Интерферометрический способ определения концентрации вещества Советский патент 1990 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для анализа состава вещества.

изобретения - повыщение чувствительности и селективности измерений.

На фиг. I изображен контур линии поглощения раствора цианина и дисперсия показателя преломления; на фиг. 2 - схема интерферометрического анализатора, при помощи которого осуществляют предлагаемый способ.

Интерферометрический анализатор содержит источник 1 излучения, конденсор 2, формирующий параллельный световой поток, щель 3, светофильтр 4 рабочего канала и светофильтр 5 опорного канала, которые размещены один под другим, светодели- тельную пластину 6, кювету 7 опорного канала и кювету 8 рабочего канала, в которых находятся образцовое и анализируемое вещества соответственно, призму 9, объектив 10, в фокальной плоскост и которого установлены один под другим фотоприемник И рабочего канала и фотоприемник 12 опорного канала, формирователи 13, счетчик-сумматор 14, блок 15 масштабного умножения и индикатор 16.

Способ осуществляют следующим образом.

От источника 1 излучения световой поток формируется с помощью конденсора 2 и щели 3. Далее верхняя часть светового потока пропускается через светофильтр 4 рабочего канала, максимум пропускания которого соответствует максимуму дисперсионной кривой (фиг. 1), а нижняя часть светового потока - через размещенный под ним светофильтр 5 опорного канала, максимум пропускания которого соответствует минимуму дисперсионной кривой. Каждая

О5

о

05

;о

00

часть светового потока, соответствующая двум длинам волн, делится на светодели- тельной пластине 6 на два луча. Один из лучей каждой длины волны проходит через кювету 7, содержащую образцовое вещество (например, растворитель) и через кювету 8, содержащую анализируемое вещество (раствор цианина). Далее лучи отражаются от призмы 9 и снова проходят через те же кюветы. Вследствие различия показателей преломления растворителя и раствора цианина на двух длинах волн между ними возникает разность хода.

На светоделительной пластине 6 лучи смещиваются и образуют две интерференционные картины из лучей, прощедщих соответствующие светофильтры. Ясно, что смещение полос этих интерференционных полос относительно соответствующих фотоприемников 11 и 12 будет иметь различный знак, скажем, полосы рабочей картины сместятся вправо, полосы опорной - влево. Эти интерференционные картины проецируются с помощью объектива 10 на соответствующие фотоприемники 11 и 12 так, чтобы щирина интерференционных максимумов или .минимумов была того же порядка, что и размеры светочувствительной площадки фотоприемников. Тогда при смещении полос интерференционной картины с фотоприемников 11 и 12 снимаются электрические импульсы, количество которых соответствует количеству полос, прошедщих по чувствительной площадке фотоприе.мников. Эти импульсы приобретают в формирователях 13 соответствующую форму и амплитуду и поступают на счетчик-сумматор 14, который суммирует, вычитает и проводит, другие математические операции по соответствующей программе с этими импульсами. В блоке 15 масщтабного умножения сигнал со счетчика-сумматора умножается на определенное число в зависимости от измеряемого компонента и индицируется на индикаторе 16 в единицах концентрации анализируемого компонента.

Известно, что зависимость показателя п преломления от частоты и вблизи центра ы линии поглощения имеет вид

,

И«-1-Л)/Д

ц«+7«/4

где К- постоянная, зависящая от параметров анализируемого вещества; у - затухание, которое определяется щириной линии поглощ,ения; )д.Шд -со-расстройка частоты от центра

линии поглощения.

Таким образом, показатель преломления является нечетной функцией расстройки и имеет вид дисперсионной кривой, проходящей черед единицу при (фиг. 1). Если использовать максимумы и минимумы этой кривой для анализа, то показатель преломления в этих точках в случае, например, раствора цианина отличается более чем в два раза. Поэтому смещение полос рабочей интерференционной картины, если в качестве образцового вещества использован растворитель с коэффициентом преломления «1 1,5, будет пропорционально разности хода лучей:

()kKp,

где k 1,2...,Птах - показатель преломления в максимуме дисперсионной кривой;

Хр - длина волны в максимуме дисперсионной кривой.

