ФЛУОРИМЕТРИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2002 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к области оптических приборов для измерений концентраций и идентификации веществ и может быть использовано в высокочувствительных аналитических приборах и системах при контроле за качеством продукции, в фармакологии, биотехнологии, при медицинских и биологических исследованиях.

Известен флуориметрический детекгор для проточной системы [1], состоящий из замкнутой эллипсоидальной зеркальной ячейки, источника излучения и фотоприемника со светофильтром. В одном фокусе эллипсоидального зеркала находится капилляр, во втором фокусе - фотоприемное устройство. Свет флуоресценции от вещества, расположенного в капилляре, перераспределяется на фотоприемное устройство, причем эффективность сбора светового излучения приближается к 75%.

Недостатком данной схемы является то, что эллипсоидальное зеркало собирает кроме флуоресценции весь переотраженный и рассеянный в капилляре свет от источника излучения и направляет его на фотоприемник. Как показывает практика, доля переотраженного и рассеянного света может быть весьма значительной, что существенно снижает чувствительность измерений и приводит к нелинейности градуировочной характеристики.

Известно также устройство для сбора флуоресценции [2], состоящее из эллипсоидального зеркала, лазера с фокусирующей оптикой, капилляра, светофильтра и фотоприемника. Световой поток от источника излучения падает на капилляр под углом 90 градусов. Эллипсоидальное зеркало, расположенное на одной оси с источником излучения, светофильтром и фотоприемником, собирает около 50% потока флуоресценции.

Недостатком такой схемы также является то, что зеркало вместе с потоком флуоресценции фокусирует переотраженное и рассеянное излучения от источника светового потока на фотоприемник. Причем чем выше эффективность светосбора флуоресценции для описанных устройств, тем больше переотраженного и рассеянного излучения попадает на фотоприемник, что снижает чувствительность и искажает результаты измерений. Использование светофильтров не позволяет достаточно эффективно устранить паразитные засветки от мощного источника возбуждающего излучения - лазера. Кроме того, в указанных устройствах отсутствует удобный и простой способ юстировки, что весьма существенно при измерениях флуоресценции в капиллярах, имеющих внутренний диаметр от десятков до нескольких микрон.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для флуориметрического детектирования, содержащее источник излучения, фокусирующую оптику, собирающее параболическое зеркало, капилляр с пробой, светофильтр и фотоприемное устройство, причем световой поток от источника излучения, капилляр с пробой и оптическая ось параболического зеркала расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, а фотоприемное устройство расположено на одной оптической оси с зеркалом [3]. Световой поток источника излучения возбуждает флуоресценцию пробы в капилляре, находящейся в фокусе параболического зеркала, которое квазипараллельным пучком направляет собранную флуоресценцию через светофильтр на фотоприемное устройство. Избыток светового излучения, которое проходит через капилляр насквозь, отводится по ходу луча через отверстие в зеркале.

Недостатком известного устройства является то, что на фотоприемник кроме сигнала флуоресценции поступает переотраженное и рассеянное от стенок капилляра излучение, что снижает чувствительность измерений. Кроме того, юстировка оптической системы в известном детекторе осуществляется по максимуму сигнала Рамановского рассеяния содержимого капилляра с использованием вращающихся светофильтров, что является трудоемкой, сложной и дорогостоящей операцией, ведущей к усложнению конструкции детектора.

Предлагаемое оптическое устройство решает задачу повышения чувствительности флуориметрических измерений, упрощения юстировки прибора, дает возможность осуществлять точную юстировку устройства при работе в спектральных диапазонах, выпадающих из видимого участка спектра, что в конечном итоге улучшает эксплуатационные свойства флуориметра.

Поставленная задача решается за счет того, что флуориметрический детектор, содержащий источник светового потока, фокусирующую оптику, капилляр с пробой, параболическое зеркало, светофильтр и фотоприемное устройство, при этом детектируемый объем пробы расположен в фокусе параболического зеркала таким образом, что излучение флуоресценции, собранное зеркалом, образует квазипараллельный пучок, снабжен сферическим зеркалом, фокус которого сопряжен с фокусом параболического зеркала, причем зеркала расположены на одной оси, перпендикулярной плоскости, в которой находится ось возбуждающего излучения и капилляр, и содержит ПЗС-матрицу дополнительного фотоприемного устройства, установленную в направлении зеркально отраженного от капилляра с пробой луча, при этом источник излучения и капилляр выполнены подвижными с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном своим осям. Кроме того, ось источника излучения расположена под углом Брюстера относительно капилляра.

