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Verfahren und Meßeinrichtung zur Messung
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des Absorptionsvermögens von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Meßeinrichtung zur Messung des Absorptionsvermögens von Flüssigkeiten,
insbesondere für chromatographische Zwecke.
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Bei der Analyse von kleinen Flüssigkeitsmengen ist eine besonders
sorgfältige Überwachung der Strömungsverhältnisse und der sonstigen physikalischen
Bedingungen erforderlich. Beispielsweise bei der Flüssigkeitschromatographie, bei
der sehr kleine kontinuierliche Flüssigkeitsströmungen gemessen werden, müssen die
mechanischen und thermischen Turbulenzen der Flüssigkeitsströmung zwischen der chromatographischen
Säule und dem Analysegerät möglichst gering gehalten werden. Es kommt vor allem
darauf an, der transparenten Durchflußküvette eine genaue Folge von Flüssigkeitsströmen
mit sich ändernden Eigenschaften zuzuführen, welche die chromatographische Säule
verlassen.
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Zu diesem Zwecke sind bereits Refraktometer bekannt (US-PS 3 674
373), in denen ein möglichst geringer Transportweg für die zu analysierende Flüssigkeit
vorgesehen ist, und wobei
eine möglichst gute thermische Isolation
der zu analysierenden Flüssigkeit erfolgt.
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Es wurde ferner bereits erkannt, daß dem physikalischen Zustand der
Flüssigkeit selbst nach dem Eintritt in die Durchflußküvette besondere Beachtung
geschenkt werden muß. Deshalb wurden Durchflußküvetten möglichst klein ausgebildet,
um eine Vermischung zu vermeiden und die Schärfe der Peaks zu verbessern.
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In gewissen Fällen wurde ein positives thermisches Gleichgewicht der
Küvette mit der Flüssigkeit angestrebt, um Flimmereffekte entlang den Wänden der
Küvette zu vermeiden. Ferner wurden die Küvetten normalerweise so angeordnet, daß
im Bereich der Auslässe Gasblasen aus der Küvette herausgelangen können.
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Es ist ferner eine konische gabelförmige Küvette bekannt (US-PS 3
666 941), deren größere Stirnfläche der Lichtquelle gegenüberliegt, um einen maximalen
Betrag von fluoreszenzerregender Strahlung zu sammeln. Demgegenüber soll durch die
Erfindung eine Durchflußküvette geschaffen werden, bei der andere nachteilige Effekte
vermieden werden und die insbesondere für die Flüssigkeitschromatographie verwendbar
ist. Entsprechendes gilt auch für eine andere bekannte konische Küvette (US-PS 3
792 929), die ebenfalls nicht ohne weiteres für eine Flüssigkeitschrömatographie
geeignet ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Lichtabsorption
in Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Brechungsindex anzugeben, ohne daß dabei
Änderungen des optischen Verhaltens des Systems auftreten, durch die die Zuverlässigkeit
der Meßergebnisse beeinträchtigt wird. Ferner soll eine Meßeinrichtung zur Messung
des Absorptionsvermögens von durch eine Durchflußküvette strömenden Flüssigkeiten
angegeben werden, bei der vermieden wird, daß Licht auf die Wände der Küvette auftrifft.
