-Durch~luB- kiivette bei 650nm wieder- gegeben. Obgleich gem~l~ Abb. 4 die relative spektrale Empfind]ichkeit bei 650 nm nur etwa l~o der Maxima]- empfindlichkeit ausmacht und obwohl die Zeitkonstante nur 1 Sekunde betr~gt, ist die MeBwertanzeige stabil und auf besser als =[: 1,3 % reproduzier- bar. Dem Diagramm ist weiter zu entnehmen, dab sich die unten zu besprechenden Ver- schleppungseffekte im vor- ]iegenden Fal]e ~iberhaupt nicht bemerkbar machen.

0- I I ] Min.

Abb. 5. ~eproduzierbarkeitsmessnngen mit der 10-cm- DurchfluBkiivette an w~iBrigen KMnO~-LSsungen unter- schiedlicher Konzentration bei 650 rim. DurchfluBmenge: 0,67 ml/rain. Die LSsungen wurden hintereinander

(ohne Erneuerung der LSsnng) durchgemessen

Das Absinken der optischen Durchl/~ssigkeit der DurchftuBkapillare auf den Wert Null w/ihrend des Probenwechsels in der Kapillare ist wie folgt zu erklaren: Da die FSrderpumpe kontinuierlich arbei~et und die Ansaug- kapillare watlrend des Probenwechsels far eine gewisse Zeitspanne nicht in LSsung taucht, wird Luft angesaug~. Dadurch ist bei den gew~hlten Betriebs- bedingungen jede Fltissigkeitss~iule in der Schlauchleitung dutch eine Luft- saule yon etwa 3 em Lange yon der n~iehstfolgenden Fli~ssigkeitss~ule getrennt. (Auf diese Weise wird eine unerwi;msehte Durchmisehung versehiedener aufeinanderfolgender L6sungen vermieden und die Verschleppungseffekte sind minimal.)

Wenn nun die Luftsaule in die DurzhflufSkapfllare eintritt, so bleibt bei tier beschriebenen Konstruktion der Kiivette ein sehr ldeiner Fliissigkeits- pfropfen der vorausgehenden LSsung unmittelbar am Fenster der Xiivet~e zuriiek. (Entspreehendes gilt, wenn die Luftsaule den Austrittstutzen der DurchfluBkapillare erreicht.) Infolge Breehung und Reflexion des einge- strahlten Lichtes an diesem Fliissigkeitsrest gelangi nur noch ein geringer Prozentsatz des eingestrahlten Lichtes dutch die Kapillare auf den Strahlungs- empf~nger. Da bei dieser unspezifischen Absorption der Brechungsindex

60 W. Lang: [Mikrochim. Acta

der L6sung eine Rolle spielt, ist dieser Effekt unter anderem abhangig yon der Wellenl~nge des Liohtes, der Art und Xonzentration der L6sung sowie deren Temperatur. Deshalb kann durchaus der Fail eintreten (vgl. Abb. 5), daI3 die optische Durchl/issigkeit der Durchflul~kapil]are bis auf Null zurflck- geht.

b) Linear~t~tspri~/ung

Die Linearit~tsprfilung der Mel~anordnung (genauer die des SEV, des Lock-in-Verst~rkers und des Linienschreibers) haben wir in An- lehnung an d~e yon Hansen vorgeschlagene Additionsmethode (vgl. Korti~m n) wie folgt durchgefiihrt: Von zwei Glfihbirnen A und B wurde zun~chst der Photostrom der Lampe A, danach unter sonst g]eiehen

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A b b . 6, B e t r a g d e r m a x i m a l e n L i n e a r i t S t s a b w e i c h u n g d e r D u r c h l ~ s s i g k e i t s s k a l a i n A b h ~ i n g i g k e i t y o n d e r D u r c h l ~ s s i g k e i t

Bedingungen der Photostrom der Lampe B u n d schliel~lich der Photo- strom beider Lampen gleichzeitig gemessen. An insgesamt sieb~n ver- schiedenen Ste]len tier Durchl~ssigkeitsskala wurden jewefls sechs Einzel- messungen durchgeffihrt, die relative Abweichung zwischen der Summe der einzeln gemessenen PhotostrSme und des yon beiden Lampen gleich- zeitig gemessenen Photostromes ermittelt. Der Betrag dieser Abweichung (in ~o) w~rde fiber den jewefligen Durch]~ssigkeitswerten aufgetragen (Abb. 6).

