СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОПУСКАНИЯ, КРУГОВОГО ДИХРОИЗМА, ОПТИЧЕСКОГО ВРАЩЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ И ДИХРОГРАФ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01N21/19 

Предметом настоящего изобретения является способ измерения кругового дихроизма, оптического вращения и пропускания оптически активных, гиротропных веществ посредством спектрополяризационных измерений и прибор для осуществления этих измерений.

Предпосылки изобретения.

В настоящее время спектры кругового дихроизма, можно получать с помощью спектрополяриметрических приборов, дихрографов, которые, после переоборудования их оптической системы, можно также использовать для определения других оптических параметров, таких как оптическое вращение и/или поглощение тестируемых образцов. Для измерения кругового дихроизма прибор должен содержать по меньшей мере источник света известной длины волны, линейный поляризатор, модулятор эллиптичности, держатель и/или кювету для тестируемого образца и детектор. Для измерения оптического вращения на том же приборе необходимо установить перед детектором анализатор, который преобразует плоскость поляризации в изменение амплитуды излучения. Для измерения поглощения важно удалить из оптической системы поляризационные элементы, то есть поляризатор, модулятор эллиптичности и анализатор.

На практике это означает, что с помощью существующих методов, использующих известные типы дихрографов, нельзя измерять одновременно, то есть в реальном времени, все три вышеуказанные оптические характеристики. Это особенно неудобно в тех случаях, когда свойства или состав тестируемых веществ быстро изменяются в процессе химической реакции, или в случае, когда тестируют нестабильные органические вещества, например гиалуронидазу.

Другим недостатков современных дихрографов является то, что они не могут использовать сравнительный пучок лучей для определения соответствующих единиц кругового дихроизма, так как на практике нет доступных эталонных веществ, которые демонстрировали бы постоянный круговой дихроизм в широком спектральном интервале, например в интервале от 300 до 600 нм. Этот факт ограничивает точность измерений, осуществляемых в настоящее время дихрографами.

Известен способ измерения пропускания, кругового дихроизма и оптического вращения оптически активных веществ (см. , например, авт. свид. СССР N 1469363), который заключается в том, что
при выбранной длине волны осуществляют предварительную калибровку измерительной системы, образующей измерительный луч, путем гармонического анализа состояния поляризации измерительного луча и определяют градуировочные значеня поляризации измерительного луча с модулированной эллиптичностью после прохождения через оптически активное вещество и анализатор, где изменения амплитуды измерительного луча превращаются в изменение электрического сигнала,
из этого сигнала выделяют поочередно или одновременно по меньшей мере две составляющие, первую и вторую гармоники частоты модулирующего напряжения, пропорциональные круговому дихроизму и оптическому вращению измеряемого оптически активного вещества.

В указанном способе невозможно осуществить выделение и регистрацию оптического луча, т.к. для этого потребовалось бы удалить все поляризационные элементы из оптического измерительного канала. Кроме того, указанные действия нельзя выполнять одновременно с измерением I (первой) и II (второй) гармоник.

Гармонический анализ - это математический прием разложения в ряд Фурье по функциям Бесселя, которые пропорциональны той или иной измеряемой величине.

Действительно нулевая гармоника присутствует в математическом аппарате, как в любом разложении в ряд Фурье. Однако в заявленном способе нельзя выделить и регистрировать нулевую гармонику в отличие от первой и второй гармоник. Конструктивно надо осуществить имитацию отсутствия поляризационных элементов поочередно в измерительном и эталонном каналах, например, с помощью переключателя частот.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа измерения пропускания, кругового дихроизма и оптического вращения оптически активных веществ, который существенно уменьшал бы вышеуказанные недостатки и обеспечивал бы, после модификации известных в настоящее время дихрографов, одновременное измерение кругового дихроизма, оптического вращения и спектра поглощения в реальном времени и достаточно широком спектральном интервале.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения пропускания, кругового дихроизма и оптического вращения оптически активных веществ, заключающемся в том, что
при выбранной длине волны осуществляют предварительную калибровку измерительной системы, образующей измерительный луч, путем гармонического анализа состояния поляризации измерительного луча и определяют градуировочные значения,
устанавливают с помощью анализа гармоник состояния поляризации измерительного луча с модулированной эллиптичностью после прохождения через оптически активное вещество и анализатор, где изменения амплитуды измерительного луча превращаются в изменение электрического сигнала,
из этого сигнала выделяют поочередно или одновременно по меньшей мере две составляющие первую и вторую гармоники частоты модулирующего напряжения, пропорциональные круговому дихроизму и оптическому вращению измеряемого оптически активного вещества,
согласно изобретению, из электрического сигнала выделяют одновременно кроме первой и второй гармоник нулевую гармонику, которая соответствует пропусканию, причем частота первой гармоники соответствует частоте модуляции, а амплитуды определенных таким образом гармонических компонент сравнивают с соответствующими единичными амплитудами гармонических составляющих, полученных при калибровке.

