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Mehr Licht! UV- und Diodenarray-Detektor

2.1 Der UV-Detektor

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Der UV-Detektor detektiert natürlich kein UV-Licht, sondern das Verschwinden davon: Wenn es in der Zelle „dunkler wird, weil eine Substanz das von der Deuteriumlampe ausgeschickte Licht abschwächt, erzeugt der Detektor ein positives Signal, das als „Peak im Chromatogramm erscheint.

Die physikalische Erklärung der Absorption ist ziemlich komplex, für dieses Praxisbüchlein darum nur die wichtigsten Fakten:

Das Lambert-Beer’sche Gesetz ist eine Vereinigung des Bouguer-Lambert’schen Gesetzes über die Schwächung der Strahlungsintensität mit der Weglänge beim Durchgang durch eine absorbierende Substanz mit dem Beer’schen Gesetz über den Zusammenhang der Intensitätsschwächung mit der Konzentration der absorbierenden Substanz. Alles klar?

Also, einfach ausgedrückt ist die Absorption bei gegebener Wellenlänge abhängig von der Schichtdicke und der Konzentration. Noch einfacher: je dicker, desto dunkel!

Schichtdicke, das ist einfach die Länge der Küvette, meistens 10mm. Wäre sie wesentlich länger, hätte man eine höhere Absorption, aber irgendwann keine scharfe Trennung mehr für einen bzw. mehrere Peaks.

Die Konzentration wollen wir ja erst bestimmen, bleibt noch die Wellenlänge als Parameter: Die Absorption ist frequenzabhängig. Die Ursache liegt in der Bandstruktur des Materials, also unserer Probe in der Messzelle, bei dem Photonen bestimmter Energie Atome oder Moleküle anregen, die Quantenübergänge mit genau dieser Energiedifferenz in der Elektronenhülle oder in ihren Molekülschwingungen besitzen.

Auf gut Deutsch: Da verschiedene Stoffe bei unterschiedlichen Wellenlängen das Licht absorbieren, müssen wir auch bei eben diesen Wellenlängen messen.

Es gibt fast nur noch UV-Detektoren mit variabler Wellenlänge auf dem Markt, Filterphotometer haben nur noch einen sehr geringen Marktanteil. Eines haben sie jedoch hinterlassen: die ominöse Zahl 254Nanometer. Unzählige Applikationen existieren, bei denen gerade diese Wellenlänge als Einstellvorschrift angegeben ist.

Der Grund ist ziemlich einfach: Die alten Photometer hatten nur ganz einfache, aber sehr energiereiche Quecksilberdampflampen und deren Hauptlinie lag bei eben diesen 254,1 nm.

Abgesehen von einigen Sonderfällen haben moderne Filterphotometer eine Lichtquelle, die ein kontinuierliches Spektrum aussendet. Die gewünschte Wellenlänge wird durch einsteckbare oder elektromechanisch wählbare Filter ausgewählt.

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Das von der Lichtquelle (1) erzeugte Gesamtspektrum wird durch die Linse (2) fokussiert und durch das Filterrad (3) geleitet. Dann wird im Strahlenteiler (4) ein wenig davon abgeleitet auf den Referenzkanal (7), der Rest geht dann endlich durch die Messzelle (5), um irgendwann die Photodiode (6) zu erreichen und diese mehr oder weniger zu belichten. Der Referenzkanal ist immer notwendig, um einen Messwert für das Licht ohne Zelle zu bekommen. Dieser dient als Vergleich, um Lampenintensitätsänderungen zu erfassen. Die in der HPLC üblichen Photometer haben immer eine Taste, mit der sich die Werte von Mess- und Referenzkanal als Zahlenwert darstellen lassen. Dieser ist dimensionslos und von Gerät zu Gerät verschieden, erlaubt aber zwischen baugleichen Geräten eine Aussage über den Zustand der Lampe und der anderen optischen Komponenten.

Der UV Detektor mit variabler Wellenlänge ist wesentlich komplexer aufgebaut.

2.1.1 Funktionsprinzip eines UV-Detektors

Weißes Licht ist ja bekanntlich eine Mischung aus unterschiedlichen Wellenlängen und wird beim Durchgang durch ein dichteres Medium gebrochen, so dass man die einzelnen Spektralfarben sehen kann.

Für sichtbares Licht funktioniert das mit einem Glasprisma ganz gut, allerdings ist das spektrale Auflösungsvermögen nicht konstant, soll heißen, das sich ergebende Spektrum ist nicht linear.