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Durch die Erfindung sollen insbesondere bekannte Systeme für eine
Flüssigkeitschromatographie verbessert werden, bei denen eine photometrische Analyse
erfolgt. Die Meßeinrichtung für das photometrische Verfahren soll derart verbessert
werden, daß ein
möglichst geringes Probenvolumen der Durchflußzelle
vorgesehen werden kann, ohne daß dadurch die Arbeitsweise der photometrischen Meßeinrichtung
beeinträchtigt wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntis zugrunde, daß eine nicht vernachlässigbare
Störstrahlung durch unterschiedliche Brechungsindices verursacht werden kann, insbesondere
durch einen Linseneffekt, der durch Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Brechungsindex
besonders bei laminaren Strömungen in den Grenzschichten von Flüssigkeiten mit unterschiedlichem
Brechungsindex verursacht wird. Dieser Effekt ist besonders nachteilig in wünschenswert
kleinen zylindrischen Durchflußküvetten. Diese laminare Strömungsverteilung kann
durch die Bezeichnung "dynamische Flüssigkeitslinsen" gekennzeichnet werden. Die
größten Schwierigkeiten treten bei Durchflußküvetten mit einem Volumen von größenordnungsmäßig
1 Microliter auf, welche Durchflußküvetten einen Durchmesser von weniger als etwa
2 mm besitzen. Normalerweise beträgt der Durchflußweg für eine Durchflußküvette
bei ultraviolettem Licht etwa 1 cm, so daß eine Durchflußzelle von 2 mm maximalem
Durchmesser ein Volumen von weniger als etwa 32 Microliter besitzt. Bei steigendem
Durchmesser steigt auch der Linseneffekt bei einer gegebenen Durchflußrate der laminaren
Strömung an.
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Eine Erhöhung des Durchmessers des zylindrischen Strömungskanals ermöglicht
jedoch nicht ohne weiteres die Vermeidung des Linseneffekts, weil der erhöhte Durchmesser
einerseits zu einer unerwünschten Vergrößerung des Probevolumens führt, oder andererseits
zu einer beträchtlichen Verringerung der Länge des Probevolumens. Eine wesentliche
Erhöhung des Volumens ist nicht wünschenswert, weil es dann nicht mehr möglich ist,
sehr kleine Probenmengen wegen der auftretenden Ubergangseffekte zu messen. Durch
Verringerung der Länge der Küvette wird die Größe der Lichtabsorption bei einer
Flüssigkeit mit bestimmten Eigenschaften verringert. Andere bekannte Ausführungsformen
des Strömungskanals bedingen ebenfalls Schwierigkeiten hinsichtlich der Strömungsverteilung.
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Weil durch Flüssigkeitslinsen bedingte Effekte hauptsächlich in den
Grenzbereichen zwischen unterschiedlichen Zusammensetzungen
der
Flüssigkeit auftreten, können durch Vermeidung derartiger Effekte sowohl quantitative
als auch qualitative analytische Vorteile bei der Flüssigkeitschromatographie oder
dergleichen analytischen Systemen erzielt werden, bei denen Änderungen der Zusammensetzungen
auftreten. Eine derartige Einrichtung ist auch vorteilhaft verwendbar in anderen
Fällen, bei denen derartige Linseneffekte auftreten können, beispielsweise aufgrund
von Tempeaturänderungen oder anderen Phänomenen, zur Ausbildung eines Brechungsindex-Gradienten
der Durchflußzelle führen.
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Durch die Erfindung wurde deshalb eine kleine Durchflußküvette geschaffen,
mit der Schwierigkeiten der erwähnten Art dadurch vermieden werden können, daß der
Linseneffekt schnell beseitigt wird, indem eine fortschreitende Vergrößerung des
Querschnitts des Strömungskanals vorgesehen wird. Dabei bildet die Wand des Durchflußkanals
in vorteilhafter Weise eine divergierende Rotationsfläche, wobei die Wandung einen
Divergenzwinkel von mindestens 1° mit der Achse der Küvette bildet. Bei einem derartigen
optischen System kann vermieden werden, daß irgendeine beträchtliche Strahlungsmenge
in die Küvette unter einem spitzen Winkel einfällt, die auf die Wandung der Küvette
auffällt. Ein Winkel von etwa 1,5° oder etwas mehr ergibt eine ausreichende Verbreiterung
zur Vermeidung des nachteiligen Linseneffekts in dem Zwischenbereich zwischen Wasser
und den meisten organischen Lösungsmitteln. Die erzielte Verbesserung ist weitgehend
auf die Sammlung von gebrochenem Licht zurückzuführen, das sonst in der Wand des
Strömungskanals absorbiert würde, andererseits jedoch auch auf die Verringerung
der Strömungsgeschwindigkeit in dem Strömungskanal, die normalerweise mehr als 50%
beträgt, wodurch ebenfalls eine Verringerung des Linseneffekts selbst bewirkt wird,
indem die gebrochene Lichtmenge verringert wird, die gegen die Wandung gerichtet
ist. Divergenzwinkel zwischen der Achse des Strömungskanals und der Wandung der
Küvette zwischen 10 und 30 werden vorgezogen. Größere Divergenzwinkel sind nicht
zweckmäßig, weil diese ein größeres Küvettenvolumen zur Folge haben.
