DE102004059704B4

DE102004059704B4 - Spektroskopischer Nachweis anorganischer, organischer oder biologischer Stoffe

Info

Publication number: DE102004059704B4
Application number: DE200410059704
Authority: DE
Inventors: Dr. Ayman Ibrahim
Original assignee: SCIEVA GmbH
Current assignee: SCIEVA GmbH
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2024-12-11
Also published as: DE102004059704A1; DE102004059704A9

Abstract

Verfahren zum spektroskopischen Nachweis eines anorganischen, organischen oder biologischen Stoffs in einer Probe, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Hinzugeben eines Wirt-Systems für den nachzuweisenden Stoff zu der zu untersuchenden Probe, wobei das Wirt-System ein 5,5'-Dimethyl-2,2'-Bipyridin-Porphyrindoppeldecker, ein 4,4'-Bismethyl-1,1'-biphenyl-Porphyrindoppeldecker oder ein 6,6'-Dimethyl-2,2'-bipyridin-porphyrindoppeldecker ist, – Anregen des Systems aus Probe und Wirt-System und Bestimmen eines Spektrums des Systems in Abhängigkeit der Signalverschiebung und – Nachweis des Stoffs durch Vergleich des Spektrums mit mindestens einem Referenzspektrum.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Bestimmung und den Nachweis anorganischer, organischer oder biologischer Stoffe. Das Meßverfahren gemäß der Erfindung erlaubt insbesondere das Vorliegen und die Konzentration der Stoffe mittels spektroskopischer Geräte, insbesondere UV- und Lumineszenzdetektoren, zu bestimmen.
Zum Nachweis von Stoffen ohne eigene spektroskopische Eigenschaften, zu denen beispielsweise eine Vielzahl von Metallen und Schwermetallen gehören, sind herkömmliche spektroskopische Geräte, wie UV/Vis oder Fluoreszenzgeräte nicht geeignet. Weiterhin ist der Nachweis einzelner Stoffe in spektroskopischen Gemischen. z. B. biologische Abbaustoffen, bzw. der Nachweis von Stoffen in sehr geringer Konzentration mit solchen Geräten außerordentlich schwierig oder sogar unmöglich. Zur Messung solcher Stoffe wurden daher aufwändige Messmethoden wie die Massenspektroskopie entwickelt, die speziellere spektroskopische Eigenschaften oder andere physikalische oder chemische Eigenschaften als Messgrundlage verwenden. Zu diesen Methoden gehören insbesondere die Atom-Absorption-Spektroskopie (AAS) und die induktiv-gekoppelte Plasma-Massenspektroskopie (ICPMS). Diese Methoden sind die Standardmethoden, insbesondere für die Messung von Metallen und Schwermetallen.
Aus EP 0010615 A1 ist ein Verfahren zum Nachweis eines Stoffes bekannt. Dies wird durch folgende Schritte erzielt: Es wird ein Wirt-System für den nachzuweisenden Stoff zu der zu untersuchenden Probe hinzugegeben, danach wird das System, bestehend aus der Probe und dem Wirt angeregt und ein Spektrum des Systems, in Abhängigkeit der Signalverschiebung, bestimmt. Danach kann der Stoff durch einen Vergleich des Spektrums mit mindestens einem Referenzspektrum nachgewiesen werden.
Biesaga, Pyrzynska und Trojanovizcz beschreiben in ihrem Artikel „Porphyrins in analytical chemistry. A review”, Talanta (2000), Vol. 51, Seiten 209–224 verschiedene Methoden zur Identifikation unterschiedlicher Stoffe. Beispielsweise können Kupfer, Zink und Nickel durch ein Meso-Tetraphenylpoporphyrin identifiziert werden. Weiterhin gibt es die Möglichkeit, eine Elektrokathalyse einer Elektrooxidation durchzuführen, damit kann eine Acetylcholinesterase ermittelt werden. Neben diesen Verfahren sind weitere Verfahren zur Identifikation von verschiedenen Stoffen bekannt, wie die Potentiometrie, die Voltammetrie und Biosensoren.
