ФОТОМЕТР

Область техники
Полезная модель относится к конструкции держателя кюветы для применения в фотометрах, в том числе для измерения флуоресценции в научных исследованиях, в медицине, ветеринарии, контроле пищевых продуктов, в криминалистике и при контроле параметров окружающей среды.
Уровень техники
Существует много технических решений, связанных с регистрацией флуоресценции, измеряемой в процессе исследования биологических образцов. Для формирования сигнала используют флуоресцентные метки. Биологические образцы исследуют в растворах, размещенных в кюветах, закрепленных в держателях. Держатели, кроме функции крепления кюветы, зачастую используют для крепления других компонентов фотометра, например фильтров, оптических волокон.
В экологии существует необходимость мониторинга различных водоемов и, в первую очередь, измерения фитопланктона. Численность фитопланктона определяют, измеряя флуоресценцию хлорофилла, способного переизлучать поглощенную энергию света, то есть флуоресцировать. Для измерения флуоресценции фитопланктона у микроводорослей трех основных таксонов: сине-зеленых, диатомовых и зеленых, обладающих различиями пигментного аппарата и спектров возбуждения флуоресценции, разработан флуориметр, [1] содержащий корпус, держатель кюветы, револьверную систему смены светофильтров, галогенную лампу, фотоэлектронный умножитель. К недостатку устройства можно отнести наличие системы механического переключения типов светофильтров и большие габариты за счет применения галогенной лампы и фотоэлектронного умножителя.
Известна полезная модель [2], в которой реализован принцип измерения флуоресценции жидкостей на разных длинах волн с использованием двух излучающих источников света на разных длинах волн на основе светодиодов. Флуориметр содержит первый и второй фотоприемники, подключенные к системе регистрации сигнала.
К общему недостатку известных флуориметров можно отнести невысокую чувствительность, связанную с измерением сигнала, который вызывается однократным возбуждением флуоресцентных меток при прохождении светового потока через исследуемый образец.
Известны технические решения, на основании которых для повышения уровня сигнала используют принцип многократного прохождение светового потока через исследуемый объем [3]. Особенно широко эти решения используются в газоанализаторах. Например, разработаны специальные виды кювет с размещением внутри объема кюветы зеркальных покрытий [4]. К недостатку таких кювет можно отнести невозможность их применения для исследования растворов.
Известно применение принципа многократного прохождение светового потока при исследовании образцов методом спектроскопии [5; 6]. К недостатку таких решений можно отнести применение дорогостоящих оптических элементов плоских или вогнутых зеркал.
При построении флуориметров наиболее часто используют общее основание устройства, на котором размещают держатель стандартных кювет, призмы, зеркала и других оптические компоненты, которые формируют многократное прохождение светового потока через исследуемый образец [7].
К недостаткам таких устройств относятся большие габариты, высокая цена и необходимость в дополнительной юстировке в процессе эксплуатации.
Известны технические решения, в соответствии с которыми многократное прохождение светового потока через исследуемый объем формируют за счет введения в конструкцию измерительной кюветы отражающих оптических элементов, размещенных друг против друга на противоположных стенах кюветы. Например, крепление параболических призм на противоположных стенках кюветы. При этом внешняя часть сферической поверхности одной из призм покрыта отражающим слоем [8]. В другом варианте для формирования многократного прохождения светового потока внутри измерительной кюветы устанавливают треугольную оптическую призму и наносят зеркальное покрытие на внешнюю поверхность кюветы [9]. Известно решение по применению треугольных оптических призм, закрепленных друг против друга на противоположных внешних стенах кюветы и зеркала на боковой поверхности для сбора сигнала флуоресценции [10]. К недостатку таких кювет можно отнести их высокую стоимость за счет применения дорогостоящих оптических призм, а также за счет снижения их эксплуатационных свойств в процессе многократных промывок после измерения флуоресценции.
Приведенные схемы измерения оптических сигналов достаточно сложны и не используют современные технические решения по использовании новых осветительных элементов, например светодиодов (СИД) и новых схем построения фотоэлектрических преобразователей с ПЗС матрицей.
Упростить обслуживание флуориметров можно при использовании стандартных кювет и держателей кювет с дополнительными функциями, обеспечивающими многократное прохождение светового потока через кювету.
Наиболее близким техническим решением является фотометр, содержащий держатель кювет CUV-FL-DA, разработанный фирмой Ocean Optics [11]. Для соединения со спектрометрами используется волоконно-оптический кабель с разъемом SMA. Для увеличения сигнала флуоресценции в держатель дополнительно устанавливают пару отражающих вставок 74-MSP, выполненных из покрытых алюминием зеркал диаметром 7.5 мм (0.3"), которые имеют повышенное отражение в УФ области. Одна вставка перехватывает излучение флуоресценции, которое иначе было бы потеряно, а вторая - отражает возбуждающее излучение назад в образец.
