DE69331188T2

DE69331188T2 - Vorrichtung und verfahren zur molekularen charakterisierung

Info

Publication number: DE69331188T2
Application number: DE69331188T
Authority: DE
Inventors: C. Ford
Original assignee: Precision Detectors Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1992-02-12
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2013-02-13
Also published as: JPH07503796A; EP0626064A1; JP3352092B2; EP0626064A4; WO1993016372A1; CA2117475A1; US5305073A; DE69331188D1; ATE209345T1; EP0626064B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur molekularen Charakterisierung, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich auf einen Detektor zur molekularen Charakterisierung, bei welchem Licht durch Moleküle einer Probe gestreut wird und das gestreute Licht erfaßt und analysiert wird. Der Detektor zur molekularen Charakterisierung wird typischerweise mit einem Flüssigchromatographiesystem verwendet, jedoch ist er auf einen solchen Gebrauch nicht beschränkt.
In der Industrie, die mit Makromolekülen zu tun hat, ist wohlbekannt, daß ein Bedarf zur Charakterisierung von Molekülen, die durch verschiedene Prozesse erzeugt werden oder in verschiedenen Prozessen verwendet werden, besteht. Anwendungsgebiete, bei denen dieser Bedarf besonders besteht, umfassen Güteprüflabors, Forschungslabors sowie Herstellungsverfahren in der Kunststoffindustrie, der pharmazeutischen, der biotechnischen und der chemischen Industrie. Typische Messungen zur Charakterisierung von Molekülen umfassen die Bestimmung der Molekulargewichtsverteilungen und der Polydispersität, wenn in der Probe verschiedene Molekulargewichte vorkommen, der Molekülgrößen (hydrodynamische Radien, Gyrationsradien), der Konzentrationen und der Konformationsinformationen einschließlich der Informationen über Gestalt und Molekülverzweigungen.
Die gebräuchlichste Technik zur molekularen Charakterisierung ist die Flüssigchromatographie (LC), die die Vorbereitung der Probe für das bestimmte anzuwendende Erfassungsverfahren und das Erfassungsverfahren selbst beinhaltet. Nach dieser wohlbekannten Analysetechnik wird eine fließende Mischung aus einem Lösungsmittel und den zu prüfenden Substanzen (einer Mischung von Molekülen mit verschiedenen Molekulargewichten und anderen molekularen Eigenschaften) durch spezifisch gewählte chromatographische Säulen geleitet, was dazu führt, daß die Teilmoleküle gemäß ihrer Größe oder gemäß einer anderen molekularen Eigenschaft in dem fließenden Lösungsmittel mit der Zeit getrennt werden. Das fließende Fluid strömt dann durch den Detektor. Bei einem Detektortyp wird ein Laserstrahl durch das Fluid gelenkt und das gestreute Licht analysiert, um die molekulare Charakterisierung vorzunehmen.
Anwendungsbeispiele der Flüssigchromatographie sind die Analysen von Proteinen, handelsüblichen Harzen, natürlichen und synthetischen Polymeren, Nukleinsäuren, Plastifikatoren, pflanzlichen und tierischen Stoffwechselprodukten, Schmierstoffen, Farbstoffen, Erdölrückständen, Pharmazeutika, Aminosäuren, Pigmenten, Polysacchariden, Pestiziden, Herbiziden, Fungiziden, Tensiden, Lipiden, Sprengstoffen und anderer Materialien.
Die Detektoren verwendeten verschiedene Techniken zur Erfassung von durch Probemoleküle gestreutem Licht. Bei einem System des Standes der Technik ist die Probe von einem Detektorfeld umgeben, welches das durch die Probe gestreute Laserlicht unter verschiedenen Winkeln aufnimmt. Bei einem anderen System des Standes der Technik dringt Laserlicht, das durch die Probe in einem vorgegebenen Winkel gestreut wird, durch eine ringförmige Blende und wird auf einen Photovervielfacher fokussiert. Ein Beispiel eines solchen Systems wird in US-A-4 053 229, McCluney gegeben. US-A-4 027 973, Kaye offenbart eine Detektorvorrichtung für Laserlichtstreuungs-Photometer, bei dem ebenfalls gestreutes Licht durch eine ringförmige Blende dringt. Das durchgelassene Licht wird dann auf die mittlere Blende einer Sehfeldblende fokussiert und danach auf einen Detektor fokussiert, mit dem Ziel, sicherzustellen, daß nur von der Probe stammendes Licht mit einem bestimmten Winkel durch den Detektor gehen kann. Eine ähnliche Anordnung ist in US-A-4 355 897, Kaye offenbart. Sämtliche Detektoren zur molekularen Charakterisierung im Stand der Technik weisen einen oder mehrere Nachteile auf, einschließlich einer erschwerten Anwendung wegen der geforderten optischen Axialität, der niedrigen Signalpegel und der die Genauigkeit verringernden Interferenz durch Streulicht sowie der relativ hohen Kosten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Detektor zur molekularen Charakterisierung vorgesehen, der eine Streuzelle, die eine Probe zur molekularen Charakterisierung enthält, eine Einrichtung zum Lenken eines Lichtstrahls durch die Zelle, so daß der Lichtstrahl durch die Probe gestreut wird, wobei der Lichtstrahl eine optische Achse definiert, eine Einrichtung zum Wählen eines Meßstrahls aus dem Streulicht, der Licht des Lichtstrahls enthält, der durch die Probe von einem vorgegebenen Abschnitt der Streuzelle in einem vorgegebenen Winkelbereich in bezug auf die optische Achse gestreut wird, wobei die Einrichtung eine erste ringförmige Blende umfaßt, die den Meßstrahl durchläßt und durch erste und zweite Elemente gekennzeichnet ist, die eine zweite ringförmige Blende für den Meßstrahl aufweisen, wobei sich die ersten und zweiten Elemente stromabseitig von der ersten Blende befinden und axial beabstandet sind, und eine Einrichtung zum Erfassen des Meßstrahls und zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignals, das den Meßstrahl zur Charakterisierung der Probe repräsentiert, umfaßt.
Die erste Blende kann durch dritte und vierte beabstandete Elemente definiert sein.
Der Detektor zur molekularen Charakterisierung kann ferner eine optische Einrichtung zum Fokussieren von durch die Probe gestreutem Licht auf die erste ringförmige Blende umfassen.
Die Streuzelle kann an jedem Ende ein Fenster enthalten, wobei das erste Element und das zweite Element Licht des Lichtstrahls, der durch das Fenster an jedem Ende der Streuzelle gestreut wird, blockieren.
Der Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung kann im Vergleich zu herkömmlichen Detektoren vorteilhafterweise eine Verringerung der Interferenz durch Streulicht bewirken.