Die Patentschrift US 6,586,256 B1 bezieht sich auf die Analyse von chemischen Verbindungen und ihre Quantifizierung. Die kleinen Molekülverbindungen der vorliegenden Erfindung weisen parameterbindende Einheiten auf, diese werden analysiert und mit Wirt-Einheiten funktionell verknüpft. Die Wirt-Einheiten dieser Moleküle strahlen ein messbares Signal aus, wenn die parameterbindenden Einheiten mit dem Parameter wechselwirken. Zur Quantifizierung der zu bestimmenden Parameter wird eine Wirt-Messvorrichtungen eingesetzt.
Die US 2002/0165364 A1 beschreibt Leuchtstoffindikatoren, die eine verbindliche Proteineinheit, eine Spenderleuchtstoffproteineinheit und eine Akzeptor-Leuchtstoffprotein-Einheit umfasst. Die Protein-Einheit hat einen parameterbindenden Bereich, der einen Parameter bindet und die Spendereinheit und die Akzeptoreinheit in ihrer Position relativ zueinander verändert, wenn sich der Parameter an den parameterbindenden Bereich anschließt. Die Spendereinheit und die Akzeptoreinheit stellen einen Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer dar. Wenn die Spendereinheit angeregt wird und der Abstand zwischen der Spendereinheit und der Akzeptoreinheit klein wird, wird Leuchtstoffresonanzenergie freigegeben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein neuartiges Verfahren für die Bestimmung und zum Nachweis von Stoffen bereitzustellen. Diese Bestimmung soll unabhängig von den eigenen spektroskopischen Eigenschaften der nachzuweisenden Stoffe möglich sein. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die qualitative und die quantitative Bestimmung von Stoffen und Metallen oder Schwermetallen bzw. deren Salze mittels bekannter spektroskopischer Geräte, insbesondere UV- und Lumineszenzdetektoren, möglich ist.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Grundidee, ein Wirt-System für den zu bestimmenden Stoff zu verwenden, wobei durch eine Wechselwirkung des Wirt-Systems mit dem Stoff das Spektrum des Systems in einer Weise, die charakteristisch für den zu bestimmenden Stoff ist, geändert wird, und somit eine qualitative und durch die Intensität quantitative Analyse des Stoffs ermöglicht wird. Zum Bestimmen des Spektrums des Systems aus Probe und Wirt-System wird das System angeregt, beispielsweise mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, und das Spektrum des Systems in Abhängigkeit der Wellenlänge bzw. der Signalverschiebung bestimmt. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung liegt hierbei, z. B. bei UV/Vis, vorzugsweise zwischen etwa 200 nm und etwa 800 nm. Das gewonnene Spektrum wird anschließend mit einem Referenzspektrum verglichen. Das Referenzspektrum kann hierbei das Spektrum des Wirt-Systems sein. Insbesondere kann zum Nachweis des Stoffs mindestens ein Intensitätsmaximum in dem Spektrum bestimmt werden und dessen Lage mit der Lage im Referenzspektrum verglichen werden.
Voraussetzung für ein geeignetes Wirt-System ist, dass die Wechselwirkung des Wirt-Systems mit dem zu bestimmenden Stoff möglichst sofort auch bei Raumtemperatur und ohne jeglichen Zusatz von Katalysatoren oder anderen Reaktionspartnern auftritt. Das entstandene System aus Wirt-System und Probe sollte spektroskopisch individuell nachweisbar und für jeden nachzuweisenden Stoff unterscheidbar sein. Weiterhin sollte das Wirtsystem sehr selektiv zu dem zu bestimmenden Stoff sein, also möglichst nicht mit anderen Stoffen wechselwirken.
