УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ИНДИКАЦИИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДА НА РАСТЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01N21/65 

Изобретение относится к переносным устройствам для определения оптических характеристик растений на волновых числах, закономерное изменение амплитуды которых является признаком влияния водорода, что позволяет, используя растения в качестве биоиндикаторов, выявлять зоны эманации водорода.

Известен способ идентификации микроорганизмов с помощью рамановской спектроскопии с УФ-возбуждением (патент США US 4847198 А; МПК C12Q 1/04; опубл. 11.07.1989), заключающийся в воздействии на бактериальную суспензию ультрафиолетовым излучением с заданной длинной волны; при этом часть энергии излучения поглощается, а часть испускается; испускаемое излучение, усиленное резонансом рамановского светорассеяния обрабатывают с получением спектров, которые являются характеристическими для бактерий. Недостатками данного способа является необходимость использования суспензии для получения информации и то, что данный способ предназначен для идентификации видового состава живых бактерий, но не позволяет выявлять влияние факторов внешней среды.

Наиболее близким техническим решением является устройство для реализации способа оптической диагностики живых микрообъектов и их нанокомпонентов и устройства для его реализации (патент РФ 2406078; МПК G01N 21/01; C12Q 1/06; опубл. 10.12.2010), согласно которому измеряют характеристики флуоресценции и экстинкции вещества, воздействуя на него лазерным (ЛИ) и/или немонохроматическим излучением, и обрабатывают полученные данные на ЭВМ с помощью алгоритма вычисления на основании значений выделенных отдельных характеристик и в качестве феномена, имеющего действующий фактор, используют конверсию излучения лазерного или иного источника света и/или другого электромагнитного излучения, которые измеряют с помощью соответствующих устройств, и обрабатывают полученные результаты на ЭВМ, используя статистические модели и получая новые для облегчения анализа последующих новых результатов. Недостатком этого способа является сложность конструкции, требующая использования нескольких видов источников воздействия на исследуемый объект, обработка большого объема данных и относительная дороговизна.

В основу изобретения поставлена задача устранения недостатков известного устройства, снижения стоимости изготовления, облегчения осуществления анализа, выполнения экспресс-анализа за счет того, что предлагаемое устройство выполняет оценку спектральных характеристик объектов по принципу спектроскопии комбинационного рассеяния (далее - спектроскопии КР), позволяющего осуществлять в полевых условиях оценку интенсивности спектральных характеристик растений на заданных волновых числах, закономерное изменение интенсивности и величины отношений которых являются признаком водородной дегазации.

Данная задача решается за счет того, что устройство для экспресс-индикации воздействия водорода на растения, содержит источник лазерного излучения, оптическую систему с линзой и светофильтром, фотодетекторы, камеру фиксации образца и микроконтроллер. При этом корпус оптической системы имеет Т-образную форму и состоит из двух патрубков, на противоположных друг от друга концах одного из них расположены источник лазерного излучения и камера фиксации образца, состоящая из верхней части, представляющей собой кольцевой магнит, к нижней поверхности которого прикреплена мягкая ткань, и железной пластины, к верхней поверхности которой также прикреплена мягкая ткань, а линза, установленная в этом же патрубке, и светофильтр, установленный во втором патрубке, оптически связаны между собой с помощью светоделителя, закрепленного в месте соединения двух патрубков, причем во втором патрубке также установлена призма, оптически связанная со светофильтром и щелевой мембраной, установленной непосредственно перед фотодетекторами, расположенными с возможностью регистрации пространственно разделенных пучков излучения на заданных волновых числах, при этом микроконтроллер установлен с возможностью произведения расчета коэффициента Н, характеризующего воздействие водорода.

Кроме того, коэффициент, характеризующий воздействие водорода, определен по формуле:

где I₁₃₈₀ - интенсивность комбинационного рассеяния на волновом числе 1380 см^-1, пропорциональная концентрации целлюлозы в листьях растений;

I₁₅₄₇ - интенсивность комбинационного рассеяния на волновом числе 1547 см^-1, пропорциональная концентрации хлорофилла «а» в листьях растений;

I₁₅₂₂ - интенсивность комбинационного рассеяния на волновом числе 1522 см^-1, пропорциональная валентным колебаниям в b-каротине в листьях растений;

I₁₆₀₀ - интенсивность к комбинационного рассеяния на волновом числе 1600 см^-1, пропорциональная концентрации лигнина в листьях растений.

Устройство описывается далее на основе представленных чертежей, где:

- на фиг. 1 представлена схема устройства;

- на фиг. 2 представлена камера для фиксации образца.

Устройство содержит лазер 1, генерирующий излучение 2, оптическую систему 3, корпус которой имеет Т-образную форму и состоит из первого патрубка 4 с светоделителем 5 и плоско-выпуклой линзой 6 и второго патрубка 7 со светофильтром 8, призмой 9 и щелевой диафрагмой 10, камеру фиксации образца 11, образец 12, отраженное и преобразованное образцом излучение 13, микроконтроллер 14, дисплей 15, запоминающее устройство 16 и набор фотодетекторов Д1, Д2, Д3, Д4 и Д-К.