Gemäß der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals zur molekularen Charakterisierung einer Probe vorgesehen, das die Schritte des Lenkens eines Lichtstrahls durch eine Streuzelle, die eine Probe zur molekularen Charakterisierung enthält, so daß der Lichtstrahl durch die Probe gestreut wird, wobei der Lichtstrahl eine optische Achse definiert, des Auswählens eines Meßstrahls aus dem gestreuten Licht, der Licht des Lichtstrahls umfaßt, der durch die Probe von einem vorgegebenen Abschnitt der Streuzelle in einen vorgegebenen Winkelbereich in bezug auf die optische Achse gestreut wird, wobei dieses das Auswählen des Meßstrahls unter Verwendung einer ersten ringförmigen Blende umfaßt und gekennzeichnet ist durch Auswählen des Meßstrahls unter Verwendung erster und zweiter Elemente, die eine zweite ringförmige Blende für den Meßstrahl aufweisen, wobei sich die ersten und zweiten Elemente stromabseitig von der ersten Blende befinden und axial beabstandet sind, und des Erfassens des Meßstrahls und Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignals, das den Meßstrahl zur Charakterisierung der Probe repräsentiert, umfaßt.
Die Probe kann eine flüssige Probe umfassen, und die Streuzelle kann an jedem Ende ein Fenster besitzen, wobei die axial beabstandeten ersten und zweiten Elemente Licht des Lichtstrahls, das durch das Fenster an jedem Ende der Streuzelle gestreut wird, blockieren.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft beschrieben, wobei auf die begleitende Zeichnung Bezug genommen wird, worin:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Detektors zur molekularen Charakterisierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein Querschnitt der Streuzelle des Detektors zur molekularen Charakterisierung ist, die Detektoren zum Erfassen von vertikaler Streuung zeigt;
Fig. 3 eine axiale Ansicht der in dem Detektor zur molekularen Charakterisierung verwendeten ringförmigen Blende ist;
Fig. 4 eine Strichzeichnung des Detektors zur molekularen Charakterisierung der Erfindung ist;
Fig. 5 ein Blockschaltplan eines erfindungsgemäßen Instruments zur molekularen Charakterisierung ist;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Irisblende und der Strahlabfangeinrichtung ist;
Fig. 7 eine vergrößerte schematische Darstellung der Streuzelle ist;
Fig. 8 ein Strahlendiagramm für den Detektor zur molekularen Charakterisierung ist, die vom Punkt A in Fig. 7 gestreutes Licht in einem Bereich von 14º bis 16º zeigt; und
Fig. 9 ein Strahlendiagramm für den Detektor zur molekularen Charakterisierung ist, die vom Punkt B in Fig. 7 gestreutes Licht in einem Bereich von 14º bis 16º zeigt; und
Fig. 10 ein Strahlendiagramm für den Detektor zur molekularen Charakterisierung ist, die vom Punkt C in Fig. 7 gestreutes Licht in einem Bereich von 14º bis 16º zeigt; und
Fig. 11 ein Strahlendiagramm für den Detektor zur molekularen Charakterisierung ist, die vom Punkt D in Fig. 7 gestreutes Licht in einem Bereich von 14º bis 16º zeigt; und
Fig. 12 eine Querschnittsansicht der Strahlabfangeinrichtung ist.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Eine schematische Darstellung eines Detektors 8 zur molekularen Charakterisierung gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Streuzelle 10 enthält eine Probe zur molekularen Charakterisierung. Die Probe liegt in flüssiger Form vor und fließt ständig durch die Streuzelle 10 von einer Einlaßleitung 12 zu einer Auslaßleitung 14. Die flüssige Probe wird typischerweise von einer Flüssigchromatographiesäule empfangen. Die flüssige Probe ist typischerweise ein Lösungsmittel, das eine Gruppe komplexer Moleküle mit Molekulargewichten in einem Bereich von etwa 1.000 bis 100.000.000 enthält. Die Streuzelle 10 weist an einem Ende ein lichtdurchlässiges Fenster 16 und am anderen Ende ein lichtdurchlässiges Fenster/Linse 18 auf. Die Streuzelle 10 besitzt vorzugsweise ein kleines Volumen in der Größenordnung von etwa 10 Mikroliter. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Streuzelle 10 eine Länge von etwa 3 Millimeter und einem Durchmesser von etwa 2 Millimeter.
Ein Laser 20 lenkt einen Laserstrahl längs einer optischen Achse 22 durch die Streuzelle 10. Der Laserstrahl geht durch das Fenster 16, durch die flüssige Probe und durch das Fenster/Linse 18 und wird von einer Strahlabfangeinrichtung 24 abgefangen. Die Strahlabfangeinrichtung 24 ist, wie weiter unten beschrieben wird, so konstruiert, daß sie den Lichtstrahl dämpft und Reflexionen minimiert. Der Laser 20 besitzt typischerweise eine Ausgangswellenlänge im Bereich von etwa 400 Nanometer bis 900 Nanometer. Die flüssige Probe muß für die Laserwellenlänge im wesentlichen durchlässig sein. Der Laserstrahl, der durch die Streuzelle 10 geht, ist vorzugsweise polarisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Laser einen polarisierten Strahl. Das Fenster 16 kann glatte Oberflächen besitzen oder eine Linse zum Fokussieren des Laserstrahls innerhalb der flüssigen Probe enthalten. Der Laserstrahl wird in der Mitte der Streuzelle 10 durch eine Laseroptik, durch eine externe Linse, die vorzugsweise mit dem Fenster 16 ein Teil bildet, oder durch eine Kombination aus diesen auf seinen kleinsten Durchmesser (eine schmalste Stelle) fokussiert. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Fenster 16 glatte Oberflächen.
Der durch die Streuzelle 10 gehende Laserstrahl wird durch Moleküle der flüssigen Probe gestreut. Wie an sich bekannt ist, hängt die Winkelverteilung des gestreuten Lichts von den Eigenschaften der Moleküle in der Probe ab. Die Intensität des gestreuten Lichts bei 0º, d. h. in der Richtung des Lasterstrahls längs der optischen Achse 22, kann zur Bestimmung des Molekulargewichts der Moleküle in der Probe verwendet werden. Jedoch ist es unpraktisch, die Intensität des gestreuten Lichts bei 0º zu messen, weil der Laserstrahl um viele Größenordnungen stärker als das gestreute Licht ist. Es ist gängige Praxis, die Streuintensität bei einem festen Winkel in bezug auf die optische Achse 22 zu messen. Das unter einem vorgegebenen Winkel gestreute Licht besitzt eine relativ geringe Intensität. Somit kann das von anderen Elementen als den Molekülen der Probe gestreute Licht die Messung beeinflussen. Beispielsweise kann das durch die Oberflächen des Fensters 16 und des Fensters/Linse 18 gestreute Licht potentiell die Messung verfälschen. Da der Laserstrahl um viele Größenordnungen stärker als das gestreute Licht ist, können ferner Reflexionen des Laserstrahls von verschiedenen Elementen in dem System den Detektor erreichen und die Messung verfälschen.
