УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФЛУКТУАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО СПЕКТРА ЖИДКОЙ СРЕДЫ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к технической физике, а именно к устройствам для исследования и анализа жидких сред, в том числе и биологических, в частности для исследования флуктуации ее инфракрасного спектра. Уровень техники.
Известно устройство для лазерного оптикоакустического детектирования примесей в жидкостной хроматографии, содержащее импульсный газовый лазер, оптикоакустическую ячейку в виде капилляра с элементами, пропускающими излучение лазера, пьезоэлектрический преобразователь и связанный с ним регистрирующий блок. (Патент РФ №2162220, МПК G 01 N 30/74, 2001 (аналог)).
Известен автоматический фотоэлектрический анализатор, состоящий из датчика, содержащего источник излучения, оптическую систему, измерительную кювету и фотоприемник, дифференциального преобразователя, содержащего входной высокоомный усилитель и блок преобразований, соединенный с цифровым индикатором напряжения, блока питания и цепей автоматической компенсации температурных характеристик фотоприемника и оптических свойств анализируемого раствора. (Заявка РФ №93001054, МПК G 01 N 21/00, 1993 (аналог)).
Известно устройство для мониторинга жидкой биологической среды, содержащее установленные последовательно источник света, оптическую систему формирования светового пучка, кювету с протекающей через нее биологической жидкой средой, спектрометр, контроллер, вычислительный управляющий блок, блок управления параметрами регистрации и настройки спектрометра, блок обработки текущего спектра, блок управления параметрами мониторинга, таймер, блок входных данных, блок обработки, блок выходных данных, дисплей, блок алгоритмов.(Патент РФ №2161791, МПК G 01 N 21/31, 2001 (аналог)).
Известно устройство для исследования жидкой среды в виде лазерного анализатора микрочастиц и биологических микрообъектов, содержащий лазер с коллиматором, последовательно расположенные по ходу лазерных пучков кювету с исследуемой взвесью микрочастиц или микрообъектов, фокусирующий объектив и фотоприемник, радиочастотный генератор, последовательно соединенные усилитель
сигнала фотоприемника, смеситель, фильтр низких частот и аналого-цифровой преобразователь, подключенный к шине компьютера, при этом в него введены последовательно расположенные акустооптический расщепитель лазерного пучка и блок оптических клиньев, лазерные пучки после которых пересекаются в кювете с микрочастицами, которая имеет плоскопараллельные прозрачные окна, заполнена иммерсионной жидкостью и содержит прозрачную стеклянную пробирку с исследуемыми микрообъектами, внутри которой размещен стержень с полым каналом, расположенным по ходу пересекающихся лазерных пучков. (Патент РФ №2186362, МПК 7 G 01 N 15/02, 2002).
Однако ни в патентной, ни в технической информации не обнаружены аналоги устройства для исследования флуктуации инфракрасного спектра жидких сред. Сущность полезной модели
При создании полезной модели решалась задача создания устройства для исследования флуктуации инфракрасного спектра жидкой среды.
Дело в том, что считается, что поляризованный свет, проходя через анализируемый раствор, обеспечивает соблюдение закона Бугера-Ламберта-Бера, согласно которому интенсивность полос в спектре поглощения характеризуется интегралом поглощения или силой осциллятора, т.е. установлены условия пропорциональности поглощения. Поэтому в конструкции всех известных инфракрасных анализаторов введены специальные приспособления типа коллиматоров, т.е. оптических систем, позволяющих получить пучок параллельных лучей от источника инфракрасного излучения. Поляризованный свет пропускают через монохроматор, систему линз и зеркал.
Однако практика показала, что при исследования флуктуации инфракрасного спектра жидкой среды необходимы данные о степени колебания значений показателей поглощения на конкретных диапазонах частот. Эта особенность и сказалась на конструкции заявляемого устройстве для исследования флуктуации инфракрасного спектра жидкой среды.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно полезной модели, в устройстве для исследования флуктуации инфракрасного спектра жидкой среды, содержащем источник равномерного инфракрасного излучения неполяризованного диффузного света и последовательно расположенные кювету для исследуемой жидкой среды, выполненную так, что ее стенки, ориентированные
-1
перпендикулярно световому потоку источника инфракрасного излучения, отстоят друг от друга на фиксированном расстоянии менее 20 микрон, по меньшей мере один полосовой фильтр шириной 50-200 см, фотоприемник и аналого-цифровой преобразователь, подключенный к шине компьютера.
При этом согласно полезной модели, стенки кюветы выполнены плоскопараллельными и светопрозрачными.
При этом согласно полезной модели, кювета для жидкой среды выполнена в виде разъемного стакана, образованного двумя прилегающими друг к другу стенками, ориентированными перпендикулярно световому потоку источника инфракрасного излучения, установленного на основании с возможностью фиксации взаимного расположения стенок относительно друг друга, при этом на внутренней поверхности одной из стенок имеется открытый сверху глухой паз со сквозными каналами для ввода анализируемой жидкой среды, причем вертикальная стенка паза выполнена плоской и параллельной стенкам кюветы.