Bei der bier angewandten Methode der Linearit~itsprfifung ist zu beachten, dab sich insbesondere im Bereich niedriger Werte der Durch- lassigkeitsskala Ablesefehler stark bemerkbar maehen. So entspricht bei 210ram Sehreibbreite des Liniensehreibers einer Durchlassigkeit yon 10% ein Ausschlag von 21 ram. Wird diese Anzeige im Routine- betrieb auf 1/2 mm genau abgelesen (geschs Breite des Linienzuges 1/3 ram), so mu2 man einen Ablesefeh]er yon 2,4% in Rechnung stellen. Bei einer Durchlassigkeit yon 90% hingegen reduziert sich dieser Feh]er

1967/1] Ein Durchflu~spektrophotometer groi~er Empfindlichkeit 61

auf fund 0,3 %. Unter diesem Gesichtspunkt betrachtet stellt die Lineari- t~tsabweichung gem~B Abb. 6 Maximalwerte dar. Ffir Werte der Durch- t~ssigkeit oberhalb 0,5 ist also der Linearit~tsfehler sicherlich kleiner als 0,5%. Fiir niedrigere Werte der Durchl~ssigkeit (einen Bereich also, tier z.B. wegen nichtlinearer Eichkurven und geringerer Bestimmungs- genauigkeit praktisch selten genutzt wird), mu~ man unter Umst~nden mit einer grS~eren Linearit~tsabweichung als 0,5% rechnen.

c) Probenbedar/

Bei Durchflul~kapillaren mit grol~er Schichtdicke (50 bzw. 100 ram) und kleinem Innendurchmesser (1 ram) wird die efforderliche Proben- menge fiir die Durchfiihrung einer Analyse im kontinuierlichen Betrieb im wesentlichen dutch den Grad der Verschleppung yon Fliissigkeitsresten einer LSsung in die n~chstfolgende LSsung ("wash"-Effekt , "memory"- Effekt, "carry over"-Effekt) bestimmt. Denn wie in Abschnitt a) bercits erw~hnt wurde, bleiben insbesondere an den Stirnfenstern der Durchflul3- kapillare geringe Fltissigkeitsreste der vorangehenden Probe zuriick, welche mit der zu messenden neuen LSsung zun~chst aus der Kiivette herausgespiilt werden miissen. Aber trotz des erw~hnten iNachtefls der Ktivettenbauart und trotz der langen Zuleitungen zur Kiivette, sowie der unstetigen Uberg~nge in den StrSmungsquerschnitten, ist der Ver- schleppungsgrad sehr gering, wie im folgenden gezeigt werden so]l.

Die besonders bei L6sungen stark unterschiedlicher Konzentration zu erwartende Versch]eppung kann bei hinreichend grol3em Flfissigkeits- durchsatz durch die Kapillare praktisch vollsts ausgeschaltet werden, wie Abb. 7 zeigt.

Fiir diese Messungen mit der 5-cm-Durchflul3kiivette wurden nach- .einander dest. Wasser (a) und Methylenb]au unterschiedlicher Ver- diinnung (b, c, d) und anschliei3end die gleichen L6sungen in umgekehrter Reihenfolge (c', b', a') gemessen. Die Durchflul~menge betrug 3,5 ml/min, die Durchflu~geschwindigkeit durch die Kapillare 75 mm/sek und der Probenbedaff pro Einzelmessung insgesamt etwa 1,2 ml, oder --- auf die Schichtdicke 5 cm bezogen - - z i r k a 0,24 ml/cm. Obgleich sich bei dem ~bergang yon der LSsung a zu den LSsungen b, c, d die Extinktions- werte stark ~ndern, n~mlich yon 0 auf 0,074 (D : 0,844), 0,210 (D : 0,617) und 0,478 (D : 0,333), ist in der Registrierkurve ein Verschleppungs- effekt kaum zu erkennen.

