МИКРОСКОП С ПОЛУЖЕСТКИМ КРЕПЛЕНИЕМ КОМПАКТНОГО РАМАН-ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗАТОРА

Полезная модель относится к оптическому анализу состава малых объемов органических и неорганических субстанций по спектрам рамановского рассеяния и люминесценции с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне.
В связи актуальностью задачи анализа состава вещества с высоким пространственным разрешением (выяснение пространственного распределения состава исследуемого образца, анализ образцов малых размеров - вплоть до нескольких микрон и др.) появилась потребность в совмещении техники рамановской и люминесцентной спектроскопии с оптической микроскопией. Существующие на сегодняшний момент микроскопы с возможностью проводить спектральный рамановский или люминесцентный анализ можно условно разделить на два класса: 1) стационарные установки с большими размерами и весом на основе стационарного спектрометра с высоким спектральным разрешением, сопряженного с микроскопом при помощи более или менее сложной оптической системы, и 2) приборы, у которых размеры и вес задаются самим микроскопом, а спектрометр выполнен в виде компактного спектрального анализатора, закрепленного на корпусе микроскопа и сопряженного с ним оптически.
Известен микроскоп, сопряженный с рамановским спектрометром для проведения исследований рамановского рассеяния с высоким пространственным разрешением (Заявка на Пат. США №20050128476, опубл. 16.06.2005). В этом случае излучение от внешнего лазерного источника заводится в оптический тракт микроскопа, работающего в отраженном свете, сигнал рамановского рассеяния собирается объективом микроскопа и фокусируется оптической системой на входную щель спектрометра высокого разрешения, оснащенного многоканальным оптическим детектором, а обработка сигнала производится на внешнем периферийном устройстве. Данный прибор имеет большие пространственные размеры и узкий анализируемый спектральный диапазон, расширяемый только перестройкой диспергирующего элемента спектрометра, что не позволяет проводить оперативный рамановский и фотолюминесцентный анализ исследуемого объекта за один цикл опроса многоканального детектора излучения.
Известен компактный раман-люминесцентный анализатор (Pub. No.:WO/2011/149855, - PCT/US2011/037612) для проведения рамановского и люминесцентного экспресс-анализа рассеянного излучения от органических и неорганических субстанций. Спектральный диапазон раман-люминесцентного анализатора покрывает область молекулярных колебаний и значительную часть видимой спектральной области люминесценции органических и неорганических веществ, что позволяет в течение одного цикла опроса многоканального детектора излучения производить измерение спектра неизвестного вещества, определение спектрального положения и относительных интенсивностей рамановских и люминесцентных линий исследуемого вещества, сравнение полученных спектральных характеристик с эталонными спектрами в спектральной базе данных известных веществ. Однако с помощью этого компактного раман-люминесцентного анализатора невозможно проведение спектральных исследований с высоким пространственным разрешением.
Наиболее близким решением является микроскоп с компактным раман-люминесцентным анализатором (патент на полезную модель РФ №108608, зарегистрирован 20.09.11), состоящий из микроскопа с модулем делителя светового потока, компактного раман-люминесцентного анализатора (РЛА) и узла их сочленения. В этом случае достигается возможность измерения рамановских и люминесцентных характеристик органических и неорганических субстанций за один цикл опроса многоканального детектора излучения. Электронная база и программная платформа раман-люминесцентного анализатора позволяют произвести в короткие сроки идентификацию неизвестных веществ, а также провести анализ компонентного состава исследуемого вещества в том случае, если это вещество является смесью нескольких компонентов. Данные процедуры выполняются с высоким пространственным разрешением, определяемым увеличением микроскопа и размером изображения лазерного пятна на исследуемом объекте. При этом узел сочленения микроскопа и компактного РЛА выполняют либо с помощью жесткого присоединения анализатора к модулю делителя светового пучка микроскопа, либо гибким световодом с дополнительным объективом и входной линзой спектрометрической части анализатора. Однако оба эти способа сочленения имеют существенные недостатки. При жестком соединении РЛА с микроскопом для совмещения их оптических осей требуется обеспечить высокую технологическую точность изготовления как анализатора, так и соединительного узла. При соединении с помощью световода и дополнительных оптических элементов: 1) неизбежны потери при вводе излучения в световод и выводе из него, т.е. снижение уровня измеряемого сигнала и, как следствие, увеличение времени измерения и 2) требуется использование дополнительных юстировочных узлов, что означает усложнение и удорожание всей конструкции.
