СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОЛЕКУЛ СО И CO И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОЛЕКУЛ СО И CO Российский патент 2010 года по МПК G01N21/39 

Изобретение относится к области лазерной спектроскопии и спектрального анализа, а именно к области применения перестраиваемых полупроводниковых лазеров, и может быть использовано для одновременной диагностики абсолютного и относительного содержания окислов углерода CO и CO₂ в газообразной среде, для мониторинга содержания окислов углерода CO и CO₂, например, в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, в частности для биомедицинской диагностики.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны изобретения, направленные на решение задач газового анализа, таких, например, как определение состава выдыхаемого воздуха, которые используют в своей конструкции чувствительные элементы, основанные на различных физических принципах.

Известно Устройство для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху [1]. Подход, основанный на применении различных принципов детектирования для разных веществ, используемый в конструкции данного устройства, обуславливает необходимость использования отдельного метрологического и инструментального обеспечения для каждого из применяемых принципов, что значительно усложняет всю систему в целом.

Известен Лазерный газоанализатор [2], содержащий систему отбора газа на анализ, аналитическую кювету и оптически с ней связанные твердотельный лазер с накачкой, линзы, зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения, спектральный прибор, приемник излучения, а также систему регистрации, электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором, отличающийся тем, что твердотельный лазер используют с диодной накачкой, в качестве спектрального фильтра применен сдвоенный голографический фильтр, в качестве спектрального прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, а в качестве приемника излучения - фотодиодные линейки.

Известен Помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор [3], содержащий блок питания, лазер, декогерентор, оптическую кювету, спектральный элемент, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что к выходу блока питания подсоединены: лазер, фотоприемник, усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь; к кювете последовательно присоединены спектральный элемент, оптическая система, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления; лазер, декогерентор и кювета соединены лучом проходящего света.

Однако вышеперечисленные аналоги, основанные на известных лазерных технологиях и обеспечивающие определенную чувствительность детектирования поглощения оптического излучения, не обеспечивают сочетания требуемых аналитических характеристик, таких как чувствительность, точность, селективность и динамический диапазон анализа.

Известно также изобретение «Способ и устройство для измерения концентрации газов» [4], которое относится к области измерительной техники и может быть использовано для обнаружения и количественного анализа веществ. Техническим результатом [4] является повышение точности определения наличия и/или измерения концентрации вещества, а также значительное снижение уровня технических требований к составляющим устройства и соответственно их стоимости. Однако данное изобретение не обеспечивает сочетания таких необходимых характеристик газового анализа среды, как наглядность, точность и селективность, а также одновременность анализа различных веществ.

Известно изобретение [5] «Способ определения концентрации аммиака в смеси газов и устройство для его осуществления», область использования которого: количественная ИК-спектроскопия газовых смесей, а именно определение концентрации аммиака в смеси газов. Сущность способа определения содержания аммиака в газах заключается в том, что на анализируемую газовую смесь и эталонную смесь без аммиака воздействуют попеременно импульсами лазерного излучения с характеристической и нехарактеристической длинами волн в ИК-области спектра, измеряют амплитуды одной из нечетных Фурье-гармоник интенсивностей излучения, прошедшего через оба газа. О концентрации аммиака судят по разности амплитуд нечетных Фурье-гармоник. Для увеличения точности способа измеряют амплитуды четных Фурье-гармоник и нормируют на них соответствующие нечетные Фурье-гармоники. Устройство для реализации способа определения концентрации аммиака содержит импульсный лазер с перестраиваемой в ИК-области спектра длиной волны, по ходу излучения которого расположены два светоделителя, направляющие излучение по трем ветвям. На одной ветви установлена кювета с анализируемой смесью, за которой расположено возвратное зеркало, и детектор, на который попадает прошедшее через кювету излучение. На другой ветви установлена кювета с эталонным газом без аммиака, за кюветой расположен детектор. На третьей ветви установлены кювета с известным содержанием аммиака и детектор. Выходы трех детекторов соединены с тремя идентичными электрическими цепями, предназначенными для выделения амплитуд нечетных и четных Фурье-гармоник интенсивностей прошедшего через кювету излучения. Выходы цепей соединены с блоком управления. Изобретение позволяет измерять содержание аммиака в газовых смесях с высокой чувствительностью и точностью.