При этом согласно полезной модели, сквозные каналы окаймляют паз по боковым сторонам и снизу.
При этом согласно полезной модели, стенки кюветы выполнены из материала с высокой оптической проницаемостью для инфракрасного излучения.
При этом согласно полезной модели, стенки кюветы выполнены из кремния или германия.
При этом согласно полезной модели, основание кюветы выполнено в виде захвата с обращенными навстречу друг другу подпружиненными губками, при этом каждая из губок захвата имеет профиль в виде ласточкиного хвоста и установлены с возможностью осуществления возвратно-поступательного движения под действием пружины при установке кюветы между губками или при ее снятии.
-1
-1
При этом согласно полезной модели, каждый из полосовых фильтров выбран соответствующим диапазону спектра поглощения основы жидкой среды и ее компонентов органической и неорганической природы 3500 см - 800 см см.
При этом согласно полезной модели, каждый из фильтров выбран с центральными частотами от 3.01 мкм до 9.8 мкм.
Перечень фигур чертежей и иных материалов
Полезная модель поясняется описанием конкретного примера ее выполнения и прилагаемыми чертежами, где на:
фиг.1 изображена функциональная схема устройства для исследования флуктуации инфракрасного спектра жидкой среды;
фиг.2 - общий вид кюветы (вид сверху);
фиг.3 - разрез А-А фиг.2 (расположение глухого паза на внутренней поверхности стенки кюветы и взаимное расположение губок захвата основания);
фиг.4 - разрез Б-Б фиг.3 (привод губок захвата).
Осуществление полезной модели
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели заключаются в следующем.
Устройство для исследования флуктуации инфракрасного спектра жидкой среды содержит источник 1 равномерного инфракрасного излучения неполяризованного диффузного света, например, в средней области инфракрасного спектра, и последовательно расположенные за ним кювету 2 для исследуемой жидкой среды, полосовой фильтр 3, фотоприемник 4 и аналого-цифровой преобразователь 5, подключенный к шине электронно-вычислительной машины 6 (фиг.1).
В качестве источника 1 равномерного инфракрасного излучения неполяризованного диффузного света в средней области инфракрасного спектра может быть использован, например, широко известный источник инфракрасного излучения типа «Глобар».
Кювета 2 для жидкой среды выполнена в виде разъемного стакана, образованного двумя плоскопараллельными и светопрозрачными плотно прилегающими друг к другу стенками 7 и 8, ориентированными перпендикулярно световому потоку источника 1 инфракрасного излучения (фиг.2).
Стенки 7 и 8 выполнены из материала с высокой оптической проницаемостью для инфракрасного излучения, например, из кремния или германия. В нашем примере. стенки кюветы изготовлены из германия.
На внутренней поверхности одной из стенок, например, стенки 7, имеется открытый сверху глухой паз 9 для ввода анализируемой жидкой среды.
Глухой паз 9 может быть окаймлен примыкающими к нему сквозными каналы 10 по боковым сторонам и снизу для обеспечения равномерного распределения анализируемой жидкой среды по всей поверхности вертикальной стенки 11 глухого паза 9 и противолежащей ей внутренней поверхности стенки 8, при этом вертикальная стенка 11 паза 9 выполнена плоской и параллельной стенкам 7 и 8 кюветы 2.(фиг.3).
Глубина глухого паза 9 выполнена менее 20 микрон, например, в нашем примере она составляет 10 микрон.
Стенки 7 и 8 установлены на основании 12 с возможностью фиксации взаимного расположения стенок 7 и 8 относительно друг друга. Плотно примыкающие друг к другу по краям стенки 7 и 8 отстоят друг от друга на фиксированном расстоянии 3-20 микрон. а в нашем примере это расстояние составляет 10 микрон, т.е. на глубину глухого паза 9.
Таким образом, можно сказать, что кювета 2 для исследуемой жидкой среды выполнена так, что ее стенки, ориентированные перпендикулярно световому потоку источника инфракрасного излучения, отстоят друг от друга на фиксированном расстоянии менее 20 микрон.
Основание 12 кюветы 2 выполнено в виде захвата с обращенными навстречу друг другу подпружиненными губками 13 и 14 (фиг.2).
Каждая из губок 13 и 14 захвата имеет профиль в виде ласточкиного хвоста и установлена с возможностью осуществления возвратно-поступательного движения под действием пружины 15 при установке кюветы 2 между губками 13 и 14 или при ее снятии.
Основание 12 может иметь, например, полозки, в которых установлены губки 13 и 14 захвата. Для обеспечения возможности осуществления возвратно-поступательного движения губки 13 и 14 могут быть соединены между собой, например, двумя пружинами 15, которые притягивают губки 13 и 14 навстречу друг другу, и двумя кнопками 16 и 17. Одна из этих кнопок, например, 16 жестко закреплена, например, посредством резьбы, в губке 14, но свободно в отверстии губки 13, а другая кнопка, т.е. кнопка 17 закреплена в губке 13, но свободно в отверстиях губки 14. При этом для исключения перекосов можно кнопку 16 разместить по оси симметрии основания 12, а кнопку 17 выполнить двухосной и ее оси 18 разместить симметрично по обе стороны от кнопки 16.