Als Wirt-System geeignete Systeme sind unter anderem auf Biopolymeren basierende Systeme, auf Porphyrinen basierende Systeme, auf Phthalocyaninen basierende Systeme, auf Catenanen basierende Systeme oder auf Rotaxanen basierende Systeme. Es wurde insbesondere festgestellt, dass diese Systeme unterschiedliche Wechselwirkungen mit verschiedenen Molekülen, Atomen und Ionen eingehen. Die Art der Wechselwirkungen ist von den chemischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Art der Atome und der Elektronendichte, und dem geometrischen Aufbau der Molekülsysteme abhängig. In vielen Fällen führen die Wechselwirkungen aufgrund von Π-Π-Bindungen, Wasserstoffbrücken- oder metallische Bindungen zur Bildung von Aggregaten oder Komplexen. Der zu bestimmende Stoff kann jeder anorganische, organische oder biologische Stoff sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch besonders für den Nachweis von organischen Molekülen, Metallen und Schwermetallen und deren Salzen geeignet.
Die Erfindung ist insbesondere auf die Verwendung eines dreidimensionalen Rezeptors als Wirtsystem zum spektroskopischen Nachweis von chemischen Stoffen in einer Probe gerichtet, insbesondere die Verwendung eines auf Porphyrinen basierenden Systems.
Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Wirt-Systeme beispielsweise in einer mobilen Vorrichtung, wie auf einem Teststreifen oder in einer Testampulle, verwendet werden, die den visuellen Nachweis eines Stoffs ermöglicht. Weiterhin stehen eine Messzelle und ein die MesszeIle aufweisendes Messmodul bereit, das in Form eines Zusatzmoduls für auf den Markt vorhandene spektroskopische Geräte das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mittels solcher herkömmlicher Geräte erlaubt.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt Beispiele für Wirt-Systeme zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung.
2: zeigt bevorzugte Porphyrinsysteme
3: zeigt ein weiteres bevorzugtes Porphyrinsystem (a) und verschiedene mögliche Wechselwirkungssysteme zwischen dem Porphyrinsystem und Metallkationen (b) bis (d).
4: zeigt das UV-Vis-Spektrum des Wirt-Systems 1d aus 2 mit konzentrationsabhängigen E-Werten.
5: zeigt das Spektrum des Wirt-Systems 1d aus 2 mit Nickel-Ionen.
6: zeigt Spektren des Wirt-Systems 1d aus 2 mit Natrium- bzw. Rubidium-Ionen (a) und Spektren des Wirt-Systems 87 aus 3(a) mit Ag⁺ (b) und weiteren Metallen (c) bis (e).
7: zeigt schematisch ein bevorzugtes Messmodul.
8: zeigt schematisch eine bevorzugte Messzelle.
1 zeigt auf Porphyrinen basierende Systeme, die im erfindungsgemäßen Verfahren als Wirt-Systeme verwendet werden können. Für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vordringlichen Eigenschaften der Wirt-Systeme sind nicht nur die chemischen Eigenschaften sondern hauptsächlich diejenigen Eigenschaften, die aus dem geometrischen Aufbau der Systeme resultieren. Insbesondere ist die Art der Wechselwirkungen der Wirt-Systeme mit verschiedenen Molekülen, Atomen bzw. Ionen von den chemischen Eigenschaften, beispielsweise der Art der Atome und der Elektronendichte, aber auch vom geometrischen Aufbau der Molekularsysteme abhängig. Von besonderem Interesse sind die schwachen, nicht kovalenten Bindungen. Durch Π-Π-Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen oder metallische Bindungen führen diese Wechselwirkungen in vielen Fällen zur Bildung von Aggregaten oder Komplexen.
Für die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Nachweis von Metallen und Schwermetallen sind besonders die in 1, 2 und 3(a) gezeigten auf Porphyrin basierenden Systeme von Interesse.