Однако, применительно к одновременному анализу нескольких газовых компонент в анализируемой газовой смеси, например, содержания молекул CO и CO₂ в газовой среде, в том числе в выдыхаемом воздухе, все перечисленные изобретения имеют существенные недостатки, затрудняющие решение поставленной задачи одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, способом, который был бы наглядным, точным и селективным, а также мог бы быть реализован в полном объеме в виде надежного и эргономичного устройства.

Техническим результатом, на достижение которого направлено одно из представленной группы изобретений, является создание способа, позволяющего осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, который был бы применим для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, который был бы наглядным, точным и селективным, кроме того, техническим результатом, на достижение которого направлено второе изобретение, является создание устройства, позволяющего осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, которое было бы применимо для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, которое позволяло бы реализовать указанный способ в полном объеме, было бы надежным, эргономичным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технический результат достигается тем, что предложены способ одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ и устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂.

1. Способ одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, включающий измерения резонансного поглощения молекул CO и CO₂ посредством перестраиваемого полупроводникового лазера, оптическую частоту генерации которого настраивают на работу в спектральном диапазоне, в котором расположены линии поглощения, используемые для определения содержания молекул CO и CO₂, оптическую частоту используемого лазера периодически сканируют в анализируемом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, лазерное излучение пропускают через исследуемую среду, прошедшее анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотоприемника, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий анализируемые линии поглощения CO и CO₂, регистрируемый лазерный спектр обрабатывают, используя средства программно-аппаратного комплекса, и рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне анализируемых линий поглощения, расчетным путем по величине резонансного поглощения в линиях определяют концентрации анализируемых молекул CO и CO₂ и их относительное содержание, повышают чувствительность определения абсолютной и относительной концентрации молекул, регистрируя первую и/или вторую производные спектров пропускания молекул, а также используя многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду, при этом для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения CO и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линии поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют выдыхаемый воздух.

3. Устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, выполненное с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа, а также с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы используемого лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, включающее в качестве используемого лазера перестраиваемый полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящихся в газообразном состоянии, включающее также систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений, систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации, систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра, систему расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, выполненную с возможностью осуществления расчета концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания, систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров, при этом ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер, который, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, выполненная с возможностью одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения CO и линий поглощения CO₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линий поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, газообразной среды, для выполнения последующего расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, с возможностью повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул, обеспечивая регистрацию первой и/или второй производной спектров пропускания молекул, а также предусматривая многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выполнено с возможностью использования выдыхаемого воздуха в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂.

Известно, что молекула CO₂, в силу присущего ей типа симметрии, имеет в инфракрасном диапазоне спектра достаточно большое количество колебательно-вращательных полос, активных в поглощениях. Большая часть из них соответствует возбуждению так называемых составных колебаний молекулы, которые являются суммой нескольких различных ее колебаний в различных сочетаниях, или обертонов основных колебаний. Эти полосы являются существенно более слабыми, чем полосы фундаментального поглощения, однако, в силу многочисленности всевозможных комбинаций колебательного возбуждения молекулы CO₂ при поглощении ИК-излучения, эти слабые колебательно-вращательные полосы CO₂ можно обнаружить практически во всем ИК-диапазоне, от 1 до 16 мкм. В то же время молекула CO имеет всего одну колебательную степень свободы и одну соответствующую ей полосу колебательно-вращательного фундаментального поглощения 1-0, расположенную в среднем ИК-диапазоне вблизи 4.7 мкм. В ближнем ИК-диапазоне расположено лишь несколько существенно более слабых полос поглощения СО 2-0 и 3-0, соответствующих первому и второму обертонам основного перехода.

