ПЛАНШЕТНЫЙ ФОТОМЕТР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК G01J1/00 G01N21/27 

Изобретение относится к области планшетной фотометрии, в частности к устройствам абсорбционных и флуориметрических измерений, и может быть использовано в биологии, физике, химии, медицине и сельском хозяйстве.

Известен планшетный фотометр, разработанный в ЛНПО "Буревестник" ЯХОНТ-01 (техническое описание прибора ЯХОНТ-01, государственная регистрация N 12127, 1990). Он содержит источник света, формирователи световых пучков осветительной части, опорного и измерительного каналов, интерференционные светофильтры, разветвленный световод, планшет с исследуемыми жидкостями с 96-ю ячейками, 8 фотоприемников измерительных каналов и один - опорного канала.

В указанном фотометре в каждом из восьми измерительных каналов используется лишь одна девятая часть световой энергии, отобранной от источника света из-за использования разветвленного световода, который делит сфокусированный на его общий входной торец световую энергию на девять частей по единичным выходным световодам. По этим световодам свет направляется по 8-ми измерительным каналам к ячейкам планшета и соответственно к восьми регистрирующим фотоприемникам.

Девятый единичный световод относится к опорному каналу со своим фотоприемником. Кроме того, такая схема планшетного фотометра не исключает погрешности измерения от следующих факторов:
- одновременность освещения всех восьми ячеек планшета и их близкое взаимное расположение приводит к попаданию рассеянного света на соседние ячейки и соответственно на расположенные рядом фотоприемники;
- наличие восьми измерительных фотоприемников, имеющих обычно некоторый разброс световых параметров;
- измерение темновых токов фотоприемников происходит один раз, лишь перед началом измерения всего планшета.

Наконец, фотометр ЯХОНТ-01 предназначен для измерения оптической плотности (или пропускания) только светлых жидкостей из-за недостаточности световой энергии в измерительных каналах, и не может измерять их флуоресценцию.

Наиболее близким техническим решением является планшетный фотометр, описанный в патенте США N 4144030 в МПК G 01 N 21/24, 5/100.

Он содержит оптически связанные источник света, модулятор, систему линз, формирующих световые пучки осветительной части, измерительных и опорного каналов, полупрозрачное зеркало, интерференционные светофильтры, волоконный оптический распределитель (разветвленный световод), планшет с исследуемыми жидкостями, приемники излучения.

Разветвленный световод делит световой поток от источника света на N частей, где N - число ячеек в колонке планшета или число измерительных каналов. В результате происходит деление световой энергии источника по измерительным каналам и засветка соседних ячеек посторонним светом при одновременном постоянном освещении каждого из N-каналов. Это снижает точность измерения, чувствительность прибора и исключает возможность исследования темных жидкостей.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей планшетного фотометра при одновременном повышении точности и чувствительности измерений. Получение мощных световых потоков в каждом отдельном измерительном канале позволит проводить измерения оптической плотности как светлых, так и оптически темных жидкостей с оптической плотностью до 4 Б и более, а также обеспечит достаточное по мощности облучение жидкостей в ячейках планшета для возбуждения их флуоресценции и в дальнейшем ее измерение. Решение этой задачи является весьма важным для исследований в различных областях науки и техники.

В предлагаемом изобретении поставленную задачу решает планшетный фотометр, содержащий оптически связанные источник света, формирователь световых пучков осветительной части с распределителем световых потоков, планшет с исследуемыми жидкостями, устройство для приема излучения, в котором распределитель световых потоков выполнен в виде коммутатора, содержащего внутри неподвижного корпуса полый цилиндрический ротор, в котором закреплено плоское зеркало под углом, например 45^o, к оси вращения ротора, совпадающей с оптической осью светового пучка формирователя осветительной части, на цилиндрической поверхности ротора выполнено отверстие для пропускания светового пучка, отраженного зеркалом, в корпусе коммутатора неподвижно закреплены на траектории движения отверстия оптически связанные с ним входные торцы М световодов, выходные торцы которых оптически связаны с входными окнами ячеек планшета, где М - число ячеек в колонке или ряду планшета.

В отличие от наиболее близкого аналога распределитель световых потоков предлагаемого фотометра выполнен в виде коммутатора, содержащего внутри неподвижного корпуса полый цилиндрический ротор, в котором закреплено плоское зеркало под углом, например 45^o, к оси вращения ротора, совпадающей с оптической осью светового пучка формирователя осветительной части, на цилиндрической поверхности ротора выполнено отверстие для пропускания светового пучка, отраженного зеркалом, в корпусе коммутатора неподвижно закреплены на траектории движения отверстия оптически связанные с ним входные торцы М световодов, выходные торцы которых оптически связаны с входными окнами ячеек планшета.