При взаимодействии возбуждающего излучения с пробой вызывается флуоресценция вещества в капилляре. Интенсивность флуоресценции зависит от количества флуоресцирующего агента в пробе. Световой поток флуоресценции с помощью зеркал квазипараллельным пучком направляется через светофильтр на фотоприемное устройство, формируя сигнал, пропорциональный концентрации искомого вещества.

Система из двух зеркал с сопряженными фокусами дает возможность решить поставленную задачу - повысить чувствительность измерений, так как позволяет увеличить телесный угол сбора потока флуоресценции. При этом достигается увеличение телесного угла примерно до 2π радиан. Кроме того, появляется возможность использования сменных капилляров, установленных в отдельный конструктив (кассету), что позволяет проводить быструю замену капилляра и тем самым улучшает эксплуатационные свойства прибора.

Кроме того, уменьшению или полному устранению влияния переотраженного и рассеянного светового потока на измеряемый сигнал способствует то, что возбуждающее излучение падает на капилляр под углом Брюстера. При этом удается заметно снизить отражение излучения от стенок капилляра, так как поляризованное возбуждающее излучение в плоскости, параллельной оси капилляра, не будет претерпевать отражений на границе раздела капилляр - воздух и полностью проникнет внутрь капилляра, а также позволяет направить переотраженное излучение таким образом, чтобы оно не попадало на зеркала и далее на фотоприемник.

Применение капилляров с малым внутренним диаметром увеличивает чувствительность обнаружения и разрешающую способность, но при этом возникает необходимость прецизионной юстировки флуориметра. В этом случае следует добиться точного прохождения лазерного луча через внутренний диаметр капилляра, так как если луч проходит между внутренней и внешней стенками капилляра, то из-за очень малого радиуса кривизны капилляра значительно увеличивается доля переотраженного излучения от стенок капилляра. При прохождении возбуждающего луча через центр капилляра переотраженное излучение имеет наименьшее значение, что в свою очередь приводит к повышению чувствительности и улучшению градуировочной характеристики.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1(а) представлена схема заявляемого устройства, которая изображает вид сверху, а на фиг.1(б) представлен вид спереди. На фиг. 2 представлена схема образования двух лучей, отраженных от первой и последней стенок капилляра. На фиг.3 показан ход лучей в сечении капилляра.

Флуориметрический детектор [фиг. 1(а)] содержит источник излучения 1, расположенный под углом Брюстера к оси капилляра с пробой 2, параболическое 3 и сферическое 4 зеркала, в фокусе которых расположен капилляр, светофильтр 5, фотоприемное устройство 6. В отраженном от капилляра луче установлена ПЗС-матрица 7. Параболическое 3 и сферическое 4 зеркала расположены на одной оптической оси со светофильтром 5 и фотоприемником 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом: световой поток от источника излучения 1 под углом Брюстера падает на капилляр и вызывает флуоресценцию пробы в капилляре. Поток флуоресценции в телесном угле 22π радиан собирается параболическим 3 и сферическим 4 зеркалами, имеющими сопряженный фокус, в котором установлен капилляр с пробой. Собранный поток флуоресценции квазипараллельным пучком направляется на светофильтр 5 и далее на фотоприемное устройство 6. Прошедший через капилляр луч выходит между двумя зеркалами наружу. Часть падающего на капилляр излучения отразится, и в направлении отраженного луча устанавливается ПЗС-матрица 7.

Прецизионная юстировка позволяет повысить чувствительность измерений и обеспечивает линейность градуировочной характеристики.

Прецизионная юстировка флуориметра может быть выполнена следующими способами:
а) движением возбуждающего луча или
б) смещением капилляра перпендикулярно плоскости, в которой они находятся.

Максимальную величину перемещения можно ограничить размером внешнего диаметра капилляра, то есть достаточно перемещать возбуждающий луч или капилляр на величину внешнего радиуса капилляра влево или вправо относительно его центра.

Юстировку можно контролировать по отраженному от капилляра лучу лазера в видимой области спектра глазом и в невидимой области спектра с помощью ПЗС-матрицы 7, так как часть возбуждающего луча будет отражена.

При этом наблюдаются два отраженных от капилляра луча, идущих параллельно друг другу. Фиг.2 иллюстрирует, каким образом получаются два отраженных луча (2 и 3) при прохождении возбуждающего излучения через капилляр. Они образуются на границе раздела двух сред: воздуха и материала, из которого состоит капилляр. Падающий луч 1 при падении на капилляр преломляется и проходит внутрь, но на границе раздела воздух - материал небольшая его часть отразится - это луч под номером 2. При прохождении капилляра луч претерпевает преломления и от последней границы раздела материал - воздух отразится луч 3. Остальная, большая часть излучения выйдет наружу (луч 4). Отражение на границе раздела материал - проба (проба заполняет внутренний диаметр капилляра и имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления материала капилляра) гораздо меньше и в незначительной степени влияет на формирование отраженного светового потока. Оба луча регистрируются ПЗС-матрицей 7.