В силу распространенности полос поглощения CO₂ по спектру, полосы поглощения CO и CO₂ перекрываются. Причем в известных областях их перекрытия интенсивность резонансного поглощения в линиях СО может на 4-6 порядков превышать поглощение в линиях CO₂.

Указанная закономерность использована в предлагаемых изобретениях для одновременного измерения абсолютных и относительных концентраций CO и CO₂ в газовых смесях, где содержание этих веществ также различается на несколько порядков. В частности, такая ситуация реализуется в выдыхаемом воздухе, где содержание эндогенного, то есть образуемого в организме за счет естественного обмена веществ, СО составляет порядка 1×10^-4 об.%, а концентрация выделяемого CO₂ может находиться в диапазоне 3-6 об.%. Различие спектральных свойств CO и CO₂ может быть использовано для их одновременного селективного спектрального анализа в целях биомедицинской диагностики, основанной на определении относительного содержания окислов углерода в выдыхаемом воздухе.

Предлагаемый способ одновременного определения концентрации молекул CO и

CO₂ в газообразной среде, в частности в выдыхаемом воздухе, включает измерения резонансного поглощения CO и CO₂ с помощью перестраиваемого полупроводникового лазера. Оптическую частоту генерации используемого лазера настраивают на работу в спектральном диапазоне, в котором расположены линии поглощения, используемые для определения содержания молекул CO и CO₂. Оптическую частоту используемого лазера периодически сканируют в анализируемом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, лазерное излучение пропускают через исследуемую среду. Затем прошедшее анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотоприемника, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий анализируемые линии поглощения CO и CO₂.

Регистрируемый лазерный спектр обрабатывают, используя средства программно-аппаратного комплекса, и рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне анализируемых линий поглощения, далее расчетным путем по величине резонансного поглощения в линиях определяют концентрации анализируемых молекул CO и CO₂, а также относительное их содержание.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул регистрируют первую и/или вторую производные спектров пропускания молекул.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул также используют многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.

Для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения CO и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линии поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду, в частности выдыхаемый воздух.

Объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂, может находиться как в открытой атмосфере, так и в герметичном объеме и предназначен для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂.

В предлагаемом способе в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газовую среду, в частности выдыхаемый воздух.

Для реализации предлагаемого способа предложено устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, принципиальная схема которого представлена на Фиг.1, которое включает следующие основные элементы с указанием номеров позиций на схеме.

Используемый лазер - перестраиваемый полупроводниковый лазер - позиция 3 на Фиг.1. Предназначен для генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в спектральной области, где расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящиеся в газообразном состоянии.

Система управления - позиция 4 на Фиг.1.

Предназначена для поддержания заданных параметров системы, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров и их оцифровки, а также передачи, буферирования, хранения и обработки спектральных данных и выдачи результата измерений.

Система термостабилизации - позиция 5 на Фиг.1.

Предназначена для настройки перестраиваемого полупроводникового лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры лазера и его рабочей длины волны.

Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера - позиция 6 на Фиг.1.

Предназначена для генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого перестраиваемого полупроводникового лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки.

Система формирования пространственных характеристик лазерного пучка - позиция 7 на Фиг.1.

Предназначена для коллимации расходящегося излучения перестраиваемого полупроводникового лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на устройство детектирования оптического излучения.

Система детектирования лазерного излучения - позиция 9 на Фиг.1.

Предназначена для выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал.

Система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала - позиция 10 на Фиг.1.

Предназначена для предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, если необходимо, для аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала.

Система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала - позиция 11 на Фиг.1.

Предназначена для перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память электронного устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации.

Система обработки лазерных спектров пропускания - позиция 12 на Фиг.1.

Предназначена для обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в аналитических линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра.

С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания - позиция 13 на Фиг.1.

Система вывода результирующих данных - позиция 14 на Фиг.1.

Предназначена для вывода и визуализации полученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также и других промежуточных результатов обработки спектров, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемых величин со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул CO и CO₂ в анализируемой среде и другим промежуточным результатам.

Объект спектрального анализа, содержащий молекулы CO и CO₂, находящиеся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды. Предназначен для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ - позиция 8 на Фиг.1.

Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ выполнено:

- с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы,

- с возможностью запуска процесса лазерного спектрального анализа, что схематично представлено на позиции 1 Фиг.1,

а также:

- с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения,

- с возможностью выбора температурного режима работы используемого лазера,

- с возможностью выбора параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных посредством системы управления,

что схематично представлено на позиции 2 Фиг.1.

Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ включает:

- в качестве используемого лазера перестраиваемый полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящихся в газообразном состоянии,

- систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений,

- систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны,

- систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки,

- систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования,

- систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал,

- систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала,

- систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации,

- систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра,

- систему расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде. С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания,

- систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров.

Ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания.

Выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер.

Используемый лазер сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены:

- объект спектрального анализа, содержащий молекулы CO и CO₂,

- система детектирования лазерного излучения,

- система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала,

- система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала,

- система обработки лазерных спектров пропускания.

Система обработки лазерных спектров пропускания выполнена с возможностью одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа с использованием линий поглощения CO из:

- фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0,

- или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0,

- или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи:

- 4.7 мкм,

- или 2.35 мкм,

- или 1.57 мкм соответственно,

и линий поглощения CO₂ полос:

- 20001-01101,

- или 00021-01101,

- или 30012-00001,

с возможностью использования линий поглощения CO и линий поглощения CO₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линий поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, газообразной среды, в частности выдыхаемого воздуха, с возможностью повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул, обеспечивая регистрацию первой и/или второй производной спектров пропускания молекул, а также предусматривая многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.

Пример одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂.

Посредством системы управления вводят основные параметры системы, такие как: рабочая температура лазера, ток накачки лазера, режим модуляции оптической частоты лазера, режим регистрации и оцифровки детектируемого сигнала, параметры обработки спектров пропускания, режим вывода и визуализации получаемых результатов. С ее помощью осуществляют также поддержание перечисленных выше заданных параметров системы, поддержание и синхронизацию циклов сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных и выдачи результата измерений. Система термостабилизации рабочей температуры используемого в примере лазера - перестраиваемого полупроводникового лазера - представляет собой совокупность электронной системы автоматического управления и термостата, включающего датчики температуры, активный нагревательный элемент и охлаждающий элемент. Вблизи комнатных температур в качестве последних может, например, использоваться термоэлектрический холодильник типа Пельте, а при криогенных температурах, например, система на основе заливного азотного криостата. Системой термостабилизации температуру теплообменника, на котором смонтирован лазер, поддерживают около заданного значения, которое зависит от параметров лазера и может лежать в диапазоне температур жидкого азота или комнатных температур. Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера представляет собой источник периодически повторяющихся импульсов тока, имеющих определенную частоту повторения, определенную длительность импульсов, определенную амплитуду тока. В качестве лазера используют перестраиваемый лазер, генерирующий на длине волны вблизи указанных значений: 4.7 мкм или 2.35 мкм, или 1.57 мкм.

Накачка такого лазера токовыми импульсами с определенными параметрами позволяет получить перестройку частоты в течение одного импульса, что достаточно для регистрации в одном импульсе двух линий поглощения, одна из которых принадлежит молекулам CO, а другая - молекулам CO₂.

Для формирования пространственных характеристик лазерного пучка применяют объектив, фокусирующий излучение на чувствительную площадку фотодетектора. Лазерное излучение пропускают через многоходовую оптическую кювету с определенной длиной оптического пути, снабженную окошками и устройствами напуска анализируемой среды, в которой находится объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂.

Для детектирования лазерного излучения в указанных в примере диапазонах используют фотодиод с определенным диаметром чувствительной площадки и определенным быстродействием. С его помощью производят регистрацию лазерного излучения, в результате из принимаемого модулированного лазерного сигнала выделяют радиочастотную составляющую, содержащую информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращают в электрический радиочастотный сигнал, затем осуществляют предварительное усиление регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды посредством токового усилителя, выполненного, например, на основе стандартных дифференциальных усилителей.

