УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВЕЩЕСТВ И/ИЛИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЕЩЕСТВ, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ

Область техники.
Полезная модель относится устройствам для идентификации различных веществ, а именно к устройствам для бесконтактной идентификации веществ и/или определения концентраций веществ, входящих в состав многокомпонентной смеси. Основными областями применения устройства являются: медицина (анализ крови в реальном времени, обнаружение раковой ткани на начальной стадии, проведения контроля подлинности лекарственных препаратов в реальном времени), обнаружение взрывчатых и наркотических веществ (в том числе и в воздухе), экомониторинг (контроль малых концентраций нефти и нефтепродуктов в водах океана для определения мест загрязнений), контроль состава нефти в реальном времени с целью предварительной сортировки, криминалистика, контроль качества на производстве, проверка подлинности драгоценных камней, геология и археология.
Уровень техники.
Большинство существующих методов анализа состава веществ требуют предварительной обработки тестируемых образцов, что приводит к резкому увеличению затрат труда и времени, а также часто необратимо разрушает продукт. Кроме того, в большинстве случаев для проведения подобных анализов требуется громоздкое, дорогое и достаточно хрупкое оборудование, требующее специалистов высокого уровня для его использования и транспортировки. Все эти факторы приводят к резкому увеличению стоимости одного теста и времени, необходимого для его проведения. Также существуют немалые трудности при создании мобильных тестовых установок. Примером таких устройств являются передвижные лаборатории контроля бензина на бензозаправках, использующие для своих тестов хромотографические колонки.
Методы химического анализа нередко требуют наличие дорогостоящих реактивов, что еще более увеличивает себестоимость одного анализа, а иногда приводит к необходимости использования большого количества исследуемого вещества для проведения одного теста. Также стоит отметить, что во многих приложениях (например, контроль подлинности музейных экспонатов) разрушение исследуемого образца недопустимо.
Все вышеописанное приводит к невозможности использования методов, требующих непосредственного контакта исследуемого образца с тестером. Наряду с этим становится очевидной актуальность развития бесконтактных методов анализа химического состава веществ.
Одними из наиболее просто реализуемых методов, позволяющих создать бесконтактные методики, являются оптические, поскольку позволяют вынести область взаимодействия с образцом за пределы установки, сфокусировав лазерный пучок.
Применительно к анализу веществ, весьма перспективными являются оптические методы, основанные на эффекте рамановского рассеяния, поскольку получаемый в результате спектр, определяется вибрационными степенями, свободы молекулы, формируя таким образом своеобразный «отпечаток пальцев» каждого конкретного вещества. Поскольку интенсивность линий в рамановском спектре зависит от концентрации вещества в смеси, то этот эффект открывает перспективы не только для определения набора компонент в исследуемом образце, но и их мольной доли.
Широко известны оптические системы, основанные на эффекте рамановского рассеяния, для анализа состава веществ.
Так, в уровне техники известно устройство для обнаружения взрывчатого материала в образце (RU 2148825 C1, 10.05.2000), содержащее лазер для сканирования объекта, дихроичный фильтр, линзу или систему линз, предназначенных для фокусирования излучения на объект и сбора рассеянного света от объекта, узкополосный фильтр, а также линзы для фокусирования рамановского рассеянного света на детектор, выполненный с возможностью реагирования на присутствие определенных компонентов заявленного объекта. Конструкция данного устройства позволяет в короткий промежуток времени при наличии в образце загрязнений обнаружить наиболее часто применяемые взрывчатые вещества, обладающие некоторыми фиксированными линиями в спектре, которые задаются узкополосным фильтром.
Недостатком данного устройства является ограниченная область применения устройства в связи с тем, что устройство предназначено для идентификации определенной группы веществ с фиксированными спектральными линиями в узком диапазоне, и для обнаружения других веществ необходимо внесение изменений в конструкцию устройства.
Также известен неинвазивный рамановский сенсор для измерения по меньшей мере одного параметра образца, такого как, например, наличие или концентрация веществ, входящих в состав смеси (US 6064897 A, 16.05.2000), содержащий монохроматический источник света, предназначенный для облучения смеси, оптическую систему, подводящую оптический сигнал от образца к модулю детектирования, включающую систему дихроических зеркал и линзы, и соответственно, сам модуль детектирования. Устройство не позволяет получить весь спектр отраженного излучения, что ограничивает область использования устройства.