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Bei der Flüssigkeitschromatographie können die besten Ergebnisse
erzielt werden, wenn die mit der Durchflußküvette zu verwendende Meßeinrichtung
so ausgebildet ist, daß sich eine angenähert ideale Strömungsverteilung ergibt.
Dies ist der Fall bei allen Strömungen in einem System für die Flüssigkeitschromatographie,
insbesondere für die Strömung von der Probeninjektion zu der Kolonne und die Strömung
zwischen der Kolonne und der analytischen Komponente des Systems. Vorzugsweise findet
ein Injektor Verwendung, der unter der Bezeichnung U6K von der Firma Waters Associates
Inc. erhältlich ist. Als Pumpensystem zur FLüssigkeitszufuhr in eine Hochdrucksäule
findet vorzugsweise ein ebenfalls von dieser Firma unter der Bezeichnung 6000 erhältliches
Pumpensystem Verwendung.
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Es können jedoch auch andere bekannteGeräte dieser Art Verwendung
finden und die Form des Durchflußkanals der Durchflußzelle kann Abwandlungen erfahren.
Beispielsweise bewirkt eine weitere Vergrößerung des Durchflußkanals gegenüber der
definierten minimalen konischen Form eine Durchflußzelle, die den Linseneffekt vermeidet,
aber andererseits größer und deswegen für viele Anwendungszwecke weniger vorteilhaft
ist. Außer kegelstumpfförmigen Ausführungsformen können auch solche Ausführungsformen
verwandt werden, die trichterförmig sind, hyperbolisch trichterförmig sowie parabolische,
hyperbolische oder dergleichen Rotationsoberflächen. Derartige Ausbildungen können
in gewissen Fällen Vorteile im Hinblick auf Effekte bringen, die durch spezielle
Strömungseigenschaften der Flüssigkeitskomponenten bewirkt werden, die die Flüssigkeitslinse
bilden, sowie durch den Temperaturverlauf quer zu der Küvette, Reibungseffekte entlang
der Wandoberfläche oder dergleichen. Im allgemeinen konisch bedeutet deshalb irgendeinen
Durchflußkanal, dessen Einlaß kleiner als der Auslaß ist, und dessen Querschnitt
zu dem Auslaß fortschreitend ansteigt. Das wichtigste Merkmal der Erfindung ist
die Beziehung des konischen Durchflußkanals zu der Richtung des Strahlengangs. Der
größere Ausgang des Kanals muß gegenüber der Nachweiseinrichtung vorgesehen sein.
Es ist jedoch möglich, die
Strömungsrichtung der zu analysierenden
Flüssigkeiten umzukehren.
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Die umgekehrte Strömungsrichtung wird jedoch nicht vorgezogen, wenn
es jedoch aus gewissen Gründen wünschenswert ist, wird die Durchflußküvette derart
ausgebildet, daß auch geringfügige Gasbläschen nach obendirch den Auslaß der Küvette
austreten können.
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Bei chromatographischen Analysen und anderen derartigen Verfahren,
bei denen Proben in der Größenordnung von Microlitern überwacht werden, beträgt
das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Strömungskanals vorzugsweise mindestens
5 : 1. Divergenzwinkel von mehr als 30 sind hauptsächlich deshalb in vielen Anwendungszwecken
nicht wünschenswert, wenn es sich um die Analyse sehr kleiner Probenmengen handelt.
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Ein weiterer Vorteil einer derartigen Meßeinrichtung besteht in gewissen
Anwendungsfällen darin, daß die Lichtquelle körperlich oder mit optischen Mitteln
näher zu der Küvette angeordnet werden kann, ohne daß dabei große Lichtverluste
durch Brechung und Streuung auftreten, welche Verluste hauptsächlich an den Grenzschichten
zwischen Gas und Linse und Flüssigkeit und Linse auftreten.
