УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОЛИНЗОВОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ

Предлагаемое изобретение относится к области аналитической химии, а именно к спектрометрии, спектроскопии и спектрофотометрии.
Термолинзовая спектрометрия является одним из наиболее чувствительных оптических методов молекулярной спектроскопии поглощения и все более широко используется как высокочувствительный фотометрический детектор в сочетании с различными методами разделения и концентрирования.
Термолинзовое детектирование обеспечивает существенное увеличение чувствительности по сравнению с традиционным детектированием в УФ и видимом диапазоне. Основные процессы, протекающие при формировании термолинзы (теплоперенос и формирование температурного профиля преломления), непосредственно связаны с термооптическими характеристиками среды (теплопроводность, теплоемкость, температурный градиент показателя преломления). Таким образом, за счет изменения термооптических характеристик раствора появляется возможность влиять на процесс образования термолинзы и, как следствие, контролировать величину термолинзового сигнала.
Известно устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии, включающее кювету для анализируемого раствора и зондирующий лазер для анализа сформированной термолинзы [Патент РФ №2282180, кл. G01N 25/00, опубл. 2006.08.20].
Кювета содержит диафрагму, расположенную в ее центре, выполненную из диэлектрика и содержащую в центральной части отверстие с диаметром не более 1 мм, и два электрода, расположенных по обе стороны диафрагмы и подключенных к источнику питания, а зондирующий лазер установлен напротив отверстия диафрагмы.
Кювета выполнена из непроводящего материала прозрачными окнами, расположенными по обе стороны диафрагмы.
В качестве зондирующего лазера для анализа сформированной термолинзы использован гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения 628 нм.
В качестве анализируемых растворов выбраны электропроводящие растворы на основе кислот, оснований, органических растворителей из числа пропилена карбоната, нитрометана и диметилсульфоксида.
Известное устройство формирования термолинзы обладает большими габаритами, которые в свою очередь приводят к необходимости использования для анализа вещества значительные количества химических реагентов и при использовании данного устройства луч зондирующего лазера до взаимодействия с областью, где образуется термолинза проходит через область раствора, в которой возможны флуктуации температуры, соответственно оптической плотности, что в конечном итоги приводит к снижению точности измерения.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для термолинзовой спектрометрии, включающую кювету из диэлектрического прозрачного для спектра материала, зондирующий лазер и систему детектирования лазерного излучения для регистрации сформированной термолинзы, при этом кювета выполнена в виде сэндвича, состоящего из трех пластин, средняя из которых имеет сквозное отверстие и поперечную перегородку - диафрагму, расположенную в центральной его части и делящую образованную боковыми пластинами полость на две камеры, в поперечной перегородке - диафрагме выполнен канал, соединяющий указанные камеры, в камерах расположены электроды, выводы которых размещены на боковых стенках в виде прижимных контактов и подключены к источнику тока, а в стенках камер выполнены каналы для перетекания электропроводящих растворов [Патент РФ на ПМ №79339, кл. G01N 25/00, опубл. 2008.12.27]
Известное устройство обладает рядом недостатков: наиболее существенное из них заключается в том, что данное устройство не позволяет отслеживать изменение концентрации определяемого вещества в реальном режиме времени. Это обусловлено тем, что в проточном режиме работы устройства, до попадания анализируемого раствора в область формирование термолинзы, раствор должен пройти через объем камеры перед диалектической перегородкой с отверстием. При этом, в случаи резкого изменения концентрации в потоке раствора в объеме пред перегородкой, будет происходить смешивание поступающего и имеющегося растворов и тем самым существенное искажение концентрационного пика. Таким образом, данное устройство не годится для его использования в качестве детектора для жидкостной или ионной хроматографии. Кроме того, при поступлении концентрационного пика система (устройство) выходит из состояния равновесия (одинаковая проводимость по обе стороны от диалектической перегородки), что может привести к систематическим погрешностям анализа.
Задачей предложенного технического решения является повышение точности измерения за счет быстрого поступления анализируемого раствора в область формирования термолинзы без изменения концентрации в потоке и устранения эффекта связанного с возможным режимом не одинаковой проводимости по обе стороны от перегородки - диафрагмы.