Поставленную задачу также решает другой вариант выполнения предлагаемого планшетного фотометра, содержащий оптически связанные источник света, формирователь световых пучков осветительной части с распределителем световых потоков, планшет с исследуемыми жидкостями, устройство для приема излучения, в котором распределитель световых потоков выполнен в виде коммутатора, содержащего внутри неподвижного корпуса полый цилиндрический ротор, на оси вращения которого, совпадающей с оптической осью светового пучка формирователя осветительной части, закреплен входной торец световода, расположенный на торце ротора, совмещенном с плоскостью концентрации света формирователя осветительной части, а его выходной торец закреплен на цилиндрической поверхности ротора или на его противоположной торцовой поверхности в положении, не совпадающем с осью вращения, в корпусе коммутатора на траектории движения выходного торца световода неподвижно закреплены оптически связанные с ним входные торцы М световодов, выходные торцы которых оптически связаны с входными окнами ячеек планшета, где М - число ячеек в колонке или ряду планшета.

В отличие от наиболее близкого аналога, в этом варианте фотометра распределитель световых потоков выполнен в виде коммутатора, содержащего внутри неподвижного корпуса полый цилиндрический ротор, на оси вращения которого, совпадающей с оптической осью светового пучка формирователя осветительной части, закреплен входной торец световода, расположенный на торце ротора, совмещенном с плоскостью концентрации света формирователя осветительной части, а его выходной торец закреплен на цилиндрической поверхности ротора или на его противоположной торцовой поверхности в положении, не совпадающем с осью вращения, в корпусе коммутатора на траектории движения выходного торца световода неподвижно закреплены оптически связанные с ним входные торцы М световодов, выходные торцы которых оптически связаны с входными окнами ячеек планшета.

Кроме того, в оба предлагаемых варианта выполнения планшетного фотометра может быть дополнительно введен разветвленный световод, М входных торцов которого оптически связаны с выходными окнами ячеек планшета, а его общий торец - с устройством для приема излучения, выполненным в виде одного фотоприемника.

Во второй вариант выполнения предлагаемого планшетного фотометра могут быть дополнительно введены общий световод, расположенный в корпусе коммутатора, второй световод, размещенный в роторе, и М световодов, входные торцы которых оптически связаны с выходными окнами ячеек планшета, а их выходные торцы - с входным торцом второго световода, закрепленным на цилиндрической поверхности ротора или на его торцовой поверхности в плоскости расположения входного торца первого световода в положении, не совпадающем с осью вращения, его выходной торец расположен на оси вращения ротора, закреплен на торце, противоположном расположению входного торца первого световода, и оптически связан с входным торцом закрепленного в корпусе общего световода, выходной торец которого оптически связан с устройством для приема излучения, выполненным в виде одного фотоприемника.

Во втором варианте выполнения предлагаемого планшетного фотометра также могут быть дополнительно введены общий световод, расположенный в корпусе коммутатора, второй световод, размещенный в роторе, полупрозрачное зеркало, установленное перед входными окнами ячеек планшета, и М световодов, входные торцы которых оптически связаны с полупрозрачным зеркалом, а их выходные торцы закреплены в корпусе коммутатора и оптически связаны с входным торцом второго световода, закрепленном на цилиндрической поверхности ротора или его торцовой поверхности в плоскости расположения входного торца первого световода в положении, не совпадающем с осью вращения, его выходной торец расположен на оси вращения ротора, закреплен на торце, противоположном расположению входного торца первого световода и оптически связан с входным торцом расположенного в корпусе общего световода, выходной торец которого оптически связан с устройством для приема излучения, выполненным в виде одного фотоприемника.

На фиг. 1 представлена оптическая схема одного из вариантов выполнения планшетного фотометра.

На фиг. 2а и 2б представлены варианты выполнения коммутатора световых потоков.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения регистрирующей части предлагаемого фотометра.

На фиг. 4а и 4б представлены варианты выполнения коммутатора световых потоков.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения оптической схемы планшетного фотометра для измерения потока флуоресценции.