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Obwohl die Erfindung in der Hauptsache im Hinblick auf Durchflußzellen
beschrieben wurde, ist sie auch in Verbindung mit Fällen anwendbar, durch die kein
Durchfluß erfolgt, wobei Flüssigkeiten mit beträchtlichen Unterschieden der Brechungsindices
mit demselben optischen System verwandt werden.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert
werden. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer analytischen Meßeinrichtung
gemäß der Erfindung; Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Durchflußküvette gemäß
der Erfindung; Fig. 3 eine graphische Darstellung des Ausgangssignals einer UV-Meßeinrichtung
mit einer bekannten zylindrischen Durchflußküvette;
Fig. 4 eine
graphische Darstellung entsprechend Fig. 3, jedoch bei Verwendung einer Durchflußküvette
gemäß der Erfindung; und Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
gemäß der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine analytische Meßeinrichtung 10 mit einem Abgabebehälter
12 für zu analysierende Flüssigkeit, mit einer chromatographischen Säule 14, sowie
mit einem UV-Absorptionsmeßgerät 16, das eine Lichtquelle 18, ein Interferenzfilter
20, ein Linsensystem 22, Fenster 23, eine Durchflußküvette 24, ein hinteres Fenster
26 und eine photoelektrische Nachweiseinrichtung 28 enthält. Signale von der Nachweiseinrichtung
28 und einer Bezugs-Nachweiseinrichtung 28a werden in an sich bekannter Weise dazu
verwendet, ein elektrisches Signal abzuleiten, das als Steuersignal oder zur Aufzeichnung
der Meßergebnisse mit Hilfe eines Registriergeräts 30 dient.
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Das wesentliche Merkmal in Fig. 1 ist die Ausbildung der Durchflußküvette
24 mit einem konischen Strömungskanal 32. Durch diese Ausbildung wird die Meßgenauigkeit
des gesamten Systems verbessert, weil die von der Säule 14 austretende Flüssigkeit
in dem UV-Absorptionsgerät derart gemessen wird, daß das die Nachweiseinrichtung
28 erreichende Licht durch nachteilige Verluste aufgrund des Einflusses von Flüssigkeitslinsen
geschwächt wird.
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Für die Meßeinrichtung in Fig. 1 kann eine Lichtquelle von 2,4 Watt
mit einer Wellenlänge von 253,7 Nanometer Verwendung finden. Das Volumen des in
Fig. 2 vergrößert dargestellten Durchflußkanals 32 der Durchflußküvette beträgt
etwa 12,5 Microliter.
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Der Einlaß des Strömungskanals besitzt einen Durchmesser von 1,0 mm
(0,04 Zoll), der Auslaß einen Durchmesser von 1,5 mm (0,06 Zoll) und eine Länge
von etwa 1 cm (0,394 Zoll). Ein Bezugs-Strömungskanal 34 ist in an sich bekannter
Weise neben dem Strömungskanal 32 in der Küvettenanordnung 36 vorgesehen. Dieser
Kanal wird durch eine Bezugsflüssigkeit durchströmt, kann jedoch mit einer stehenden
Flüssigkeit gefüllt oder auch leer sein.
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Fig. 3 dient zur Erläuterung der Nachweisprobleme, die bei Absorptionsanalysen
aufgrund von Störungen der UV-Durchlässigkeit durch Flüssigkeitslinsen auftreten
können, wenn ein zylindrischer Strömungskanal bekannter Art Verwendung findet.
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Fig. 4 betrifft dagegen die Verwendung eines konischen Strömungskanals
gemäß der Erfindung.