-1
-1
Устройство для исследования флуктуации инфракрасного спектра жидкой среды, как было сказано выше, содержит, по крайней мере, один полосовой фильтр шириной, например, 100 см, однако может быть использован пакет сменяемых полосовых фильтров (на чертеже не показано), каждый из которых шириной, например, 100 см., например, с центральными частотами от 3.01 мкм до 9.8 мкм.
-1
Используемые в заявленном устройстве полосовые фильтры шириной 50-200 см могут быть выбраны соответствующими диапазону спектра поглощения основы
-1
-1
жидкой среды и ее компонентов органической и неорганической природы 3500 см -800 см.
В качестве фотоприемника 4 может быть использован полупроводниковый болометр традиционной конструкции типа БП-2.
Для обеспечения возможности математической обработки полученных сигналов использован традиционный аналого-цифровой преобразователь, подключенный к шине электронно-вычислительной машины 6.
Программное обеспечение представляет собой пакет прикладных программ, реализующих математические методы обработки данных, описательной статистики и методы визуализации. В зависимости от требований к результатам исследований жидкой среды выбирают соответствующее сочетание математических методов. Полученные результаты могут быть сохранены в соответствующем банке данных.
Устройство для исследования флуктуации инфракрасного спектра жидкой среды работает следующим образом.
-1
Принцип действия устройства основан на сравнении светового потока, проходящего через пустую кювету 2, и светового потока, проходящего через кювету с исследуемой жидкой средой. Световые потоки преобразуются фотоприемником в электрические сигналы, которые после аналого-цифрового преобразователя поступают в ЭВМ для вычисления оптической плотности и ее дисперсии. Можно определять дисперсию на различных диапазонах частот, используя при этом тот набор полосовых фильтров, который подобран в соответствии с опубликованными таблицами, соответствующими конкретному спектру поглощения основы жидкой среды и ее компонентов органической и неорганической природы. Величины дисперсии различных диапазонов частот и являются количественными показателями флуктуации инфракрасного спектра в области от 800 до 3600 см для жидких сред. Следует отметить, что возможность регистрации эффекта флуктуации достигается одновременным действием двух факторов: использованием естественного равномерного диффузного излучения источника 1 инфракрасного излучения и особенностями свойств сверхтонкого слоя жидкой среды, который получен в кювете 2 предлагаемой конструкции.
Кювету 2 собирают следующим образом.
Из стенок 7 и 8 кюветы 2 составляют стакан, который вставляют в захват между губками 13 и 14. Для этого сжимают кнопки 16 и 17, пружины 15 сжимаются и дают
возможность развести губки 13 и 14 на необходимую для установки стакана кюветы 2 в захват. Как только кнопки отпустили, губки 13 и 14 под действием пружин 15 плотно прижимают стенки 7 и 8 стакана друг к другу, обеспечивая то усилие, которое задано при проектировании этого захвата. В глухой паз 9 сверху вводят исследуемую жидкую среду. Благодаря наличию сквозных каналов исследуемая жидкая среда спокойно заполняет весь объем глухого паза 9 между вертикальной стенкой 11 и противолежащей стенкой 8. Кювета готова к работе. Ее помещают между источником 1 инфракрасного излучения и заранее подобранным полосовым фильтром 3. И как уже было описано выше, излучение от источника 1 инфракрасного излучения проходит через стенки кюветы 2, ориентированные перпендикулярно световому потоку источника 1 инфракрасного излучения, отстоящие друг от друга на фиксированном расстоянии менее 20 микрон. Сверхтонкий слой жидкой среды возбуждается и считанная фотоприемником 4 информация поступает на обработку на шину электронно-вычислительной машины 6 для вычисления дисперсии оптической плотности исследуемой жидкой среды, которая количественно и характеризует флуктуацию инфракрасного спектра исследуемой жидкой среды.
Таким образом, создано устройство для исследования флуктуации инфракрасного спектра жидкой среды, которое позволяет получить количественные данные о степени колебания значений показателей поглощения на конкретных диапазонах частот, т.е. измерить не абсолютные величины поглощения, как это обычно принято, а измерить так называемые «шумы». Практика показала, что именно в «шумах» содержится принципиально новая информация о свойствах жидких сред, которую и необходимо расшифровать.
Кроме того, новая конструкция кюветы позволила обеспечить постоянство зазора между оптическими поверхностями пластин от измерения к измерению при сборке кюветы независимо от опыта и навыков оператора, что значительно повысило достоверность и воспроизводимость результатов измерения от исследования к исследованию, необходимую степень герметичности кюветы, позволяющую исследовать динамику инфракрасных спектров летучих жидкостей в течение заданного интервала измерения.