УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРИРОВАНИЯ ЖИДКИХ ОБРАЗЦОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/85 

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

Известно устройство для спектрофотометрирования жидких образцов, содержащее оптический элемент, выполненный в виде призмы с пятью боковыми гранями, две из которых, образующие входную и выходную грани, перпендикулярны к 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 χ 1 в соизмеримой с длиной волны l спектрофотометрируемого излучения эффективной толщине d_эф поглощающего слоя, связанной с фактической толщиной d≥l соотношением: d_эф≅d.

Недостатком [1] является узкая специализация по применению (ограниченность эксплуатационных возможностей), т.к. оно обеспечивает только спектрофотометрирование сильнопоглощающих образцов с характерными c 1 и не обеспечивает спектрофотометрирование слабопоглощающих образцов, например, с характерными c 10^-4 ввиду низкой интенсивности поглощения в эффективной толщине d_эф.

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 четырехгранной призмы с попарно параллельными и перпендикулярными между собой гранями, одна из пар которых, образующая входную и выходную грани, перпендикулярна к плоскости дисперсии устройства и оси излучения, с расположенной внутри верхней части призмы по ее оси несквозной четырехгранной призматической полостью с попарно параллельными и перпендикулярными между собой гранями, параллельными и перпендикулярными граням призмы, с равенством расстояний d₁, d₂ между двумя парами граней полости [2] прототип.

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

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 слабопоглощающих образцов с характерными значениями c 10^-4 и не обеспечивает спектрофотометрирование сильнопоглощающих образцов, имеющих, например, c 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.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для спектрофотометрирования жидких образцов, выполненном в виде призмы с попарно параллельными гранями, одна из пар которых, образующая входную и выходную грани, перпендикулярна к плоскости дисперсии устройства и оси излучения, с расположенной внутри верхней части призмы по ее оси несквозной четырехгранной призматической полостью с попарно параллельными гранями, параллельными граням призмы, на призме дополнительно выполнена третья пара граней, при этом одна из пар граней призмы перпендикулярна диагональной плоскости полости, а для совмещения этой диагональной плоскости с осью спектрофотометрируемого излучения призма снабжена блоком поворота относительно оси, образованной пересечением диагональных плоскостей полости.

Кроме того, горизонтальное сечение призматической полости плоскостью дисперсии может быть выполнено в форме ромба.

Предлагаемое устройство может быть выполнено также с возможностью более чем однократного падения спектрофотометрируемого излучения на грани призматической полости при совмещении ее диагональной плоскости с осью спектрофотометрируемого излучения.

Технический результат, реализуемый в предлагаемом устройстве, заключается в следующем.

Предлагаемое устройство, как и прототип [2] имеет параллельные между собой пары грани призматической полости и призмы, с возможностью совместной их установки перпендикулярно оси спектрофотометрируемого излучения, чем обеспечивается получение режима пропускания при эффективной толщине d_эф поглощающего жидкого слоя, определяемой толщиной d 1 см призматической полости (расстоянием d₁, d₂ между ее гранями), и c - 10^-4.

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

Этим изменяется характер прохождения спектрофотометрируемого излучения в устройстве и реализуется получение отсутствующего в [2] режима НПВО при расположении граней призматической полости зеркально симметрично относительно совмещенной с осью спектрофотометрируемого излучения диагональной плоскости под углом падения i, большим угла i₀ 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 при этом скачкообразно уменьшается от d_эф=d до d_эф<d и становится соизмеримой с длиной волны λ спектрофотометрируемого излучения d_эф l с возрастанием характерных значений c от c 10^-4 до c 1.

Переход от одного реализуемого режима (пропускание с c 10^-4) к другому (НПВО с c 1) и обратно осуществляется без сменных элементов простым поворотом предлагаемого устройства на поворотном блоке со сменой пар граней призмы, используемых в качестве входных и выходных граней.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечено совмещение эксплуатационных возможностей обоих известных устройств [1] и [2] и устранение эксплуатационных недостатков [1] при аналогичном [2] конструктивном исполнении призмы и полости, не содержащим разделяющихся частей.

Кроме того придание в предлагаемом устройстве горизонтальному сечению призматической полости плоскостью дисперсии формы ромба обеспечивает возможность получения в режиме НПВО переменных углов падения i спекрофотометрируемого излучения, определяющих реализуемые значения d_эф f(i) и , т.е. обеспечивает расширение его эксплуатационных возможностей.

Кроме того, использование в режиме НПВО более чем однократного падения спектрофотометрируемого излучения на грани призматической полости, реализуемое за счет изменения расстояний между параллельными парами граней призмы и полости, обеспечивает дополнительное скачкообразное изменение суммарно реализуемой d_эф и соответствующего ей χ, пропорционально общему числу внутренних отражений, чем в совокупности перекрывается весь рассматриваемый диапазон значений c от 10^-4 до 1, т.е. обеспечивается универсальность устройства по применению.