Основными рабочими элементами устройства являются лазер 1, к апертуре которого прикреплен корпус оптической системы 3 Т-образной (либо подобной) формы из пластика либо металла, состоящий из двух патрубков 4, 7, в месте пересечения с рукавом под некоторым углом к траектории луча закреплен светоделитель 5, далее вдоль оси луча установлена плоско-выпуклая линза 6 выпуклой стороной на встречу лучу, за которой располагается камера фиксации образца 11, в которой закрепляют исследуемый образец 12. Отраженное и преобразованное образцом излучение 13 проходит через линзу 6, отражается от светоделителя 5 во второй патрубок 7 корпуса оптической системы 3, в которой закреплен светофильтр 8, после чего проходит через призму 9, за которой расположена щелевая диафрагма 10 и набор фотодетекторов Д1, Д2, Д3, Д4 и Д-К. Информация с детекторов передается на контроллер 14, который рассчитывает коэффициент Н, характеризующий воздействие водорода. Результаты расчета выводятся на дисплей 15 и записываются в запоминающее устройство 16. Детекторы Д-1, Д-2, Д-3 и Д-4 предназначены для определения интенсивности отраженного и преобразованного исследуемым объектом излучения на заданных волновых числах, детектор Д-К для оценки общей интенсивности излучения в целях уточнения степени черноты и других параметров исследуемого объекта, которые необходимо учитывать для корректного вычисления коэффициента Н и интерпретации результатов замеров.

В целях недопущения попадания света в рабочее пространство и обеспечения неподвижного расположения образца относительно лазерного луча, устройство снабжено камерой для фиксации образца 11 (фиг. 2). Данная камера представляет собой кольцевой магнит 17, верхняя часть которого крепится к корпусу оптической системы 3, а на нижнюю плоскость магнита наклеена мягкая ткань 18, например замша, задача которой - осуществлять мягкий прижим образца 12, не приводя к его повреждению, одновременно предотвращая попадание света вовнутрь. Второй частью камеры («крышкой») является железная пластина 19, поверх которого наклеен слой замши. При выполнении замера, верхнюю часть рабочей камеры прислоняют к исследуемому листу, а нижнюю часть («крышку») - аккуратно устанавливают замшевым слоем вперед с нижней стороны листа. Крышка камеры прижимается к верхней части устройства за счет действия магнитного поля. При этом «набивка» на обеих частях камеры достаточно плотно смыкается, предотвращая проникание света извне.

В качестве датчиков можно использовать фотосопротивления, обладающие хорошей чувствительностью к излучению с длиной волны до 1000 нм, например ФС-К1 и ФС-К2, имеющие компактные размеры: 16×28×12,5 мм.

Для осуществления анализа используется компактный и недорогой лазер, генерирующий излучение в видимой красной области спектра. Основным условием выделения интересующих спектров является пространственное разделение излучения в зависимости от длины волны с помощью призмы, светофильтра и щелевой мембраны. Такое устройство позволяет использовать недорогие датчики, чувствительные к конкретной длине волны, близкой к длине волны используемого лазера. Все это в совокупности определяет высокую эффективность разработанного устройства для выявления признаков дегазации водорода в полевых условиях, малый вес, дешевизну изготовления, легкость в использовании. Преимуществами устройства являются относительная дешевизна, простота использования, компактность, оперативность оценки и портативность.

Изобретение относится к переносным устройствам для экспресс-оценки оптических характеристик растений на определенных волновых числах, закономерное изменение амплитуды которых является признаком влияния водорода, и может применяться для выявления зон эманации водорода за счет использования растений в качестве биоиндикаторов. Принцип работы устройства заключается в облучении лазерным лучом образца растения, произрастающего на исследуемой территории, при этом часть исходного излучения преобразуется веществом растения, что приводит к смещению спектрального состава излучения в зависимости от химсостава исследуемого объекта. Преобразованное лазерное излучение проходит через светоделитель, светофильтр, призму и щелевую диафрагму, в результате чего информативные спектры пространственно разделяются и поступают в соответствующие фотодетекторы излучения. Измерение интенсивности излучения на группе заданных волновых чисел (1380 см^-1, 1547 см^-1, 1522 см^-1 и 1600 см^-1) и вычисление на основе их соотношений коэффициента, отвечающего за комплексное влияние водорода на оптические характеристики растений, дает приблизительную оценку средневременной концентрации водорода в воздухе на исследуемой территории. Изобретение обеспечивает снижение стоимости изготовления и упрощение использования устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для экспресс-индикации воздействия водорода на растения, содержащее источник лазерного излучения, оптическую систему с линзой и светофильтром, фотодетекторы, камеру фиксации образца и микроконтроллер, отличающееся тем, что корпус оптической системы имеет Т-образную форму и состоит из двух патрубков, на противоположных друг от друга концах одного из них расположены источник лазерного излучения и камера фиксации образца, состоящая из верхней части, представляющей собой кольцевой магнит, к нижней поверхности которого прикреплена мягкая ткань, и железной пластины, к верхней поверхности которой также прикреплена мягкая ткань, а линза, установленная в этом же патрубке, и светофильтр, установленный во втором патрубке, оптически связаны между собой с помощью светоделителя, закрепленного в месте соединения двух патрубков, причем во втором патрубке также установлена призма, оптически связанная со светофильтром и щелевой мембраной, установленной непосредственно перед фотодетекторами, расположенными с возможностью регистрации пространственно разделенных пучков излучения на заданных волновых числах, при этом микроконтроллер установлен с возможностью произведения расчета коэффициента Н, характеризующего воздействие водорода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коэффициент, характеризующий воздействие водорода, определен по формуле:

где I₁₃₈₀ - интенсивность комбинационного рассеяния на волновом числе 1380 см^-1, пропорциональная концентрации целлюлозы в листьях растений;
I₁₅₄₇ - интенсивность комбинационного рассеяния на волновом числе 1547 см^-1, пропорциональная концентрации хлорофилла «а» в листьях растений;
I₁₅₂₂ - интенсивность комбинационного рассеяния на волновом числе 1522 см^-1, пропорциональная валентным колебаниям в b-каротине в листьях растений;
I₁₆₀₀ - интенсивность комбинационного рассеяния на волновом числе 1600 см^-1, пропорциональная концентрации лигнина в листьях растений.