Die im Folgenden beschriebenen Systeme sind für die Bestimmung von Metallen, aber auch für die Bestimmung von Aromaten geeignet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden für die Bestimmung von Metallen bevorzugt wasserlösliche dreidimensionale Porphyrin-Systeme verwendet, die in der Lage sind, durch Komplexierung mit Metallen Elektronen- bzw. Energie-Transfer-Systeme zu bilden. Prinzipiell wird jeder zu bestimmende Stoff, insbesondere also jedes zu bestimmende Metall als Gast angesehen, und es wird ein dafür entsprechend maßgeschneiderter Wirt in Form eines dreidimensionalen Rezeptors konzipiert. Insbesondere sollte das Wirt-System auch bei Raumtemperatur und ohne jeglichen Zusatz von Katalysatoren und anderen Reaktionspartnern mit dem zu bestimmenden Stoff wechselwirken. Das entstandene System soll dann spektroskopisch individuell nachweisbar und für jedes einzelne Metall unterscheidbar sein. Dieses Prinzip wird auch ”Fingerprint”-Prinzip genannt. Das Wirt-System sollte möglichst selektiv mit dem zu bestimmenden Stoff wechselwirken, also möglichst keine Wechselwirkung mit anderen Stoffen haben.
Die in 2 gezeigten Porphyrin-Systeme 1a bis e bilden aufgrund ihrer dreidimensionalen Strukturen gute Wirt-Gast-Bindungen bzw. Metallkomplexe, Diese Verbindungsklasse besitzt weiterhin aufgrund der 8-fachen Phosphoniumgruppen zusätzlich gute Löslichkeit. Zur Darstellung solcher dreidimensionaler Rezeptoren stehen mehrere Methoden zur Verfügung. Bei der allgemeinsten Methode werden Molekülgerüste aus ihren Komponenten durch mehrfache Bindungsknüpfungen miteinander verklammert.
3(a) zeigt ein weiteres Beispiel eines Porphyrin-Systems zur Verwendung gemäß der Erfindung. In den 3(b) bis 3(d) sind mögliche Komplexe gezeigt, die durch die Wechselwirkung zwischen Metallionen und dem in 3(a) gezeigten Porphyrin-System entstehen. Metallionen können im Zentrum, wie in 3(b), ober- sowie unterhalb der Käfigstruktur liegen, wie in 3(c) gezeigt, oder eine Kombination dieser beiden Strukturen darstellen, wie sie in 3(d) gezeigt ist
Während die Spektren von Metallionen im ultravioletten bzw. visuellen Bereich oder bei der Fluoreszenz nicht definierbare Signale zeigen, besitzen die Spektren der in 2 gezeigten Porphyrin-Systeme sehr charakteristische und intensive Signale. Ein Beispiel eines solchen Spektrums des als 1d in 2 gezeigten Systems zeigt die 4(a). Insbesondere ist das Spektrum des in Methanol gelösten Porphyrin-Systems 1d für Wellenlängen zwischen 200 und 800 nm gezeigt. Deutliche Intensitätsmaxima sind insbesondere im Bereich von 301 nm, 411 nm, 523 nm und 582 nm zu sehen.
Falls eine Wechselwirkung zwischen den Porphyrinsystemen und Metallionen stattfindet, führen diese aufgrund der Veränderung der Elektronendichte der Bildung neuer Bindungen zu Verschiebungen bzw. Veränderungen der charakteristischen Signale der Porphyrinsysteme. Da die verschiedenen Metallionen zu verschiedenen Wechselwirkungen führen, ergibt jede Wechselwirkung ein individuelles und von dem Metall abhängiges Spektrum. Somit kann eine Identifikation der unterschiedlichen Metalle aufgrund der Veränderung des Spektrums zugänglich werden. Die Intensitäten der neuen Signale sind dabei proportional zu der Metallkonzentration.
Da Porphyrine und Bipyridine unterschiedliche Komplexierungseigenschaften besitzen, sind Systeme, wie das in 2 gezeigte 1d, das sowohl Porphyrine als auch Bipyridine enthält, von besonderem Interesse. Die Wechselwirkung und somit die Bildung von Porphyrin-Metall-Komplexen kann u. a. durch die Verschiebung der für Porphyrine typischen Soret- und Q-Banden in den UV/Vis-Spektren beobachtet werden. Das Bipyridin bildet mit Metallen durch die Beteiligung seiner zwei Stickstoffelektronenpaare die Bipyridin-Metallkomplexe. Die Zahl der Bipyridin-Einheiten, die mit einem Metallion komplexieren können, hängt von der Koordinationszahl des Metalls, der Geometrie des Komplexes und der sterischen Hinderung ab. Das Porphyrin-System 1d besitzt neben den zwei Porphyrin-Ringen vier Bipyridin-Einheiten und somit sechs mögliche Positionen, an denen die Metalle eine Wechselwirkung mit dem Porphyrin-System eingehen können.
