УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ МОЛЕКУЛ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ

Заявляемая полезная модель предназначена для разделения смеси органических красителей.
Известно устройство для разделения частиц на микрочипе, (Р.С. Ashok et. al., Optical chromatography using a photonic crystal fiber with on-chip fluorescence excitation, Optics Express, vol. 18, no. 6, pp. 6396-6407, 2010). Устройство состоит из полимерной пластины, на которой создан канал, по которому движется раствор разделяемых веществ. Соосно каналу устанавливается фотоннокристаллическое оптическое волокно, которое излучает в направлении, противоположном направлению движения частиц. За счет оптического давления частицы большего размера замедляются по сравнению с частицами меньшего размера. Недостатком устройства является низкая эффективность разделения молекул с близкими размерами.
В качестве прототипа выбрано устройство для разделения молекул красителей, (патент #US6,258,263B1, дата публикации 17.09.1999, МПК G01J 1/24). Устройство состоит из трех пластин, механически соединенных между собой. На средней пластине вытравлены канавки, используемые в качестве хроматографической колонки. На нижней пластинке формируются электроды для детектирования разделяемых веществ в колонке. На верхней пластине формируются каналы для ввода и вывода элюента. Движение смеси разделяемых компонентов осуществляется при помощи высокого давления, прикладываемого к элюенту. За счет различной адсорбционной активности скорость движения молекул становится разной. Состав смеси измеряется посредством определения значений электрического сопротивления смеси вблизи омических контактов в различные промежутки времени. Недостатком данного устройства является неспособность разделять молекулы с близкой адсорбционной способностью, например молекулы Родамина 6Ж и Родамина 4Ц.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении эффективности процесса разделения молекул органических красителей за счет селективного фотовозбуждения в процессе прохождения хроматографической колонки и повышения чувствительности при измерении концентраций разделенных компонентов.
Задача решается следующим способом. В устройстве для разделения молекул органических красителей, включающем пластину из пористого стекла, на которой сформирована хроматографическая колонка, на входе которой размещена емкость для исходной разделяемой смеси, а на выходе - емкость для измерения концентрации разделенных компонентов, а также измеритель концентраций компонентов смеси, хроматографическая колонка оптически соединена с источником излучения и электрически соединена с источником напряжения, а измеритель концентраций компонентов смеси размещен внутри емкости для измерения концентрации разделенных компонентов и представляет собой оптическое волокно, на котором записана наклонная волоконная брэгговская решетка, при этом один конец оптического волокна оптически соединен со вторым источником оптического излучения, а другой конец волокна соединен с фотоприемником. Из емкости для исходной разделяемой смеси в емкость для измерения концентрации разделенных компонентов течет подвижная фаза хроматографа или элюент.
В качестве измерителя концентраций разделенных компонентов используется датчик, в основе которого лежит наклонная волоконная брэгговская решетка. При выходе разделенного компонента исходной смеси из хроматографической колонки в емкость для измерения разделенных компонентов спектр наклонной волоконной брэгговской решетки изменяется. На основе степени изменений можно судить о концентрации молекул разделенных компонентов в элюенте.
Сущность заявляемого устройства поясняется следующим. На стеклянной пластине формируется канал из пористого стекла. Элюент движется по пористому каналу. В элюент вводится смесь разделяемых компонентов. Во время движении смеси компонентов по хроматографической колонке, колонка облучается оптическим излучением. Длина волны излучения должна лежать в области поглощения одного из разделяемых компонентов, и находиться вне зон поглощения остальных компонентов. Оптическое излучение селективно возбуждает молекулы компонента, которые поглощает фотоны. Для возбужденных молекул значение дипольного момента выше, чем для молекул в основном состоянии, что повышает число их актов адсорбции и снижает среднюю скорость миграции через пористую среду.
В емкости для измерения концентраций устанавливается оптическое волокно с записанной на нем наклонной волоконной брэгговской решеткой. К одному концу оптического волокна присоединен источник излучения. К другому концу присоединяется фотоприемник. С увеличением показателя преломления смеси происходит «сжатие» спектра поглощения. Таким образом, мощность излучения, проходящего через наклонную волоконную брэгговскую решетку, должна изменяться пропорционально концентрации молекул в элюенте. Применение датчика на волоконной брэгговской решетке позволяет проводить измерения концентрации в реальном времени. Датчик на наклонной брэгговской решетке не чувствителен к типу молекул.
Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами, на фиг. 1 изображена общая схема устройства для разделения органических красителей при помощи фотонной хроматографии на чипе. На фиг. 2 приведен типичный спектр пропускания наклонной волоконной брэгговской решетки. На фиг. 3 приведена типичная передаточная характеристика измерителя на наклонной волоконной брэгговской решетке. На фиг. 4 приведены результаты разделения органических красителей Родамина 6Ж и Родамина 4Ц.
Устройство для разделения молекул органических красителей (фиг. 1) состоит из пластины из пористого стекла 1, на которой сформирована хроматографическая колонка 2. Хроматографическая колонка 2 оптически соединена с источником оптического излучения 3. На входе хроматографической колонки 2 формируется емкость для исходной разделяемой смеси 4. На выходе колонки 2 формируется емкость для измерения концентрации разделенных компонентов 5. В емкость 5 устанавливается измеритель концентраций компонентов смеси, который представляет собой волокно 6 с записанной брэгговской решеткой 7. С одного конца к оптическому волокну подключен второй источник оптического излучения 8 для измерения спектров пропускания решетки. Для регистрации величины прошедшего через брэгговскую решетку излучения с другой стороны установлен фотоприемник 9. К емкостям 4 и 5 присоединяются электрические контакты 10 электрически соединяющие хроматографическую колонку и источник напряжения.
Устройство работает следующим образом: смесь органических красителей помещается в емкость исходной разделяемой смеси 4. При помощи контактов 10 прикладывается электрическое поле от источника напряжения. Смесь красителей движется по колонке 2 вследствие процесса электромиграции. Хроматографическая колонка 2 облучается при помощи источника излучения 3. Оптическое излучение возбуждает молекулы одного из компонентов, и возбужденные молекулы замедляются по сравнению с молекулами остальных компонентов.
Во время движения молекул производится измерение мощности оптического излучения от источника 8, проходящего по оптическому волокну 6 через брэгговскую решетку 7, при помощи фотоприемника 9. При увеличении концентрации красителей в емкости для измерения концентрации разделенных компонентов 5 спектр пропускания волоконной брэгговской решетки 7 (см. фиг. 2) будет изменяться, а суммарная мощность - снижаться (см. фиг. 3).
В качестве конкретного примера предлагается следующее устройство разделения молекул органических красителей на чипе. Чип представляет собой пластинку из невыщелочного пористого стекла с размерами, не превышающими 60×60 мм. На пластинке выщелачивается хроматографическая колонка 2. По краям хроматографической колонки 2 при помощи мокрого травления формируются емкость для исходной разделяемой смеси 4 и емкость для измерения концентрации разделенных компонентов 5. В качестве контактов 10 были использованы прижимные алюминиевые контакты. В качестве разделяемой смеси использовалась смесь Родамина 6Ж и Родамина 4Ц, которые имеют близкие адсорбционные свойства, близкие размеры молекул и плохо разделяются традиционными хроматографическими методиками. В качестве подвижной фазы использовался этиловый спирт. Смесь красителей помещается в область 4. При помощи электрического поля красители движутся по хроматографической колонке 2. В качестве источника излучения 3 используется полупроводниковый лазер с длиной волны 532 нм, соответствующей максимуму поглощения Родамина 6Ж.
В качестве оптического волокна применялось стандартное телекомунникационное оптическое волокно SMF-28. Брэгговская решетка 7 формируется при помощи эксимерного лазера. Запись решетки проводится при помощи интерферометрического метода. Угол наклона брэгговской решетки составлял от 3 градуса. В качестве источника оптического излучения 8 применяется эрбиевый волоконный лазер. В качестве фотоприемника использовался кремниевый фотодиод. Процесс замедления Родамина 6Ж проиллюстрирован на фиг. 3.
Использование оптического излучения позволяет селективно изменять скорость миграции выбранных компонентов, а применение измерителя на основе наклонной волоконной брэгговской решетки позволяет проводить измерения концентрации красителей с большей чувствительностью и в реальном времени, что повышает эффективность разделения молекул красителей в целом. Формирование всех компонентов на чипе позволяет снизить габаритные размеры фотонного хроматографа.