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Aus Fig. 3 und 4 ist jeweils ein Anfangs-Peak 60 ersichtlich, der
durch eine Eichflüssigkeit (Standard-Dichromatlösung) hervorgerufen wird, welche
durch die Strömungskanäle mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 Milliliter pro
Minute fließt. Der nächste Anstieg 61 in beiden Kurven beruht lediglich auf einer
Einstellung des Nullpunkts in dem Registriergerät. Zu diesem Zeitpunkt weist jede
Kurve ein relativ ebenes Bezugsniveau auf, das die geringe UV-Absorption von Wasser
anzeigt.
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Dieses Bezugsniveau verläuft eben für die kontinuierliche Zufuhr
in Fig. 3. Es wird jedoch durch abrupte Abfälle der Lichtdurchlässigkeit unterbrochen,
wenn eine wässrige Methanollösung in die Säule injiziert wird. Diese Erhöhungen
des Absorptionsvermögens werden durch de Brechung durch die dynamischen Flüssigkeitslinsen
bewirkt, die in den Grenzschichten zwischen Methanol und Wasser und den verschiedenen
Mischungen davon gebildet werden. Wem eine Brechung erfolgt, wird ein beträchtlicher
Teil des Lichts an der zylindrischen Wandung des bekannten Durchflußkanals absorbiert.
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Die Minima 64 in Fig. 3 zeigen den Einfluß beim Übergang einer Wasserströmung
mit 0,3 ml/min zu einer Strömung mit einer l0%igen Lösung von Methanol mit 0,3 ml/min.
Diese Lösung wird durch eine Probenschleife während einer Zeitspanne von etwa 3,3
min zugesetzt. Wenn die Schleife durch Wasser ausgespült wird, ergibt sich ein Anstieg
65 der Kurve aufgrund der Flüssigkeitslinse, die in der Grenzschicht zwischen der
Wasserströmung hinter der Methanollösung gebildet wird. Nach Beendigung der Wasserspülung
endet auch die von der Flüssigkeitslinse induzierte Verschiebung, bis eine weitere
Injektion einer wässrigen Lösung von Methanol beginnt.
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Mit dem gleichen System, bei dem lediglich der in Fig. 2 dargestellte
Durchflußkanal gemäß der Erfindung verwandt wurde, wurden entsprechende Injektionen
durchgeführt. Bei der Zugabe von Methanol ergab sich jedoch im Gegensatz zu Fig.
9 keine Erhöhung der Lichtabsorption. Ferner ergab sich keine beträchtliche Erhöhung
der Lichtdurchlässigkeit bei der Wasserspülung. Entsprechende Stellen sind in Fig.
4 mit 64a und 65a bezeichnet.
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Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Meßeinrichtung
gemäß der Erfindung, mit der erreicht werden kann, daß in die Strömungskanäle eintretendes
Licht nicht zu deren Wandungen gebrochen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist
zwischen der Lichtquelle und der Durchflußküvette eine Blende vorgesehen. Durch
diese Blende wird gewährleistet, daß kein in die Strömungskanäle von einer großen
Lichtquelle eintretendes Licht unter einem derartigen Winkel gebrochen werden kann,
daß Licht auf die divergierenden Wandungen der Durchflußkanäle auffällt. Ein anderer
Vorteil dieser Meßeinrichtung in Fig. 5 ist darin zu sehen, daß die Linse als vorderes
Fenster für die Strömungskanäle dient. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen
der Lichtquelle (Blendenöffnung) und der Durchflußküvette minimal gehalten werden,
so daß eine bessere Lichtausnutzung in der Meßeinrichtung möglich ist.
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Die in Fig. 5 im Schnitt dargestellte Durchflußküvette enthält einen
konischen Strömungskanal 74 und einen konischen Bezugs-Strömungskanal 72. Der Strömungskanal
74 ist mit einer Einlaß-und einerAuslaßöffnung versehen, wie in Verbindung mit Fig.
1 beschrieben wurde. Die vorderen Fenster der Durchflußküvette werden durch eine
Linse 76 gebildet. Das hintere Ende der Küvette ist durch ein Fenster 78 abgeschlossen.