Целесообразно чтобы формировали независимый эталонный луч, отделенный от измерительного луча, калибровали эталонный луч, модулировали эллиптичность эталонного луча так, что формировали независимый эллиптический модулированный калиброванный эталонный луч и преобразовывали изменения амплитуды эллиптически модулированного эталонного луча в изменение электрических сигналов поочередно с преобразованиями изменений амплитуд эллиптически модулированного измерительного луча в изменение электрических сигналов, причем частота чередования обоих лучей по меньшей мере в 10 раз меньше, чем частота модуляции.

Способ позволяет осуществлять одновременное измерение в реальном времени всех трех указанных характеристик или позволяет определять, какую из оптических характеристик можно определить для реального тестируемого вещества. Другим преимуществом способа является возможность организации непрерывных измерений в широком интервале длин волн.

Краткое описание чертежей.

На прилагаемых рисунках схематически представлены пример конструкций дихрографа:
фиг. 1 представляет общий вид дихрографа;
фиг. 2-4 представляют стадии поляризованных лучей в плоскостях A и B в соответствии с фиг. 1.

Примеры способов измерения и осуществления изобретения.

Дихрограф, изображенный на фиг. 1, состоит из источника входящего монохроматического пучка ТОО, например, лазерного или монохроматического пучков, с определенной длиной волны, например монохроматора. Входящий пучок 100 проходит через линейный поляризатор 2 и поступает на переключатель пучка 3, образуемый, например, комбинацией полупрозрачного и отражающего зеркала. После переключателя пучка 3 пучок 100 попадает на прерыватель 30, представляющий, например, электрически управляемый вращающийся элемент - прерыватель. После прерывателя 30 пучок существует как чередующиеся измеряемый пучок 4 или эталонный пучок 5. Такое чередование осуществляется с заранее устанавливаемой частотой переключений.

Далее измеряемый пучок 4 поступает через модулятор эллиптичности измеряемого пучка 64, измеряемый образец 7, например кювету с раствором, параметры которого нужно определить, измерительный анализатор B, который образовал, например, из кристаллического поляризатора обычной конструкции, на зеркало 11 и на детектор 13, который может быть любым сенсором электромагнитного излучения, например таким обычным фотоэлектрическим сенсором, как фотоумножитель.

Эталонный пучок 5 проходит через сравнительный модулятор эллиптичности 65, который аналогичен измерительному модулятору 64 измеряемого пучка. Оба этих модулятора удобно реализовать в виде единого общего модулятора 6. Затем эталонный пучок поступает через ахроматический четвертьдлинноволновый фазовый элемент 9, который может быть образован набором ориентированных пластин, изготовленных из анизотропного материала. Одна из этих пластин может вращаться по кругу и в эталонном пучке может быть расположена альтернативно, что будет указано далее. Эталонный пучок 5 проходит далее через сравнительный анализатор 10, параметры которого аналогичны параметрам измерительного анализатора 8. После выхода из сравнительного анализатора пучок 5, также как и измеряемый пучок 4, направляется за счет зеркала 12 на тот же детектор 13 электромагнитного излучения.