Вариант выполнения схемы фотометра, представленный на фиг. 1, содержит: источник 1 света, формирователь 2 световых пучков осветительной части, формирователь 3 светового пучка опорного канала, коммутатор 4 световых потоков, формирователь 5 световых пучков выходной осветительной части, планшет 6, устройство 7 для приема излучения. Формирователь 2 световых пучков осветительной части включает: линзу 8, диафрагму 9, сменный интерференционный светофильтр 10, фокусирующую линзу 11.

Коммутатор световых потоков включает: плоское зеркало 12, ротор 14 с отверстием 13, корпус 15, неподвижные осветительные световоды 16. Формирователь 3 светового пучка опорного канала включает: тонкую плоскопараллельную кварцевую пластинку 17, фотоприемник 18.

Варианты выполнения коммутатора 4, световых потоков, представленные на фиг. 2а и 2б, содержат: ротор 14, корпус 15, световод 19, неподвижные осветительные световоды 16, фокусирующую линзу 11 формирователя 2 световых пучков осветительной части.

Вариант выполнения регистрирующей части планшетного фотометра, представленный на фиг. 3, содержит: неподвижные осветительные световоды 16, коммутатор 4, формирователь 5 световых пучков выходной осветительной части, планшет 6, разветвленный световод 20, фокусирующую линзу 21, фотоприемник 7.

Варианты выполнения коммутатора 4 световых потоков, представленные на фиг. 4а и 4б, содержат: формирователь 2 световых пучков осветительной части с фокусирующей линзой 11, ротор 14, корпус 15, неподвижные осветительные световоды 16, первый световод 19 ротора, второй световод 23 ротора, формирователь 5 световых пучков выходной осветительной части, планшет 6, неподвижные измерительные световоды 22, общий световод 24 корпуса 15, фокусирующую линзу 21, фотоприемник 7.

Вариант выполнения оптической схемы планшетного фотометра для измерения потока флуоресценции, представленный на фиг. 5, содержит: источник 1 света, формирователь 2 световых пучков осветительной части, формирователь 3 светового пучка опорного канала, коммутатор 4 световых потоков, аналогичный приведенным на фиг. 4а и 4б, неподвижные осветительные световоды 16, формирователь 5 световых пучков выходной осветительной части, планшет 6, формирователь 25 световых пучков флуоресценции, неподвижные измерительные световоды 22, общий световод 24 корпуса, формирователь 26 светового пучка регистрирующей части, фотоприемник 7.

Формирователь 25 световых пучков флуоресценции включает полупрозрачное спектральное зеркало 27, линзы 5 и линзы 28. Формирователь 26 светового пучка регистрирующей части включает фокусирующую линзу 29 и интерференционный светофильтр 30 эмиссии.

Фотометр работает следующим образом.

Световой поток от источника света 1, фиг. 1, попадает в формирователь световых пучков 2, в котором линза 8 проектирует нить источника на узкую диафрагму 9, затем проходит через интерференционный светофильтр 10, выделяя заданную область спектра.

Далее часть светового пучка отражается тонкой плоскопараллельной кварцевой пластиной 17 на фотоприемник опорного канала 18, а большая его часть фокусируется линзой 11 на точечном отверстии 13 ротора 14 после отражения от плоского зеркала 12, закрепленного в роторе под углом 45^o к его оси вращения, совмещенной с оптической осью сфокусированного линзой 11 светового пучка. При вращении ротора 14 с зеркалом 12 световой поток, выходящий из отверстия 13, будет попадать поочередно на входные торцы М световодов 16, закрепленных в корпусе коммутатора на его цилиндрической поверхности на траектории движения отверстия. Число этих световодов М равно числу ячеек в колонке или ряду планшета. Для избежания потерь световой энергии расстояние между отверстием и входным и торцами световодов должно быть минимальным. Световой поток, выходящий из выходных торцов световодов 16 проектируется линзами формирователя 5 на ячейки планшета 6 и устройство приема излучения 7 для поочередного измерения оптической плотности в каждой ячейке колонки или ряда планшета.

После измерения оптической плотности в ячейках колонки или ряда (за один оборот ротора) планшет перемещается на следующую колонку или ряд и т.д., пока не будут измерены все ячейки планшета.

Процесс измерения оптической плотности или пропускания жидкости в ячейке планшета происходит в момент времени, когда отверстие 13 ротора 14 находится напротив одного из входных торцов неподвижных осветительных световодов 16. Когда отверстие 13 находится между соседними входными торцами этих световодов, световой поток не поступает ни в один измерительный канал. В этот момент происходит измерение темнового тока устройства для приема излучения 7 и корректировка результата измерения по сигналу с фотоприемника 18 опорного канала, который следит за флюктуациями источника света 1.