Auch bei der hier verwendeten 10-cm-Durchflul~kiivette ]~l~t sich ~egen der relativ geringen Verschleppung der Probenverbrauch sehr niedrig halten, wie Abb. 8 zeigt. Die Durchflul~kiivette wurde zun~chst mit dest. Wasser gespfilt und danach zweimal hintereinander mit der gleichen Methylenblau]Ssung (al, a2) beschickt. Anschlie~end ~mrde die ~(api]lare dreimal mit dest. Wasser gespii]t (bl, be, b~). Im Gegensatz

62 W. Lang : [Mikrochim. Acta

zum vorigen Beispiel mit der 5-cm-Kiivette ist hier die Verschleppung unverkennbar. Allerdings sind bei der 10-cm-Kfivette die Megbedingungen wesentlieh nngfinstiger gew~thlt als im vorigen Beispiel: Die DurehfluB- menge ist kleiner (1,6 ml/min), dis Durchfluggeschwindigkeit ist kleiner (34mm/sek), der Probenverbraueh pro Einzelmessung betr/igt nur 0,48 ml, die Sehiehtdicke ist doppelt so grog, dis Durehl/~ssigkeit der MethylenblaulSsung betr~gt 16,5~o (Extinktion 0,783). Trotz dieser kritischen Megbedingungen ist dem Diagramm zu entnehmen, dag bereits mit der zweiten Probe ein und derselben LSsung (a 2 bzw. b.2)

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Abb. 7. Zur Pr i i fung auf VerschlepPung bei der 5-cm-DurchfluBkapil lare. Die Kapi l ]are wurde in der l~eihenfolge A q u a desk. (a), IV[ethylenblau unterschiedl icher Verd t tanung (b, c, d) und ~n- sclfliel~end in u m g e k e h r t e r ~e ihenfolge mi t den gleichen L~sungen beschickt (c', b', a'). Einfacher t ' fe i l : Regis t r ie r r ich tung. noppelpfe i l : Strahlen-

g a n g abgedeckt (Durchl~ssigkei~ Null)

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Abb. 8. Z u m Versehleppungsef fek t bei der 10-cm-Durehflul3kttvette (vgl. =tkbb, 7). Die Ki ivegte wurde zun~ehst m i t en tsa lz tem Wasse r gespii l t u~et anschl iegen4 m i t zwei P roben (a,, a2) Methylenblaul(isung ein und derselben Ver4i tnnung beschick~. Danach wurde d re imal m i t en tsa lz tem Wasse r nachgespi i l t (b,, be, ba)

ein konstanter Endausschlag erreicht wird, also die Verschleppung keine Rolle mehr spielt.

Dieses Beispiel zeigt, dab selbst bei einer Schichtdicke yon 10 cm und bei au6erordentlich grogen Konzentrationsunterschieden, dis man in praxi aus Griinden der MeBgenauigkeit stets vermeidet, zwei Proben ftir die Durchftihrung einer Analyse vSllig ausreichend sind. Wie schon erw~hnt, betriigt der Probenverbraueh pro Einzelmessung 0,48 ml. Der Probenbedarf pro Analyse liegt deshalb bei weniger als 1 ml, oder auf die Schiehtdicke 10 cm bezogen, bei weniger als 0,1 ml pro cm. Bei aufeinanderfo]genden LSsungen geringer Xonzentrationsunterschiede (vgl. Abb. 9) ist unter vergleichbaren Bedingungen der Sehiehtdicke und Durchflugmenge praktisch kein Verschleppungseffekt festzustellen,

1967/1] Ein Durchflu$spektrophotometer gToi~er Empfindlichkeit 63

so dal~ man bereits mi t einer einzigen Messung auskommen kann. In diesem Falle reduziert sich der Probenbedarf um die H~lfte auf zirka 0,5 ml bzw. 0,05 ml/cm Schichtdicke.