У выходов 134, 135 и 136 детектора 13 располагается триада усилителей. Усилитель постоянного тока 14, первый узкополосный усилитель 15 и второй узкополосный усилитель 16. Узкополосные усилители 15 и 16 созданы, например, как синхронные детекторы в общей связи, и соединены с генератором 17 переменного напряжения, с которого одно напряжение низкой частоты используют для контроля за модуляторами 64 и 65 эллиптичности измеряемого и эталонного пучков, или общего регулятора эллиптичности 6. Второе напряжение имеет удвоенную частоту и его используют для второго узкополосного усилителя 16. Одним из необходимых условий для правильного функционирования дихрографа, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением, является то, что рабочая частота генератора 17 должна быть существенно по меньшей мере в 10 раз выше, нежели рабочая частота прерывателя пучка 30, то есть частота переключателя входящего пучка 100 в направлении измеряемого пучка 4 и эталонного пучка 5. В примере, представленном на фиг. 1, рабочая частота прерывателя пучков 30 составляет, например, 100 Гц, тогда как рабочая частота генератора 17 модулирующего напряжения составляет 50 кГц.

Вся система дихрографа, соответствующая фиг. 1, завершается контрольным, регистрирующим и оценивающим /рассчитывающим/ оборудованием 18, которое не связано с объектом настоящего изобретения, и может состоять из контролирующего компьютера с необходимым программным обеспечением.

На фиг. 2 представлены по отношению к плоскости чертежа пространственные стадии поляризации входящего пучка 100 в плоскости А в соответствии с фиг. 2, т.е. перед измеряемым образцом 7. Соответствующий электрический вектор 41 трансформируется за счет модуляции в форму эллипса, круга и наоборот, линейно поляризованное состояние соответствует состоянию поляризации при нулевом напряжении модулятора измеряемого пучка 64 или модулятора 65 сравнительного пучка 5.

На фиг. 3 представлено положение электрического вектора 41 линейного поляризованного входящего пучка 40 в плоскости B в соответствии с фиг. 1, т.е. после прохождения через кювету 7 с измеряемым образцом в том случае, когда демонстрируется только оптическое вращение. На фиг. 4 представлено положение и/или состояние /стадии/ электрического вектора 41 в случае, когда измеряемый образец имеет только круговой дихроизм. Из фиг. 4 видно, что амплитуды левовращающей компоненты 421 и правовращающей компоненты 422 различны из-за физических свойств измеряемого вещества. Результатом этого факта является то, что после их интерференции на выходе из измеряемого образца 7 конец соответствующего электрического вектора описывает эллипс, который на фиг. 4 изображен пунктиром. В том случае, когда измеряемый образец 7 имеет как оптическое вращение, так и круговой дихроизм, ось результирующего эллипса поворачивается на некоторый угол ϕ, и эллиптичность определяется углом ψ, тангенс которого определяется из отношения малой полуоси 442 и большой полуоси 441, что видно на фиг. 4. За счет того факта, что измеряемый образец 7 всегда имеет некоторое поглощение, амплитуда соответствующего вектора на плоскости B, т. е. измеряемого образца 7, оказывается меньше, нежели соответствующая амплитуда того же вектора на плоскости A, т.е. перед измеряемым образцом 7.

Измерение величин оптических параметров основано на сравнении состояния измеряемого пучка 4 перед измеряющим анализатором 8 и пучка 5 перед сравнительным анализатором 10.

Например, измеряемый пучок 4 после прохождения модулятора 64 измеряемого пучка 4 оказывается эллиптично модулированным так, как показано на фиг. 2. В том случае, когда измеряемый образец 7 демонстрирует наличие всех трех измеряемых параметров т.е. некоторое поглощение, круговой дихроизм и оптическое вращение, амплитуды, а также соответствующие интенсивности электрических компонент пучка, изменяются пропорционально величинам измеряемых параметров. Эти изменения связаны с исходной плоскостью 400 линейно поляризованного измеряемого пучка и соответствующего углового положения измерительного анализатора 8.