Die Konfiguration des in Fig. 1 gezeigten Detektors zur molekularen Charakterisierung verhindert im wesentlichen das vagabundierende gestreute Licht und das vagabundierende reflektierte Licht und schafft somit eine äußerst genaue Messung. Selbstverständlich streut die Probeflüssigkeit in der Streuzelle 10 den Laserstrahl in verschiedene Richtungen. Der in Fig. 1 gezeigte Detektor zur molekularen Charakterisierung enthält eine Anordnung optischer Elemente zum Auswählen eines Meßstrahls, der Licht aus dem Laserstrahl enthält, das durch die Moleküle der Probe in der Streuzelle 10 in einem vorgegebenen Winkelbereich in bezug auf die optische Achse 22 gestreut wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wählt der Detektor Licht aus, das durch die Probemoleküle in einem Bereich von 14º bis 16º gestreut wird.
Eine Irisblende 30 mit einem auf die Achse 22 zentrierten Kreisinnendurchmesser und eine Irisblende 32 mit einem auf die Achse 22 zentrierten Kreisaußendurchmesser definieren eine ringförmige Blende 34 (Fig. 3). Das Fenster/Linse 18 an der Ausgangsseite der Streuzelle 10 weist eine glatte Oberfläche 35 und eine integrale kugelförmige Oberfläche 36 auf, die als Linse zum Fokussieren gestreuten Lichts auf die ringförmige Blende 34 dient. Die Irisblenden 30 und 32 sind so dimensioniert, daß sie gestreutes Licht in einen Winkelbereich zwischen 14º und 16º durch die Probemoleküle in der Streuzelle 10 durchlassen. Licht, das unter Winkeln gestreut wird, die kleiner als 14º sind, wird durch die Irisblende 32 blockiert, während Licht, das unter Winkeln gestreut wird, die größer als 16º sind, durch die Irisblende 30 blockiert wird. Die Gestalt des Fensters/Linse 18 und der Irisblenden 30 und 32 wird weiter unten genauer besprochen. Ein Meßstrahl 40, der Licht enthält, das in einem vorgegebenen Winkelbereich in bezug auf die durch die ringförmige Blende 34 verlaufende optische Achse 22 wird durch eine Fokussierlinse 42 und eine Blende 38 zu einem Photodetektor 44 gelenkt. Der Photodetektor 44 erfaßt den Meßstrahl 40 und liefert ein elektrisches Signal. Das elektrische Signal wird von einem Verstärker 46 verstärkt, um ein elektrisches Ausgangssignal I&sub1;&sub5; zu liefern, das für die Intensität des Meßstrahls repräsentativ ist.
Wie oben angegeben wurde, kann das Licht, das durch die Oberflächen des Fensters 16 und des Fensters/Linse 18 gestreut wird, die Messung des durch die Probemoleküle gestreuten Lichts beeinflussen. Um dieses Problem zu beseitigen, enthält der Detektor zur molekularen Charakterisierung von Fig. 1 optische Elemente zum Auswählen gestreuten Lichts aus einem vorgegebenen Abschnitt der Streuzelle 10 und zum Blockieren von Licht, das von anderen Abschnitten der Streuzelle 10 gestreut wird. Vorzugsweise wird Licht ausgewählt, das von einem Mittelabschnitt der Streuzelle 10 längs der optischen Achse 22 gestreut wird, um dadurch Licht, das vom Fenster 16 und dem Fenster/Linse 18 gestreut wird, zu blockieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Licht aus dem mittleren Drittel der Streuzelle 10 ausgewählt. Das Auswählen vom Mittelabschnitt der Streuzelle 10 gestreuten Lichts wird durch eine Irisblende 50, die einen auf die optische Achse 22 zentrierten Kreisaußendurchmesser besitzt, und durch eine Irisblende 52, die einen auf die optische Achse 22 zentrierten Kreisinnendurchmesser besitzt, ausgeführt. Die Irisblenden 50 und 52 dienen, wie weiter unten genauer ausgeführt wird, in Kombination mit dem Fenster/Linse 18 zum Auswählen gestreuten Lichts aus dem Mittelabschnitt der Streuzelle 10. In Analogie zu der in Fig. 3 gezeigten ersten ringförmigen Blende 34 weisen die Irisblenden 50 und 52 eine zweite ringförmige Blende für den Meßstrahl auf.
Eine Querschnittsansicht der Streuzelle 10 ist in Fig. 2 gezeigt. Der Detektor zur molekularen Charakterisierung ist mit drei zusätzlichen Detektoren zum Erfassen von durch die flüssige Probe in der Zelle 10 gestreutem Licht versehen. Zum besseren Verständnis sind die drei zusätzlichen Detektoren in Fig. 1 weggelassen. Licht von einem Laserstrahl, das durch die Probemoleküle in einem in einer zum Laserstrahl und zur Polarisierungsrichtung des Laserstrahls senkrechten Richtung zentrierten Raumwinkel zwischen etwa 0,1 und 1,0 Sterad gestreut wird, definiert einen Meßstrahl 58, der durch eine Fokussierlinse 60 zu einem Photodetektor 62 geht. Das Ausgangssignal des Photodetektors 62 wird durch einen Verstärker 64 verstärkt, um ein elektrisches Signal I&sub9;&sub0; zu liefern, das an einem Ausgang 66 für den Meßstrahl 58 repräsentativ ist. Licht vom Laserstrahl, das durch die Probemoleküle in einem in einer zum Laserstrahl senkrechten und zur Polarisationsrichtung des Laserstrahls parallelen Richtung zentrierten Raumwinkel von etwa 3 · 10&supmin;&sup4; Sterad gestreut wird, definiert einen Meßstrahl 67, der durch die Fokussierlinse 68 zu einem Photodetektor 70 geht. Der Ausgang des Photodetektors 70 wird durch einen Verstärker 72 verstärkt, um ein elektrisches Signal ID zu liefern, das an einem Ausgang 74 für den Meßstrahl 67 repräsentativ ist. Ein Meßstrahl 76 mit Schwankungen des Lichts, das durch die Probemoleküle in einem in einer zum Laserstrahl senkrechten Richtung zentrierten Raumwinkel von etwa 10&supmin;&sup4; Sterad gestreut wird, geht durch eine Fokussierlinse 78 zu einem Photonenzähldetektor 80. Das Ausgangssignal des Photonenzähldetektors wird von einem Komparator 82 in Logikpegel-Impulse umgesetzt, um ein elektrisches Signal i(t) zu liefern, das an einem Ausgang 84 für den Meßstrahl 76 repräsentativ ist. Jeder Impuls repräsentiert die Erfassung eines einzelnen Photons. Die Verarbeitung der elektrischen Signale I&sub9;&sub0;, ID und i(t) wird weiter unten beschrieben.