Недостатками этой системы являются малая эффективность усиления возбуждающего излучения за счет установки только одного зеркала и необходимость применения в устройстве дополнительных светофильтров для смены полосы возбуждающего сигнала.
Анализ уровня техники показал, что существует необходимость в разработке простого и надежного портативного устройства для измерения флуоресценции, позволяющего проводить измерение сигнала при разных длинах возбуждающего излучения, с возможностью многократного усиления измеряемого сигнала флуоресценции.
Технической задачей является максимальное упрощение и удешевление оптической системы флуориметра с одновременным увеличением уровня измеряемого сигнала.
Другой задачей является повышение эффективности работы флуориметра при измерении флуоресценции на разных длинах волн.
В рассматриваемой полезной модели возможность увеличения уровня сигнала достигается за счет формирования многократного прохождения светового потока через кювету с исследуемым образцом, а упрощение конструкции фотометра осуществляется за счет выполнения новой конструкции держателя кюветы.
Сущность полезной модели заключается в том, что фотометр для измерения флуоресценции содержит держатель кюветы, источник света, кювету с исследуемым образцом, световозвращающее зеркало, световод для сбора и передачи сигнала флуоресценции на оптическую систему регистрации, а держатель кюветы дополнительно содержит, по меньшей мере, одну пару уголковых отражателей, в одном из которых установлен источник света. При этом уголковые отражатели, размещены в верхнем и нижнем внутренних углах держателя по диагонали друг против друга, а диагональ проходит через центральную ось держателя и центральную ось кюветы. Рабочие поверхности кюветы обращены, по меньшей мере, к одному источнику светового потока, что обеспечивает возможность многократного прохождения светового потока между верхним и нижним уголковыми отражателями через рабочий объем кюветы. Световозвращающее зеркало размещено под основанием кюветы, а световод с возможностью сбора флуоресценции установлен над верхней частью кюветы.
Следующим аспектом данной полезной модели является то, что держатель выполнен в виде призмы, боковые поверхности которой, выполнены в форме параллелограммов одинакового размера, а верхнее и нижнее основания призмы параллельны друг другу и содержат четное количество углов. При этом верхнее и нижнее основания призмы выбирают из группы, состоящей из четырехугольника, шестиугольника и восьмиугольника. Предпочтительной формой держателя является куб.
Следующим аспектом данной полезной модели является то, что источник света выполнен на основе светодиода или на основе световода, передающего световой поток от светодиода в держатель. При этом светодиоды, устанавливаемые в уголковые отражатели или подключенные к световодам, имеют одинаковый или разный диапазон излучения с длиной волны, входящей в группу, состоящую из 365÷375 нм; 405±5 нм; 475±5 нм; 505 нм; 525 нм; 565 нм; 575 нм; 595 нм; 625±5 нм; 660 нм.
Следующим аспектом данной полезной модели является то, что световозвращающее зеркало выполнено в виде планарного листа, уголкового отражателя, параболического отражателя.
Перечень фигур
Фиг. 1 Структурная схема фотометра.
Фиг. 2 Структура держателя и схема формирования потоков пучка света внутри объема держателя
Фиг. 3 Схема формирования коллимированного пучка света. Где а) диаграмма направленности (индикатриса) излучения СИД; б) индикатриса излучения СИД установленного в черном цилиндре; в) сечение держателя СИД.
Фиг. 4. Схема формирования коллимированного пучка света. Где: а) источник света выполнен на основе светодиода, б) источник света выполнен на основе световода.
Описание полезной модели
Технические задачи полезной модели, связанные с повышением отношения сигнал-шум можно выполнить за счет установки в фотометр нового держателя кюветы, который содержит, по меньшей мере, одну пару уголковых отражателей, причем один из уголковых отражателей содержит источник света. Задача снижения влияния вибраций при работе в полевых условиях реализуется за счет создания жесткой структуры держателя.
На фиг. 1 представлена структурная схема фотометра. Фотометр содержит держатель 1, в который устанавливается кювета 2, узел переключения СИД 3, оптическая система регистрации измеряемого сигнала 4, микропроцессор 5, клавиатура 6 и индикатор 7.