Размещение оси угловых поворотов устройства на пересечении с осью спектрофотометрируемого излучения обеспечивает симметрию разбиения излучения в режиме НПВО гранями призматической полости с двукратным уменьшением угловой расходимости излучения на каждой грани и определяемым этим уменьшением погрешности фотометрирования, чем повышается в сравнении с [1] точность фотометрирования.

На фиг.1,а и б показано предлагаемое устройство для спектрофотометрирования жидких образцов в двух его проекциях: фиг.1,а вид сверху, с квадратным горизонтальным сечением призматической полости; фиг. 1, б - вид сбоку, с разрезом; на фиг. 2, а и б вид сверху предлагаемого устройства в 1-м и 2-м рабочем положении в спектрофотометрируемом излучении: фиг. 2,а в режиме пропускания, фиг. 2, б в режиме НПВО с углом падения i 45^o; на фиг.3 вид сверху предлагаемого устройства с ромбовидным горизонтальным сечением его призматической полости и отличным от 45^o углом падения i в режиме НПВО; на фиг. 4 вид сверху предлагаемого устройства с отличным от единицы числом падений спектрофотометрируемого излучения на грани призматической полости в режиме НПВО.

Устройство для спектрофотометрирования жидких образцов содержит (фиг.1,а и б) призму 1 с тремя парами параллельных между собой граней 2 7 и расположенной в ее верхней части несквозной четырехгранной призматической полостью 8 с попарно параллельными гранями 9, 10 и 11, 12 и поворотный блок, не изображенный на фиг.1,а и б.

Пары 2, 3 и 4, 5 граней призмы 1 образуют сменные пары входных и выходных граней, попеременно устанавливаемых перпендикулярно оси спектрофотометрируемого излучения. Смена осуществляется поворотом устройства на поворотном блоке относительно вертикальной оси, образованной линией пересечения диагональных плоскостей 13 и 14 симметрии призматической полости 8.

На фиг. 1, а показано предлагаемое устройство с горизонтальным сечением его призматической полости 8 в форме квадрата. При этом используемые в качестве сменных входной и выходной граней пара 2, 3 граней призмы 1 располагается параллельно паре 9 и 10 и перпендикулярно паре 11 и 12 граней призматической полости 8 и под углом 45^o к плоскостям 13 и 14 зеркальной симметрии, а пара 4 и 5 граней призмы 1 параллельно плоскости 13, перпендикулярно плоскости 14 и под углом 45^o к граням 9 12 призматической полости 8.

На фиг.2,а и б показан вид сверху предлагаемого устройства для двух его рабочих положений относительно спектрофотометрируемого излучения, условно показанного параллельными его оси лучами 15 и 16; фиг.2,а в режиме пропускания при установке пары 2 и 3 граней призмы, образующих сменную пару входных и выходных граней, и 9, 10 граней призматической полости 8 перпендикулярно оси спектрофотометрируемого излучения и эффективной толщине d_эф поглощающего слоя, определяемой толщиной d призматической полости 8, т.е. расстоянием между параллельной парой 9 и 10 граней полости 8; фиг.2,б в режиме НПВО при совмещении с осью спектрофотометрируемого излучения плоскости 13 зеркальной симметрии и установке пары 4, 5 граней призмы, используемых в качестве сменных входной и выходной граней, и плоскости 13 зеркальной симметрии перпендикулярно, а граней 9 12 призматической полости 8 под углом 45^o к этой оси и эффективной толщине d_эф поглощающего жидкого слоя, соизмеримой с длиной волны l спектрофотометрируемого излучения.

На фиг.3 показан вид сверху предлагаемого устройства для обоих положений оси спектрофотометрируемого излучения относительно используемых в качестве входных и выходных сменных пар 2, 3 и 4, 5 граней призмы 1 при ромбовидном горизонтальном сечении призматической полости 8. В таком исполнении режиму пропускания соответствует расположение используемых в качестве входной и выходной граней 2, 3 призмы 1 параллельно паре 9, 10 и наклонно под углом a, отличным от 90^o, к паре 11, 12 граней призматической полости 8, а режиму НПВО расположение пары 4, 5 граней призмы 1 параллельно плоскости 13, перпендикулярно плоскости 14 и наклонно с углом падения i, отличным от 45^o, в диапазоне 30-60^o к граням 9, 10 призматической полости 8.

Этим обеспечивается регулирование реализуемых значений d_эф f(i) и т.е. дополнительное расширение эксплуатационных возможностей.

На фиг.4 показан вид сверху предлагаемого устройства для обоих положений оси спектрофотометрируемого излучения относительно сменных пар 2, 3 и 4, 5 призмы 1, используемых в качестве входных и выходных граней, с числом N граней спектрофотометрируемого излучения на каждую грань 9 12 призматической полости 8 в режиме НПВО, отличным от единицы (изображено N 2).

Этим обеспечивается возможность регулирования реализуемых в режиме НПВО d_эф-2N и , т.е. дополнительное расширение эксплуатационных возможностей.

