Изобретение относится к оптическому анализу, а именно к анализу с использованием оптической техники биологических материалов, например протеина или других макромолекул, клеток, вирусов, фрагментов тканей и т.д.
В пределах широкого диапазона размеров частиц, начиная от частиц размером меньше манометра и до миллиметра, оптические методы являются наиболее предпоч- тительными для определения таких параметров, как размеры частиц, концентрация, форма частиц и их скорость.
Известны способы оптического анализа, использующие интенсивность света, рассеиваемого индивидуальными частицами при их прохождении через освещенный объем рассеяния.
Эти способы предполагают оптический измерительный объем, конфигурация кото
рого достаточно мала, чтобы можно было исследовать индивидуальные частицы в достаточно разбавленной суспензии частиц. Используя тонкую фокусировку лазерных лучей, свет с высокой интенсивностью удается сконцентрировать в измерительные объемы менее чем мкл.
Известно устройство, которое работает, используя указанные принципы, В этом устройстве информацию получают при пересечении локализованной интерференционной картины исследуемой частицей, интерферог- рамму образуют двумя различными наборами интерферирующих лучей различных длин волн, которые фокусируются в двух точках, разнесенных на небольшое расстояние в пространстве, двумя диспергирующими системами линз. Интерферограммы таким образом получаются различного размера и
vj
00
со XI
со
внутренняя интерферограмма используется в качестве триггера или вентиля.
Однако данное устройство громоздко и затруднительно при юстировке и не пригодно для использования вне лаборатории.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, принцип действия которого основывается на использрвании двух лазерных лучей с различными длинами волн, проходящих концентрично, причем один луч имеет диаметр меньший, чем другой. Внутренний луч проходит в центральной части внешнего луча. Частица, проходящая через внутренний узкий луч, оказывается в этот момент расположенной центрально относительно внешнего луча и в результате рассеянный световой сигнал внутреннего луча используется в качестве триггера или вентиля для собирания рассеянного света внешнего луча. При отсутствии светового сигнала от внутреннего луча (это отсутствие является указателем на то, что частица не дошла до центра лучей) рассеянный свет внешнего луча не учитывается. Сигналы от двух лучей разли с помощью двух детекторов, отрегулированных таким образом, что каждый реагирует только на одну длину волны. Известная система включает два лазера, испускающих лучи, которые затем фокусируются в требуемую концентрическую конфигурацию с помощью комбинации линз, зеркал, призм и расщепителей лучей. Каждое из этих оптических устройств требует тонкой регулировки часто с помощью микрометрических регуляторов в трех плоскостях.
Однако данное устройство громоздко и требует аккуратного обращения. Его нежелательно использовать в условиях за преде- лами лаборатории и оно не может осуществлять поточный анализ удаленно расположенных образцов.
Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение эксплуатационных характеристик за счет исключения необходимости юстировки пучков.
На чертеже представлена структурная схема предложенного устройства.
Устройство для оптического определения размеров и числа взвешенных частиц содержит лазерный источник (не показан) двух зондирующих пучков, различающихся по длине волкы светового излучения, общую оптоволоконную линию для передачи первого и второго световых лучей, совпадающих по направлению, но с различной длиной волны - световод 1, общую фокусирующую линзу 2 для фокусировки двух лучей в различные фокусные точки, разнесенные в продольном направлении по оси, проходящей через зону детектирования таким образом, что в зоне детектирования поперечные размеры двух лучей находятся в заданном отношении, а также детекторы света, сфокусированные на
зоне детектирования и способные различать свет, рассеянный от первого и второго лучей соответственно, отклоняющую систему, включающую фокусирующую линзу 3, расщепитель 4 пучка и два фильтра 5, установленных для подачи рассеянного света двух лучей на измерительный детектор 6 и вентильный детектор 7. Детекторы имею г общий источник 8 питания и подают сигналы на многоканальный анализатор 9, соединенный с процессором 10, который отслеживает совпадение сигналов в измерительном и вентильном каналах, производит соответствующий анализ в канале измерений. Промежуточная информация хранится в блоке 11 памяти.