Vor einer UV-Lampe 80 ist eine Blende 82 angeordnet, durch welche dasjenige Licht
ausgeblendet wird, das zu nachteiligen Verlusten führt, wenn es in die Strömungskanäle
72 und 74 gelangt. Das durch die Blendenöffnung 84 hindurchtretende Licht ist derart
begrenzt, daß nur durch die dargestellten Begrenzungslinien des Strahlengangs begrenztes
Licht indie Strömungskanäle eintritt, so daß keine Brechung unter
einem
Winkel erfolgen kann, welche ein Auffallen des Lichts auf die divergierenden Wandungen
der Strömungskanäle bei irgendeiner gewöhnlich verwandten Flüssigkeit ermöglichen
würde.
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Es ist zweckmäßig, die Linse 22 in Fig. 1 als Fenster zu verwenden.
Auf diese Weise können die Blendenöffnung 84 und damit die Lampe 80 näher gegenüber
der Durchflußküvette angeordnet werden.
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Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die
Achsen der Strömungskanäle einen Abstand von 4,06 mm (0,160 Zoll), und die Linse
hat eine Kantendicke von 1,02 mm (0,04 Zoll). Der Krümmungsradius der Linse beträgt
6,60 mm (0,2559 Zoll) . Die Blende ist 14,7 mm (0,58 Zoll) von der Linsenkante entfernt,
die am nächsten zu den Eintrittsöffnungen in die Strömungskanäle 72 und 74 liegt.
Der Durchmesser der Blendenöffnung beträgt 1,12 mm (0,044 Zoll). Die Länge jedes
Strömungskanals beträgt 10,91 mm (0,394 Zoll). Der Durchmesser der Eintrittsöffnung
der Strömungskanäle beträgt 1,02 mm (0,040 Zoll) und der Durchmesser der Austrittsöffnungen
beträgt 1,52 mm (0,060 Zoll).
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Die Unterkante der Blendenöffnung 84 deckt Licht unterhalb der Begrenzungslinie
90 ab, so daß kein Licht auf die Linse 76 unter einem solchen Winkel auffallen kann,
daß es nach Brechung in der Linse 76 auf die obere Wand des Strömungskanals 72 in
Fig. 5 auftrifft. In entsprechender Weise deckt dieobere Kante der Blendenöffnung
84 Licht unterhalb der Begrenzungslinie 93 ab, so daß derartiges Licht nicht auf
die Linse 76 unter einem solchen Winkel auffallen kann, daß es derart gebrochen
wird, daß es auf die untere Wand des Strömungskanals 74 auftrifft.
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Praktisch sämtliches, in die Strömungskanäle eintretendes +rif+ tritt
Dient wlra entweaer m aer elusslgKelt adsorbiert oaer aurcn ale Strömungskanäle
aus und ist deshalb für die Lichtmessung durch die Nachweiseinrichtung 28 verfügbar.
Um Wellenlängen auszufiltern, die nicht gemessen werden sollen, kann ein Lichtfilter
20 Verwendung finden. Dieses Lichtfilter dient jedoch lediglich dazu,
daß
nur Licht vorherbestimmter Wellenlänge die Nachweiseinrichtung erreicht.
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Deshalb besitzt eine Durchflußzelle gemäß der Erfindung Strömungskanäle,
deren Querschnitt sich von dem Lichteintrittsende zu dem Lichtaustrittsende vergrößert.
Durch eine derartige konische Ausbildung kann deren Volumen auf das erforderliche
minimale Volumen verringert werden, was insbesondere dann besonders vofteilhaft
ist, wenn sehr kleine Flüssigkeitsproben analysiert werden sollen, und wenn derartige
Zusatzgeräte Verwendung finden, daß eine Verbreiterung der Peaks vermieden wird,
bevor die Flüssigkeit in die Megkuvette eintritt. Wenn jedoch die Nachteile einer
im Vergleich zu dem notwendigen Volumen etwas größeren Durchflußzelle in Kauf genommen
werden können, durch die Verwendung einer derartigen Blende zur Begrenzung des in
die Durchflußzelle eintretenden Lichtkegels ein Auffallen von Licht auf irgendeinen
Wandungsteil der Durchflußkanäle noch beträchtliche Vorteile erzielt.
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