ЛАЗЕРНЫЙ ФОТОАКУСТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ Российский патент 2001 года по МПК G01N30/74 G01N30/76 

Изобретение относится к области лазерной фотоакустической спектроскопии и может быть использовано для анализа слабопоглощающих конденсированных сред в жидкостной хроматографии.

Известен лазерный фотоакустический детектор, содержащий лазер, фотоакустическую ячейку с окнами, пропускающими излучение лазера, и пьезоэлектрический преобразователь [1].

Недостатком этого детектора является то, что при прохождении излучения лазера за счет поглощения в окнах ячейки и рассеяния излучения от ее стенок возникают фоновые сигналы, регистрируемые пьезоэлектрическим преобразователем и которые не дают достичь возможного предела обнаружения анализируемых сред.

Известен лазерный фотоакустический детектор для жидкостной хроматографии, содержащий лазер, фотоакустическую ячейку с анализируемой средой для преобразования излучения лазера в акустический сигнал, выполненную в виде капилляра и с элементами, пропускающими излучение лазера, и пьезоэлектрический преобразователь [2].

Недостатком этого детектора является невысокая чувствительность, обусловленная наличием фоновых сигналов, возникающих при поглощении излучения лазера элементами, пропускающими излучение, и его рассеяние от стенок ячейки (капилляра), а также сложность конструкции.

Кроме того, в данном детекторе имеет место низкая эффективность преобразования излучения лазера в акустический сигнал.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности лазерного фотоакустического детектора за счет устранения влияния фоновых сигналов, повышение эффективности преобразования излучения лазера в акустический сигнал и упрощение его конструкции.

Для достижения этого технического результата в лазерном фотоакустическом детекторе для жидкостной хроматографии, содержащем лазер, фотоакустическую ячейку с анализируемой средой для преобразования излучения лазера в акустический сигнал, выполненную в виде капилляра и с элементами, пропускающими излучение лазера, и пьезоэлектрический преобразователь, ось фотоакустической ячейки расположена под углом к направлению излучения лазера, пьезоэлектрический преобразователь размещен на оси ячейки под ее торцом без контакта с ней, а элементы, пропускающие излучение лазера, образованы стенками ячейки и выполнены из прозрачного для излучения лазера материала.

Кроме этого, ось фотоакустической ячейки расположена под углом 90^o к направлению излучения лазера, поперечный размер пьезоэлектрического преобразователя равен поперечному размеру канала фотоакустической ячейки, а расстояние от торца фотоакустической ячейки до пьезоэлектрического преобразователя равно его поперечному размеру.

На фиг. 1 представлен лазерный фотоакустический детектор для жидкостной хроматографии, общий вид. На фиг. 2 - зависимость амплитуды фотоакустического сигнала от концентрации антрацена в метаноле. На фиг. 3 - осциллограмма фотоакустического сигнала раствора антрацена в метаноле.

Лазерный фотоакустический детектор для жидкостной хроматографии содержит лазер, фотоакустическую ячейку 1 с анализируемой средой для преобразования излучения лазера в акустический сигнал, выполненную в виде капилляра и с элементами 2, пропускающими излучение лазера, и пьезоэлектрический преобразователь 3, установленный в корпусе 4. Канал ячейки 1 (капилляра) может быть различной формы: круглой, квадратной, прямоугольной и т.д. Ось 5 ячейки 1 расположена под углом (α_1,...α_i) к направлению излучения лазера. Элементы 2, пропускающие излучение лазера, образованы стенками ячейки 1 и выполнены из прозрачного для излучения лазера материала, например из кварца. Пьезоэлектрический преобразователь 3 выполнен из пьезокерамики, установлен в корпусе 4, расположен на оси 5 ячейки 1 под ее торцом и не имеет с ней контакта, что позволяет устранить фоновые сигналы от стенок ячейки 1, возникающие при поглощении излучения лазера элементами 2, и рассеяние излучения от стенок ячейки 1 (капилляра) и осуществить акустическое согласование ячейки 1 и преобразователя 3. Поперечный размер пьезоэлектрического преобразователя 3 может быть равен, например, поперечному размеру канала фотоакустической ячейки 1.

Расстояние L от торца фотоакустической ячейки 1 до пьезоэлектрического преобразователя 3 может быть равно его поперечному размеру.

Упомянутое расстояние L выбирается таким, чтобы согласовать акустические импедансы ячейки 1 и преобразователя 3 и получить при этом максимально полезный сигнал.