Структура держателя приведена на фиг. 2. В корпусе держателя размещена кювета 2, снабженная крышкой 9 с укрепленной в ней световодом 10. Под основанием кюветы размещено световозвращающее зеркало 11, которое возвращает сигнал флуоресценции 8 к световоду 10, а в верхнем и нижнем внутренних углах держателя 1 закреплена, по меньшей мере, одна пара уголковых отражателей 12, 14. Форма корпуса в общем случае может быть выполнена в виде призмы с внутренним объемом 15, в котором верхняя 16 и нижняя 17 поверхности выполнены в форме равных многоугольников (оснований) параллельных друг другу. Боковые поверхности призмы выполнены в форме параллелограммов одинакового размера, формирующих боковые грани призмы. Два многоугольника, лежащие в верхней и нижней параллельных плоскостях призмы, выбирают из группы, состоящей из четырехугольника, шестиугольника и восьмиугольника. Предпочтительна форма четырехугольника и форма держателя выполненного в виде куба. Куб имеет четыре диагонали, которые пересекаются в одной точке на центральной оси 18, что позволяет обеспечить возможность равномерного освещения рабочего объема кюветы 2 с помощью многократного прохождения падающего света через рабочий объем кюветы. В качестве примера, подтверждающего, но не ограничивающего тип формы корпуса на фиг. 1 и фиг. 2 приведен вариант корпуса 1 в форме куба.
В верхней части корпуса 1 держателя устанавливается кювета 2 с исследуемым раствором. Центральная ось 18 кюветы совпадает с центральной осью держателя 1. На внутренних стенках держателя 1 закреплена, по меньшей мере, одна пара уголковых отражателей 12 и 14, закрепленных внутри верхнего и нижнего углов призмы. Пара уголковых отражателей направлена своими рабочими отражающими поверхностями друг к другу, формируя возможность многократного отражения светового потока 19 от элементов уголковых отражателей 12 и 14, при этом световой поток направлен вдоль диагонали 20 призмы, которая проходит через центральную ось призмы, совпадающую с центральной осью 18 кюветы. Каждый из уголковых отражателей 12 и 14 сформирован из трех светоотражательных элементов, закрепленных на внутренних поверхностях трех совмещаемых элементов призмы, например 21, 22 и 23, а именно в углах двух совмещаемых друг с другом боковых стенок (отражатели 21 и 22 на фиг. 3) и примыкающего к ним углу основания призмы (отражатель 23 на фиг. 2).
Светоотражающие элементы 21, 22 и 23 изготавливают предварительно перед сборкой держателя 1. Светоотражающие элементы 21, 22 и 23 наносят методом напыления металлов с высокой отражательной способностью на полированные углы деталей внутренних боковых поверхностей и соответствующие углы основания верхнего и нижнего многоугольника, формирующих призму. Другой вариант состоит в применении гибких пленок с нанесенным на них отражающим покрытием, предпочтительно самоклеящихся пленок. В качестве таких пленок можно использовать пленки, фирмы 3М [12].
В результате сборки кожуха светоотражающие элементы, например 21, 22 и 23, формируют уголковый отражатель, который способен возвращать световой поток, поступающий на его поверхность, как это представлено на фиг. 2 поз 28.
Светоотражательные поверхности 21, 22 и 23 выполнены в форме равнобедренных треугольников, что включает, но не ограничивает других вариантов. Для формирования светового потока в вершине, по меньшей мере, одного из уголковых отражателей, входящих в пару, расположенных по диагонали, например, отражателя 12, закреплен источник света 24. Источник света выполнен на основе светодиода (СИД) 24 (см. фиг. 3а) или выполнен на основе световода 29 (см. фиг. 3б), который подключен к светодиоду, размещенному вне держателя. Причем оптическая ось СИД 24 или световода 29 совпадает с одной из диагоналей призмы. Для формирования апертуры излучения СИД определенного размера, источник света на основе светодиода 24 или световода 29 устанавливают в цилиндр 26, с внутренней стороны которого он покрыт светопоглощающим материалом. Доминантные длины волн выпускаемых СИД УФ и видимого диапазона: 365÷375 нм; 405±5 нм; 475±5 нм; 505 нм; 525 нм; 565 нм; 575 нм; 595 нм; 625±5 нм; 660 нм; белый свет. Мощность излучения СИД выбирают в диапазоне от 10 до 25 мВт. СИД выбираются таким образом, чтобы их доминантная длина волны излучения максимально соответствовала максимуму спектра возбуждения. Использование СИД с разной длиной волны излучения, установленных в соответствующих уголковых отражателях держателя, позволяет измерять сигнал флуоресценции на разных длинах волн, что значительно расширяет область применения флуориметра. В случае если в уголковые отражатели установлены СИД с одинаковой длиной волны, это позволяет не только многократно повысить интенсивность возбуждающего света, но и значительно увеличивает равномерность освещения рабочей области кюветы.
Стенки держателя выполнены из непрозрачного материала, входящего в группу, состоящую из металла, пластмасс, композитных материалов и их комбинаций. Толщина стенок держателя лежит в пределах от 1,0 до 15 мм.
