ОПТИЧЕСКАЯ КЮВЕТА

Полезная модель относится к медикобиологической измерительной технике, а более конкретно, к оптическим средствам, предназначенным для исследования жидких образцов в тонком слое.
Как следует из достигнутого уровня техники, оптическим исследованиям медицинских и биологических жидких образцов в тонком слое уделяется достаточно большое внимание, поскольку в этом случае, с одной стороны, упрощается процесс измерений (например, изучение оптических свойств крови позволяет определить оксигенацию крови, концентрацию гемоглобина, гематокрит без трудоемких методов ее разрушения и центрифугирования), а с другой стороны, повышается точность определения оптико-люминесцентных характеристик, например, микробов за счет существенного уменьшения влияния субстрата на результаты измерений.
Для оптических исследований жидкости в тонком слое используются оптические кюветы различной конструкции. Так известна оптическая кювета, содержащая основание, выполненное из оптически непрозрачного материала (металла), и покрывную плоскопараллельную пластину, выполненную из оптически прозрачного материала, при этом в основании выполнено глухое отверстие прямоугольной формы, средняя часть дна которого имеет плоскую форму и расположена на глубине, которая меньше, чем глубина участков дна глухого отверстия, расположенных по обе стороны относительно упомянутого выше среднего участка дна. Покрывная пластина расположена поверх основания с образованием измерительного объема между плоским участком дна глухого отверстия и расположенным напротив него участком поверхности покрывной пластины, при этом в основании выполнены сквозные отверстия для подвода и отвода исследуемой жидкости (см.заявку FR-A1-N2628531, 1989).
Эта оптическая кювета имеет следующие недостатки, а именно: сложную конструкцию основания и ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью проводить исследования образцов в проходящем свете.
Известна также оптическая кювета, содержащая две плоскопараллельныe пластины из оптически прозрачного материала и расположенную между ними кольцевую прокладку из деформируемого материала, при этом кювета помещена в корпус, выполненный в виде кольцеобразной капсулы с винтовой крышкой (см. патент RV-C1-N2095787, 1997). Безусловным преимуществом этой оптической кюветы является возможность с помощью винтовой крышки плавно изменять расстояние между плоскопараллельными пластинками в достаточно больших пределах. Иными словами, известная оптическая кювета позволяет исследовать слои жидкости различной толщины. Однако отсутствие в описании упомянутого выше патента конкретных указаний на используемый для кольцевой прокладки материал не позволяет считать достоверным утверждение о возможности исследования слоев жидкости от одного микрона. К числу недостатков этой оптической кюветы следует отнести сложность конструкции корпуса, а также трудоемкость при определении объема оптической кюветы вследствие изменения внутреннего диаметра прокладки при изменении ее толщины.
Известна также оптическая кювета, взятая в качестве прототипа и содержащая плотно складываемые вместе две плоскопараллельные пластины из оптически прозрачного материала, при этом в одной из пластин со стороны, обращенной к другой пластине, выполнена выемка (углубление), заполняемая исследуемой жидкостью (см. Фирменный каталог немецкой фирмы «STARNA» 1993).
-1
-3
Прототип имеет простую конструкцию. Однако форма выемки в одной из пластин, с одной стороны, позволяет проводить измерения оптических параметров слоев жидкости, имеющих только достаточно большую толщину - не менее 0,1 мм, а с другой стороны, затрудняет процесс чистки и стерилизации оптической кюветы. Кроме того, для обеспечения измерения зависимости оптических свойств жидкости от толщины ее слоя необходимо иметь набор оптических кювет с различной глубиной выемок. Это, с одной стороны, усложняет процесс измерений, а с другой стороны, не позволяет проводить указанные выше измерения образцов жидкости с объемом 10÷10 мл.
-1
-3
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по обеспечению возможности измерения с помощью только одной оптической кюветы зависимости оптических параметров жидких образцов с объемом от 10 до 10 мл от толщины их слоя при одновременном упрощении процесса изготовления углубления, а также процесса чистки и стерилизации оптической кюветы.