Угол α расположения оси 5 ячейки 1 к направлению излучения лазера определяется условием 0⁰<α≅90⁰, и выбирается исходя из требуемого оптического пути поглощения энергии излучения лазера анализируемой средой. Например, минимальный оптический путь имеет место при α = 90⁰.
Верхний торец ячейки 1 штуцером соединен с хроматографической колонкой жидкостного хроматографа.

На фиг. 2 показаны зависимость амплитуды лазерного фотоакустического сигнала от концентрации антрацена в метаноле - прямая 6, и уровень фонового сигнала от чистого растворителя (метанола) - прямая 7.

Осциллограмма фотоакустического сигнала раствора антрацена в метаноле (10^-6 моль/л) представлена на фиг. 3, где: 8 - сигнал от рассеянного излучения; 9 - сигнал от раствора; 10 - отраженный сигнал от места соединения ячейки 1 с хроматографической колонкой; τ - время распространения звуковой волны от места взаимодействия излучения лазера с раствором до пьезоэлектрического преобразователя 3.

Излучение лазера пропускают через ячейку 1 с анализируемой средой под одним из углов (α_1,...α_i) к ее оси 5. Часть мощности излучения лазера поглощается анализируемой средой, в результате чего в ячейке 1 формируются акустические сигналы, распространяющиеся вдоль ее оси 5, которые регистрируются пьезоэлектрическим преобразователем 3 и через предусилитель поступают в систему регистрации. Распространение акустического сигнала по ячейке 1 (капилляру), как акустическому волноводу, позволяет направить его на пьезоэлектрический преобразователь 3 для наиболее полного использования акустической энергии.

Полученное отношение сигнал/шум для лазерного фотоакустического детектора значительно (на два порядка и более) выше, чем у прототипа, что подтверждается возможностью регистрации фотоакустического сигнала на уровне фотоакустического сигнала от чистого растворителя (фиг. 2, 3).

Таким образом, направление излучения лазера под углом α к оси 5 ячейки 1 и установка пьезоэлектрического преобразователя 3 под торцом ячейки 1 на ее оси 5 и без контакта с ячейкой 1 (на расстоянии от нее) позволяют исключить фоновые сигналы и повысить чувствительность лазерного фотоакустического детектора на два порядка, а также существенно упростить конструкцию детектора, которая в отличие от прототипа проста в изготовлении (используется кварцевый капилляр) и содержит значительно меньшее количество деталей.

Источники информации:
1. Книга "Сверхчувствительная лазерная спектроскопия" под ред. Д. Клайджера, Москва, "Мир", 1986 г., стр. 61 -64.

2. Книга "Сверхчувствительная лазерная спектроскопия" под ред. Д. Клайджера, Москва, "Мир", 1986 г., стр. 71 - 73.

Изобретение может быть использовано для анализа слабопоглощающих конденсированных сред в жидкостной хроматографии. Лазерный фотоакустический детектор для жидкостной хроматографии содержит лазер, фотоакустическую ячейку с анализируемой средой для преобразования излучения лазера в акустический сигнал. Ячейка выполнена в виде капилляра и с элементами, пропускающими излучение лазера. Под торцом ячейки на ее оси и на расстоянии от нее расположен пьезоэлектрический преобразователь. Элементы, пропускающие излучение лазера, образованы стенками ячейки и выполнены из прозрачного для излучения лазера материала. Ось фотоакустической ячейки расположена под углом к направлению излучения лазера. Повышена чувствительность детектора за счет устранения влияния фоновых сигналов, повышена эффективность преобразования излучения лазера в акустический сигнал и упрощена его конструкция. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лазерный фотоакустический детектор для жидкостной хроматографии, содержащий лазер, фотоакустическую ячейку с анализируемой средой для преобразования излучения лазера в акустический сигнал, выполненную в виде капилляра и с элементами, пропускающими излучение лазера, и пьезоэлектрический преобразователь, отличающийся тем, что ось фотоакустической ячейки расположена под углом к направлению излучения лазера, пьезоэлектрический преобразователь размещен на оси ячейки под ее торцом без контакта с ней, а элементы, пропускающие излучение лазера, образованы стенками ячейки и выполнены из прозрачного для излучения лазера материала. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что ось фотоакустической ячейки расположена под углом 90^o к направлению излучения лазера. 3. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что поперечный размер пьезоэлектрического преобразователя равен поперечному размеру канала фотоакустической ячейки. 4. Детектор по п.1, отличающийся тем, что расстояние от торца фотоакустической ячейки до пьезоэлектрического преобразователя равно его поперечному размеру.