УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СВЕТОПОГЛОЩАЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
APPARATUS FOR MEASURING CONCENTRATION OF LIGHT-ABSORBING SUBSTANCES

Изобретение относится к области техники спектроскопического измерения концентрации веществ (в том числе экологически вредных) в различных агрегатных состояниях автоматическими аналитическими методами, особенно применительно к природным условиям.
Особенностью автоматических приборов для измерения концентраций различных веществ в природных образцах является необходимость работы при постоянном поступлении новых порций пробы в широком, заранее неизвестном, диапазоне концентраций и необходимость быстрой очистки измерительной кюветы от неожиданно высокой концентрации вещества в пробе. В этих условиях на первый план выходит создание устройств, обладающих наряду с высокой чувствительностью способностью не подвергаться загрязнению.
Известны устройства для спектроскопического измерения концентрации веществ, базирующиеся на использовании закона Бугера-Ламберта-Бера, связывающего оптическую плотность образца, измеренную в определенном спектральном диапазоне, с концентрацией вещества и длиной кюветы [М.И.Булатов, И.П.Калинкин. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. Л.: Химия, 1986]. Необходимость измерения (особенно в природных образцах) низких концентраций веществ и, следовательно, низкого уровня поглощения света привела к использованию либо устройств, собирающих максимум света, прошедшего многократно через образец, либо применению длинных кювет.
Известны патенты, например U.S. Patent №5570447, в котором описывается длинная (до 5 м) капиллярная кювета, внутренние стенки которой покрыты инертным фторполимером TEFLON AF (который используется, например, в US Patent №5165773, US Patent №5608517), имеющим показатель преломления n=1,315-1,29, меньший чем показатель преломления воды (n=1,33), что обеспечивает волноводный эффект для вводимого в нее света. Однако размещение источника и приемника света непосредственно в исследуемом потоке пробы, особенно при малой его скорости, не способствует быстрой отмывки кюветы от предыдущей пробы.
Аналогичным недостатком обладают устройства, описанные в U.S. Patent №6246828 B1, U.S. Patent №6878943 B2, U.S. Patent №6016372, U.S. Patent №5444807, U.S. Patent №7343074 B1.
Другим направлением техники определения малых концентраций химических соединений, присутствующих в природной воде, является использование интегральной сферы в различных ее модификациях. Один из вариантов реализации такого устройства рассмотрен в диссертации R.М.Pope [R.М.Pope. Optical absorption of pure water and sea water using the integrating cavity absorption meter. Ph.D. Thesis. 1993]. Интегрирующая полость изготовлена из диффузно отражающей керамики, внутри полости помещена измерительная кювета, заполняющая почти весь ее объем. Свет в кювету заводится через несколько оптических волокон, аналогично осуществляется регистрация света, рассеянного в интегрирующей полости. В другом варианте устройства - PSICAM (point-source integrating-cavity absorption meter) используется источник света, расположенный в центре интегрирующей сферы, полностью заполненной исследуемой жидкостью. Рассеянный интегрирующей сферой свет собирается на внешней ее поверхности через соответствующее окно. Фирма HOBI Labs выпускает аналогичного типа прибор для океанографических исследований [D.R.Dana, R.A.Maffione. A new hyperspectral spherical-cavity absorption meter. HOBI Labs, Inc. http://www.hobilabs.com]. Оба этих устройства не предназначены для проточных приборов и имеют либо застойные зоны, либо загрязняющиеся внутренние поверхности.