Предпочтительно, чтобы поперечный размер второго луча был значительно меньшим поперечного размера первого луча, причем детектирование рассеянного света второго луча обеспечивает индикацию того,
что частица попала в зону детектирования и расположена примерно по центру первого луча.
В преимущественном воплощении общая фокусирующая линза 2 прикреплена к
свободному концу оптоволоконного световода и включает градиентную индексную линзу. В случае использования микролинзы, присоединенной к свободному концу оптоволоконного световода, удается получить
источник света, который может сформировать абсолютно концентрический измерительный и вентильный лучи и который оказывается компактным, прочным, устойчивым к вибрации и приспособленным к
размещению на удаленной позиции и возможно в неблагоприятных условиях.
Световой луч с длиной волны Я 1 (например, 488 нм от охлаждаемого воздухом аргонового лазера) вводится в виде единичной
моды в оптоволоконный световод 1. Све г другой длины волны Аг (например, 632 нм от гелий-неонового лазера) также вводится в световод 1 с помощью соответствующих оптических элементов или в некоторой промежуточной точке по ее длине с помощью волоконно-оптического соединителя. В другом возможном воплощении свет может вводиться прямо в волоконно-оптический световод с помощью установленного на нем
источника в виде лазерного диода . Поскольку волоконно-оптический световод является од- номодовым лишь для заданной длины волны, на второй частоте могут возникать отклонения от гауссовского профиля луча.
Свет с двумя длинами волн распространяется по волоконно-оптическому световоду в сторону его свободного конца, где он проходит расстояние DI до попадания в градиентную индексную микролинзу. Линза 2 может быть установлена на свободном конце волоконно-оптического световода с помощью, например, эпоксидного компаунда. Установка может включать и элемент, согласующий коэффициенты отражения. Подходящей оказалась, например линза СЕЛЬФОК модели 1,8. Дисперсия материала, из которого изготавливается линза, будет заставлять вследствие хроматографической аберрации лучи фокусироваться на различных расстояниях F(Ai)n f(2z). Два лучаЯ 1 иЯ2 вследствие внутреннего свойства оптоволоконной линии будут концентричны. Отношение диаметров лучей будет вследствие различного расположения фокальных точек изменяться в зависимости от расстояния D2 от микролинзы. Выбирая соответствующее расстояние от микролинзы, можно облучать объем рассеяния двумя лучами различной ширины. Отношение ширины лучей может, таким образом, регулироваться по выбору. Аналогично, толщины самих лучей могут выбираться в зависимости от расстояния D2. Подбирая расстояние D2, можно создавать положения, когда внутренним лучом оказывается лучЯ 1, либо лучЯ2. Предпочтительно в качестве внутреннего луча выбирать луч с второй длиной волны, поскольку незначительное отклонение от гауусовского профиля вполне терпимо. Величины расстояний F (Я1)и Р(Я2) изменяются одновременно путем регулировки расстояния DL Это же позволяет менять отношение толщин лучей для любого заданного расстояния D2.
Отклоняющая система включает фокусирующую линзу 3, расщепитель 4 пучка и пару фильтров 5, установленных для подачи рассеянного света двух лучей соответственно на измерительный 6 и вентильный 7 детекторы. Детекторы имеют общий источник 8 питания и подают сигналы на многоканальный анализатор 9. Процессор 10, которым может быть имеющийся на рынке микрокомпьютер, отслеживает совпадение сигналов в триггерном канале и канале измерения и производит соответствующий анализ сигналов в канале измерения.
Поскольку измерение производится в случаях, когда рассеянный свет регистрируется от триггерного луча, известно, что частица находится в общем по центру измерительном луче. Поскольку в качестве триггерного используется только внутренний луч, не существенно, что профиль луча может отклоняться от гауссового.