Sowohl das in 3(a) gezeigten Porphyrin-System 87 als auch die in 2 gezeigten Porphyrin-Systeme 1a bis 1e wurden auf ihre Eigenschaft als dreidimensionaler Rezeptor durch ihre Umsetzung mit verschiedenen Metallionen des Periodensystems untersucht. Da die Porphyrin-Systeme sowohl in wässrigen als auch organischen Lösungen gut löslich sind, wurden die Untersuchungen ihrer Wechselwirkungen mit den verschiedenen Metallverbindungen in verschiedenen Lösungsmitteln getestet.
Bei der Untersuchung der Wechselwirkungen des Porpyhrin-Systems 1d mit den Metallionen wurden die UV/Vis-Spektren herangezogen, da diese auch bei minimalen Substanzmengen Wechselwirkungen erkennen lassen. Die intensive Farbe des Porphyrin-Systems erleichtert die Untersuchung in sehr verdünnter Lösung und macht das Verfahren noch empfindlicher für jede Art von Wechselwirkungen.
Beispiele
Für die Lösung des Porphyrin-Systems 1d in den verschiedenen Lösungen wurden die Wellenlängen, bei denen sich Intensitätsmaxima im Spektrum zeigen – die λ_max-Werte – bestimmt. In den folgenden Beispielen wurden einige metallische Verbindungen der ersten und der vierten Hauptgruppe, der Eisen- und der Kupfergruppe, mit den Lösungen umgesetzt und die λ_max-Werte bestimmt.
Beispiel 1
5 zeigt einen Vergleich der Spektren einer DMF-Lösung, die Nickelionen enthält, einer DMF-Lösung des Porphyrin-Systems 1d, einer DMF-Lösung des Porphyrin-Systems 1d nach der Umsetzung mit einer Nickel-Ionenlösung und einer wäßrigen Lösung des Porphyrin-Systems 1d nach der Umsetzung mit einer Nickel-Ionenlösung. Die DMF-Lösung, die Nickelionen enthält, zeigt ein nicht definierbares Spektrum, wohingegen das Porphyrin-System 1d in der DMF-Lösung ein porphyrin-typisches Spektrum zeigt. Die Zugabe der Nickellösung zu der Lösung des Porphyrinsystems zeigt eine starke Verschiebung des Signals. Diese Verschiebung ist für die Anwesenheit der Nickelionen im DMF charakteristisch und identifizierbar. Bei Wiederholung des Versuchs in wäßriger Lösung wurde ebenso eine Verschiebung der Signale beobachtet. Hier war die Verschiebung der Signale für die Anwesenheit von Nickelionen in Wasser charakteristisch und identifizierbar.