Ближайшим аналогом заявленной полезной модели является устройство для определение молекулярного состава жидкости, основанное на рамановской спектроскопии (US 4781458 A, 01.11.1988). В устройстве используется конфокальная оптическая система: объектив одновременно собирает параллельный пучок света от источника монохроматического излучения в своем фокусе, где распложен образец, и собирает свет, излученный образцом, в параллельный пучок, который проходит через фильтр и систему линз и попадает в систему детектирования со средствами распознавания и обработки спектра. Для разделения светового пучка от источника монохроматического излучения и пучка, отраженного от образца, в устройстве используется дихроичное зеркало. Для подвода излучения к образцу и приема отраженного света в устройстве используется световод, который является неотъемлемой частью конструкции, что приводит к потере оптического сигнала. Спектральный анализ отраженного сигнала происходит либо в фильтре, либо в монохроматоре, которые вырезают из спектра узкую полосу. Таким образом, устройство может лишь измерить интенсивность излучения, попадающего в один узкий диапазон, либо сумму таких интенсивностей по нескольким диапазонам, что существенно ограничивает область его применения. Также измерение одной величины (интенсивности) накладывает жесткие требования к идентичности условий измерения. Кроме того, для корректной работы устройства набор веществ, которые могут присутствовать в растворе, ограничен. Поскольку, например, присутствие в растворе люминесцирующего вещества с широким спектром люминесценции, захватывающим изучаемую устройством линию, приведет к ложным показаниям устройства - наличию некоторой концентрации вещества с требуемой линией спектра, в то время как такого вещества может и не быть.
Раскрытие полезной модели.
Задача полезной модели - устранение перечисленных выше недостатков.
Технический результат - расширение арсенала технических средств, позволяющих производить бесконтактную идентификацию веществ и/или определять концентрации веществ, входящих в состав многокомпонентной смеси, повышение чувствительности к малым концентрациям, которая и определяет безошибочность распознавания веществ, повышение скорости работы.
Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство содержит источник возбуждающего излучения, состоящего, по меньшей мере, из одного монохроматического источника; систему узкополосных фильтров; светоделительный узел для разделения возбуждающего излучения и света, собранного объективом от исследуемого образца; высокоапертурный объектив, в фокусе которого располагается исследуемое вещество или многокомпонентная смесь; систему оптических фильтров; оптическую систему, подводящую оптический сигнал от образца к спектральному устройству; спектрального устройства для спектрального разложения сигнала; фоточувствительный детектор для регистрации спектра; схему считывания, усиления, обработки электрического сигнала с фоточувствительного детектора; схему аналогово-цифрового преобразования для получения цифрового представления сигнала со схемы считывания, усиления, обработки электрического сигнала; систему цифровой обработки, сравнения и распознавания спектров. При этом источник возбуждающего излучения по оптическому пути связан с системой узкополосных фильтров, светоделительным узлом, высокоапертурным объективом, веществом или многокомпонентной смесью, светоделительным узлом, системой оптических фильтров, оптической системой, подводящей оптический сигнал от образца к спектральному устройству, спектральным устройством и фоточувствительным детектором, соединенным со схемой считывания, усиления, обработки электрического сигнала с фоточувствительного детектора, который оцифровывается схемой аналогово-цифрового преобразования и обрабатывается системой цифровой обработки, сравнения и распознавания спектров, причем вещество или многокомпонентная смесь являются источником сигнала комбинационного рассеяния света и флюоресценции, светоделительный узел и система оптических фильтров выполнены с возможностью фильтрации оптического сигнала от релеевского рассеяния с длиной волны, совпадающей с длиной волны источника излучения, а система цифровой обработки, сравнения и распознавания спектров выполнена с возможностью сравнения исследуемого спектра вещества с по меньшей мере одним эталонным спектром.
В предпочтительном варианте источник возбуждающего излучения дополнительно содержит, по меньшей мере, один монохроматический источник с другой длиной волны. Монохроматический источник может быть выполнен с возможностью изменения интенсивности и/или длины волны излучения. В качестве источника монохроматического излучения может быть выбран полупроводниковый лазер.
В предпочтительном варианте выполнения устройства возбуждающее излучение может состоять из последовательности импульсов. При этом либо монохроматический источник является импульсным, либо между монохроматическим источником и светоделительным узлом находится, по меньшей мере, один оптический затвор.