Для второго пучка, то есть для эталонного пучка 5, который поляризован на выходе из модулятора 65, также, как измеряемый пучок 4 на выходе из модулятора 64, сравнительный анализатор 10 в соответствии со способом настоящего изобретения ориентирован таким образом, что его плоскость поляризации по отношению к соответствующей плоскости поляризации измерительного анализатора 8 повернута на некоторый заранее выбранный и установленный градуировочный угол α, например, 1^o. После прохождения пучка 5 через сравнительный анализатор 10 интенсивности измеряемого пучка 4 и пучка 5 изменяются таким образом, что на выходах 134, 135 и 136 детектора 13 создаются электрические токи, которые содержат нулевую гармоническую компоненту, пропорциональную поглощению исследуемого вещества, первую гармоническую компоненту, пропорциональную величине кругового дихроизма исследуемого вещества, и вторую гармоническую компоненту, пропорциональную оптическому вращению исследуемого вещества. Отдельные измеряемые компоненты связаны с основной гармоникой, которая соответствует частоте генератора 17 модулирующего напряжения модуляторов 64 и 65 измеряемого и эталонного пучков. Для амплитуд отдельных указанных гармонических компонент справедливы следующие уравнения
Для нулевой гармоники J₀ = к₀•τ
Для первой гармоники J₁ = к₁•sinψ
Для второй гармоники J₂ = к₂•sinϕ
где τ коэффициент пропускания исследуемого вещества

ϕ = 1/2(δ_R-δ_Z),
τ_R, τ_Z - коэффициенты пропускания поляризованных по кругу пучков R и Zo
δ_R, δ_Z - фазовые сдвиги пучков R и Z,
ψ - эллиптичность, вызванная круговым дихроизмом,
ϕ - поворот плоскости поляризации, вызванный оптическим вращением.

Коэффициенты к₀, к₁ и к₂ определяются как константы измерительной системы за счет калибровки перед измерениями следующим образом.

Коэффициент к₀ определяют по разности фотоэлектрических токов в случае, когда исследуемым образцом является кювета в соответствии с фиг. 1, заполненная веществом с коэффициентом пропускания τ = 1, например, дистиллированной водой, а затем веществом с коэффициентом пропускания τ = 0, что можно симулировать просто перекрыв измеряемый пучок 4.

Для определения коэффициента к₁ на пути измеряемого пучка 4 устанавливают перед измерительным анализатором 8 ахроматический четвертьдлинноволновый фазовый элемент B, ориентированный под углом 45^o по отношению к плоскости электрического вектора 40, который вместе c измерительным анализатором 8, ориентированным по отношению к плоскости электрического вектора 40 под углом 45^o+α, симулирует наличие эталонного ахроматического дихроичного вещества, которое создает эллиптичность измеряемого пучка 4 величины ψ = α. Величина ψ не зависит от длины волны источника 1 входящего пучка 100. Величину к₁ определяют из разности величин фотоэлектрических токов, возникающих при ориентации измерительного анализатора 8, либо под углом 45^o, либо после его последующего поворота на выбранный градуировочный угол, например, 1^o. На практике удобно выбирать градуировочный угол в интервале значений от ±0,1^o до ±40^o. Аналогичным образом, после удаления ахроматического четвертьдлинноволнового фазового элемента 9, определяют величину к₂.

Таким же способом можно определить коэффициенты пропорциональности к₀, к₁ и к₂, соответствующие эталонному пучку 5. Все коэффициенты пропорциональности регистрируются в вычислительном центре 18. При измерениях на нескольких длинах волн, например, с монохроматором в качестве источника 1 входящего монохроматического пучка 100 определение коэффициентов к₀, к₁ и к₂ осуществляется аналогично для всех нужных длин волн.

После завершения калибровки, которую осуществляют после первой установки и/или для периодических тестовых измерений, ахроматический четвертьдлинноволновый фазовый элемент 9 удаляют с оптического пути, а сравнительный анализатор 10 остается повернутым на указанный градуировочный угол. Измерительный анализатор 8 поворачивают в исходное положение α = 0^o.
При проведении измерений образца 7, за счет прерывателя 30 пучка, сравнивают амплитуды нулевой гармоники измеряемого и эталонного пучков, что обеспечивает получение коэффициента пропускания τ исследуемого образца 7, и в то самое время амплитуды первой и второй гармоник, соответствующих измеряемому пучку 4, сравнивают с градуировочными амплитудами второй гармоники, что соответствует эталонному пучку 5 и дает возможность получить величины кругового дихроизма и оптического вращения. Отношение первой и второй гармоник эталонного пучка 5 получают при калибровке и запоминают и регистрируют в процессе калибровки в вычислительном устройстве 18.