Weiterhin wurde der Nachweis von Silber-Ionen durch deren Wechselwirkung mit dem System 87 aus 3(a) untersucht. Der Porphyrindoppeldecker wurde in einem Ethanol/Wasser-Gemisch gelöst und anschließend mit Silberacetat versetzt. Die Lösung wurde für ca. 20 min unter Licht bzw. unter Lichtausschluß gerührt und das UV/Vis-Spektrum des in 6(d) gezeigten Systems 87 ohne bzw. mit Silberacetat sowohl bei Lichtanwesenheit und Lichtabwesenheit gemessen. Durch die Wechselwirkung des Ag⁺ mit dem System 87 bilden sich Komplexe, wie die in 3(b) bis 3(d) gezeigten. Auch hier zeigt sich deutlich die Signalverschiebung. Tabelle 1 gibt die Verschiebungen der Signale wieder. Aus den gezeigten Spektren bzw. den in Tabelle 1 wiedergegebenen Zahlenwerten ist zu ersehen, dass das Silberion eine für sich charakteristische Verschiebung der Signale des Porphyrin-Systems 87 verursacht. Tab. 1: λ_max [nm] von 87 in Ethanol/Wasser vor und nach der Versetzung mit Ag⁺ unter Lichtausschluss und bei Lichtanwesenheit:

Probe in Ethanol/Wasser	λ_max [nm]	λ_max [nm]	λ_max [nm]	λ_max [nm]	λ_max [nm]	λ_max [nm]	λ_max [nm]
System 87	647	591	550	512	-	420	374
System 87 mit Ag* in unter Lichtausschluss	619	675	541	-	-	413	-
System 87 mit Ag* bei Lichtanwesenheit	648	588	543	514	455	420	398

Beispiel 2
Weiterhin wurde die Wechselwirkung zwischen dem 4,4'-Bisbrom-methyl-1,1'-biphenyl-Porphyrindoppeldecker 87 und Metallionen untersucht.

Der Porphyrindoppeldecker 87 wurde in EtOH/H₂O (1:1) aufgelöst und mit Metallsalzen bei Raumtemperatur umgesetzt. Die Wechselwirkung zwischen dem Porphyrindoppeldecker 87 und den Metallkationen wird durch das UV-Spektrum der in Tabelle 2 angegebenen Lösungen untersucht. Tab. 2: UV/VIS-spektroskopische Daten von 87 vor und nach der Versetzung mit Hg(OAc)₂, Pb(OAc)₂, Ni(OAc)₂, Co(OAc)₂, Cu(OAc)₂

Probe in (EtOH/H₂O)	λ_max [nm]	λ_max [nm]	λ_max [nm]	λ_max [nm]	λ_max [nm]	λ_max [nm]
System 87	419	514	548	589		645
System 87 mit Hg(OAc)₂	419	435	450	578
System 87 mit Pb(OAc)₂	419	469	514	544	606	656
System 87 mit NI(OAc)₂	419	514	548	589		645
System 87 mit Cu(OAc)₂	419	514	548	589		645
System 87 mit Cu(OAc)₂	415		538	568	620

Die entsprechenden Spektren sind in den 6(c) bis 6(e) gezeigt. Die spektroskopischen Daten zeigen, dass die Signale für die Lösungen 4 und 5 im Vergleich zur Stammlösung Ieicht verändert sind, woraus man schließen kann, dass kleine Metallionen Ni²⁺bzw. Co²⁺ stattgefunden haben (siehe 6(c)).
Die UV-Spektren für die Lösungen 2 und 3 zeigen im Vergleich zur Stammlösung 1 wesentliche Veränderungen der Signale, woraus man auf eine Veränderung der Strukturen bzw. auf sehr starke Wechselwirkungen zwischen dem Porphyrindoppeldecker 87 und den Metallkationen Hg²⁺ und Ph²⁺ in neutraler Lösung schließen kann (siehe 6(d) und 6(e)).
Das Quecksilber(II)-Kation und das Blei(II)-Kation besitzen große Radien von 1.10 Å bzw. 1.20 Å. Daher ist die Bindung dieser Kationen an den Stickstoff der Pyrrole im Zentrum des Porphyrinrings auf der gleichen Ebene unwahrscheinlich.