В варианте выполнения, когда в качестве монохроматического источника используют полупроводниковый лазер, устройство может дополнительно содержать систему температурной стабилизации, позволяющую контролировать и изменять температуру лазера. Для изменения длины волны генерации лазера используют систему температурной стабилизации и систему питания лазера.
В предпочтительном варианте выполнения устройства система узкополосных фильтров и системы оптических фильтров содержат градиентные интерференционные фильтры для перестройки устройства на разные длины волн.
В предпочтительном варианте выполнения устройства светоделительный узел представляет собой дихроичное зеркало. В других вариантах светоделительный узел может использовать пространственную разделенность пучка источника и пучка света, рассеянного от вещества или многокомпонентной смеси, или различие в поляризации для разделения пучка источника монохроматического излучения и пучка света, рассеянного от вещества или многокомпонентной смеси. Светоделительный узел может представлять собой зеркало, выполненное таким образом, что его размеры больше характерного размера пучка от источника, но меньше размеров пучка света, излученного веществом или многокомпонентной смесью, или зеркало, выполненное с участком без зеркального покрытия в центре таким образом, что размеры этого участка больше характерного размера пучка от источника, но меньше размеров пучка света, излученного веществом или многокомпонентной смесью.
В предпочтительном варианте выполнения фоточувствительным детектором является линейка полупроводниковых фотодиодов. Совместно с фоточувствительным детектором может использоваться система охлаждения. Устройство может содержать дополнительные рельефные покрытия на фоточувствительном детекторе для увеличения его чувствительности.
В предпочтительном варианте выполнения оптическая система подводящая оптический сигнал от образца к спектральному устройству представляет собой систему линз, в фокусе которой находится входная щель или диафрагма спектрального устройства.
В предпочтительном варианте выполнения оптическая система, подводящая оптический сигнал от образца к спектральному устройству, включает систему оптических линз и световодов. Световоды являются многожильными. Световоды могут преобразовывать апертуру пучка.
В предпочтительном варианте выполнения узкополосный фильтр, светоделительный узел, высокоапертурный объектив, система оптических фильтров выполнены в выносной головке, а источник возбуждающего излучения, спектральное устройство, фоточувствительный детектор, схема считывания, усиления, обработки электрического сигнала с фоточувствительного детектора, схема аналогово-цифрового преобразования, система цифровой обработки, сравнения и распознавания спектров выполнены в стационарной части устройства. При этом источник излучения связан с оптической схемой посредством световода: излучение источника, выходящее из световода, коллимируется дополнительной системой линз и падает на узкополосный фильтр. Сигнал от образца к спектральному устройству подводится через систему оптических линз и световодов.
В предпочтительном варианте выполнения в качестве спектрального устройства используют призменный монохроматор. В состав спектрального устройства также могут входить вогнутые дифракционные решетки.
В предпочтительном варианте выполнения в случае импульсного возбуждающего излучения перед спектральным устройством стоит дополнительный оптический затвор. При этом момент срабатывания оптического затвора перед спектральным прибором привязан к импульсу возбуждающего излучения для регистрации спектров с временным разрешением.
В предпочтительном варианте выполнения устройство выполнено с возможностью изменения интенсивности возбуждающего излучения. Для этого оно либо содержит дополнительные оптические элементы, позволяющие изменять интенсивность возбуждающего излучения, либо интенсивность излучения по крайней мере одного источника монохроматического излучения можно менять. Интенсивность возбуждающего излучения изменяется периодически, а схема считывания, усиления, обработки электрического сигнала с фоточувствительного детектора осуществляет синхронное детектирование сигнала.
В предпочтительном варианте выполнения устройство между источником возбуждающего излучения и светоделительным узлом содержит систему поляризаторов и оптических элементов, изменяющих поляризацию возбуждающего света. При этом поляризация излучения изменяется периодически.
В предпочтительном варианте выполнения устройство содержит перед спектральным прибором дополнительные оптические элементы для анализа поляризации и/или изменения поляризации света. Система, измененяющая поляризацию возбуждающего излучения, синхронизирована с системой анализа поляризации расположенной перед спектральным прибором. Перед спектральным прибором расположены дополнительные оптические элементы для анализа поляризации, а схема считывания, усиления, обработки электрического сигнала с фоточувствительного детектора осуществляет синхронное детектирование сигнала.