При необходимости одновременно с усилением регистрируемого сигнала производят его аналоговое дифференцирование, далее осуществляют перевод аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывание получаемого цифрового сигнала и передачу его в память программно-аппаратного комплекса, предназначенную для накопления и хранения цифровой информации. Система обработки лазерных спектров пропускания, например компьютерная программа, осуществляет поддержку работы всего программно-аппаратного комплекса. С помощью него осуществляют математическую обработку получаемой цифровой информации - спектров пропускания - позволяющую рассчитывать спектр коэффициента поглощения в аналитических линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра. С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания. С помощью системы вывода результирующих данных системы осуществляют вывод и визуализацию поученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемой величины со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул CO и CO₂ в анализируемой среде.

В примере для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения CO и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно, и линии поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения CO, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду, в частности выдыхаемый воздух.

На Фиг.2 представлен частный случай, описанный в примере, а именно спектральная область вблизи 4.7 мкм, где наблюдается перекрытие фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 CO и составной полосы 20001-01101 CO₂, и спектры коэффициента поглощения CO, CO₂ и H₂O в этой спектральной области.

На Фиг.3 представлен лазерный спектр пропускания выдыхаемого воздуха, содержащего CO и CO₂, вблизи 2112 см^-1, как частный случай, описанный в примере.

А - спектр пропускания выдыхаемого воздуха, регистрируемый с помощью перестраиваемого полупроводникового лазера, длина волны излучения 4.7 мкм соответствует частоте излучения 2112 см^-1, указаны линия CO и справа от нее линия

CO₂, параметры лазерного импульса: длительность импульса, частота повторения, амплитуда тока накачки, длина оптического пути, содержание CO - 3.0 мкг/м³, относительное содержание CO₂ - 3.1%.

Б - спектр коэффициента поглощения CO и CO₂, получаемый в результате обработки лазерного спектра пропускания (А) и используемый для вычисления относительного содержания анализируемых веществ.

Для того чтобы повысить чувствительность устройства для определения относительной концентрации молекул CO и CO₂, регистрируют и применяют первую и/или вторую производные спектров пропускания CO и CO₂. Для этого в системе предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала используют дифференциальное усиление детектируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала или дополнительный фильтр высоких частот, настроенный на требуемый радиочастотный диапазон, позволяющие получить на выходе блока предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала аналоговый сигнал, соответствующий первой или второй производным спектра пропускания. При этом искомые концентрации молекул CO и CO₂ пропорциональны размаху резонансных особенностей, образуемых первой или второй производными линий поглощения CO и CO₂, и интенсивностям лазерного излучения на частотах резонансного поглощения в линиях CO и CO₂, которые учитывают при проведении вычислений. В этом случае для расчета абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в исследуемой среде систему обработки лазерных спектров пропускания настраивают на работу со спектрами производных линий поглощения. При низком содержании молекул CO и CO₂ в исследуемой газовой среде результат получается более точным.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул CO и CO₂ используют многоходовые оптические схемы пропускания лазерного излучения через анализируемую среду, позволяющие увеличить величину резонансного поглощения в линиях CO и CO₂ при сохранении габаритов оптической кюветы. В этом случае при низком содержании молекул CO и CO₂ в исследуемой среде результат также получается более точным.

Таким образом, вышеизложенное подтверждает, что достигнут технический результат созданием способа, позволяющего осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, который применим для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе. Способ является наглядным, точным и селективным. Кроме того, предложено устройство, позволяющее осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, которое применимо для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, которое позволяет реализовать указанный способ в полном объеме, является надежным в эксплуатации, эргономичным.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Способ для определения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ является наглядным, точным и селективным. Устройство, позволяющее осуществлять одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂, применимо для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и в частности в выдыхаемом воздухе, позволяет реализовать указанный способ в полном объеме, является надежным в эксплуатации, эргономичным.