-4
Поставленная задача решена тем, что в оптической кювете, содержащей плотно сложенные вместе две плоскопараллельные пластины, при этом в первой пластине со стороны, обращенной ко второй пластине из оптически прозрачного материала, выполнено углубление, согласно полезной модели, углубление выполнено в форме шарового сегмента, при этом стрела шарового сегмента не превышает 30 мкм, а отношение стрелы шарового сегмента к радиусу его сферической поверхности не превышает 10.
-1
-3
-1
-3
За счет патентуемой формы углубления в первой плоскопараллельной пластине оптической кюветы обеспечивается достижение следующих технических результатов. Повышается точность измерений зависимости оптических параметров жидкости от толщины ее слоя в случае образцов, имеющих маленький объем от 10 до 10 мл, поскольку измерение указанной выше зависимости осуществляется на одном и том же образце. Расширяется диапазон изменения толщины измеряемого слоя жидкого образца за счет смещения его нижней границы в область 3-4 мкм. Упрощается процесс изготовления углубления с заданным объемом (в диапазоне от 10 до 10 мл), с плавно изменяющейся глубиной от максимального значения (соответствующего стреле шарового сегмента), лежащего в диапазоне от 8 до 30 мкм, и до нуля, за счет возможности использования хорошо известного в оптико-механической промышленности прецизионного оборудования для изготовления полированных вогнутых сферических поверхностей. Упрощается процесс чистки и стерилизации оптической кюветы, поскольку выемка образована одной гладкой поверхностью, а, следовательно, не имеет труднодоступных мест для чистки и стерилизации.
В одном из предпочтительных воплощений полезной модели первая плоскопараллельная пластина выполнена из оптически прозрачного материала. Благодаря этому обеспечивается возможность исследования свойств слоя жидкости в проходящем свете.
В другом предпочтительном воплощении полезной модели на сферическую поверхность углубления нанесено зеркальное покрытие. Благодаря этому обеспечивается увеличение сигнала, обусловленного люминесценцией компонент образца.
В следующем предпочтительном воплощении полезной модели плоскопараллельные пластины выполнены из материалов, имеющих различную спектральную зависимость коэффициента пропускания. Благодаря этому плоскопараллельные пластины выполняют также функцию светофильтров, например, для выделения спектральных компонент люминесценции или для отрезания спектральной области, соответствующей возбуждаемому люминесценцию излучению.
Остальные преимущества патентуемой оптической кюветы будут описаны ниже.
На фиг.1 изображена патентуемая оптическая кювета, вертикальный разрез; на фиг.2 - то же, но с зеркальным покрытием.
-4
Оптическая кювета (фиг.1) содержит первую плоскопараллельную пластину 1, вторую плоскопараллельную пластину 2. Плоскопараллельные пластины 1 и 2, в предпочтительном воплощении полезной модели, выполнены обе из оптически прозрачного материала, а именно, стекла, кварца и т.п. Однако, аналогично тому, как описано выше (см. заявку FR-A1-N2628531, 1989) первая пластина 1 может быть выполнена и из оптически непрозрачного материала, например, металла. В собранном виде плоскопараллельные пластины 1 и 2 плотно сложены вместе, при этом в первой пластине 1 со стороны, обращенной ко второй пластине 2, выполнено углубление 3 в форме шарового сегмента, при этом стрела - h шарового сегмента не превышает 30 мкм, а отношение стрелы - h к радиусу - R сферической поверхности 4 шарового сегмента не превышает 10.
-4
-6
При выполнении указанных выше геометрических параметров для углубления 3, погрешность при измерении зависимости оптических параметров жидкости от толщины ее слоя с помощью обычно используемых оптических зондов с диаметром светового пучка, равном 1-2 мм, составляет менее 5%. При стреле - h шарового сегмента больше 30 мкм и при отношении h/R>10 погрешность измерения упомянутой выше зависимости возрастает за счет увеличения кривизны сферической поверхности 4. Для существующих в настоящее время производственных возможностей нижняя граница соотношения h/R составляет 10. Однако каких-либо принципиальных факторов, препятствующих уменьшению этой величины - нет.