Техническим результатом полезной модели является то, что обеспечивается одновременная регистрация и анализ спектральных характеристик рамановского и люминесцентного рассеяния с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне за один цикл опроса многоканального детектора. Причем удается избежать необходимости обеспечения высокой технологической точности при изготовлении РЛА и узла его жесткого сочленения с микроскопом, а также дополнительных световых потерь при использовании световодной схемы сочленения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что микроскоп, состоящий из блока окуляров, модуля делителя светового потока, корпуса, объектива, предметного столика для исследуемого образца, раман-люминесцентного анализатора (РЛА), закрепленного к микроскопу, отличающийся тем, что содержит юстировочный столик для РЛА и цилиндрический соединительный адаптер с обжимным кольцом, причем один конец цилиндрического соединительного адаптера закреплен жестко и соосно на входе светоделительного модуля микроскопа, а другой конец соединен к оптическому входному/выходному порту компактного РЛА с возможностью углового качания корпуса РЛА в пределах нескольких градусов и последующей фиксации.
Предметный столик для исследуемого образца предпочтительно выполнен в виде координатно-транслируемого столика с возможностью автоматического или ручного двух- или трехкоординатного сканирования исследуемого образца в рассеиваемом свете и/или селективном по длинам волн рассеиваемого излучения.
Для достижения этого технического результата сочленение РЛА с микроскопом выполняют с помощью двух узлов: 1) юстировочного столика с возможностью качания вокруг двух взаимно перепендикулярных осей в пределах не более ±5° и механической фиксацией в произвольном положении, который монтируют на корпусе микроскопа и на котором жестко закрепляют корпус РЛА и 2) цилиндрического соединительного адаптера, один конец которого монтируют жестко и соосно на входе светоделительного модуля микроскопа, а другой конец присоединяют к оптическому входному/выходному порту компактного РЛА с сохранением возможности углового качания корпуса РЛА в пределах нескольких градусов и последующей фиксации.
Признаки, отличающие предлагаемый микроскоп с полужестким креплением компактного раман-люминесцентного анализатора от его наиболее близкого аналога (патент на полезную модель РФ №108608), состоят в том, что для сочленения с микроскопом светосильного компактного раман-люминесцентного анализатора (РЛА) с широким спектральным диапазоном, высоким спектральным разрешением и возможностью проводить рамановский и фотолюминесцентный анализ исследуемого объекта за один цикл опроса многоканального детектора излучения вместо жесткого узла сочленения или сочленения посредством световода используют полужесткую схему сочленения, с помощью которой сначала находят положение компактного РЛА, в котором его оптическая ось совмещена с оптической осью светоделительного модуля микроскопа, после чего РЛА механически фиксируют в найденном оптимальном положении.
На фиг.1 показана схема микроскопа с полужестким сочленением компактного раман-люминесцентного анализатора, позволяющего производить одновременную регистрацию и анализ спектральных характеристик рамановского и люминесцентного рассеяния органических и неорганических субстанций с высоким пространственным разрешением.
Микроскоп содержит блок окуляров (1), модуль делителя светового потока (2), корпус (3), объектив (4), предметный столик (5), раман-люминесцентный анализатор (6), юстировочный столик для него, состоящий из верхней пластины (7), нижней пластины (8) с юстировочными винтами в ней (9), соединительный адаптер (10) с накидной гайкой (11) и обжимным кольцом (12).
РЛА (6) монтируют на корпусе микроскопа (3) с помощью юстировочного столика из двух плоских пластин (7) и (8) с возможностью качания их друг относительно друга вокруг вертикальной и горизонтальной осей и последующей жесткой фиксации юстировочных винтов (9). Нижнюю пластину (8) столика выполняют с пазами для выступающих частей верхней пластины (7) и набором юстировочных и фиксирующих винтов (9). Нижнюю пластину (8) жестко закрепляют на корпусе (3) микроскопа вблизи входной апертуры модуля делителя светового потока (2). Верхнюю пластину (7) делают составной: к ее нижней плоскости прикрепляют балку, края которой входят в пазы нижней пластины (8). К верхней плоскости пластины (7) жестко крепят корпус РЛА (6). Выходной/входной оптический порт компактного РЛА (6), из которого выходит лазерный пучок и куда входит анализируемый свет рамановского рассеяния и люминесценции, выполняют в виде куска толстостенной круглой цилиндрической трубки, соосной с лазерным пучком. Сочленение оптического порта РЛА (6) с оптическим входом микроскопа производят посредством цилиндрического адаптера (10), который одним концом жестко присоединяется ко входу модуля светоделителя микроскопа (2) соосно с его входной апертурой с помощью накидной гайки с резьбой (11). Другой конец переходника выполняют в виде разрезной тонкостенной трубки, которую крепят на трубке выходного/входного порта РЛА при помощи обжимного кольца (12), зажимаемого стандартным винтом.