Предложенные изобретения промышленно применимы в области лазерной спектроскопии и анализа, а именно в области применения полупроводниковых лазеров и могут быть использованы для диагностики и анализа абсолютного и относительного содержания окислов углерода в газообразной среде с помощью перестраиваемых полупроводниковых лазеров, в частности, для определения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, например для целей биомедицинской диагностики.

Спектр применения указанных изобретений довольно широк: для неинвазивной медицинской диагностики, для контроля и управления процессами в биологических реакторах, для контроля и управления процессами горения в энергетических установках. Описанные способ и устройство, с помощью которого указанный способ может быть реализован, могут также широко применяться в биотехнологии, в медицине, в фармацевтике, энергетике и других областях народного хозяйства.

Источник информации

1. Патент РФ №51849, МПК А61В 5/00 (2006.01), G01N 33/497 (2006.01), опубл. 2006.03.10.

2. Патент РФ №10462, МПК 6 G01N 21/25, опубл. 1999.07.16.

3. Патент РФ №75472, МПК G01N 21/63 (2006.01), опубл. 2008.08.10.

4. Патент РФ №2317536, МПК (2006.01) G01N 21/27, опубл. 2008.02.20.

5. Патент РФ №2068557, МПК 6 G01N 21/39, опубл. 1996.10.27.

Изобретения относятся к области лазерной спектроскопии и спектрального анализа и могут быть использованы для одновременной диагностики абсолютного и относительного содержания окислов углерода СО и СO₂ в газообразной среде. Для одновременного анализа содержания молекул СО и CO₂ используют линии поглощения СО и СО₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, и не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм соответственно и линии поглощения СО₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных соответственно в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения СО. Изобретение позволяет одновременно определять концентрации молекул СО и СО₂ в газообразной среде. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ одновременного определения концентрации молекул СО и СО₂, включающий измерения резонансного поглощения молекул СО и СO₂ посредством перестраиваемого полупроводникового лазера, оптическую частоту генерации которого настраивают на работу в спектральном диапазоне, в котором расположены линии поглощения, используемые для определения содержания молекул СО и СO₂, оптическую частоту используемого лазера периодически сканируют в анализируемом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, лазерное излучение пропускают через исследуемую среду, прошедшее анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотоприемника, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий анализируемые линии поглощения СО и СO₂, регистрируемый лазерный спектр обрабатывают, используя средства программно-аппаратного комплекса, и рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне анализируемых линий поглощения, расчетным путем по величине резонансного поглощения в линиях определяют концентрации анализируемых молекул СО и СО₂ и их относительное содержание, повышают чувствительность определения абсолютной и относительной концентрации молекул, регистрируя первую и/или вторую производные спектров пропускания молекул, а также используя многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду, при этом для одновременного анализа содержания молекул СО и СO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения СО и линии поглощения СО₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм, соответственно, и линии поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных, соответственно, в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения СО, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СO₂, используют газообразную среду.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и CO₂, используют выдыхаемый воздух.

3. Устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и CO₂, выполненное с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа, а также с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы используемого лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, включающее в качестве используемого лазера перестраиваемый полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения СО и CO₂, находящихся в газообразном состоянии, включающее также систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений, систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения СО и СО₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации, систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях СО и СО₂ в регистрируемом диапазоне спектра, систему расчета абсолютного и относительного содержания молекул СО и СO₂ в анализируемой среде, выполненную с возможностью осуществления расчета концентрации молекул СО и СО₂ в анализируемой среде, а также их относительного содержания, систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул СО и СO₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров, при этом ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер, который, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены объект спектрального анализа, содержащий СО и СО₂, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, выполненная с возможностью одновременного анализа содержания молекул СО и СО₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения СО₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм, соответственно, и линий поглощения CO₂ полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных, соответственно, в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения СО, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО₂, газообразной среды, для выполнения последующего расчета абсолютного и относительного, содержания молекул СО и СО₂ в анализируемой среде, с возможностью повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул, обеспечивая регистрацию первой и/или второй производной спектров пропускания молекул, а также предусматривая многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выполнено с возможностью использования выдыхаемого воздуха в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО₂.