Устройство для экспресс-анализа молекулярных структур

Полезная модель относится к области технической физики, а именно к исследованию материалов с помощью анализа оптических сред, и может быть использована для неразрушающего контроля молекулярного состава и структуры биологических препаратов, содержащих ароматические соединения, например, для контроля качественного и количественного состава лекарственных препаратов, для мониторинга веществ, загрязняющих окружающую среду, для выявления в биологических жидкостях токсических веществ и др.
Известен способ анализа биологических препаратов по электронным спектрам поглощения в ультрафиолетовой области спектра, основанный на абсорбционном методе (RU 2488097, МПК G01N 21/64, опубл. 22.11.2011).
Недостаток данного способа заключается в том, что в качестве возбуждающего источника излучения используется дорогостоящий лазер со сложной оптической системой.
Известно устройство для ультрафиолетового-спектрометрического анализа газообразных соединений (RU 2558014, МПК G01N 21/33, опубл.16.03.2011).
Главным недостатком известного устройства является ограниченная применимость. Исследованию с помощью данного устройства могут быть подвержены вещества и соединения, находящиеся только в газообразном состоянии.
Известен оптический анализатор, работающий на основе дейтериевой лампы УФ-излучения (SU 1481650, МПК G01N 21/33, опубл. 23.05.1989).
Недостатком данного анализатора является то, что техническая реализация зарегистрированного устройства не соответствует сегодняшнему уровню развития науки и техники. Предлагаемая принципиальная схема анализатора реализует длительное и трудозатратное исследование. Очевидна дальнейшая сложность обработки результатов измерения, что на практике приведёт к появлению значительной погрешности в измерениях.
Технический результат, на который направлена предлагаемая полезная модель, состоит в установлении на количественном уровне степени соответствия молекулярной структуры и состава, реальных образцов веществ с номинальными биоактивными препаратами, характеристики которых известны и введены в базу данных. Предлагаемое устройство для экспресс-анализа молекулярных структур призвано обеспечить проведение неразрушающего контроля высокой степени достоверности молекулярного состава и структуры биологических препаратов, имеющих в своём составе ароматические кольца, с минимизацией временных затрат на исследование и с нивелированием возможной погрешности при фиксировании результатов. Технический результат достигается за счет того, что генерация УФ – излучения с длиной волны 280 нм светодиода мощностью 1,5 mW падает на поверхность исследуемого вещества через гибких кварцевых световодов с внутренним диаметром 0,1 мм.
Наличие ароматических колец в молекулярных структурах приведёт к фундаментальному электронному поглощению этих соединений в среднем ультрафиолетовом диапазоне. Соответственно в этих веществах наблюдается флуоресценция в фиолетово-красном диапазоне при её возбуждении коротковолновым (280 нм) электромагнитным излучением. Для возбуждения и регистрации спектров флуоресценции использовалась волоконно-оптическая методика.
Полезная модель поясняется графически (фиг. 1 – 2). На Фиг. 1 показана схема реализации устройства для экспресс-анализа молекулярных структур, где 1  - это светодиод, 2 и 5 – световоды, 3 и 6 – фиксаторы, 4 – образец, 7 - спектрометр, 8 - компьютер. На Фиг. 2 показан примерный вид нормированного спектра флуоресценции образца, полученного при возбуждении ультрафиолетовым излучением светодиода (λ = 280,0 нм). Как видно согласно данной фигуре при λ = 340,1 нм наблюдается максимум полосы флуоресценции исследуемого образца в фиолетово-красной области спектра, положение и форма которой существенно отличаются от вида образца.
В качестве источника, возбуждающего излучения, использовался светодиод (1), генерирующий ультрафиолетовое излучение  с длиной волны 280 нм и мощностью 1,5 mW. Также в данном устройстве возможно использование лазера с длиной волны генерации 266 нм.
К образцу (4) с помощью фиксатора (3) подведён первый гибкий кварцевый световод с внутренним диаметром 0,1 мм (2), который используется для подведения ультрафиолетового излучения светодиода (1). Аналогичный второй световод (5), соединённый с фиксатором (6) используется для отведения, возникающего в анализируемом образце флуоресцентного излучения к малогабаритному спектрометру (7) типа FSD-8, который обеспечивает высококачественную регистрацию спектров флуоресценции исследуемых образцов в диапазоне 200-1200 нм при экспозициях 0,01-0,1с.
Высокое пространственное разрешение предлагаемого метода обеспечивается тем, что зондирующее излучение светодиода с помощью гибкого кварцевого световодов 2 и 5 с внутренним диаметром 0,1 мм подводится к поверхности исследуемого образца 4.
Миниспектрометр FSD-8 обладает малыми габаритами и оснащен высокоскоростным портом USB, служащий для его совместной работы с персональным компьютером (или ноутбуком) с установленным программным обеспечением.
От малогабаритного спектрометра FSD-8 (7) цифровая информация, полученная о спектре вторичного излучения, передается с помощью программного обеспечения в электронно-вычислительную машину (8). После компьютеризированной обработки сигнала осуществляется построение нормированного спектра флуоресценции исследуемого образца, его примерный вид показан на Фиг. 2.
В устройстве для экспресс-анализа молекулярных структур полезный сигнал собирается из канала с веществом практически из той же точки, из которой выходит возбуждающее излучение из смежного световода. Преимуществом данного способа регистрации является сильное ослабление возбуждающего излучения, проходящего «вперёд», в то время как вторичное излучение собирается вторым световодом «назад».
Для установления количественного отличия спектров, полученных от различных биологических образцов, строят корреляционные функции   с использованием следующего соотношения:
.                                                          (1)
Здесь - нормированные спектры вторичного излучения анализируемого вещества (А) и эталонного вещества (Е). Для анализа спектров используется так называемый коэффициент соответствия K:
.                                                       (2)
Здесь N –число точек, для которых получены цифровые данные о спектре фотолюминесценции.
Таким образом,  преимуществами предлагаемого устройства заключаются в следующем: полезный сигнал собирается из канала с веществом практически из той же точки, из которой выходит возбуждающее излучение из смежного световода; сильное ослабление возбуждающего излучения, проходящего «вперёд», в то время как вторичное излучение собирается вторым световодом «назад»; высокое пространственное разрешение обеспечивается тем, что зондирующее излучение светодиода, с помощью гибкого кварцевого световодов с внутренним диаметром 0,1 мм подводится к поверхности исследуемого образца; малогабаритный спектрометр должен обеспечивать регистрацию спектров флуоресценции исследуемого образца в диапазоне 200-1200 нм при экспозициях 0,01-0,1 с.