Соединение компактного РЛА (6) с микроскопом выполняют следующим образом: 1) цилиндрический адаптер (10) жестко закрепляют на входе модуля светоделителя микроскопа (2) с помощью накидной гайки (11) и надевают на него обжимное кольцо (12), не затягивая его винтом, 2) на корпус микроскопа (3) жестко закрепляют нижнюю пластину юстировочного столика (8), 3) к корпусу РЛА (6) жестко прикрепляют верхнюю пластину юстировочного столика (7), 4) верхнюю пластину юстировочного столика (7) с закрепленным на ней РЛА (6) устанавливают на нижней пластине (8) юстировочного столика так, чтобы трубка на оптическом выходе/входе РЛА (6) вошла в свободный разрезной конец адаптера (10), а выступающие части верхней пластины юстировочного столика (7) попали в соответствующие пазы нижней пластины (8), 5) слегка зажимают обжимное кольцо (12) на адаптере (10) и предварительно фиксируют верхнюю пластину (7) юстировочного столика в среднем положении с помощью регулировочных винтов (9), 6) включают лазерный источник компактного РЛА (6) и, наблюдая в блок окуляров (1), добиваются с помощью регулировочных элементов (9) столика, чтобы сфокусированное объективом (4) на поверхности образца (им может служить, например, предметное стекло микроскопа) лазерное пятно находилось вблизи центра поля зрения микроскопа, а при расфокусировке с помощью вертикального перемещения предметного столика (5) микроскопа центр изображения лазерного пятна не смещался в поле зрения, 7) постепенно и поочередно зажимают фиксирующие элементы (9) юстировочного столика и обжимное кольцо (12) на адаптере (10), следя за тем, чтобы положение лазерного пятна в поле зрения микроскопа оставалось оптимальным.
Работа микроскопа осуществляется следующим образом:
Лазерный пучок, выходящий из РЛА (6), попадает в делитель светового потока (2), отражается внутри него от светоделительной пластины и попадает в объектив микроскопа (4), который фокусирует излучение на исследуемом образце на предметном столике (5). Рассеиваемое от образца излучение собирается объективом (4) и попадает в делитель светового потока (2), внутри которого также отражается от светоделительной пластины и направляется во входной оптический порт РЛА. С помощью пакета программных операций раман-люминесцентного анализатора сигнал анализируется и разлагается на рамановскую и люминесцентную составляющие. Конструкционной особенностью микроскопа с компактным РЛА является то, что сочлененный с микроскопом РЛА не имеет на своем оптическом выходе/входе фокусирующей линзы или объектива, а использует для фокусировки лазерного луча и сбора света рамановского рассеяния и люминесценции объектив микроскопа (4). Оптические оси РЛА и микроскопа совмещаются с помощью узлов полужесткого сочленения (детали 7-12), а изображение на входной щели спектрометрической части РЛА формируется за счет микроскопного объектива (4) и внутренней оптики РЛА. Перемещение трехкоординатного предметного столика (5), автоматизированное или ручное, позволяет проводить пространственное одно-, двух- или трехкоординатное сканирование образца и получать пространственные изображения исследуемого образца в рассеиваемом свете, отселектированные по длинам волн рассеиваемого излучения.
При сочленении с оптическим микроскопом компактного раман-люминесцентного анализатора (РЛА) для одновременной регистрации и анализа спектральных характеристик рамановского и люминесцентного рассеяния с высоким спектральным и пространственным разрешением в широком спектральном диапазоне за один цикл опроса многоканального детектора излучения используют полужесткую схему сочленения, с помощью которой: 1) компактный РЛА сначала присоединяют к микроскопу, не закрепляя юстировочные элементы узлов сочленения, 2) с помощью этих элементов производят угловую юстировку положения РЛА относительно оптической оси светоделительного модуля микроскопа и 3) фиксируют юстировочные элементы узлов сочленения для обеспечения необходимой жесткости конструкции. Таким образом избегают как необходимости обеспечения высокой технологической точности при изготовлении РЛА и узла его жесткого сочленения с микроскопом, так и дополнительных световых потерь при использовании световодной схемы сочленения.