Eine Strichzeichnung eines Detektors zur molekularen Charakterisierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Eine Lasereinheit 90 ist mit der Eingangsseite einer Probezelle- und Linsenanordnung 92 verbunden. Die Anordnung 92 umfaßt die Streuzelle 10, das Fenster 16, das Fenster/Linse 18 und die in Fig. 2 gezeigten Linsen- und Detektorelemente. Vorzugsweise besteht die Wand der Streuzelle 10 aus rostfreiem Stahl, während die Linsen 60, 68 und 78 Gradientenlinsen sind, die in in der Streuzellenwand vorgesehenen Bohrungen eingefaßt sind. Diese Konfigurationen minimiert die Anzahl von Glaszwischenflächen, die unerwünschtes Streulicht erzeugen können. Die Verstärker 64 und 72 sowie der Komparator 82 sind in Elektronikeinheiten 94, 96 bzw. 98 untergebracht. Eine Ausgangsseite der Anordnung 92 ist mit der Eingangsseite einer Irisblenden- und Strahlabfanganordnung 102 verbunden, die die Irisblenden 30, 32, 50 und 52 sowie die Strahlabfangeinrichtung 24 umfaßt. Die Ausgangsseite der Anordnung 102 ist mit einer Linsen- und Detektoranordnung 104 verbunden, auf der eine Elektronikeinheit 106 angebracht ist. Die Anordnung 104 enthält die Linse 42 und die Blende 38. Der Photodetektor 44 und der Verstärker 46 sind in der Elektronikeinheit 106 enthalten.
Ein Blockschaltplan eines Instrumentes zur molekularen Charakterisierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Der Detektor zur molekularen Charakterisierung 8 empfängt über die Einlaßleitung 12 von einer Flüssigchromatographiesäule eine flüssige Probe mit einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit. Die flüssige Probe wird durch die Auslaßleitung 14 abgegeben. Die elektrischen Ausgangssignale I&sub1;&sub5;, I&sub9;&sub0; und ID sind über Analog/Digital-Umsetzer 120, 122 bzw. 124 mit einem Computer 130 gekoppelt. Das elektrische Signal i(t) vom Komparator 84 ist mit einem Korrelator 126 gekoppelt. Ein Ausgangssignal g(t) des Korrelators 126 wird in den Computer 130 eingegeben.
Die Auslaßleitung 14 vom Detektor zur molekularen Charakterisierung 8 führt zu einem Differenzrefraktometer 132. Das Differenzrefraktometer 132 enthält Zwei-Proben-Zellen, die durch ein diagonales Fenster getrennt sind. Eine Zelle enthält die über die Leitung 14 empfangene flüssige Probe, die zu charakterisierende Moleküle enthält. Die andere Zelle enthält das flüssige Lösungsmittel ohne zu charakterisierende Moleküle. Ein Lichtstrahl wird durch die zwei Zellen gelenkt und wird durch die Materialien in den Zellen in einen Ablenkwinkel ΔΩ gebrochen. Das Ausgangssignal des Differenzrefraktometers ist ein elektrisches Signal, das den Ablenkwinkel ΔΩ der Probe repräsentiert. Das Ausgangssignal des Differenzrefraktometers 132 ist über einen Analog/Digital-Umsetzer 134 mit dem Computer 130 gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Differenzrefraktometer 132 ein Differenzrefraktometer des Modells Waters 410. Der Computer 130 analysiert die Signale I&sub1;&sub5;, I&sub9;&sub0;, ID, g(t) und ΔΩ, um eine molekulare Charakterisierung der Probe zu erstellen, wie oben beschrieben wurde. Obwohl der Detektor zur molekularen Charakterisierung 8 und das Differenzrefraktometer 132 in Fig. 5 als getrennte Einheiten gezeigt sind, können sie in einer einzigen Einheit kombiniert sein.
Eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Irisblenden- und der Strahlabfanganordnung 102 ist in Fig. 6 gezeigt. Die Anordnung enthält ein zylindrisches Gehäuse 140, das an einem Ende ein Gewinde zur Anbringung der Streuzellen- und Linsenanordnung 92 aufweist und am anderen Ende ein Gewinde zur Anbringung der Linsen- und Detektoranordnung 104 aufweist. Das Gehäuse 140 ist mit einer im allgemeinen zylindrischen Mittenbohrung 142 versehen, die auf die optische Achse 22 zentriert ist. Die Bohrung 142 kann beispielsweise durch Anbringen eines Gewindes aufgerauht sein, um Reflexionen zu verringern. Die Strahlabfangeinrichtung 24 ist im Gehäuse 140 untergebracht und auf die Achse 22 zentriert. Die Strahlabfangeinrichtung 24 weist einen ringförmigen Bund 144 auf, der im Anschlag gegen einen Steg 146 in der Bohrung 142 angeordnet ist. Der ringförmige Bund 144 ist mit mehreren radialen Speichen 148 versehen, die die Strahlabfangung 24 unterstützen. Die Abmessungen der Speichen 148 sind minimiert, um den Durchgang des Meßstrahls 40 zu ermöglichen. Die Irisblende 30 ist auf einem Irisring 150 ausgebildet, der im Gehäuse im Anschlag gegen den ringförmigen Bund 144 angebracht ist. Die Irisblende 30 ist als konisch zulaufendes Kreisprofil ausgebildet, das auf die Achse 22 zentriert ist. Die Irisblende 32 und die Irisblende 50 sind auf der Außenfläche der Strahlabfangeinrichtung 24 ausgebildet. In allen Fällen ist die Irisblende als konisch zulaufendes Kreisprofil ausgebildet, das einen Außendurchmesser besitzt, der auf die optische Achse 22 zentriert ist. Die Irisblende 52 ist auf einem Irisring 152 ausgebildet, der im Gehäuse 140 an dessen Ausgangsseite angebracht ist. Die Irisblende 52 ist als konisch zulaufendes Kreisprofil ausgebildet und besitzt einen Innendurchmesser, der auf die optische Achse 22 zentriert ist. Die Strahlabfangeinrichtung 24 wird weiter unten genauer beschrieben.
Nun wird das Vorgehen des Detektors zur molekularen Charakterisierung beim Auswählen des Meßstrahls 40 beschrieben. Es wurde ein Streuwinkel von 15º gewählt. Die Hauptschwierigkeit bei der Ausführung von Lichtstreuungs- Intensitätsmessungen ist das Beseitigen von Streulicht. Dies ist bei einem Streuwinkel von 90º einfach auszuführen, wird jedoch ständig schwieriger, wenn der Winkel in Richtung 0º oder 180º verkleinert wird. Jedoch werden die genauesten Messungen des Molekulargewichts großer Moleküle bei einem Streuwinkel von 0º erhalten, so daß es wünschenswert ist, die Messung möglichst nahe bei 0º auszuführen. Bei größeren Winkeln wird das Molekulargewicht großer Moleküle zu klein geschätzt, auch wenn kleinere Moleküle genau gemessen werden. Bei einem Streuwinkel von 90º können Molekulargewichte, die kleiner als 45.000 sind, mit 1% Genauigkeit gemessen werden. Um das Molekulargewicht eines Materials bei 1.000.000 Daltons auf 1% genau zu messen, muß der Streuwinkel 17º oder weniger betragen. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Streuwinkel von 15º verwendet. Selbstverständlich können bei einer entsprechenden Leistungsänderung andere Streuwinkel verwendet werden.