Проточный вариант реализован в US Patent №7057730 B2. Исследуемая проба протекает через центральную трубу, изготовленную из прозрачного материала, которая окружена двумя концентрическими диффузно рассеивающими цилиндрами с промежутком между ними. В этот промежуток вводится свет от большого количества равномерно расположенных источников, освещающих пробу через внутренний рассеивающий цилиндр. Измеряемый сигнал снимается через световоды с приемников, также равномерно распределенных по интегрирующей полости. Таким образом, в этом устройстве отсутствуют застойные зоны и осуществляется защита от загрязнения источников и приемников света из-за отсутствия их непосредственного контакта с пробой, но требуется очистка внутреннего прозрачного цилиндра, изготовленного из гидрофильного материала. В этом устройстве не реализуется волноводный процесс распространения света вдоль пробы, т.к. проба освещена равномерно. Волноводный процесс распространения света вдоль пробы осуществлен в US Patent №6385380, который принят за прототип изобретения. Исследуемая проба протекает в прозрачном капилляре, освещаемом через его стенку источником света с помощью оптоволокна. На некотором расстоянии вдоль потока пробы (непосредственно в потоке) расположено регистрирующее оптоволокно, связанное с приемником излучения. Ввод и вывод пробы осуществляется перпендикулярно к оси капилляра. Недостатками этого устройства являются наличие застойных зон из-за отмеченной выше геометрии ввода пробы и возможность загрязнения как стенок прозрачного капилляра, так и регистрирующего оптоволокна.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, обладающего наряду с высокой чувствительностью за счет длинного оптического пути в анализируемой пробе способностью к самоочистке измерительного тракта.
В заявленном изобретении это обеспечивается реализацией волноводного процесса распространения анализирующего света вдоль интегрирующей полости и отсутствием ее загрязнения из-за создания прямоточного характера протекания пробы, не контактирующей непосредственно с источниками и приемниками анализирующего света.
Поставленная задача достигается тем, что волноводный элемент выполнен в виде полости-канала в диффузно рассеивающем гидрофобном материале с углублениями, в которых размещены источники и приемники света, разнесенные друг от друга на расстояние, обеспечивающее требуемую чувствительность анализа, причем углубления выполнены с возможностью прохождения света в полость без контакта с ее внутренней поверхностью. Поперечное сечение полости по форме и площади совпадает с магистралью, подводящей пробу, а отсутствие каких-либо элементов внутри полости позволяет создать прямоточный характер протекания пробы, отсутствие застойных зон и, как следствие, самоочищение измерительного тракта.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где
на фиг.1 представлена конструкция устройства.
На Фиг.2 представлена зависимость оптической плотности раствора соли ванадия в воде от ее концентрации.
Полость-канал 1 (далее канал 1) по Фиг.1 изготовлена в элементе 3 из гидрофобного материала с высоким коэффициентом диффузного отражения света, например тефлоне. Вокруг канала 1 в полостях 4, не имеющих непосредственного контакта с каналом 1, размещаются источники света 5. Такими источниками света могут быть как монохроматические источники типа светоизлучающих диодов или лазеров, так и немонохроматические источники с оптическими фильтрами, соответствующими спектру поглощения исследуемой пробы. Стенка канала в месте размещения источников света выполняется достаточно тонкой, чтобы обеспечить освещение канала диффузно рассеянным светом. В соответствии с индикатрисой рассеяния свет распространяется вдоль канала 1 волноводным образом и поглощается пробой. На расстоянии от источников света 5, определяемом требуемой чувствительностью анализа, располагаются в полостях 6 приемники излучения 7. Стенки канала 1 в месте размещения приемников также сделаны достаточно тонкими, чтобы обеспечить освещение приемников 7 светом, прошедшим вдоль канала. Герметизация канала 1 осуществляется стандартными методами с помощью кольцевых прокладок. Для предварительной промывки канала 1 может быть предусмотрен дополнительный штуцер 8, через который закачивается промывочная жидкость, смачивающая поверхность канала. В случае необходимости предварительного экстрагирования анализируемого вещества из пробы стенки канала 1 покрываются пористой мембраной, на которой по мере прохождения пробы происходит накопление исследуемого вещества, по кинетике поглощения света которого определяют его концентрацию (при предварительной калибровке по эталонным пробам). Предварительное смачивание мембраны производится экстрагирующей жидкостью также через штуцер 8.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Анализируемая проба 2 пропускается через полость-канал 1. Сигналы с 5 приемников 7, освещаемых светом, прошедшим через анализируемую пробу, сравниваются с сигналами, полученными при прохождении эталонных проб с известными концентрациями анализируемого вещества, и на основании предварительной градуировки вычисляется концентрация вещества в пробе.
На фиг.2 приведен пример использования устройства при измерении концентрации растворенных в воде ионов ванадия, анализируемых с помощью реакции комплексообразования с 4-(2-пиридилазо)резорцином. В качестве источника излучения был использован светодиод с длиной волны излучения 520 нм, а в качестве приемника фотодиод типа ОРТ-301.