Устройство используется следующим образом. После заполнения жидким образцом призматической полости 8 призму 1 устанавливают на поворотном блоке в спектрофотометре (фиг.2,а и б) на пересечении ее оси угловых поворотов с осью спектрофотометрируемого излучения в положении сменных пар 2, 3 или 4, 5 граней призмы 1 перпендикулярном оси этого излучения, причем установке пары 2, 3 соответствует режим пропускания и d_эф d, где d расстояние между гранями 9, 10 полости 8, а установке пары 4, 5 режим НПВО и d_эф~ λ, где λ длина волны спектрофотометрируемого излучения.

Выполняют спектрофотометрирование в заданном спектральном диапазоне.

При обнаружении на полученном спектре участков с полосами поглощения, расположенными вблизи нулевой или базовой линий, соответствующих неоптимальному (чрезмерному или недостаточному) поглощению, выполняют поворот устройства на поворотном блоке относительно вертикальной оси, образованной пересечением плоскостей 13 и 14 зеркальной симметрии до смены пар 2 и 3 или 4 и 5 граней призмы 1, 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.

Дополнительную оптимизацию условий спектрофотометрирования в режиме НПВО для конкретных образцов осуществляют выбором исполнения предлагаемого устройства (формы горизонтального сечения его призматической полости 8, определяющей угол падения i, d_эф f(i)) и , и числа N падений спектрофотометрируемого излучения на грани 9 12 призматической полости 8, определяющего d_эф 2N и ).

Предлагаемое устройство может использоваться как в щелевых спектрофотометрах, так и в Фурье-спектрометрах с нещелевидной формы поля изображения при фокусировке спектрофотометрируемого излучения вблизи выходных граней 3 и 5 призмы 1 или образуемой пересечением плоскостей 13 и 14 зеркальной симметрии оси угловых поворотов (на фиг.2 4 положения плоскости фокусировки не изображены). При этом наибольшее (двукратное) уменьшение угловой расходимости спектрофотометрируемого излучения и определяемой этим погрешности фотометрирования в режиме НПВО реализуется в щелевых спектрофотометрах, а в Фурье-спектрометрах с нещелевым полем изображения - снижается, хотя и остается больше единицы, в зависимости от применяемого соотношения размеров его поля изображения и относительного отверстия.

Способ изготовления предлагаемого устройства может включать, аналогично [2] независимое изготовление из одного и того же оптического материала методами холодной оптической обработки (шлифовки и полировки) образующих призму частей (на фиг.1 4 не показаны) с последующим неразборным их соединением, например, постановкой в глубокий оптический контакт.

В отличие от [2] в предлагаемом устройстве со сменными парами 2, 3 и 4, 5 граней призмы 1 и использованием в режиме НПВО пар 2, 3 и 6, 7 граней призмы 1 в условиях внутреннего отражения излучения, все его грани 2 7 и 9 12 выполняются полированными, с шероховатостями 0,1 от наименьшей длины волны λ_min заданного спектрального диапазона.

Возможно также изготовление предлагаемого устройства в его оптической оси известным способом [4]
Поворотный блок (на фиг.1 4 не показан) может быть выполнен в виде держателя призмы, в простейшем случае с ее перестановкой с угловыми поворотами в держателе или с реверсивными угловыми поворотами самого держателя.

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

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

3. Оптико-механическая промышленность. N 8, 1976, с.46.

4. Авторское свидетельство СССР N 1162306, кл. G 01 J 3/02, G 01 G 21/03.

Использование: изобретение относится к области спектрофотометрии, более конкретно - к устройствам для спектрофотометрирования жидких образцов. Сущность изобретения: устройство выполнено в виде призмы с попарно параллельными гранями, одна из пар которых, образующая входную и выходную грани, перпендикулярна к плоскости дисперсии устройства и оси излучения, с расположенной в ее верхней части несквозной четырехгранной призматической полостью с попарно параллельными гранями, двумя парами параллельных между собой граней призмы и полости и вертикальными плоскостями симметрии, образованными диагональными плоскостями призматической полости. Призма выполнена с тремя парами граней, одна из пар которых перпендикулярна диагональной плоскости призматической полости, с возможностью совмещения этой диагональной плоскости с осью спектрофотометрируемого излучения при повороте призмы на поворотном блоке относительно вертикальной оси, образованной пересечением диагональных плоскостей призматической полости. Горизонтальное сечение призматической полости плоскостью дисперсии может быть выполнено в форме ромба, а само устройство - с возможностью более чем однократного падения спектрофотометрируемого излучения на грани призматической полости при совмещении ее диагональной плоскости с осью излучения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для спектрофотометрирования жидких образцов, выполненное в виде призмы с попарно параллельными гранями, одна из пар которых, образующая входную и выходную грани, перпендикулярна к плоскости дисперсии устройства и оси излучения, с расположенной внутри верхней части призмы по ее оси несквозной четырехгранной призматической полостью с попарно параллельными гранями, параллельными граням призмы, отличающееся тем, что на призме дополнительно выполнена третья пара граней, при этом одна из пар граней призмы перпендикулярна диагональной плоскости полости, а для совмещения этой диагональной плоскости с осью спектрофотометрируемого излучения призма снабжена блоком поворота относительно оси, образованной пересечением диагональных плоскостей полости. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что горизонтальное сечение призматической полости выполнено в форме ромба.