При длине кюветы с рабочим и образцовым веществом, равной мм, k 1,6-101

Таким образом, полосы рабочей интерференционной картины при появлении в рабо- чей кювете раствора цианина сместятся на 1,6-10 интерференционных максимумов, например, вправо. В это же время полосы опорной интерференционной картины сместятся на

25

,Jnm,v -rt,) l,8- 10

интерференционных максимумов влево, где Птш - показатель преломления в минимуме дисперсионной кривой; Хд- длина волны в минимуме дисперсионной кривой. Взаимное

0 смещение составит 3,4-10

В случае же нормального поведения дисперсии вдали от линии поглощения ме- щающего компонента изменение показателя преломления от Я., до Я., составит величину 0,003 и, следовательно, взаимное

5 смещение полос будет равно 10. Таким образом селективность анализа с помощью

предлагаемого способа равна

S«

0 где S/y-чувствительность к измеряемому компоненту, к мешающему. В случае нетрадиционных интерферометрических- способов 5„/5„ 1.

Так как при использовании способа- прототипа измеряют показатель преломления

5 анализируемого вещества (раствора цианина) относительно образцового вещества (растворителя) и показатели преломления их отличаются незначительно вдали от линии поглощения цианина (на сотые или десятые), то чувствительность анализа при исполь0 зовании предлагаемого способа выще в десятки раз.

Если сравнивать с методом дифференциального поглощения, то чувствительность последнего существенно ниже, поскольку измерения ведутся по изменению интенсивности светового потока от 100% до, например, 50% в то время как в нащем случае, при тех же условиях, интенсивность светового потока будет изменяться от 100% и практически до О в десятки тысяч раз, т. е. можно детектировать анализируемое вещество с концентрациями в десятки тысяч раз ниже. Что касается селективности, то поскольку дисперсионная кривая показателя преломления является по сути производной от контура линии поглощения, то она возрастает в раза.

Способ определения концентрации вещества обладает гораздо большей селективностью анализа (в сотни раз) по сравнению с другими интерферометрическими способами анализа. Преимуществом способа является также высокая чувствительность анализа, которая в десятки раз выше, чем традиционных интерферометрических и в сотни раз чем абсорбционных методов.

Формула изобретения

Интерферометрический способ определения концентрации вещества, включающий

0

5

0

формирование светового потока двумя длинами волн, разделение его на два, один из которых проходит через эталонное вещество, а другой - через кювету, смещение этих потоков, формирование двух интерференционных картин на первой и второй длинах волн светового потока соответственно, заполнение кюветы анализируемым веществом и регистрацию при этом сформированных интерференционных картин и их смещений, по которым судят о концентрации вещества, отличающийся тем, что, с целью по- выщения чувствительности и селективности измерений, формируют световой посток с такими длинами волн, что одна из них соответствует максимуму, а другая - минимуму дисперсионной кривой показателя преломления анализируемого вещества в области его поглощения, а о концентрации вещества судят по взаимному смещению одной интерференционной картины относительно другой.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для анализа состава веществ. Цель изобретения - повышение чувствительности и селективности. Интерферометрический способ определения концентрации вещества включает формирование светового потока двух длин волн, его разделение на лучи, один из которых проходит через образцовое вещество, а другой - через анализируемое вещество, смещение этих лучей, формирование двух интерференционных картин: рабочей и опорной и детектирование этих картин. Лучи, образующие рабочую интерференционную картину, пропускают через первый светофильтр, максимум пропускания которого соответствует максимуму дисперсионной кривой показателя преломления вблизи линии поглощения анализируемого вещества, а лучи, формирующие опорную интерференционную картину, пропускают через второй светофильтр, максимум пропускания которого соответствует минимуму дисперсионной кривой. По взаимному смещению интерференционных картин судят о концентрации анализируемого вещества. 2 ил.

550 600

Фиа.1

Фиг. 2