Um für eine ausreichende Signalstärke zu sorgen, wird ein Bereich von Streuwinkeln zwischen 14º und 16º verwendet. Durch die Irisblenden 30 und 32 wird verhindert, daß jegliches Licht, das unter Winkeln außerhalb des Bereichs von 14º bis 16º gestreut wird, den Photodetektor 44 erreicht. Ferner ist es, wie oben besprochen wurde, wünschenswert, Licht, das durch das Fenster 16 und das Fenster/Linse 18 an gegenüberliegenden Seiten der Streuzelle 10 gestreut wird, selbst dann, wenn das gestreute Licht in den Bereich von 14º bis 16º fällt, zu blockieren. Da der Laserstrahl einen begrenzten Durchmesser besitzt, muß Licht, das von einem Bereich an den Enden der Zelle mit einem Durchmesser, der um einiges größer als der Durchmesser des Laserstrahls ist, gestreut wird, blockiert werden. Im vorliegenden Beispiel wird durch die Irisblenden 50 und 52 verhindert, daß Licht, das von einem Bereich innerhalb von 0,15 Millimeter von der Achse 22 an den Enden der Streuzelle 10 gestreut wird, den Photodetektor 44 erreicht.
Zweckmäßigerweise ist das Fenster/Linse 18 so entworfen, daß sich ein Lichtstrahl, der von der Mitte der Zelle 10 unter einem Winkel von 15º gestreut wird, von dem Fenster/Linse 18 parallel zur Achse 22 ausbreitet. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Fenster/Linse 18 längs der Achse 22 eine Dicke von etwa 30 Millimeter, wobei die Oberfläche 36 einen Krümmungsradius von 10,96 Millimeter aufweist. Das Fenster/Linse 18 besitzt einen Durchmesser von etwa 20 Millimeter und ist aus geschmolzenen Silicium hergestellt. Wie oben besprochen wurde, ist das Fenster/Linse 18 beim Betrieb des Detektors zur molekularen Charakterisierung höchst vorteilhaft, weil die Anzahl von optischen Flächen, die eine unerwünschte Streuung hervorrufen können, minimiert wird. Es läßt sich zeigen, daß sämtliches Licht, das von der optischen Achse 22 unter einem gegebenen Winkel eine Ebene durchquert, die der Brennweite des Fensters/Linse 18 entspricht. Die Irisblende 30 ist in einer Ebene angeordnet, auf die durch das Fenster/Linse 18 nahezu das gesamte unter einem Winkel von 16º gestreute Licht fokussiert wird. Ähnlich ist die Irisblende 32 in einer Ebene angeordnet, auf die durch das Fenster/Linse 18 nahezu das gesamte unter einem Winkel von 14º gestreute Licht fokussiert wird. Wegen der sphärischen Aberrationen in dem Fenster/Linse 18 ist die Irisblende 30 von der Irisblende 32 axial beabstandet, um sicherzustellen, daß jede Irisblende ein optimales Blockieren von gestreutem Licht außerhalb des Bereichs von 14º bis 16º bewirkt. Es läßt sich zeigen, daß unter 16,5º oder darüber gestreutes Licht durch die Irisblende 30 aufgefangen wird, während unter 13,5º oder darunter gestreutes Licht durch die Irisblende 32 aufgefangen wird.
Wie oben besprochen wurde, lassen die Irisblende 50 und die Irisblende 52 Licht hindurch, das von dem Mittelabschnitt der Zelle 10 gestreut wird, und blockieren Licht, das in der Nähe der Enden der Zelle 10 in den Bereichen des Fensters 16 und des Fensters/Linse 18 gestreut wird. Die Irisblende 50 ist in einer Ebene angeordnet, auf die nahezu das gesamte Licht, das von der Eingangsseite der Streuzelle 10 unter Winkeln zwischen 14º und 16º gestreut wird, fokussiert wird. Der Durchmesser der Irisblende 50 wird bestimmt, indem Strahlengänge gezogen werden, die von der Eingangsseite der Streuzelle, 0,15 Millimeter von der Achse entfernt, ausgehen, und überprüft wird, daß diese Strahlen durch die Irisblende 50 blockiert werden. Die Irisblende 52 ist in einer Ebene angeordnet, auf die nahezu das gesamte Licht, das von der Ausgangsseite der Streuzelle unter Winkeln zwischen 14º und 16º gestreut wird, fokussiert wird. Der Durchmesser der Irisblende 52 wird bestimmt, indem Strahlengänge gezogen werden, die von der Ausgangsseite der Zelle, 0,15 Millimeter von der Achse entfernt, ausgehen, und überprüft wird, daß diese Strahlen durch die Irisblende 52 blockiert werden.
Strahlengänge, die die Arbeitsweise der Irisblenden 30, 32, 50 und 52 veranschaulichen, sind in den Fig. 8-11 gezeigt. Die in den Fig. 8-11 gezeigten Strahlengänge wurden unter Verwendung eines Strahlaufzeichnungsprogramms, das Beam 3 genannt wird, erstellt. Die Ursprünge der in den Fig. 8-11 gezeigten gestreuten Strahlen sind in Fig. 7 gezeigt, die eine vereinfachte schematische Darstellung der Streuzelle 10 ist. Der Nullpunkt des in dem Strahlendiagramm verwendeten Koordinatensystems ist ein Punkt 160, der sich, wie in Fig. 7 gezeigt ist, auf der optischen Achse 22 an der Eingangsseite der Streuzelle 10, dort, wo der Laserstrahl aus dem Fenster 16 in die flüssige Probe eintritt, befindet. Die Z-Achse fällt mit der optischen Achse 22 zusammen, während die X-Achse zur optischen Achse 22 senkrecht ist. Selbstverständlich sind die in den Strahlendiagrammen der Fig. 8-11 gezeigten Elemente nicht maßstäblich gezeichnet.
Das Strahlendiagramm von Fig. 8 zeigt den Weg von Strahlen, die vom Punkt A (siehe Fig. 7) in der Streuzelle ausgehen und unter Winkeln im Bereich von 14º bis 16º gestreut werden. Der Punkt A befindet sich bei Z = 0 und X = 0,15 Millimeter von der Achse 22 entfernt. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, gehen sämtliche Strahlen durch die durch die Irisblenden 30 und 32 definierte ringförmige Blende (da sie im Bereich von 15º bis 16º liegen). Jedoch werden alle Strahlen, die vom Punkt A ausgehen, durch die Irisblende 50 aufgefangen. Dies zeigt, daß von der Oberfläche des Fensters 16 gestreutes Licht den Photodetektor 44 nicht erreicht.
Fig. 9 zeigt ein Strahlendiagramm für Strahlen, die vom Punkt B in der Streuzelle ausgehen und unter Winkeln von 14º bis 16º gestreut werden. Die Koordinaten des Punktes B lauten Z = 1,0 Millimeter und X = 0 (auf der Achse 22). Ähnlich ist in Fig. 10 ein Strahlendiagramm für Strahlen gezeigt, die vom Punkt C in der Streuzelle ausgehen und unter Winkeln von 14º bis 16º gestreut werden. Die Koordinaten des Punktes C lauten Z = 2,0 Millimeter und X = 0 (auf der Achse 22). In den Fig. 9 und 10 gehen alle Strahlen durch die durch die Irisblenden 30 und 32 definierte ringförmige Blende, gehen ebenso durch die Irisblenden 50 und 52 und erreichen den Photodetektor 44. Der Mittelbereich der Streuzelle auf der Achse 22 zwischen den Punkten B und C ist der Bereich, aus dem der Meßstrahl ausgewählt wird. In diesem Bereich wird durch die Moleküle der flüssigen Probe anstatt durch die Oberflächen des Fensters oder der Linse Licht gestreut.