el) Vergleichsmessungen Bei den beschriebenen Durchflui~kapillaren mit groSer Schichtdicke

und geringem Innendurchmesser 1/s es sich nicht vermeiden, dab ein Teil des eingebrachten Lichtes auf die Kiivetteninnenwand auff~llt. Es stellt sich die Frage, ob dadurch ein nennenswerter Fehler der Extink- tionsmessung bzw. der Konzentrat ionsbest immung der LSsungen ver-

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Abb. 9. Reg i s t r i e rku rven yon ~ e s s u n g e n an Ka l iumchroma t lSsungen i m Konzent ra t ionsbere icb 0 bis 20 ng Cr/ml m i t tier 10-cm-Kiivet te . l~egis t r ie rkurven in der rech ten Bildh~lfte ohne Skalen- dehnung, l~egis t r ierkurven in tier [ inken Bildh~Ifte m i t Ska lendehnung (~u l lpunk t unterdr f ick t )

u m den F a k t o r 2

ursacht wird. Falls sich ein solcher Fehler bemerkbar macht, so muB er sieh namentlich bei hSheren Konzentrat ionen in einer starkeren Krfim- mung der Eichkurve /~ul3ern.

Um diese Frage zu kl~tren, haben wir Vergleichsmessungen an der 10-cm-DurchfluSkiivette im MikromaSstab (strSmende LSsung) mit einer 1-cm-Kiivette im MakromaSstab (ruhende LSsung) mit dem PM 4 Q I I I der Fi rma Carl Zeiss, Oberkochen, durchgefflhri. Die Messungen erfolgten unter anderem mit waBrigen Xaliumpe'rmanganat- 15sungen bei 650 nm bei gleichen spektralen Bandbreiten beider Gerate. Die ermittel ten Eichkurven in doppellogarithmischer Darstellung ver- laufen im untersnchten Konzentraiionsbereich yon 0,1 bis 3 # g Mn/ml (10-cm-Kiivette) bzw. 1 bis 30#g Mn/ml (1-cm-Kfivette) geradlinig und unter 45 ~ gegen die Achsen geneigt. Wegen der unterschiedlichen Schicht- dicken (Verh/~ltnis 10:1) sind ffir eine gegebene Konzentrat ion und

64 W. Lang: [Mikroehim. Act~

innerhalb des genannten geradlinigen Teils der Eichkurven die zugehSrigen Extinktionen bei der 10-cm-Ktivette um den ]?aktor 10 gr6Ber als bei der 1-cm-Kfivette. Mit insgesamt 12 verschiedenen Konzentrationen innerhalb des fiberlappenden Bereiches beider Mel3reihen wurde das Extinktionsverhgltnis zu 10 i 0,3% ermittelt.

Aus diesen Vergleichsmessungen darf man folgern, dal~ zumindest fiir die bier allein interessierenden Relativmessungen, bei denen den AnalysenlSsungen geniigend genau nachgebildete Blind- und Eich- ]Ssungen verwendet werden, das auf die Innenwand der Kapillare auf- fallende Lieht keinen merkliehen methodischen Fehler der Extinktions- messung verursaeht.

e) Nachweisgrenzen Abb. 9 zeigt die Registrierkurven yon Messungen mit der 10-cm-

Kiivette an K~liumchromatlSsungen in 0,05-n NaOI-I bei 372 nm im Konzentrationsintervall yon null bis 20 ng Cr/ml. Die Wiederholung der Mel~reihe in der reehten Bildhgl~te zeigt die gute Reproduzierb~rkeit der Mel~werte: VerscMeppungseffekte yon einer LSsung zur anderen sind trotz der niedrigen Konzentrationen im ng/ml-Bereieh nicht erkenn- bar. Die Stabilitgt der Mel~wertanzeige erlaubt die Anwendung der Skalendehnung mit unterdrficktem Nullpunkt und ansehliel~ender Empfind]iehkeitserhShung um den F~ktor 2 (Registrierkurven der linken Bildh~ilfte mit den gleiehen L5sungen). Die Zeitkonstante betr~gt in allen Fgllen weniger als eine Sekund e.

