УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРИРОВАНИЯ ЖИДКИХ ОБРАЗЦОВ Российский патент 1996 года по МПК G01N21/03 

Настоящее изобретение относится к области спектрофотометрии, более конкретно к устройствам для спектрофотометрирования жидких образцов.

Известно устройство для спектрофотометрирования жидких образцов, содержащее прозрачный в заданном спектральном диапазоне оптический элемент, выполненный в виде призмы с пятью боковыми гранями, две из которых, образующие входную и выходную грани, перпендикулярны оси спектрофотометрируемого излучения, а три другие, образующие грани внутреннего отражения, расположены: одна параллельно этой оси, а две наклонно, с углом падения i, большим угла полного внутреннего отражения, и сопряженный с ним с возможностью разъединения держатель жидких образцов [1]
Устройство [1] работающее в режиме нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), обеспечивает спектрофотометрирование сильнопоглощающих образцов с показателем преломления n_об в полосах поглощения, меньшим показателя преломления n оптического элемента, и характерными значениями коэффициента поглощения κ ~ 1 в соизмеримой с длиной волны λ спектрофотометрируемого излучения эффективной толщине d_эф поглощающего слоя, связанной с фактической толщиной d ≥ λ соотношением: d_эф ≅ d.

Недостатком [1] является его узкая специализация по применению (ограниченность эксплуатационных возможностей), т.к. оно обеспечивает только спектрофотометрирование сильнопоглощающих образцов с характерными k ~ 1 и не обеспечивает спектрофотометрирование слабопоглощающих образцов, например, с характерными κ ~ 10^-4..

Другим недостатком [1] вызывающим снижение надежности и удобства в эксплуатации, является сложность удерживания от вытекания жидких образцов в условиях многократно применяемой в процессе эксплуатации разборки-сборки герметизируемого разборного соединения с целью очистки разъединяемых частей от ранее применявшихся жидких образцов.

Недостатком [1] является также вызываемое угловой расходимостью спектрофотометрируемого излучения снижение точности фотометрирования.

Известно устройство для спектрофотометрирования жидких образцов, выполненное в виде прозрачной в заданном спектральном диапазоне четырехгранной призмы с вертикально ориентированными боковыми гранями, попарно параллельными и перпендикулярными между собой, одна из пар которых, образующая входную и выходную грани, перпендикулярна плоскости дисперсии спектрофотометра и оси спектрофотометрируемого излучения, с расположенной в верхней части призмы несквозной четырехгранной призматической полостью с внутренними боковыми гранями, попарно параллельными и перпендикулярными между собой, и с внешними боковыми гранями призмы и вертикальной осью симметрии 2-го порядка, образованной пересечением диагональных плоскостей призматической полости [2] - прототип.

Устройство [2] работающее в режиме пропускания, обеспечивает спектрофотометрирование слабопоглощающих образцов с характерными коэффициентами поглощения κ ~ 10^-4 в эффективной толщине d_эф поглощающего слоя, определяемой толщиной d призматической полости, т.е. одним из неравных между собой расстояний d₁, d₂ между параллельными парами внутренних боковых граней.

Преимуществом [2] в сравнении с [1] является удобство удерживания от вытекания жидких образцов, определяемое расположением в верхней части призмы несквозной призматической полости, а также удобство заполнения и очистки от ранее применявшихся жидких образцов при характерной толщине d призматической полости ≈1 см.

Недостатком [2] является ограниченность его эксплуатационных возможностей, т. к. оно обеспечивает только спектрофотометрирование слабопоглощенных образцов с характерными значениями κ ~ 10^-4 и не обеспечивает спектрофотометрирование сильнопоглощающих образцов, например, имеющих κ ~ 1..

Изобретение решает задачу создания устройства для спектрофотометрирования жидких образцов с расширенными эксплуатационными возможностями, заменяющего собой оба известных устройства [1] и [2] при сохранении их преимуществ и устранении недостатков.