Ein Strahlendiagramm für Licht, das vom Punkt B in der Streuzelle 10 ausgeht und unter Winkeln im Bereich von 14º bis 16º gestreut wird, ist in Fig. 11 gezeigt. Die Koordinaten des Punktes D lauten Z = 3,0 Millimeter und X = 0,15 Millimeter. Da die Länge der Streuzelle 10 längs der Achse 22 3 Millimeter beträgt, befindet sich der Punkt D auf der Oberfläche des Fensters/Linse 18. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, gehen alle Strahlen durch die durch die Irisblenden 30 und 32 definierte ringförmige Blende. Jedoch werden alle Strahlen von der Irisblende 52 aufgefangen. Somit wird verhindert, daß Licht, das von der Oberfläche des Fensters/Linse 18 gestreut wird, den Photodetektor 44 erreicht.
Die Parameter eines Beispiels des Detektors zur molekularen Charakterisierung der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. Die Z-Position ist der Abstand vom Punkt 160 längs der Achse 22, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der Punkt 160 ist ein Punkt auf der Achse 22, an dem der Laserstrahl aus dem Fenster 16 in die flüssige Probe eintritt. Selbstverständlich sind die in Tabelle 1 gezeigten Parameter lediglich beispielhaft, und selbstverständlich kann im Umfang der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl anderer optischer Parameter verwendet werden. Tabelle 1
Ein wichtiger Vorteil des obenbeschriebenen Detektoraufbaus besteht darin, daß mit einer einzigen Linse (Fenster/Linse 18) zwei verschiedene Funktionen erfüllt werden. Dies erübrigt mehrfache Glas-zu-Luft-Schnittflächen, die stets eine Quelle von Streulicht sind. Die beiden Funktionen, die mit dem Fenster/Linse 18 und den Irisblenden 30, 32, 50, 52 erfüllt werden, sind das Auswählen von Strahlen mit Streuwinkeln zwischen 14º und 16º und das Auswählen von Strahlen, die vom Mittelabschnitt der Zelle gestreut werden, und das Eliminieren jeglichen Lichts, das von den Endabschnitten der Streuzelle gestreut wird. Die Funktion des Auswählens von Strahlen mit Streuwinkeln zwischen 14º und 16º wird durch die Irisblenden 30 und 32 ausgeführt, was häufig als Fourier-Linsenanordnung bezeichnet wird. Wenn keine sphärischen Aberrationen auftreten geht sämtliches Licht, das mit der Linsenachse einen gegebenen Winkel bildet und von der Achse ausgeht, durch einen Ring am Brennpunkt der Linse. Somit kann Licht, das unter einem gegebenen Winkel von der Achse der Linse gestreut wird, mit einem Ringschlitz selektiert werden. Die Weite des Schlitzes bestimmt den Bereich von Winkeln, die selektiert werden. Wegen der starken sphärischen Aberrationen in dem Fenster/Linse 18 ist die Brennpunktsebene gekrümmt, so daß sich die inneren und äußeren Kanten des Ringschlitzes in verschiedenen axialen Abständen von der Linse befinden. Dies trägt dem Abstand zwischen den Irisblenden 30 und 32 Rechnung.
Außerdem wird wegen der sphärischen Aberrationen in dem Fenster/Linse 18 sämtliches Licht von den beiden Enden der Zelle durch das einzelne Fenster/Linse 18 auf zwei Kreise anstatt auf zwei Punkte fokussiert. Die Irisblenden 50 und 52 selektieren Licht aus dem gewünschten Bereich in der Mitte der Zelle. Es kann eine komplexere Linsenanordnung verwendet werden, um ein Bild des Streubereichs in der Zelle zu bilden. Dann können Masken verwendet werden, die verhindern, daß Licht von den Enden des Bildes den Photodetektor 44 erreicht. Jedoch ist der Nachteil einer komplexeren Linsenanordnung der, daß jede Linsenoberfläche Streulicht hinzufügt und folglich die Meßgenauigkeit verringert.
Die Strahlabfangeinrichtung 24 wird nach dem Durchgang des Laserstrahls durch die flüssige Probe in der Streuzelle 10 verwendet, um unerwünschtes Licht zu dämpfen. Wenn der Laserstrahl nicht um viele Größenordnungen gedämpft würde, würde unerwünschtes reflektiertes Licht ein Absinken der Meßgenauigkeit bewirken. Der Laserstrahl, der ungestreut durch die Probe geht, ist der Hautanteil des unerwünschten Lichts und besitzt im Vergleich zu dem Licht, das bei den ausgewählten Streuwinkeln abgefangen wird, eine sehr hohe Intensität. Wenn der Laserstrahl nicht gedämpft würde, würde er durch eine Oberfläche, auf die er auftritt, zur Probe zurückreflektiert und bei den ausgewählten Streuwinkeln Fehlsignale hervorrufen (Rauschen), wodurch der Rauschabstand der gewünschten Messung verkleinert wird und die Genauigkeit des Instruments verringert wird.
Die Strahlabfangeinrichtung 24 ist auf der Achse 22 des Detektors angeordnet, um den Laserstrahl abzufangen und auf einen sehr geringen Pegel zu dämpfen. Im Ergebnis ist das reflektierte Licht im Vergleich zu dem Licht, das bei ausgewählten Streuwinkeln gemessen wird, vernachlässigbar. Die Strahlabfangeinrichtung 24 enthält lichtabsorbierende Oberflächen, die so angeordnet sind, daß der Laserstrahl nach dem Durchgang durch die Streuzelle 10 viele Reflexionen an lichtabsorbierenden Oberflächen erfahren muß, bevor er in die Probe zurück reflektiert wird. Dies dämpft die Reflexion weit unter den Pegel, der andernfalls den Rauschabstand des Signals bei den ausgewählten Streuwinkeln beeinflussen würde.
Eine Querschnittsansicht der Strahlabfangeinrichtung 24 ist in Fig. 12 gezeigt. Die Strahlabfangeinrichtung 24 enthält ein Gehäuse 170, einen Pfosten 172 mit einer lichtabsorbierenden Oberfläche 174 und ein Führungsrohr 176. Das Gehäuse 170 besitzt eine zylindrische Wand mit einer lichtabsorbierenden Innenfläche 178. Der Pfosten 172 ist innerhalb des Gehäuses axial angeordnet und besitzt einen auf die optische Achse 22 zentrierten kreisförmigen Querschnitt. Die lichtabsorbierende Oberfläche 174 ist in einem Winkel θ in bezug auf die optische Achse 22 orientiert. Der Pfosten 172 wird im Gehäuse 170 von einer Scheibe 180 getragen.
Das Führungsrohr 176 ist an der Eingangsseite des Gehäuses 170 angebracht, um den Laserstrahl zur lichtabsorbierenden Oberfläche 174 zu führen. Das Führungsrohr 176 besitzt eine kegelstumpfförmige, konische, lichtabsorbierende Oberfläche 182. Eine erste Öffnung 184 mit einem relativ großen Durchmesser empfängt den Laserstrahl, wobei eine zweite Öffnung 186 mit einem relativ kleinen Durchmesser einen Einlaß in das Gehäuse 170 definiert. Der Laserstrahl dringt durch die Öffnung 184 im Führungsrohr 176 in die Strahlabfangeinrichtung 24 ein. Der Winkel der kegelstumpfförmigen, konischen, lichtabsorbierenden Oberfläche 182 im Führungsrohr 176 wird so gewählt, daß sämtliches Licht, das in das Führungsrohr eindringt, entweder durch die Öffnung 186 direkt in das Gehäuse 170 geht oder auf die lichtabsorbierende Oberfläche 182 trifft. Jegliches Licht, das von der Oberfläche 182 nicht absorbiert wird, wird durch die Öffnung 186 in das Gehäuse 170 reflektiert oder wieder zur Oberfläche 182 reflektiert. Letztendlich geht nahezu das gesamte Licht, das in das Führungsrohr 176 eindringt, durch die Öffnung 186 in das Gehäuse 170.