Во втором варианте выполнения предлагаемого планшетного фотометра, фиг 2а и 2б, световой пучок формирователя 2 фокусируется линзой 11 на входном торце световода 19, закрепленного на торце ротора 14 в положении на оси вращения, совмещенной с оптической осью падающего на него светового пучка. Световой поток с выходного торца световода 19, закрепленного на цилиндрической поверхности ротора или на его торцовой поверхности, противоположной положению входного торца этого световода, но в положении, не совпадающем с осью вращения, попадает на входные торцы М неподвижных световодов 16, которые закреплены соответственно на цилиндрической или торцовой поверхности корпуса и расположены на траектории движения выходного торца световода 19. Для избежания потерь световой энергии расстояние между выходным торцом световода 19 и входными торцами световодов 16 должно быть минимальным. Число световодов 16 равно числу ячеек планшета в колонке или в ряду, чтобы перемещать планшет по одной координате для измерения оптической плотности жидкостей во всех ячейках планшета.

При вращении ротора 14 световой поток поочередно попадает на входные торцы осветительных световодов 16 и далее с их выходных торцов проектируется линзами формирователя 5 на ячейки планшета 6 и устройство для приема излучения 7.

Процесс измерения происходит в момент времени, когда выходной торец световода 19 находится напротив одного их входных торцов осветительных световодов 16. Когда выходной торец световода 19 находится между соседними входными торцами световодов 16, излучение от источника света не поступает ни в один измерительный канал. В этот момент происходит измерение темнового тока одного из фотоприемников 7 (фиг. 1) и корректировка результата измерения по сигналу с фотоприемника 18 опорного канала.

В случае использования разветвленного световода 20, фиг. 3, световые потоки, поочередно направленные коммутатором 4 (фиг. 1, 2а, 2б) на входные торцы М неподвижных осветительных световодов 16 на выходе из них с помощью формирователей 5 световых пучков, проходят через ячейки планшета 6 и затем также поочередно попадают на М входных торцов разветвленного световода 20. Затем световой поток на выходе общего выходного торца световода 20 собирается линзой 21 на одном фотоприемнике 7 для поочередного измерения оптической плотности в каждом измерительном канале.

В том случае, когда коммутатор 4 планшетного фотометра выполнен по схеме, представленной на фиг. 4а и 4б, световые потоки, выходящие из ячеек планшета, поочередно попадают на входные торцы дополнительно введенных М световодов 22, на выходе из которых попадают на входной торец второго световода 23, введенного в ротор 14. Далее этот световой поток выходит из этого световода и попадает на входной торец общего световода 24, введенного в корпус коммутатора, наконец выходящий из этого световода световой поток фокусируется линзой 21 на одном фотоприемнике 7 для всех поочередно измеряемых каналов фотометра.

Измерение флуоресценции жидкостей в ячейках предлагаемого планшетного фотометра происходит следующим образом (фиг. 5). Световой поток, достигший по световодам 16 исследуемой жидкости в ячейке планшета 6, возбуждает ее флуоресценцию.

Световой поток флуоресценции собирается той же линзой 5, отклоняется полупрозрачным спектральным зеркалом 27 и собирается дополнительной линзой 28 формирователя 25 на одном из входных торцов дополнительно введенных М неподвижных световодов 22 измерительных каналов. Далее световой поток из выходного торца этого световода 22 поступает на входной торец второго световода 23 ротора 14, а с его выходного торца - на входной торец общего выходного световода 24 и через фокусирующую линзу 29 формирователя 26 и интерференционный светофильтр 30 эмиссии регистрируется одним фотоприемником 7 поочередно для всех измерительных каналов.

Во всех вариантах выполнения планшетного фотометра для измерения всех ячеек планшет перемещается в одном направлении ступенчато по колонкам или рядам ячеек.

Таким образом, предлагаемые варианты технического решения позволяют расширить функциональные возможности планшетного фотометра, а именно: проводить измерение абсорбции как светлых, так и темных жидкостей за счет повышения чувствительности и точности измерений, а также измерять одновременно или раздельно и абсорбцию, и флуоресценцию исследуемых жидкостей.