In 7 ist eine bevorzugte Messzelle gezeigt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Messzelle ist als Zusatzmodul für auf dem Markt vorhandene spektroskopische Geräte ausgeführt. Die MesszeIle ist die Einheit, in der das Wirt-System mit dem zu bestimmenden Stoff zusammenkommt und in der das Spektrum des durch die Wechselwirkung zwischen Wirt-System und Stoff gebildete System gemessen wird. Die bevorzugte Messzelle kann für alle spektroskopischen Verfahren verwendet werden, in denen die Strahlungsweglänge durch die Probe ein Parameter ist, also insbesondere bei UV/VIS- und Fluoreszenzmethoden. Die Abmessungen eines Messmoduls, das eine bevorzugte Messzelle aufweist, können so variabel sein, dass das Modul universell an unterschiedliche spektroskopische Geräte verschiedener Hersteller angebaut werden kann. Durch ein Softwareprogramm und eine entsprechende Schnittstelle zwischen dem Modul und einem Computer lässt sich das Modul aus dem Computer des spektroskopischen Geräts bedienen und steuern. Das Modul weist eine Probezufuhr 1 und eine Referenzzufuhr 2 auf. Die Probe wird durch die Probeneinfuhr 1 mittels einer flüssigkeitsfördernden Pumpe 3 in das Flüssigkeitsreservoir 5 geführt. Vorzugsweise hat das Flüssigkeitsreservoir ein Volumen, das dem Volumen der Messzelle 9 entspricht. Die Messzelle 9 ist in der Länge variabel und weist eine heizbare Außenhülle 8 zum Heizen der Messzelle 9 auf. Um die Länge der Messzelle 9 variabel zu machen, weist die MesszeIle eine bewegliche hintere Zellenwand 7, 19 auf, die vorzugsweise aus Quarz gefertigt ist. Weiterhin ist ein flexibler Abdeckstreifen 6 vorgesehen, der in den 7 und 8 aufgerollt eingezeichnet ist. Das Messmodul weist ein Gehäuse 4 auf und kann mittels Schrauben 15 am spektroskopischen Gerät befestigt werden.
Handelsübliche spektroskopische Zellen bzw. Küvetten haben eine feste Länge. Um das maximale Intensitätssignal im Spektrum auf einen Wert zu begrenzen, der im Messbereich des Detektors liegt, muss im allgemeinen die Konzentration des zu bestimmenden Stoffs verändert werden. Höhere Konzentrationen führen zu einer Überschreitung des maximal messbaren Intensitätswerts, während sehr niedrige Konzentrationen den messbaren Bereich, also die Empfindlichkeitsgrenze des Geräts, unterschreiten.
Demgegenüber weist die Messzelle 9 der vorliegenden Erfindung eine variable Zellenlänge 20 auf. Somit lässt sich der Lichtweg, den die elektromagnetische Strahlung durch die Probe zurücklegt, variieren. Somit kann bei einer sehr verdünnten Lösung der Lichtweg verlängert werden und bei einer hoch konzentrierten Lösung der Lichtweg verkürzt werden, so dass in jedem Fall das maximale gemessene Signal im Messbereich des Detektors liegt. Somit wird unabhängig von der Konzentration der Probe eine optimale Messung in einem einzigen Messvorgang und ohne eine Veränderung bzw. Nachbehandlung der Konzentration der Probe ermöglicht.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung startet hierzu die Messung mit einer Zellenlänge 20, die etwa dem Mittelwert der möglichen Zellenlängen entspricht. Anschließend wird ein schneller Scan mit einer groben Schrittweite für den gesamten spektroskopischen Wellenbereich durchgeführt und der maximale Wert des Signals durch eine Software bestimmt. Für einen kleinen Bereich um die Wellenlänge, bei der das maximale Signal bestimmt wurde, werden ein oder mehrere Scans durchgeführt. Ein Schrittmotor 10, der durch die Software gesteuert wird, variiert die Zellenlänge 20, bis eine optimale Zellenlänge erreicht ist. Die optimale Zellenlänge kann beispielsweise so bestimmt werden, dass das maximale Signal etwa 80% des maximal messbaren Werts, also des OD-Werts des spektroskopischen Detektors beträgt. Mit dieser optimalen Zellenlänge wird dann das gesamte Spektrum der Probe genau, d. h. mit einer feinen Schrittweise gemessen.