Поставленные цели изобретения могут быть достигнуты благодаря тому, что, согласно формуле изобретения, в устройстве для спектрофотометрирования жидких образцов, выполненном в виде прозрачной в заданном спектральном диапазоне призмы с попарно параллельными боковыми гранями, одна из пар которых, образующая входную и выходную грани, перпендикулярна плоскости дисперсии спектрофотометра и оси спектрофотометрируемого излучения, с расположенной в верхней части призмы несквозной четырехгранной призматической полостью с попарно параллельными внутренними боковыми гранями, хотя бы одна из пар которых параллельна паре внешних боковых граней призмы, и вертикальной осью симметрии 2-го порядка, образованной пересечением диагональных плоскостей призматической полости, горизонтальное сечение призматической полости выполнено в форме ромба, а призма выполнена с тремя парами внешних боковых граней, одна из пар которых перпендикулярна диагональной плоскости призматической полости, с возможностью совмещения этой диагональной плоскости с осью спектрофотометрируемого излучения при повороте призмы относительно вертикальной оси симметрии 2-го порядка.

Найденное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, а перечисленная совокупность его существенных признаков обеспечивает получение следующих технических результатов.

Предлагаемое устройство, как и прототип [2] имеет параллельные пары внутренних боковых граней призматической полости и внешних боковых граней призмы, с возможностью совместной их установки перпендикулярно оси спектрофотометрируемого излучения, чем обеспечивается получение режима пропускания при эффективной толщине d_эф поглощающего слоя, определяемой толщиной d≈1 см призматической полости (расстоянием между указанной парой внутренних боковых граней) и κ ~ 10^-4..

Кроме того, в отличие от [2] предлагаемое устройство имеет еще и другую пару внешних боковых граней призмы, перпендикулярных одной из диагональных плоскостей призматической полости, образующую сменную пару входных и выходных граней при совмещении этой диагональной плоскости с осью спектрофотометрируемого излучения. Совмещение осуществляется поворотом призмы вокруг вертикальной оси симметрии 2-го порядка, образованной пересечением диагональных плоскостей призматической полости.

Этим изменяется характер прохождения спектрофотометрируемого излучения в устройстве и реализуется получение отсутствующего в [2] режима НПВО при расположении внутренних боковых граней призматической полости зеркально симметрично относительно совмещенной с осью спектрофотометрируемого излучения диагональной плоскости под углом падения i, большим угла i_o полного внутреннего отражения, определяемого соотношением: , где n показатель преломления материала призмы.

Одновременно изменяется соотношение d и d_эф, т.к. без изменения толщины d призматической полости эффективная толщина d_эф поглощающего жидкого слоя скачкообразно уменьшается от d_эф d до d_эф < d и становится соизмеримой с длиной волны λ cпектрофотометрируемого излучения d_эф~ λ c увеличением реализуемого значения κ от κ ~ 10^-4 до κ ~ 1..

Переход от одного режима работы (пропускание с κ ~ 10^-4) к другому (НПВО с κ ~ 1) и обратно осуществляется без сменных элементов простым поворотом устройства со сменой пар внешних боковых граней, используемых в качестве входных и выходных граней.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечено совмещение эксплуатационных возможностей обоих известных устройств [1] и [2] при устранении эксплуатационных недостатков [1] с аналогичным [2] конструктивным исполнением предлагаемого устройства, не содержащим разделяющихся частей.

Кроме того, установка вертикальной оси угловых поворотов устройства, образуемой ее осью симметрии 2-го порядка, на пересечении с горизонтальной осью спектрофотометрируемого излучения обеспечивает симметричное разбиение излучения в режиме НПВО внутренними боковыми гранями призматической полости с двукратным для щелевого спектрофотометра уменьшением его угловой расходимости на каждой грани и определяемым этим снижением погрешности фотометрирования, чем повышается в сравнении с [1] точность фотометрирования.

На фиг. 1 а, б показано предлагаемое устройство для спектрофотометрирования жидких образцов в двух его проекциях: фиг.1а вид сверху, фиг.1б вид сбоку, с разрезом; на фиг.2а, б вид сверху предлагаемого устройства в 1-м и 2-м его рабочем положении в спектрофотометрируемом излучении: фиг.2а в режиме НПВО, фиг.2б в режиме пропускания.

