Danas je nabavljen foto-diodni detektor (DAD – Diode Array Detector ili PDA – Photodiode Array Detector) za tekućinsku kromatografiju visoke djelotvornosti (HPLC – High Performance Liquid Chromatography) oznake SPD-M10Avp, japanske tvrtke Shimadzu iz 1990-tih godina.
Jednostavna prednja ploča sa mrežnom sklopkom i LED indikacijama rada napajanja (POWER), deuterijske lampe (D2), halogene žarulje (W) i indikacija greške (ERROR).
Iza žute naljepnice upozorenja nalaze se lampe, a desno su priključne cjevčice za uvođenje tekućinskog uzorka.
Dva SCSI konektora predstavljaju jedina sučelja za povezivanje detektora sa indikacijskim/registracijskim uređajima (monitorom, displejom, pisačem) i drugim kompatibilnim komponentama.
Tvrtka Shimadzu vuče korijene još iz 1875. godine kada je Genzo Shimadzu započeo u Japanu proizvodnju školskih instrumenata za fiziku i kemiju. Godine 1896. Shimadzu uspješno snima radiograf, a 1909. godine proizvodi i prvi japanski rendgen. Tijekom 1915. godine započinje proizvodnju optičkih mjernih instrumenta, a 1934. godine Shimadzu je razvio i prvi spektrograf u Japanu. Jednako tako, 1952. godine razvio je prvi fotoelektrični fotospektrometar, a četiri godine kasnije i prvi japanski plinski kromatograf. Shimadzu je danas svjetska korporacija za proizvodnju kemijskih analitičkih i mjernih instrumenta za medicinu, industriju, zrakoplovstvo i slično.
Pojednostavljeni prikaz kompletnog HPLC sustava. Komponente spektrometra označene su žutom bojom.
DAD detektor SPD-M10Avp je dio sustava HPLC koji služi za detekciju ili otkrivanje komponenti u smjesama koje su prethodno pripremljene za takvu detekciju. Kako sama riječ govori, uzorak za tekućinsku kromatografiju mora biti u tekućem stanju (kod plinske kromatografije uzorak mora biti u plinovitom stanju). Za pretvaranje krutih uzoraka u tekuću smjesu koriste se posebni sustavi HPLC-a koji uključuju otapala, visokotlačne pumpe, ubrizgavače i tzv. kolone gdje se odvajaju komponente uzorka primjenom različitih fizikalnih i kemijskih parametara. Tako pripremljen uzorak iz kolone ulazi u naš detektor gdje se fotospektrometrijom mjeri prisutnost pojedine komponente.
Princip rada DAD detektora je vrlo jednostavan. Kroz uzorak se propušta UV ili vidljivo svjetlo, uzorak pri tome upija određene valne duljine svjetla karakteristične za pojedine spojeve, te se takva svjetlost zatim raspršuje u foto-spektar na difrakcijskoj rešetki kako bi se mogle izmjeriti apsorbirane spektralne frekvencije. Raspršeni foto-spektar pada na diodni senzor koji se sastoji od nekoliko stotina foto-dioda gusto poslaganih u red. Sa svake foto-diode se uzima detektirani napon koji se pretvara u digitalnu vrijednost za obradu i prikaz na računalu. U objavi Spektrometar Optical Spectrum Analyser Model 6000 (6101) opisali smo sličan sistem. Temeljna razlika je što se kod tog spektrometra spektar dobivao samo preko jedne foto-diode na koju se rotirao (skenirao) odbijeni spektar. Kod DAD detektora pak nema potrebe za rotacijom jer spektar pada na niz usko poredanih dioda koje istovremeno snimaju čitav spektar. Time je očitanje brže i nema pokretnih dijelova, no to su svakako i skuplji spektrometarski sistemi.