Für das uns interessierende UV-Licht und die hohen Ansprüche an Linearität für Messzwecke kommt daher ein Monochromator zum Einsatz.

griech.: mono = ein + chroma = Farbe

Im Gegensatz zum Prisma wird das Licht hier nicht dispergiert, sondern gebeugt. Lassen wir die physikalischen Formeln wie immer außen vor und beschränken uns auf diese Definition:

Gitter erzeugen bei Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge eine Serie von Linien konstruktiver Interferenz beiderseits der Richtung des einfallenden Strahls.

Nehmen Sie eine CD zur Hand und halten Sie diese schräg gegen eine Lichtquelle. CDs weisen Spurabstände um 1,6 μm auf, so dass sie sich direkt als Gitter für den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums (Wellenlängen 400–700 nm) eignen und ein schönes Regenbogenspektrum erzeugen.

Schneiden Sie nun ein kleines Rechteck aus der CD aus und stellen Sie es in den Strahlengang eines Detektors: Das ist das „abbildende Gitter“. Es ist aber nicht plan, sondern konkav, denn die Kombination eines Gitters mit einer konkaven Oberfläche, die also einen Hohlspiegel bildet, hat den Vorteil, dass dadurch die gebeugte Strahlung gleich fokussiert wird, ohne dass weitere optische Elemente nötig sind.

2.1.2 Aufbau eines UV-Detektors mit variabler Wellenlänge

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Die Deuteriumlampe (1) schickt das Licht durch das Quarzfenster (2) (manchmal ist dieses auch als fokussierende Linse ausgelegt) und eine Blende (3) auf den ersten Spiegel (4), der wiederum reflektiert es auf unseren gewölbten Monochromator, und dieser schickt es durch die Zelle auf eine Photodiode. Hierbei handelt es sich, wie beim beschriebenen Filterphotometer auch, um ein Halbleiterelement, das bei Belichtung einen von der Bestrahlungsstärke abhängigen Strom liefert, der über einen Verstärker in ein proportionales Spannungssignal umgewandelt wird.

Der Monochromator lässt sich um seine Längsachse drehen, früher mit der Hand an einem kleinen Drehknopf, heute macht das ein Motor. Damit wird die ausgewählte Wellenlänge, und nur diese, durch die Zelle geschickt.

Unterschied zum Diodenarray-Detektor: Dort wird das gesamte Spektrum durch die Zelle geschickt. Außerdem sind „normale“ Detektoren immer als 2-Strahlgeräte aufgebaut, d. h. ein Lichtstrahl geht wie beschrieben durch die Zelle, ein zweiter durch ein Loch neben der Zelle. Dieser dient als Referenzstrahl und geht auf eine zweite Photodiode. Diese lässt sich über einen Schalter abfragen, so dass man einen Vergleich von Mess- und Referenzseite erhält. Die Anzeige Referenzseite gibt an, wie viel „Energie“ von der Lampe ankommt, ohne durch die Zelle abgeschwächt zu werden und ist daher als Vergleichswert für die Lampe zu verwenden. Das Handbuch gibt normalerweise einen Wert für die Referenzanzeige bei neuer Lampe an. Sinkt dieser nach entsprechender Laufzeit erheblich ab, ist eine neue Lampe fällig. Wird der Richtwert dann aber auch mit neuer Lampe nicht erreicht, geht irgendwo Energie verloren im System. Typisch ist der Verlust an diesen Stellen:

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Das Fenster muss ausgewechselt werden, um wieder genügend Energie auf die Optik zu bringen.

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Nach Spiegel und Monochromator geht’s endlich in die Zelle, die sieht schematisch so aus:

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Die Form der Zelle und derer Zuleitungen hat mit Strömungseffekten in sehr dünnen Leitungen zu tun (vgl. Kapitel 6, Verbindungen), durch den „Knick“ soll eine besonders gleichförmige Durchströmung erreicht werden.

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So sieht eine Zelle einfacher Bauart aus. Ein Loch, auf beiden Seiten verschlossen mit einem Fenster aus Quarz. Viele Hersteller setzen anstelle der einfachen Fenster Linsen ein, um den Strahlengang zu optimieren und gelegentlich auch noch eine Loch- oder Schlitzblende, die den Lichtstrahl etwas kleiner macht als die Bohrung. All das dient dazu, die neben der reinen Absorption auftretenden Effekte so weit wie möglich zu minimieren.

Schnittzeichnung durch eine typische Zelle.
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UV-Zellen sind sehr druckstabil, normalerweise bis 50 bar. Das hat den Vorteil, dass man einen leichten Gegendruck auf den Ausgang geben kann, um winzige Luftblasen am Vergrößern zu hindern (siehe Kapitel 5, Degaser). Außerdem kann man einen zweiten Detektor an den Ausgang anschließen, was bei Fluoreszenzund RI-Detektoren aufgrund der Zellkonstruktion nicht möglich ist.

Die Absorption der UV-Strahlung nimmt mit der Schichtdicke zu,...