Устройство для спектрофотометрирования жидких образцов содержит (фиг.1а, б): прозрачную в заданном спектральном диапазоне призму 1 с тремя парами параллельных между собой вертикальных боковых граней 2, 3, 4, 5, 6, 7 и расположенную в ее верхней части несквозную четырехгранную призматическую полость 8 с попарно-параллельными внутренними боковыми гранями 9, 10 и 11, 12.

Пары 2, 3 и 4, 5 внешних боковых граней призмы 1 образуют сменные пары входных и выходных граней, попеременно располагаемых перпендикулярно оси спектрофотометрируемого излучения. Смена осуществляется поворотом устройства относительно вертикальной оси симметрии 2-го порядка, образованной линией пересечения диагональных плоскостей 13, 14 призматической полости 8.

На фиг. 2а, б показан вид сверху предлагаемого устройства для двух его рабочих положений относительно спектрофотометрируемого излучения, условно показанного параллельными его оси лучами 15, 16: фиг.2а в режиме НПВО при совмещении с осью спектрофотометрируемого излучения диагональной плоскости 13 призматической полости 8 и установке пары 2, 3 внешних боковых граней, используемых в качестве сменных входной и выходной граней, и диагональной плоскости 14 призматической полости 8 перпендикулярно, а внутренних боковых граней 9 12 призматической полости 8 наклонно, с углом падения i, большим угла i_o, полного внутреннего отражения, определяемого соотношением , где n показатель преломления материала призмы, и эффективной толщине d_эф поглощающего слоя, соизмеримой с длиной волны λ спектрофотометрируемого излучения; фиг. 2б в режиме пропускания при установке пары 4, 5 внешних боковых граней, образующих сменную пару входных и выходных граней, и 11, 12 внутренних боковых граней призматической полости 8 перпендикулярно оси спектрофотометрируемого излучения и эффективной толщине d_эф поглощающего жидкого слоя, определяемой толщиной d призматической полости 8, т.е. расстоянием между параллельной парой 11, 12 внутренних боковых граней.

Устройство используется следующим образом. После заполнения жидким образцом призматической полости 8 призму 1 устанавливают (фиг.2а, б) в спектрофотометре на пересечении ее вертикальной оси симметрии 2-го порядка, образованной пересечением диагональных плоскостей 13, 14 призматической полости 8, с горизонтальной осью спектрофотометрируемого излучения в положении сменных пар 2, 3 или 4, 5 внешних боковых граней, перпендикулярном оси этого излучения, причем установке пары 4, 5 соответствует режим пропускания и D_эф= d, где d расстояние между внутренними боковыми гранями 11, 12, а установке пары 2, 3 режим НПВО и d_эф~ λ, где λ длина волны спектрофотометрируемого излучения.

Выполняют спектрофотометрирование в заданном спектральном диапазоне, при необходимости используя двукратное (с образцом и без образца) сканирование, с последующим взятием отношения обоих полученных спектров в автоматическом или ручном режиме в зависимости от возможностей конкретного спектрофотометра.

При обнаружении на полученном спектре участков с полосами поглощения, расположенными вблизи нулевой или базовой линии, соответствующих неоптимальному (чрезмерному или недостаточному) поглощению, выполняют поворот устройства относительно вертикальной оси симметрии 2-го порядка до смены пар 2, 3 или 4, 5 внешних боковых граней, устанавливаемых перпендикулярно оси спектрофотометрируемого излучения (лучам 15, 16 светового пучка), соответствующей прямому или обратному переходу от d_эф= d к d_эф ~ λ, после чего выполняют повторное сканирование спектра при интенсивности полос поглощения на данных участках спектра, приближенной к оптимальной.