Задачей предложенного технического решения является расширение функциональных возможностей предлагаемого устройства в качестве детектора для жидкостной, ионной хроматографии или детектора для электрофореза.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для термолинзовой спектрометрии, включающем кювету из диэлектрического прозрачного для спектра материала и зондирующий лазер для анализа сформированной термолинзы, при этом кювета выполнена в виде трех плотно прилегающих друг к другу пластин, средняя из которых имеет сквозное отверстие и поперечную перегородку - диафрагму, расположенную в центральной его части и делящую образованную боковыми пластинами полость на две камеры, в поперечной перегородке - диафрагме выполнен канал, соединяющий указанные камеры, в камерах расположены электроды, выводы которых размещены на боковых стенках в виде прижимных контактов и подключены к источнику тока, а в стенках камер выполнены каналы для перетекания электропроводящих растворов, кювета дополнительно содержит канал для ввода растворов, выполненный в поперечной перегородке - диафрагме и соединенный одним концом с центральной частью канала перегородки - диафрагмы, а другим с боковой стенкой средней пластины.
На фиг.1 представлен общий вид устройства в разрезе.
На фиг.2 - вид сбоку.
Устройство для термолинзовой спектрометрии состоит из кюветы из диэлектрического прозрачного для спектра материала и зондирующего лазера для анализа сформированной термолинзы (на чертеже не показан).
Кювета выполнена в виде трех плотно прилегающих друг к другу пластин 1, 2 и 3. Средняя пластина 2 имеет сквозное отверстие 4 и поперечную перегородку - диафрагму 5, расположенную в центральной его части и делящую образованную боковыми пластинами 1 и 3 полость на две камеры. В поперечной перегородке - диафрагме 5 выполнен канал 6, соединяющий указанные камеры.
В камерах расположены электроды 7 и 8, выводы которых размещены на боковых стенках в виде прижимных контактов 9 и 10 и подключены к источнику тока (на чертеже не показан).
В стенках камер выполнены каналы 11 и 12 для перетекания электропроводящих растворов. Каналы 11 и 12 предназначены для вывода растворов.
Кювета содержит канал 13 для ввода растворов, выполненный в поперечной перегородке - диафрагме 5 и соединенный одним концом с центральной частью канала 6 перегородки - диафрагмы, а другим с боковой стенкой средней пластины 2.
Устройство работает следующим образом. По каналу 13 в поперечной перегородке, анализируемый раствор непосредственно поступает в область устройства, где происходит формирование термолинзы. На электроды периодически импульсно подается напряжение, частота подачи напряжения варьируется от 0,1 до 100 Гц. При этом в момент подачи напряжения в канале перегородки возникает зона с максимальной плотностью тока, которая приводит к локальному разогреву анализируемой жидкости и изменению показателя преломления анализируемой среды. Регистрация изменения показателя преломления осуществляется путем зондирования лазерным лучом направленным перпендикулярно плоскости пластин и проходящим через термолинзу. Непрерывно измеряется интенсивность лазерного излучения за экраном с маленьким отверстием (интенсивность в центральной части зондирующего луча) или изменения диаметра зондирующего луча после прохождения раствора, в котором образовалась термолинза. Аналитический, термолинзовый сигнал как и в случаи классической термолинзы рассчитывают как изменение интенсивности в центральной части зондирующего луча или увеличение его радиуса на детекторе:
p
p
0p
0p
где I(0) - интенсивность в центре зондирующего луча на детекторе в начальный момент времени (t=0), до образования термолинзы, I(t) - интенсивность в центре зондирующего луча в плоскости детектора для термолинзы, развившейся в момент t, ω(0) - радиус луча зондирующего лазера в плоскости детектора до развития термолинзы, ω(t) - радиус в момент t.
Термолинзовый сигнал связывают с концентрацией определяемого в растворе вещества. Строят градуировочный график и по нему определяют концентрацию вещества в анализируемом растворе.
Преимущества предложенного технического решения заключаются в следующем:
- Анализируемый раствор непосредственно поступает в объем термолинза, где происходит формирования аналитического сигнала. Тем самым в отличие от прототипа данное устройство может быть использовано в качестве детектора для жидкостной и ионной хроматографии.
3
- Объем области, в которой формируется аналитический сигнал, может быть очень маленьким (порядка 1 мм). Это объясняется тем, что луч зондирующего лазера может иметь размер менее 1 мм в диаметра. Тем самым подтверждается эффективность использования данного устройства в качестве детектора для жидкостной и ионной хроматографии.
- Геометрия устройства такова, что анализируемый раствор из зоны термолинзы выходит равномерно в обе камеры по разные стороны перегородки, содержащие электроды. Это не приводит к изменению проводимости в одной камере относительно другой. Тем самым не нарушается симметрия относительно области образования термолинзы. И тем самым исключается одна из причин, которые могут привести к возникновению систематических погрешностей.