Auch ohne Anwendung der Skalendehnung ist die Absorption yon 5 ng Cr/ml eindeutig nachweisbar. Die Durehfiul~menge betrggt in diesem Falle 0,67 ml/min, der Probenverbraueh pro Einzelmessung zirka 0,22 ml. Daraus folgt, dal~ mit der 10-cm-Durchflul~kiivette unter den gewghlten Betriebsbedingungen weniger als 5 ng Cr/ml bzw. weniger ~ls 1,1 ng Cr nachweisbar sin&

Nebenbei sei vermerk% dal~ sich der letztgenannte Zahlenwert auf den gesamten Probenverbrauch (einschliel31ieh Herausspiilen der voran- gehenden Probe) flit eine Einzelmessung bezieht. Ffir die Messung selbst gentigt eine wesentlich geringere Substanzmenge; denn im quasi- stationgrell Zustand enthglt die 10-cm-Kiivette bei einem Volumen yon rund 80#1 nur 4 . 10 -1~ Cr.

Die Extinktion yon 5 ng Cr/ml betrggt (gemg~ Abb. 9) 0,003. Die minimal me ,ba r e Extinktion liegt also unterhalb 3 . 1 0 -a. I s t das Bouguer-Lambert-Beersche Gesetz erffil]t, so sind im Spektralbereich zwisehen 3300 ~ und 6500-~ quantitative Bestimmungen an L6sungen m6glich, wenn das Produkt aus dem Extinktionskoeffizienten s und der

E 3" 10 -~ = - - 3.10 -4 cm -1 Konzentrat ion c, also s c ~ - , mindestens 10 cm

bet~ggt.

1967/1] Ein Durchflui~spektrophotometer groBer Empfindlichkeit 65

Zusammenfassung

Das aus handels i ibl ichen Baute i len zus~mmengestel l te Spektrophoto- meter ist durch einen automat ischen Probenwechsler, eine Verdr~inger- pumpe u n d Kapi l ]ark i ive t ten mi t 1 m m Innendurchmesse r u n d 5 bzw. 10 cln Schichtdicke erg~inzt. Der Probenwechsel erfolgt kontinuierl ich, die Messung wird an s t rSmender L~Ssung vorgenommen. Obgleich mi t der zu messenden L~isung die DurchiluBkapil!are zuni~chst gespfilt wird, betri~gt der P robenverb rauch selbst in ungfinst igen F~llen nu r 0,1 ml je cm Schichtdicke. Auf den nu t zba ren Spektralbereich, die Linear i t~t der Anzeige sowie auf Versch]eppungseffekte wird gesondert eingegangen. Die im MakromaBstab durchgeft ihrten Verg]eichsmessungen zeigen eine gute (~bereins t immung der Ergebnisse.

Summary

The spectrophotometer built up from the commercial parts has been supplemented by an automatic sample changer, a displacement pump and capillary cells (1 rain internal diameter and 5 or 10 cm layer thickness). The sample change is continuous, the measurement is taken on the streaming solution. Even though the through-flow capillary is rinsed initially with the solution that is to be determined, the consumption of the sample, in even the most unfavorable cases, amounts to only 0.1 ml per cm layer thick- ness. The comparison measurements conducted on a macro scale show a good agreement in the results.

R~sum~

Le spectrophotom~tre montd avec des dl~ments courants duns le commerce est compl~td par un changeur d'dchantillon automatique, une pompe & entrainement et des cuvettes capillaires de 1 mm de diam~tre interne et de 5 ou 10 cm d'dpaisseur. Le changement des 6chantillons s'effectue en con t i nue t la mesure se fair sur la solution qui circule. Quoique le capillah'o d'4coulement se trouve d'abord balay~ par la solution soumise ~ la mesure, la consommation d'6chantillon ne s'dl~ve en elle-m~ine, dans les cas les moins favorables, qu'/~ 0,1 Inl pour ehaque cm d'~paisseur. La lindarit6 de l ' indication est particuli~rement int~ressante duns le domaine spectral utilisable, ainsi que du point de rue de l'effet d 'entralnement. Los mesures comparatives effectu6es /~ l'~chelle macro montrent une bonne concordance.

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