Предлагаемое устройство может использоваться как в щелевых спектрофотометрах, так и в Фурье-спектрометрах с нещелевидной формой поля изображения при фокусировке спектрофотометрируемого излучения вблизи выходных граней 3, 5 призмы 1 или образуемой пересечением диагональных плоскостей 13, 14 призматической полости 8 оси симметрии 2-го порядка, используемой в качестве вертикальной оси угловых поворотов (на фиг.2а, б положения плоскости фокусировки не изображены). При этом в Фурье-спектрометре реализуется менее чем двукратное уменьшение угловой расходимости спектрофотометрируемого излучения, определяемое соотношением размеров его поля изображения и относительного отверстия, хотя и остается большим единицы.

Способ изготовления предлагаемого устройства может включать, аналогично [2] независимое изготовление из одного и того же оптического материала, прозрачного в заданном спектральном диапазоне, методами холодной оптической обработки (шлифовки и полировки) образующих его частей (на фиг.1, 2 не показаны) с последующим неразборным их соединением, например, поставкой в глубокий оптический контакт.

В отличие от [2] в предлагаемом устройстве со сменными парами 2, 3 и 4, 5 внешних боковых граней призмы 1 и использованием в режиме НПВО всех внутренних 9 12 боковых граней и пары 6, 7 внешних боковых граней в режиме внутреннего отражения на этих гранях, все его боковые поверхности 2 7 и 9 12 выполняют полированными, с шероховатостями ≈0,1 от наименьшей длины волны λ_min заданного спектрального диапазона.

Использование предлагаемого устройства в простейшем случае предусматривает простую его перестановку в спектрофотометрируемом излучении с угловыми поворотами относительно держателя спектрофотометра или же соответствующую доработку самого держателя (на фиг.1, 2 не показан), обеспечивающего кроме собственно установки и закрепления устройства в спектрофотометрируемом излучении также и требуемые его угловые повороты, чем повышается удобство в эксплуатации.

Источники информации, использованные при подготовке описания
1. Н. Харрик. Спектроскопия внутреннего отражения. М. Мир, 1970, с.97 - 98.

Кюветы прямоугольные кварцевые для спектрофотометров. Основные размеры. Технические требования. ГОСТ 20903-75, прототип.

Использование: область спектрофотометрии, устройства для спектрофотометрирования жидких образцов. Изобретение направлено на расширение эксплуатационных возможностей, повышение технических характеристик и удобства в эксаплуатации при спектрофотометрировании сильнопоглощающих и слабопоглощающих жидких образцов. Сущность изобретения: устройство выполнено в виде прозрачной в заданном спектральном диапазоне призмы с попарно-параллельными боковыми гранями, одна из пар которых, образующая входную и выходную грани, перпендикулярна плоскости дисперсии спектрофотометра и оси спектрофотометрируемого излучения, с расположенной в ее верхней части несквозной четырехгранной призматической полостью с попарно-параллельными внутренними боковыми гранями, хотя бы одна пара которых параллельна внешним боковым граням призмы, и вертикальной осью симметрии 2-го порядка. Горизонтальное сечение призматической полости выполнено в форме ромба, а призма выполнена с тремя парами внешних боковых граней, одна из пар которых перпендикулярна диагональной плоскости призматической полости, с возможностью совмещения этой диагональной плоскости с осью спектрофотометрируемого излучения при повороте призмы относительно вертикальной оси симметрии 2-го порядка. 2 ил.

Устройство для спектрофотометрирования жидких образцов, выполненное в виде прозрачной в заданном спектральном диапазоне призмы с попарно параллельными внешними боковыми гранями, одна из пар которых, образующая входную и выходную грани, перпендикулярна к плоскости дисперсии спектрофотометра и оси спектрофотометрируемого излучения, с расположенной в верхней части призмы несквозной четырехгранной призматической полостью с попарно параллельными внутренними боковыми гранями, хотя бы одна пара которых параллельна внешним боковым граням призмы, и вертикальной осью симметрии 2-го порядка, образованной пересечением диагональных плоскостей призматической полости, отличающееся тем, что горизонтальное сечение призматической полости выполнено в форме ромба, а призма выполнена с тремя парами внешних боковых граней, одна из пар которых перпендикулярна диагональной плоскости призматической полости, с возможностью совмещения этой диагональной плоскости с осью спектрофотометрического излучения при повороте призмы относительно вертикальной оси симметрии 2-го порядка.