В случае использования патентуемой оптической кюветы для исследования люминесцентных свойств жидкости, на сферическую поверхность 4 углубления 3 нанесено зеркальное покрытие 5. Здесь необходимо отметить, что плоскопараллельные пластины 1 и 2 могут быть выполнены из материалов, имеющих различную спектральную зависимость коэффициента пропускания, например для исключения прохождения возбуждающего люминесценцию излучения через одну из плоскопараллельных пластин. На чертежах позицией - 6 обозначена ось симметрии углубления 3 (шарового сегмента), а расстояние от нее в горизонтальном направлении обозначено буквой X. В плоскопараллельной пластине 1 может быть выполнена канавка 7 для отвода избыточного количества жидкого образца, показанная штриховой линией (фиг.2). При этом край 8 канавки 7 примыкает к верхней кромке сферической поверхности 4.
Патентуемая оптическая кювета заданного объема V и заданной величины стрелы h изготавливается с геометрическими параметрами, удовлетворяющими следующим соотношением. Диаметр оптической кюветы D определяется из соотношения: , а радиус R ее сферической поверхности 4 удовлетворяет соотношению:
2
Например для V=0.5 мм и h=12,5 мкм получаем R=1 м, a D=10 мм.
-1
-3
Патентуемая кювета используется следующим образом. В разобранном виде (при снятой второй плоскопараллельной пластине 2) в углубление 3 помещается жидкий образец. Избыточное количество жидкости за счет сил поверхностного натяжения стекает в канавку 7. Затем поверх плоскопараллельной пластины 1 помещают вторую плоскопараллельную пластину 2. Плотно сложенные вместе пластины 1 и 2 образуют готовую к использованию оптическую кювету с исследуемым жидким образцом. Измерение зависимости оптических параметров жидких образцов (с малым объемом от 10 до 10 мл) от толщины слоя жидкости осуществляется с помощью оптического зонда, который перемещают от оси 6 вдоль радиуса оптической кюветы, равного D/2. При этом толщина Δ слоя жидкости на расстоянии Х от оси 6 определяется из следующего соотношения:
Таким образом, патентуемая оптическая кювета обеспечивает возможность проводить измерения зависимости оптических параметров жидкости от толщины ее слоя, используя только один образец, имеющий маленький объем, при этом осуществляется измерение очень тонких слоев жидкости без использования каких-либо средств для измерения толщины слоя (как в патенте RV-C1-N2095787).
Было установлено, что в патентуемой оптической кювете со стрелой h шарового сегмента меньше 13 мкм находящиеся в жидком образце микрообъекты испытывают дискриминацию в направлении от оси 6 к периферии углубления 3. За счет сил поверхностного натяжения и капиллярного давления в патентуемой оптической кювете происходит «сортировка» микрочастиц по размерам, а именно, частицы меньшего размера концентрируются в периферийных областях углубления 3, а частицы большего размера концентрируются в центре. Например, при введении в оптическую кювету суспензии микроорганизмов, содержащей как мертвые, так и живые клетки, живые клетки собираются в центре оптической кюветы, а «обломки» мертвых клеток - по краям кюветы. Кроме того, под действием сил поверхностного натяжения и капиллярного давления гидрофобные частицы смещаются к периферии, а гидрофильные частицы под дополнительным действием силы тяжести концентрируются в центре и на дне оптической кюветы. Таким образом, обеспечивается достижение дополнительного технического результата, заключающегося в возможности исследования микрообъектов как живой, так и неживой природы.
Здесь необходимо отметить, что возможно выполнение оптической кюветы с двумя углублениями, выполненными в первой 1 и второй 2 плоскопараллельных пластинах и расположенных напротив друг друга. В принципе патентуемая оптическая кювета может быть выполнена проточной. Промышленная применимость патентуемой полезной модели подтверждается также известностью технических средств, используемых для ее изготовления.