Планшетный фотометр относится к устройствам для измерения поглощения света и флуоресценции жидкостей, помещенных в ячейки планшета, и может быть использован в биологии, физике, химии, медицине и сельском хозяйстве. Фотометр содержит оптически связанные источник света, формирователь световых пучков, интерференционные светофильтры, оптический распределитель, планшет и устройство для приема излучения. Кроме того, фотометр содержит коммутатор световых потоков с вращающимся внутри неподвижного корпуса ротором в котором закреплено плоское зеркало или световод, а в корпусе закреплены М неподвижных осветительных световодов, где М - число ячеек в колонке или ряду планшета. Для измерения оптической плотности или флуоресценции одним фотоприемником ротор коммутатора может содержать два световода, а в корпусе - дополнительно М измерительных световодов и один общий выходной световод, оптически связанный с одним фотоприемником для поочередно-измеряемых световых потоков. Технический результат - расширение функциональных возможностей фотометра - измерение абсорбции не только светлых, но и темных жидкостей, а также измерение как поглощения, так и флуоресценции жидкостей. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Планшетный фотометр, содержащий оптически связанные источник света, формирователь световых пучков осветительной части с распределителем световых потоков, планшет с исследуемыми жидкостями, устройство для приема излучения, отличающийся тем, что распределитель световых потоков выполнен в виде коммутатора, содержащего внутри неподвижного корпуса полый цилиндрический ротор, в котором закреплено плоское зеркало под углом, например 45^o, к оси вращения ротора, совпадающей с оптической осью светового пучка формирователя осветительной части, на цилиндрической поверхности ротора выполнено отверстие для пропускания светового пучка, отраженного зеркалом, в корпусе коммутатора неподвижно закреплены на траектории движения отверстия оптически связанные с ним входные торцы М световодов, выходные торцы которых оптически связаны с входными окнами ячеек планшета, где М - число ячеек в колонке или ряду планшета. 2. Планшетный фотометр, содержащий оптически связанные источник света, формирователь световых пучков осветительной части с распределителем световых потоков, планшет с исследуемыми жидкостями, устройство для приема излучения, отличающийся тем, что распределитель световых потоков выполнен в виде коммутатора, содержащего внутри неподвижного корпуса полый цилиндрический ротор, на оси вращения которого, совпадающей с оптической осью светового пучка формирователя осветительной части, закреплен входной торец световода, расположенный на торце ротора, совмещенном с плоскостью концентрации света формирователя осветительной части, а его выходной торец закреплен на цилиндрической поверхности ротора или на его противоположной торцовой поверхности в положении, не совпадающем с осью вращения, в корпусе коммутатора на траектории движения выходного торца световода неподвижно закреплены оптически связанные с ним входные торцы М световодов, выходные торцы которых оптически связаны с входными окнами ячеек планшета, где М - число ячеек в колонке или ряду планшета. 3. Планшетный фотометр по п.1 или 2, отличающийся тем, что в него дополнительно введен разветвленный световод, М входных торцов которого оптически связаны с выходными окнами ячеек планшета, а его общий торец - с устройством для приема излучения, выполненным в виде одного фотоприемника. 4. Планшетный фотометр по п.2, отличающийся тем, что в него дополнительно введены общий световод, расположенный в корпусе коммутатора, второй световод, размещенный в роторе и М световодов, входные торцы которых оптически связаны с выходными окнами ячеек планшета, а их выходные торцы - с входным торцом второго световода, закрепленном на цилиндрической поверхности ротора или на его торцевой поверхности в плоскости расположения входного торца первого световода в положении не совпадающем с осью вращения, его выходной торец расположен на оси вращения ротора, закреплен на торце, противоположном расположению входного торца первого световода и оптически связан с входным торцом закрепленного в корпусе общего световода, выходной торец которого оптически связан с устройством для приема излучения, выполненным в виде одного фотоприемника. 5. Планшетный фотометр по п.2, отличающийся тем, что в него дополнительно введены общий световод, расположенный в корпусе коммутатора, второй световод, размещенный в роторе, полупрозрачное зеркало, установленное перед входными окнами ячеек планшета, и М световодов, входные торцы которых оптически связаны с полупрозрачным зеркалом, а их выходные торцы закреплены в корпусе коммутатора и оптически связаны с входным торцом второго световода, закрепленном на цилиндрической поверхности ротора или его торцевой поверхности в плоскости расположения входного торца первого световода в положении не совпадающем с осью вращения, его выходной торец расположен на оси вращения ротора, закреплен на торце, противоположном расположению входного торца первого световода и оптически связан с входным торцом расположенного в корпусе общего световода, выходной торец которого оптически связан с устройством для приема излучения, выполненным в виде одного фотоприемника.