Для сбора и дополнительного усиления флуоресцентного сигнала во внутреннем объеме корпуса держателя закреплено световозвращающее зеркало 11, которое расположено под нижним основанием кюветы 2. Зеркало может быть выполнено в виде планарного листа, в форме уголкового отражателя или параболического отражателя. Измеряемый сигнал флуоресценции, дополнительно усиленный световозвращающим зеркалом 11, поступает в верхнюю часть кюветы, где оптический сигнал собирается с помощью световода 10. Через световод 10 оптический сигнал поступает на вход оптической системы 4, содержащей оптическую часть 25 и приемную ПЗС матрицу 26, с выхода которой сигнал, содержащий информацию об уровне флуоресценции, поступает на вход 27 микропроцессора 5, соединенного с индикатором 7. Микропроцессор 5 дополнительно позволяет осуществить передачу измеряемого сигнала на внешний компьютер или мобильное устройство для передачи измеряемых данных в центральный процессор сбора данных.
Оптическая ось 20 светового потока возбуждаемого СИД 24 направлена на уголковый отражатель 14 и освещает внутренний объем кюветы 2 под углом α к оси кюветы. Для устранения паразитного отражения от внутренних стенок держателя их покрывают светопоглощающим материалом, кроме элементов рабочих отражающих поверхностей, формирующих поверхность уголкового отражателя. В качестве светопоглощающих материалов, которые наносят на внутреннюю поверхность держателя, используют материалы, входящие в группу, состоящую из красок содержащих диспергируемый абсорбент, пленок снабженных клеящим слоем и содержащих на поверхности абсорбирующий материал или их комбинаций.
Устройство работает следующим образом.
Световой поток 19, генерируемый, источником света 23 проходит под углом α через кювету 2 и вызывает возбуждение флуоресценции, которая собирается световодом 10 и передается на вход оптической системы 4. Световой поток 19 проходит через прозрачные стенки кюветы 2 и достигает поверхности уголкового отражателя 14. За счет отражения от поверхности уголкового отражателя формируется отраженный световой поток 28, который вновь просвечивает кювету и вторично вызывает возбуждение флуоресценции. Далее поток 28 достигает отражающей поверхности уголкового отражателя 12 и за счет отражения снова формируется пучок света, направляемый на кювету. Происходит многократное отражение света от уголковых отражателей 12 и 14 и многократное прохождение светового потока через рабочий объем кюветы 2, тем самым вызывая увеличение уровня регистрируемой флуоресценции.
Промышленная применимость
Держатель кювет оптимально приспособлен для применения в полевых условиях, поскольку не содержит сложных оптических элементов, его отражающие поверхности защищены от пыли. С помощью коммутации и переключения светодиодов можно проводить измерения на разных длинах волн возбуждения флуоресценции, что позволяет значительно расширить потребительские способности флуориметра.
Устройство, описанное в полезной модели, имеет простую конструкцию держателя, не предъявляет высоких требований к применяемым оптическим компонентам. Источник света выполнен на основе долговечных светодиодов, отражающие поверхности защищены внешней оболочкой держателя от внешнего воздействия. Изготовление основных узлов устройства не требует высоких затрат.
За счет компактности и простоты конструкции держателя удается избежать влияния механических воздействий на устойчивость настройки оптической системы, что позволяет создавать конструкцию флуориметра малочувствительную к вибрациям.
Литература:
1. Углев Р.А. Флуоресценция и мониторинг фитопланктона (http://www.lan.krasu.ru/studies/index.aspdivbookbookid53.htm).
2. Москвин А.Л. и др. «ФЛЮОРИМЕТР» Патент РФ RU №49997 опубликован (10.12.2005).
3. Rostler; Peter S. Multipass illumination of an elongated zone. US Patent №4,254,336 (March 3, 1981).
4. Inman R.S. Polygonal planar multipass cell, system and apparatus including same, and method of use. US Patent №5,818,578 (October 6, 1998).
5. Doyle; Walter M Multipass sampling system for Raman spectroscopy. US Patent №6,795,177 (September 21, 2004).
6. Chupp; Vernon L MULTIPASS LIGHT CELL FOR INCREASING THE INTENSITY LEVEL OF RAMAN LIGHT EMISSION FROM A SAMPLE. US Patent №3,704,951 (December 5, 1972).
7. Kallet; Eli A. Enhanced fluorescent emission. US Patent №4,345,837 (August 24, 1982).
8. Gilby; Anthony С. Fluorescence detector geometry. US Patent №7,251,026 (July 31, 2007).
9. Векшин Н.Л. Кювета для люминесцентных измерений. Патент РФ №1312452 (23.05.1987).
10. Векшин Н.Л. Многоходовое устройство для люминесцентного анализа. Патент РФ №1254357 (30.08.1986).
11. Техническое описание фирмы «Ocean Optics» http://www.oemoptic.ru/holders_cuvfl-da.php.
12. Техническое описание фирмы «3М» http://www.vinilcar.ru/scotchprint-3m.html