Эти два отраженных луча дают возможность точной юстировки возбуждаемого излучения в центр капилляра. На фиг.3 видно, если возбуждаемый луч 1 не совпадает с центром капилляра, ПЗС-матрица будет регистрировать два отраженных луча, 2 и 3, которые находятся друг от друга на некотором расстоянии. Чем больше отклонение падающего луча лазера от центра капилляра, тем на больший угол разведутся относительно друг друга отраженные лучи и тем, соответственно, больше расстояние между световыми пятнами на ПЗС-матрице.

Перемещая лазер или капилляр перпендикулярно оптической оси на ПЗС-матрице, можно наблюдать расхождение или слияние двух отраженных лучей в зависимости от того, соответственно дальше или ближе от центра капилляра будет падающий луч 1. Прохождению возбуждающего луча 5 точно через центр капилляра соответствует практически полное совпадение световых пятен на ПЗС-матрице.

Юстировка оптических систем в флуориметрических детекторах по максимуму сигнала флуоресценции является трудоемкой, сложной и не всегда оптимальной. Кроме того, при таких методах требуется обязательное заполнение капилляра каким-либо флуоресцирующим веществом, а в предложенном методе капилляр может быть пустым внутри, что облегчает и ускоряет процесс юстировки.

Метод юстировки предлагаемого детектора с подвижным источником излучения и (или) капилляром можно использовать при настройке детекторов с лазерами, работающими в различных спектральных диапазонах, особенно он незаменим для источников излучения, спектральная область которых лежит вне видимой области спектра.

При этом методе юстировки можно перемещать или лазер или капилляр в зависимости от возможностей конструкции прибора, что придает гибкость при конструировании прибора.

Источники информации
1. Pat. 3946239, G 01 N 21/38, US, 23.03.76. "Ellipsoidal cell flow system".

2. Pat. 4088407, G 01 N 1/10; G 01 N 21/52, US, 9.07.76. "High pressure fluorescence flow-through cuvette".

3. Pat. 5614726, G 01 N 27/00; G 01 N 21/31, US, 23.03.95. "Automated optical alignment system and method using Raman scattering of capillary tube contents".

Изобретение относится к области оптического приборостроения. Сущность технического решения заключается в том, что в детекторе, содержащем источник светового потока, фокусирующую оптику, капилляр с пробой, параболическое зеркало, светофильтр и фотоприемное устройство, детектируемый объем пробы расположен в фокусе зеркала таким образом, что излучение флуоресценции, собранное зеркалом, образует квазипараллельный пучок. Детектор снабжен сферическим зеркалом, фокус которого сопряжен с фокусом параболического зеркала, причем зеркала расположены на одной оси, перпендикулярной плоскости, в которой находится ось возбуждающего излучения и капилляр, и содержит ПЗС-матрицу дополнительного фотоприемного устройства, установленную в направлении зеркально отраженного от капилляра с пробой луча, при этом источник излучения и(или) капилляр выполнены подвижными с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном своим осям. Кроме того, ось источника излучения расположена относительно капилляра под углом Брюстера. Технический результат - повышение чувствительности флуориметрических измерений, упрощение юстировки прибора и улучшение эксплуатационных свойств флуориметра. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Флуориметрический детектор, содержащий источник светового потока, фокусирующую оптику, капилляр с пробой, параболическое зеркало, светофильтр, фотоприемное устройство, при этом детектируемый объем пробы расположен в фокусе зеркала таким образом, что излучение флуоресценции, собранное зеркалом, образует квазипараллельный пучок, отличающийся тем, что он снабжен сферическим зеркалом, фокус которого сопряжен с фокусом параболического зеркала, причем зеркала расположены на одной оси, перпендикулярной плоскости, в которой находится ось возбуждающего излучения и капилляр, и содержит ПЗС-матрицу дополнительного фотоприемного устройства, установленную в направлении зеркально отраженного от капилляра с пробой луча, при этом источник излучения и/или капилляр выполнены подвижными с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном своим осям. 2. Флуориметрический детектор по п. 1, отличающийся тем, что ось источника излучения расположена относительно капилляра под углом Брюстера.