В предпочтительном варианте выполнения изменение длины волны возбуждающего излучения осуществляется периодически, а схема считывания, усиления, обработки электрического сигнала с фоточувствительного детектора является многоканальной и осуществляет синхронное детектирование сигнала. Оптическая система, подводящая оптический сигнал от образца к спектральному устройству, преобразует форму пучка света. Устройство может включать в в себя подложку с нанорельефом и/или металлическими наноструктурами, на которую помещается исследуемый образец.
В предпочтительном варианте выполнения исследуемое вещество или смесь веществ добавляется в специально приготовленный порошок наночастиц. При этом порошок приготовлен в форме коллоидного раствора.
В предпочтительном варианте выполнения устройство включает в себя систему охлаждения исследуемого вещества.
В предпочтительном варианте выполнения устройство содержит модуль уведомляющий пользователя о результатах обработки, сравнения и распознавания спектров, связанный с системой цифровой обработки, сравнения и распознавания спектров. Также оно может включать модуль для передачи измеренного спектра на удаленную систему, которая представляет собой систему цифровой обработки, сравнения и распознавания спектров. При этом обработанные данные поступают на модуль для приема, уведомляющий пользователя об этих результатах. Связь с удаленной системой может быть проводной или беспроводной.
В предпочтительном варианте выполнения устройство входит в состав портативного диагностического аппарата. Оно также может дополнительно содержать держатель исследуемого вещества, выполненный с возможностью перемещения исследуемого вещества по трем координатам, в том числе и для настройки фокуса.
Существо настоящей полезной модели иллюстрируется фиг.1, на которой изображен принцип действия заявленного устройства.
Осуществление полезной модели.
Излучение монохроматического источника (1), в качестве которого может быть использован, например, полупроводниковый лазер, проходит через систему узкополосных фильтров (2) и падает на светоделительный узел (3). В качестве светоделительного узла (3) может быть использовано, например, дихроичное зеркало. Граничная длина волны дихроичного зеркала подобрана таким образом, чтобы зеркало практически полностью отражало излучение лазера, а излучение с большей длиной волны проходило через зеркало без отражения. Таким образом, лазерный луч, отразившись от дихроичного зеркала, падает на высокоапертурный объектив (4).
В фокальной плоскости объектива помещен исследуемый объект. В объективе использована асферическая оптика, позволяющая собрать излучение лазера в пятно минимально возможного размера, который определяется уже дифракционным пределом и составляет менее 1 мкм. Точка, в которую собирается возбуждающее излучение, является источником сигнала комбинационного рассеяния света и флюоресценции. Таким образом, источник сигнала автоматически оказывается в фокусе объектива.
Большая апертура объектива позволяет собрать сигнал с большего телесного угла и тем самым увеличить чувствительность анализатора. Сколлимированный объективом (4) оптический сигнал падает на дихроичное зеркало. Поскольку длины волн стоксовых линий комбинационного рассеяния больше длины волны накачивающего лазера и граничной длины волны дихроичного зеркала, то интересующий нас сигнал проходит через зеркало практически без отражения.
При измерении спектра комбинационного рассеяния необходимо очистить исследуемый оптический сигнал от доминирующего релеевского рассеяния с длиной волны совпадающей с длиной волны возбуждающего лазера.
Сигнал фильтруется дважды: светоделительным узлом (3) и системой оптических фильтров (5). Причем чем уже ширина переходного участка коэффициента пропускания фильтра, тем ближе при измерениях можно приблизиться к линии лазера, а значит, более полно измерить спектр комбинационного рассеяния в области малых рамановских сдвигов.
Очищенный сигнал через подводящую оптическую систему (6), предназначенную для пространственной фильтрации и увеличения пространственного разрешения устройства, поступает на входную щель или диафрагму спектрального устройства (7) для разложения сигнала, в качестве которого может быть использован, например, монохроматор. После попадания сигнала на фоточувствительный детектор (8), например, на линейку полупроводниковых фотодиодов, полученные спектры вещества обрабатываются схемой считывания, усиления и обработки (9), сравниваются с эталонными спектрами, затем преобразуются в цифровую форму посредством АЦП (10) и передаются в компьютер (11), где они обрабатываются для получения данных о составе образца.
Конечно, устройство, изображенное на фиг.1, может быть модифицировано для различных условий применения.