Elektronika DAD detektora SPD-M10Avp raspoređena je na dvije tiskane pločice. Na jednoj su elementi napajanja, a na drugoj su detektorski pretvarači sa računalom baziranom na dva 16-bitna mikroprocesora ADSP-2115 (Analog Devices) i N80C186XL12 (Intel). Ovi mikroprocesori datiraju iz 1990-tih godina pa smo na temelju toga i odredili i razdoblje proizvodnje našeg uređaja. Na izlazu su dva podatkovna SCSI sučelja. SCSI (Small Computer System Interface) računalna sučelja služe za spajanje vanjskih uređaja na računalo i nekad su bila prisutna i na kućnim računalima (osobno sam imao optički skener preko SCSI sučelja) no potpuno su ih stisnuli USB, FireWire i slični moderniji priključci. Ipak SCSI je i do danas zadržan kod nekih industrijskih računalnih komponenti. U našem slučaju na SCSI portove vjerojatno se spajao neki indikacijski monitor ili displej.
Računalo…
Napajanje…
Pogled na mrežni transformator i sustav cijevi za zračno hlađenje halogene i deuterijske lampe spektrometra upuhivanjem zraka uz pomoć ventilatora.
Izvor svjetlosti
Napajanje uređaja, osim niskih napona potrebnih za rad elektronike, također mora osigurati i napone za pogon dvije vrste lampi: halogene za vidljivu bijelu svijetlost (12V/20W) i deuterijske za UV spektar. Deuterijska lampa radi na principu električnog luka. O lučnim lampama već smo pisali u objavi Napajanje za lučne sijalice Siemens. Tamo smo govorili o ugljenim i ksenonskim lučnim lampama.
Sa prednje strane imamo dostup do halogene i deuterijske lampe (za eventulanu zamjenu), te do komore za uvođenje tekućinskog uzorka preko dvije cjevčice – ulazne i izlazne. Komora se može lako izvaditi radi eventualnog čišćenja.
Aluminijski hladnjaci sa aktivnim zračnim hlađenjem okružuju obje lampe spektrometra.
Deuterijska UV lučna lampa.
Deuterij je plin, stabilni neradioaktivni izotop vodika poznat i pod nazivom teški vodik. Za razliku od vodika kojem se jezgra sastoji od jednog protona, deuterij ima jezgru koja se sastoji od jednog protona i jednog neutrona. Lučne svjetiljke sa običnim vodikom također imaju naglašeno zračenje u UV dijelu spektra, a relativno malo u vidljivom i IC području. Međutim, svjetiljke sa deuterijem imaju duži životni vijek i nekoliko puta veći intenzitet emisije u UV dijelu spektra. Stoga, iako su skuplje, puno su bolje kao izvor svjetla za UV spektrometre.
Deuterijska lampa se sastoji od podnožja (1), priključnih elektroda (2, 3, 4), balona od stakla otpornog na visoke temperature i prozirnog za UV zračenje (10), metalnog montažnog kućišta (11) sa izlaznim otvorom (15) u kojem se nalazi anoda (12) i katoda – grijaća nit (14). Balon od kvarcnog ili UV stakla može s unutrašnje strane biti dodatno tretiran premazom koji sprječava difuziju deutarija iz balona.