Die Innenfläche 178 des Gehäuses 170 und die Oberfläche des Pfostens 172 einschließlich der Oberfläche 174 sind lichtabsorbierend. Vorzugsweise bestehen die lichtabsorbierenden Flächen aus poliertem, schwarzeloxiertem Aluminium. Licht, das aus dem Führungsrohr 176 in das Gehäuse 170 eindringt, trifft auf die lichtabsorbierende Oberfläche 174 auf, wobei der größte Teil des einfallenden Lichts absorbiert wird. Licht, das nicht absorbiert wird, wird auf die Innenwand 178 des Gehäuses reflektiert, wo eine weitere Absorption eintritt. Jede Reflexion verringert die Intensität des Lichts wesentlich. Der Bruchteil des Lichts, der zurück durch die Öffnung 186 reflektiert werden kann, ist um viele Größenordnungen kleiner als das Licht, das eindringt.
Der Pfosten 172 und die zylindrische Wand des Gehäuses 170 definieren zwischen sich einen ringförmigen Raum. Der Winkel θ der lichtabsorbierenden Oberfläche 174 relativ zur optischen Achse 22 wird so gewählt, daß Licht, das durch die Öffnung 186 in das Gehäuse eintritt und auf die Oberfläche 174 auftrifft, in dem ringförmigen Raum mehrfach reflektiert wird, wie durch die gestrichelte Linie 190 in Fig. 12 angegeben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Winkel θ 15º. Im allgemeinen muß die Abmessung der lichtabsorbierenden Oberfläche 174 ausreichend groß sein, um jedes Licht, das durch die Öffnung 186 in das Gehäuse 170 eindringt, abzufangen. Der Winkel θ wird so gewählt, daß von der Oberfläche 174 reflektiertes Licht einmal von der Innenfläche 178 reflektiert wird und auf den zylindrischen Abschnitt des Pfostens 172 auftrifft. Der Durchmesser der Öffnung 186 wird wesentlich größer als der polierte Mittelabschnitt des Laserstrahls gewählt. Während die Öffnung 186 typischerweise kreisförmig ist, um einen runden Laserstrahl zu empfangen, kann die Öffnung 186 von elliptischer oder rechteckiger Form sein, um Laserstrahlen zu empfangen, die nicht kreisförmig sind. In einer bevorzugten Ausführungsform betragen der Innenradius des Gehäuses 170 0,1875 Zoll, der Radius des Pfostens 172 0,075 Zoll und der Radius der Öffnung 186 0,0524 Zoll.
Die Strahlabfangeinrichtung 24 ist als Teil des Detektors zur molekularen Charakterisierung beschrieben worden. Selbstverständlich kann die gezeigte und obenbeschriebene Strahlabfangeinrichtung 24 in jeder Anwendung verwendet werden, die eine Dämpfung eines Lichtstrahls ohne wesentliche Reflexion erfordert.
Der Detektor zur molekularen Charakterisierung ist oben in Zusammenhang mit einem Flüssigchromatographiesystem beschrieben worden. Es gibt viele alternative Verfahren der Vorbereitung einer Probe für die Analyse durch einen Detektor wie etwa die überkritische Fluidchromatographie, die Kapillarelektrophorese, die Strömungsfeldfraktionierung und andere. Der Detektor zur molekularen Charakterisierung der vorliegenden Erfindung ist bezüglich des Verfahrens der Vorbereitung der Probe nicht eingeschränkt.
Die gemessenen Werte der Streulichtintensität I&sub1;&sub5;, I&sub9;&sub0; und ID und die Korrelationsfunktion g(t) werden durch den Computer 130 verwendet, um Parameter für die molekulare Charakterisierung der Probe in der Streuzelle 10 zu berechnen. Das Molekulargewicht MW und der Gyrationsradius RG werden bestimmt aus:
MW(dN/dC)ΔΩ = IS(θ)(Kins(θ) (1 + C(θ)RG²), (1)
wobei dN/dC das spezifische Lichtbrechungsvermögen der Prüfprobe ist und ΔΩ der im Differenzrefraktometer gemessene Ablenkwinkel ist. Die gemessene Intensität IS(θ) bei dem Winkel θ ist gegeben durch
IS(θ) = I(θ)gelöster Stoff - I(θ)Lösungsmittel (2)
Der Wert von C(6) ist gegeben durch
C(θ) = (16π2n&sub0;²/3λ&sub0;²)·sin²(θ/2) (3)
Der Wert von dN/dC ist für ein bestimmtes Probemolekül/Lösungsmittel-System bekannt. Der Wert von Kins(θ), der eine Konstante des Instrumentes ist, hängt von den Einzelheiten des optischen Erfassungssystems, von der Laserstärke und von der Laserwellenlänge ab. Er kann empirisch bestimmt werden und ist für sämtliche Proben gültig. Die Gleichung (1) enthält somit zwei Unbekannte (Mw und RG). Um diese Werte zu ermitteln, werden die gemessenen Werte der Streulichtintensität I&sub1;&sub5; und I&sub9;&sub0; als Wert von IS (θ) substituiert, um zwei simultane Gleichungen zu bilden. Die simultanen Gleichungen werden gelöst, um die Werte des Molekulargewichts MW und des Gyrationsradius RG zu erhalten.
Der hydrodynamische Radius Rh wird aus der gemessenen Korrelationsfunktion, die die Form besitzt:
g(t) = a + be-t/τ, (4)
wobei 1/τ = 2DK² die exponentielle Zerfallsrate ist, D = kT/GπnRh die Diffusionskonstante ist und K = (27πη&sub0;/λ&sub0;)·sin(θ/2) der Streuvektor ist. In diesen Ausdrücken sind k die Boltzman-Konstante, T die Temperatur in Kelvin, η die Viskosität der Lösung, Rh der hydrodynamische Radius und θ der Streuwinkel. Der Wert von Rh kann durch Messung von τ bestimmt werden, da alle anderen Faktoren bekannt sind.
Der Formfaktor der Probemoleküle ist bezüglich der Exzentrizität definiert. Ein Maß für die Exzentrizität e eines Sphäroids ist gegeben durch:
e = ((A² - B²)/A²)1/2,
wobei A und B die Achsen des Sphäroids sind. Die Exzentrizität wird aus dem Polarisierungsverhältnis 1% bestimmt, das definiert ist als:
Pv(ID/I&sub9;&sub0;)(α/β), (6)
wobei α der Raumwinkel für I&sub9;&sub0; ist und β der Raumwinkel für ID ist. Für einen einzelnen Meßwert von ρv können zwei Exzentrizitätswerte berechnet werden, einer für einen gestreckten Sphäroiden und einer für einen abgeflachten Sphäroiden. Eine Aufzeichnung des Polarisationsverhältnisses ρv als Funktion der Exzentrizität e ist im Computer enthalten. Für einen gegebenen Wert des gemessenen Polarisationsverhältnisses ρv wird die Exzentrizität e aus der Aufzeichnung bestimmt.
Da nun gezeigt und beschrieben worden ist, was gegenwärtig als bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrachtet wird, ist Fachleuten offenbar, daß diese verschiedenen Änderungen und Modifikationen unterzogenen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Detektor (8) zur molekularen Charakterisierung, der umfaßt:

eine Streuzelle (10), die eine Probe zur molekularen Charakterisierung enthält;

eine Einrichtung (20) zum Lenken eines Lichtstrahls durch die Zelle, so daß der Lichtstrahl durch die Probe gestreut wird, wobei der Lichtstrahl eine optische Achse (22) definiert;

eine Einrichtung (30, 32, 50, 52) zum Wählen eines Meßstrahls aus dem Streulicht, der Licht des Lichtstrahls enthält, der durch die Probe von einem vorgegebenen Abschnitt der Streuzelle in einem vorgegebenen Winkelbereich in bezug auf die optische Achse gestreut wird, wobei die Einrichtung

eine erste ringförmige Öffnung (Blende) (34) umfaßt, die den Meßstrahl durchläßt, gekennzeichnet durch:

erste und zweite Elemente (50, 52), die eine zweite ringförmige Blende für den Meßstrahl bilden, wobei sich die ersten und zweiten Elemente stromabwärts von der ersten Blende befinden und axial beabstandet sind; und

eine Einrichtung (44, 46) zum Erfassen des Meßstrahls und zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignals, das den Meßstrahl zur Charakterisierung der Probe repräsentiert.

2. Detektor zur molekularen Charakterisierung nach Anspruch 1, wobei die erste Blende (34) durch dritte und vierte (30, 32) beabstandete Elemente definiert ist.

3. Detektor zur molekularen Charakterisierung nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer optischen Einrichtung (18) zum Fokussieren von durch die Probe gestreutem Licht auf die erste ringförmige Blende.

4. Detektor zur molekularen Charakterisierung nach Anspruch 3, wobei die optische Einrichtung eine Linse (18) mit einer einzigen sphärischen Oberfläche umfaßt.

5. Detektor zur molekularen Charakterisierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streuzelle (10) an jedem Ende ein Fenster (16, 18) enthält und wobei das erste Element (50) und das zweite Element (52) Licht des Lichtstrahls, der durch das Fenster an jedem Ende der Streuzelle gestreut wird, blockieren.

6. Detektor zur molekularen Charakterisierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Strahlabfangeinrichtung (24) zum Dämpfen des Lichtstrahls nach dem Durchgang des Lichtstrahls durch die Streuzelle (10) enthält.

7. Detektor zur molekularen Charakterisierung nach Anspruch 6, wobei die Strahlabfangeinrichtung umfaßt:

ein Gehäuse (170) mit einem Einlaß zum Empfangen des Lichtstrahls parallel zur optischen Achse und einer lichtabsorbierenden Innenwand (178); und

eine Oberfläche (174) die sich in dem Gehäuse befindet und so positioniert ist, daß sie den durch den Einlaß empfangenen Lichtstrahl abfängt, wobei die Oberfläche an einem Pfosten (172) in dem Gehäuse ausgebildet ist, wobei der Pfosten und die Innenwand des Gehäuses zwischen sich einen ringförmigen Raum definieren und wobei die Oberfläche relativ zu dem Lichtstrahl unter einem Winkel orientiert ist, der so gewählt ist, daß der Lichtstrahl Mehrfachreflexionen in dem ringförmigen Raum stromabwärts von der Oberfläche längs der optischen Achse erfährt.

8. Detektor zur molekularen Charakterisierung nach Anspruch 6, wobei die Strahlabfangeinrichtung (24) umfaßt:

ein Gehäuse (170) mit einem Einlaß zum Empfangen des Lichtstrahls parallel zur optischen Achse und einer lichtabsorbierenden Innenwand (178);

eine Oberfläche (174), die sich in dem Gehäuse befindet und so positioniert ist, daß sie den durch den Einlaß empfangenen Lichtstrahl abfängt, wobei die Oberfläche in bezug auf den Lichtstrahl unter einem Winkel orientiert ist, der so gewählt ist, daß der Lichtstrahl Mehrfachreflexionen in dem Gehäuse stromabwärts von einem Punkt, an dem die Oberfläche den Lichtstrahl abfängt, und längs der optischen Achse erfährt; und

eine Einrichtung zum Führen (176) des Lichtstrahls zum Einlaß des Gehäuses, wobei die Führungseinrichtung eine kegelstumpfförmige, konische, lichtabsorbierende Oberfläche (182) umfaßt, die eine erste Öffnung (184), die größer als der Einlaß zum Empfangen des Lichtstrahls ist, und eine zweite Öffnung (186), die den Einlaß des Gehäuses definiert, umfaßt.

9. Verfahren zum Erzeugen eines Signals zur molekularen Charakterisierung einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt:

Lenken eines Lichtstrahls durch eine Streuzelle (10), die eine Probe zur molekularen Charakterisierung enthält, so daß der Lichtstrahl durch die Probe gestreut wird, wobei der Lichtstrahl eine optische Achse (22) definiert;

Auswählen eines Meßstrahls aus dem gestreuten Licht, der Licht des Lichtstrahls umfaßt, der durch die Probe von einem vorgegebenen Abschnitt der Streuzelle in einem vorgegebenen Winkelbereich in bezug auf die optische Achse gestreut wird, umfassend

Auswählen des Meßstrahls unter Verwendung einer ersten ringförmigen Blende (34), gekennzeichnet durch

Auswählen des Meßstrahls unter Verwendung erster und zweiter Elemente (50, 52), die eine zweite ringförmige Blende für den Meßstrahl bilden, wobei sich die ersten und zweiten Elemente stromabwärts von der ersten Blende befinden und axial beabstandet sind; und

Erfassen des Meßstrahls und Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignals, das den Meßstrahl zur Charakterisierung der Probe repräsentiert.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Probe eine flüssige Probe umfaßt und die Streuzelle an jedem Ende ein Fenster besitzt, wobei die axial beabstandeten ersten und zweiten Elemente Licht des Lichtstrahls, das durch das Fenster an jedem Ende der Streuzelle gestreut wird, blockieren.