Использование эталонного пучка 5, который удобно модулировать, например, обычным модулятором 6 таким же способом, что и измеряемый пучок 4, обеспечивает достижение высокой воспроизводимости измерений поглощения, кругового дихроизма и оптического вращения, за счет исключения флуктуаций источника 1, общего модулятора эллиптичности 6, чувствительности детектора 13, и за счет этого - колебаний всей соединенной электронной цепи. Стабильность общего модулятора 6, кроме того, во время измерений непрерывно подтверждается за счет непрерывной проверки отношений амплитуд нулевой и второй гармоник эталонного пучка 5.

Высокая точность измерений определяется точностью микрометрических винтов для поворотов измерительного анализатора 8 и сравнительного анализатора 10. Повышение точности измерений кругового дихроизма достигается за счет стимуляции ахроматического единичного эталона в результате комбинации ахроматического четвертьдлинноволнового фазового элемента 9 и сравнительного анализатора 101, который в присутствии ахроматического четвертьдлинноволнового фазового элемента 9 можно использовать в качестве компенсатора кругового дихроизма. В таком случае дихрограф обеспечивает измерения с максимальной точностью за счет компенсации нуля.

Способ измерения спектрополяриметрических характеристик оптически активных веществ и дихрограф настоящего изобретения благодаря возможности немедленно получать значения поглощения, оптического вращения и кругового дихроизма, а также возможности проводить измерения на длинах волн, выбранных из определенного спектрального интервала, можно с успехом использовать для исследований гиротропных веществ, а именно веществ из области органической химии, фармакологии, биофизики, биохимии и т.д.

Принятые обозначения
1 источник
100 входящий пучок
2 линейный поляризатор
20 плоскость /линейно поляризованной волны/
3 переключатель пучка
30 прерыватель пучка
4 измеряемый пучок
40 пучок, поступающий в модулятор
400 плоскость /линейно поляризованного пучка/
41 электрический вектор /линейно поляризованного пучка/
42 электрический вектор /пучка поляризованного по кругу/
420 дополнительный электрический вектор
421 левовращащая компонента
422 правовращающая компонента
43 электрический вектор /эллиптично поляризованного пучка/
44 результирующий электрический вектор
441 большая полуось
442 малая полуось
443 оси эллипса
5 эталонный пучок
6 общий модулятор эллиптичности
60 оптические оси модулятора
64 модулятор эллиптичности измеряемого пучка
65 модулятор эллиптичности эталонного пучка
7 измеряемый образец /кювета/
8 измерительный анализатор
80 оптическая ось измерительного анализатора
9 ахроматический четвертьдлинноволновый фазовый элемент
90 оптическая ось ахроматического четвертьдлинноволнового фазового элемента
10 сравнительный анализатор
101 оптическая ось анализатора
11, 12 зеркала
13 детектор
134 первый выход детектора
135 второй выход детектора
136 третий выход детектора
14 усилитель постоянного тока
15 первый узкополосный усилитель
16 второй узкополосный усилитель
17 генератор модулированного напряжения
18 контролирующее, регистрирующее и вычислительное оборудование
I интенсивность пучка
к₀, к₁, к₂ коэффициенты пропорциональности гармонических компонент
α градуировочный угол поворота анализатора /круговой дихроизм
β градуировочный угол /поворота анализатора-оптическое вращение/
τ коэффициент пропускания измеряемого образца
ψ эллиптичность за счет кругового дихроизма
ϕ угол поворота плоскости поляризации /за счет оптического вращения/
δ_R, δ_Z фазовые сдвиги R и Z круговых компонент пучков
R и Z правая и левая круговые компоненты пучка.