Anschließend kann die Zellentemperatur erhöht werden, vorzugsweise auf etwa 80 bis 120°C, und erneut das gesamte Spektrum genau gemessen werden. Die Messungen bei höherer Temperatur ermöglichen die Freisetzung des zu bestimmenden Stoffs aus Einlagerungen, beispielsweise aus einer Matrix oder Einsammlungen, die oft in der Natur oder in Lösungen, insbesondere bei Metallionen, vorkommen bzw. gebildet sind.
Durch den Vergleich der Spektren bei Raumtemperatur bzw. bei der erhöhten Temperatur entweder mit in der Software gespeicherten oder parallel in einer zweiten Messzelle gemessenen Referenzspektren kann der zu bestimmende Stoff identifiziert werden. Da sowohl die Konzentration des Wirt-Systems als auch die Zellenlänge 20 bekannt ist, kann die Software weiterhin durch einen Vergleich des gemessenen Spektrums mit gespeicherten Konzentrationskurven die Konzentration des zu bestimmenden Stoffes messen. Nach dem Messvorgang wird die Probe bzw. die Referenz durch den Ausgang 14 aus der Messzelle herausgeführt und die Zelle automatisch gereinigt. Das Messmodul weist weiterhin einen Eingang 12 und einen Ausgang 13 für eine Kühlflüssigkeit auf, um die Messzelle gegebenenfalls nach dem Erwärmen wieder kühlen bzw. auf eine vorgegebene Temperatur bringen zu können.
In 8 ist eine detailliertere Ansicht der variablen Messzelle gezeigt. Neben den bereits mit Hinweis auf die 7 beschriebenen Merkmalen zeigt 8 die Einfuhröffnung 16 für die Probe bzw. Referenz. Die Abdeckung 17 der Messzelle ist vorzugsweise aus PTFE hergestellt. Weiterhin ist die starre Front 18 der Messzelle 9 und die durch den Schrittmotor 10 über den Bewegungsarm 11 bewegbare Rückwand 19 der Messzelle 9 gezeigt. Vorzugsweise sind sowohl die Front als auch die Rückwand der Messzelle 9 aus Quarz oder Glas gefertigt. Die Pfeile 21 deuten die elektromagnetische Strahlung, die durch die Probe geführt wird, an. Weiterhin ist ein Temperatursensor 22 eingezeichnet.
Die beschriebene Messzelle wird bevorzugt für Messungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet. Dabei funktioniert sie als Messküvette mit variabler Länge.

Claims

Verfahren zum spektroskopischen Nachweis eines anorganischen, organischen oder biologischen Stoffs in einer Probe, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Hinzugeben eines Wirt-Systems für den nachzuweisenden Stoff zu der zu untersuchenden Probe, wobei das Wirt-System ein 5,5'-Dimethyl-2,2'-Bipyridin-Porphyrindoppeldecker, ein 4,4'-Bismethyl-1,1'-biphenyl-Porphyrindoppeldecker oder ein 6,6'-Dimethyl-2,2'-bipyridin-porphyrindoppeldecker ist, – Anregen des Systems aus Probe und Wirt-System und Bestimmen eines Spektrums des Systems in Abhängigkeit der Signalverschiebung und – Nachweis des Stoffs durch Vergleich des Spektrums mit mindestens einem Referenzspektrum.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das System durch Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung angeregt wird und ein Spektrum in Abhängigkeit der Wellenlänge bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Probe gasförmig, flüssig oder fest ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der nachzuweisende Stoff ein Metall oder dessen Salz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der nachzuweisende Stoff ein Aromat ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wirt-System mit dem nachzuweisenden Stoff durch Wechselwirkung ein Gast-Wirt-System bildet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zwischen etwa 200 nm und etwa 800 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Absorptionsspektrum, ein Transmissionsspektrum und/oder ein Fluoreszenzspektrum bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Referenzspektrum das Spektrum des Wirt-Systems ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Nachweis des Stoffs mindestens ein Intensitätsmaximum in dem Spektrum bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Stoff durch Bestimmen der Verschiebung eines Intensitätsmaximums in dem Spektrum des Systems aus Probe und Wirt-System gegenüber des Spektrums des Wirt-Systems nachgewiesen wird.