Shema prikazuje način paljenja deuterijske lampe. Katoda u obliku grijače niti zagrijava se niskim naponom (cca 4-8V/5A) u vremenu cca 5-20 sekundi kako bi proizvela određeni broj slobodnih elektrona za uspostavu početnog vodljivog strujnog puta prema anodi. Kad se između katode i anode dovede napajanje cca 300-500V preko slobodnih elektrona se uspostavi električni luk. Nakon što se električni luk uspostavio, s obzirom na ograničenu struju napajanja od cca 300 mA, dolazi do pada napona napajanja na cca 100V. U tom trenutku se i smanjuje ili posve isključuje grijanje katode jer sada sam električni luk proizvodi dovoljno temperature za održavanje strujnog puta. Električni luk pobuđuje molekularni deuterij koji se nalazi u balonu lampe na viši energetski nivo. Deuterij tada emitira svjetlost dok se vraća natrag u početno stanje. Ovaj kontinuirani ciklus je izvor neprekidnog UV zračenja. Većina proizvedenog UV zračenja koncentrirana je na jednom mjestu na maloj površini luka (oko 1mm) te je tu napravljen izlazni otvor (prozorčić) na montažnom tijelu elemenata lampe. Budući da deuterijska lampa radi na visokim temperaturama balon se izrađuje od kvarcnog stakla ili sličnog materijala koji podnosi visoke temperature i propušta UV zračenje (obično staklo ne propušta kratkovalno UV zračenje). Uobičajeni (zajamčeni) vijek trajanja deuterijske lampe je 2000 sati, no novi tipovi lampi mogu trajati i više od 5000 sati.
Spektrometar
Sada možemo pogledati konstrukciju našeg spektrometra. Fokusirano svjetlo sa lampi prvo se po potrebi provodi kroz filtre. Vidimo da se na okretnom postolju nalaze dva filtra (zapravo jedan prozirni filtar i jedna nepropusna prepreka), a mogu biti postavljeni tako da svjetlost ne prolazi kroz nijedan od njih (kao na slici), tako da prolazi kroz filtar ili tako da bude blokirana. Moguće da obje lampe, za vidljivu bijelu svjetlost i za UV spektar, rade istovremeno, a pomoću filtra se po potrebi jedan od njih filtrira. Nakon filtriranja svjetlost preko ulazne leće prolazi kroz tekućinski uzorak, a zatim preko izlazne leće pada na fokusno zrcalo. Sa zrcala se svjetlost preko uskog proreza ograničava glede spektralne širine, a zatim reflektira na difrakcijsku rešetku koja ju rastavlja na spektar. Spektar pada na foto-diodni detektor (DAD – Diode Array Detector ili PDA – Photodiode Array Detector) u kojem se energija zračenja na čitavoj širini spektra istovremeno pretvara u električnu veličinu, koja se dalje digitalizira i obrađuje u računalu. Računalo uvodi i sve potrebne korekcije izlaznog signala s obzirom na nelinearne karakteristike foto-detektora i lampe kao izvora zračenja određenog frekvencijskog spektra. Mi zbog jednostavnosti za frekvencijski spektar vidljivog i UV zračenja koristimo termin svjetlost, no jasno je da se taj spektar proteže na vidljivu svjetlost i na nevidljivo UV zračenje.
U nastavku pogledajno svaki element spektrometra iz malo boljeg kuta…
Prvo fokusno zrcalo
Izmjenjivi filtri na rotacijskom postolju sa senzorom položaja
Sustav za uvođenje tekućinskog uzorka sa lećama
Drugo fokusno zrcalo i prorez
Difrakcijska rešetka
DAD – Diode Array Detector
Naš HPLC DAD detektor Shimadzu SPD-M10Avp nažalost ne možemo upogoniti jer moramo imati kompatibilan SCSI monitor sa pripadajućim softverom. Tko zna zašto je ovaj relativno skupi laboratorijski spektrometar završio na otpadu. Može biti da je došlo do kakvog začepljenja komore kroz koju se upumpava tekućinski uzorak jer se na njoj uočava najviše tragova rastavljanja ili je došlo do kakvog drugog kvara gdje popravak više nije bio isplativ. Koliko smo uspjeli vidjeti na internetu čini se da se potrošni dijelovi za ovaj uređaj još uvijek mogu dobaviti od proizvođača Shimadzu, no vjerojatno je ovaj najmanje 20-tak godina star uređaj zamijenjen nekim novijim modelom. Kako god bilo veseli nas što smo dobili priliku izbliza razgledati unutrašnjost jednog ovakvog rijetkog laboratorijskog uređaja 🙂