Изобретение предназначено для параллельного измерения кругового дихроизма, соответствующего первой гармонике фотоэлектрического тока детектора, оптического вращения, соответствующего второй гармонике, и пропускания, соответствующего нулевой гармонике. Дихрограф содержит переключатель пучка, который создает два поочередно выходящих параллельных пучка - измеряемый пучок и эталонный пучок, которые проходят через общий модулятор эллиптичности, ахроматический фазовый элемент, который при калибровке единиц кругового дихроизма располагается на пути эталонного пучка, кроме того, он содержит два анализатора - измерительный анализатор на пути измеряемого пучка после кюветы и сравнительный анализатор на пути эталонного пучка. Измерительный анализатор имеет оптическую ось, которая повернута на 45° по отношению к оси модулятора. Сравнительный анализатор во время измерений поворачивают на градуировочный угол, например на 1°, по отношению к измерительному анализатору. Изобретение позволяет осуществлять одновременное измерение всех трех указанных характеристик или определять, какую из оптических характеристик можно определить для реально тестируемого вещества. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения пропускания, кругового дихроизма и оптического вращения оптически активных веществ, заключающийся в том, что при выбранной длине волны осуществляют предварительную калибровку измерительной системы, образующей измерительный луч, путем гармонического анализа состояния поляризации измерительного луча и определяют градуировочные значения, устанавливают с помощью анализа гармоник состояния поляризации измерительного луча с модулированной эллиптичностью после прохождения через оптически активное вещество и анализатор, где изменения амплитуды измерительного луча превращаются в изменение электрического сигнала, из этого сигнала выделяют поочередно или одновременно по меньшей мере две составляющие, первую и вторую гармоники частоты модулирующего напряжения, пропорциональные круговому дихроизму и оптическому вращению измеряемого оптически активного вещества, отличающийся тем, что из электрического сигнала выделяют одновременно, кроме первой и второй гармоник, нулевую гармонику, которая соответствует пропусканию, причем частота первой гармоники соответствует частоте модуляции, а амплитуды определенных таким образом гармонических компонент сравнивают с соответствующими единичными амплитудами гармонических составляющих, полученных при калибровке. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют независимый эталонный луч, отделенный от измерительного луча, калибруют эталонный луч, модулируют эллиптичность эталонного луча так, чтo формируют независимый эллиптически модулированный калиброванный эталонный луч, преобразуют изменения амплитуды эллиптически модулированного эталонного луча в изменение электрических сигналов поочередно с преобразованиями изменений амплитуд эллиптически модулированного измерительного луча в изменение электрических сигналов, причем частота чередования обоих лучей по меньшей мере в 10 раз меньше, чем частота модуляции. 3. Дихрограф для измерения пропускания, кругового дихроизма и оптического вращения, содержащий последовательно установленные источник монохроматического излучения, линейный поляризатор, модулятор эллиптичности измерительного пучка, соединенный с генератором модулирующего напряжения, кювету для исследуемого образца, анализатор измерительного пучка и детектор электромагнитного излучения, соединенный с усилителем постоянного тока, при этом оптическая ось анализатора измерительного пучка ориентирована под углом 45^o к оптической оси линейного поляризатора, отличающийся тем, что между линейным поляризатором и модулятором эллиптичности измерительного пучка установлен переключатель направления, предназначенный для формирования второго эталонного пучка, на пути которого последовательно расположены модулятор эллиптичности эталонного пучка, соединенный с генератором модулирующего напряжения, оптическая ось которого ориентирована под углом 45^o к оси линейного поляризатора, и сравнительный анализатор, оптическая ось которого ориентирована к оптической оси линейного поляризатора под углом 45^o ± градуировочный угол (α), на пути измерительного и эталонного пучков установлены оптические элементы для направления этих пучков на детектор, к выходу которого дополнительно подсоединены два узкополосных усилителя, при этом рабочая частота первого усилителя равна частоте модулятора эллиптичности, рабочая частота второго усилителя равна удвоенной частоте модуляторов эллиптичности, а перед детектором установлен прерыватель пучков. 4. Дихрограф по п.3, отличающийся тем, что градуировочный угол α находится в пределах от ± 0,1 до ± 40^o. 5. Дихрограф по п.3 или 4, отличающийся тем, что прерыватель пучка является частью переключателя направлений. 6. Дихрограф по п.3 или 5, отличающийся тем, что модулятор эллиптичности измерительного пучка и модулятор эллиптичности эталонного пучка выполнены в виде одного модулятора эллиптичности.