Способ определения концентрации кислорода в жидкостях и газах Советский патент 1992 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам количественного определения содержания кислорода в жидкостях и газах, и может быть использовано в различных исследованиях, где требуется определить давление или концентрацию кислорода.

Известны способы аналогичного назначения, основанные на тушении кислородом замедленной флуоресценции (ЗФ) или фосфоресцейции различных соединений. сЬактически кислород тушит возбужденные триплетные состояния люминофоров, излучательная дезактивация котарых происходит путем испускания ЗФ или фосфоресценции.

Основным недостатком этих способов является слабая интенсивность полезного сигнала, так как вследствие особенностей механизма послесвечения его вь1ход составляет 0,001. Это, с одной стороны, снижает точность измерений ввиду малого значения отношения сигнал - шум, а с другой, по той же причине, затрудняет или делает совсем невозможным применение данного способа

в тех областях исследований, где измерения проводятся на больших расстояниях от объекта измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение области применения способа 3S счет увеличения интенсивности свечения и улучшения отношения сигнал-шум.I

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения концентрации кислорода измеряется интенсивность ЗФ, инициированной возбуждением триплетных молекул люминофоров в полосе их электронного триплет-триплетного поглощения.

В качестве рабочего вещества можно использовать красители, имеющие большие (0,5-1,0) значения квантовых выходов в триплетное состояние:эритрозин, бенгальский розовый, эозин и другие внедренные, .например, в кислородпроницаемые матрицы.

При возбуждении триплетных молекул красителей в высокие Тп-состояния наблюдается эффективная обратная интеркомбинационная конверсия (ИКК) в флуоресцентное Si состояние (фиг. 1, процесс 4). Для эритрозина квантовый выход обратной ИКК близок к единице, для бенгальского розового - 0,72, для эозина - 0,25. Существование ИКК приводит к резкому увеличению интенсивности ЗФ красителей (фиг. 1, процесс 5) по сравнению с характерной для них термостимулированной ЗФ (фиг. 1, процессы 2 и 5)- Учитывая, что высоковозбужденные триплетные состояния люминофоров ввиду крайне малого («/10 с) времени жизни не взаимодействуют с кислородом,интенсивность инициирования ЗФ при постоянной п-лотности мощности возбуждающего излучения будет зависеть только от исходной концентрации триплетных молекул красителей. Таким образом, зависимость интенсивности инициированной ЗФ от концентрации кислорода в системе полностью совпадает с зависимостью интенсивности фосфоресценции (фиг. 1, процесс 6) красителей от той же концентрации кислорода, но яркость полезного сигнала увеличивается при этом в 10-100 раз.

На фиг. 1 приведена энергетическая диаграмма электронных уровней молекулы люминофора; на фиг. 2 - блок-схема установки для определения концентрации кислорода по предлагаемому способу; на .фиг. 3 - калибровочные кривые определения давления воздуха по изменению интенсивности, инициированной возбуждением триплетных молекул ЗФ (фиг. 1), и интенсивности фосфоресценции (2) на примере эритрозина, Е1недренного в полимерную пленку поливинилбутираля.

Установка для определения концентрации кислорода состоит из источников 1 и 2 света, зеркала 3, образца 4, монохроматора 5, ФЭУ 6, блока 7 синхронизации лазеров, блоков 8 и 9 питания и запуска лазеров, генератора 10 импульсов и осциллографа 11.

Отличительной особенностью установки является использование для возбуждения молекул рабочего вещества двух моноимпульсных лазеров с регулируемой задержкой между импульсами. Для перечисленных красителей возбуждение молекул в синглетное Si состояние (фиг. 1, процесс 1) с последующей ИКК в триилетное Т состояние (фиг. 1, процесс 2) производится излучением второй гармоники лазера на

иттрий-алюминиевом гранате (Ai 532 нм). В качестве источника света можно использовать и другие лазеры, например,азотный и аргоновый, лазеры на красителях и другие, длины волн излучения которых попадают в полосу поглощения молекул рабочего вещества. Образовавшиеся тp 1плeтныe молекулы возбуждаются излучением основной гармоники рубинового лазера (Я2 694 нм), которое спектрально совпадает с полосой электронного триплет-триплетного поглощения красителей (фиг. 1, процесс 3).

Люминесценция образца 4 регистрируется через монохроматор или светофильтры 5 с помощью фотоприемника 6 и осциллографа 11. Блоки 8 и 9 запуска лазеров 1 и 2 синхронизованы устройством 7. Осциллограф запускается генератором 10 импульсов.

Пример. При возбуждении молекул эритрозина; внедренных в пленку поливинилбутираля (концентрация красителя С 10 М) лазерам и на иттрий-алюминиевом гранате и рубиновым, задержка между импульсами которых составляет Юмкс, а плотности мощности излучения соответственно равны 0,5 МВт/см и 10 МЕт/см2, получено усиление сигнала ЗФ в 100 раз.

Использование изобретения позволяет значительно повысить точность измерения концентрации кислорода в газовых смесях и расширить область применения способа, основанного на тушении кислородом трипл ных состояний молекул люминофоров.

Формула изобретения Способ определения концентрации кислорода в жидкостях и газах, включающий возбуждение молекул красителя в присутствии кислорода, регистрацию люминесценции красителя и определение концентрации кислорода по величинетушения триплетных состояний молекул красителя, отличающийся тем, что, с Целью повышения точности и расширения области применения способа за счет увеличения интенсивности свечения и улучшения отношения сигнал - шум, регистрируют замедленную флуоресценцию красителей, инициированную возбуждением триплетных молекул красителя в полосе электронного триплеттриплетного поглощения.

Фиг.1

Изобретение относится, к аналитической химии. Цель изобретения - повышение точности и расширения области применения. Регистрируют флуоресценцию, инициированную возбуждением триплетных молекул красителя в полосе электронного триплет-триплетного поглощения. 3 ил.

Ln JtjD

Фиг.2.

1,(роц.ед.

те 152 228 50-4 550 456 5 605 6S Т60 .рг.ст,

Фиг. 2 2(.Вт ра)