Кроме того, может быть применена детекторная оптоволоконная линия для фокусировки (с использованием микролинз) каждого из лучей и подачи света на отделенные фотодетекторы. Волоконно-оптический световод, снабженный градиентной индексной линзой, идентичный тому, который использовался для образования парного луча, размещают под углом ©и на расстоянии, равном D2 от концентрических лучей. Рассеивающий объем, исследуемый этим волоконно-оптическим световодом,
будет совпадать с формой луча в данной точке и точно фокусироваться относительно каждого из лучей, причем без всякой юстировки. Это следует из симметрии всей конструкции. Изменение угла ©будет изменять рассеивающий объем.
В предлагаемой конструкции конец волоконно-оптического световода, снабженный линзой, может располагаться в стенке трубопровода, пропускающего пробы образца, и в случае необходимости на определенном расстоянии от лазеров и оборудования обработки сигналов. Если систему детектирования выполнить в виде такой же конструкции, то часть всего устройства, расположенная рядом с зоной детектирования, может быть сделана исключительно компактной, прочной и устойчивой к вибрациям, а само устройство поэтому приемлемым для поточной обработки. В случае специфического применения, требующего анализа частиц в ряде различных мест, например при анализе процесса ферментации, ряд волоконно-оптических линий, обслуживающих детекторы или действующие как источники
света, могут быть помещены в оптический контакт с одним источником света или устройством обработки сигналов.
Как и известные устройства предлагаемое устройство может использоваться для
ряда различных видов анализа. Размеры частиц и их распределение могут определяться путем анализа интенсивности рассеянного света. Анализируя сигналы, связанные с интенсивностью, в зависимости от размеров частиц, можно получить точные данные о распределении частиц по размеру. Концентрация частиц может быть .определена путем подсчета числа зарегистрированных световых импульсов в единицу времени.
Скорость частиц и распределение скорости могут исследоваться путем определения ширины импульса при прохождении частицей заданного объема рассеяния.
В специальных применениях рассеянный свет может исследоваться на поляризацию и спектральные характеристики. Частицы могут быть специально помечены флуоресцентными молекулами и красителями для выделения из популяции прочих частиц. Форма частиц может быть определена по многоугольному рассеянию света (путем анализа интенсивности) для случая определенного диапазона размеров частиц.
Формула изобретения 1. Устройство для оптического определения размеров и числа взвешенных частиц, содержащее лазерный источник двух зондирующих пучков, различающихся по длине волны светового излучения, оптически сопряженный через элементы коаксиальной юстировки и транспортировки пучков со счетным объемом, с которым оптически сопряжены первый и второй фотоприемники для селекции рассеянного частицами света на соответственно первой и второй длинах
волн, выходы которых соединены с соответственно первым и вторым входами многоканального анализатора, выход которого соединен с регистратором, отличающеес я тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения эксплуатационных характеристик за счет исключения необходимости юстировки пучков, в качестве элементов коаксиальной юстировки и транспортировки
пучков использован оптоволоконный световод с фокусирующей линзой, плоскость которого отстоит от счетного объема на расстоянии, позволяющем в области счетного объема различать поперечные размеры
двух пучков.
2. Устройство по п. 1, отличающее- с я тем, что фокусирующая линза прикреплена к свободному концу оптоволоконного световода.
3. Устройство по пп. 1и2, отличающееся тем, что общая фокусирующая линза включает градиентную индексную линзу.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АВТОГЕНЕРАТОР | 1998 |
|
RU2169904C2 |
ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОПОЛИМЕРИЗУЮЩЕЙСЯ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ КОННЕКТИРОВАНИЯ СВЕТОВОДОВ, СПОСОБ КОННЕКТИРОВАНИЯ СВЕТОВОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА | 2011 |
|
RU2472189C1 |
УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УЛУЧШЕННОГО НАНОСПЕКТРОСКОПИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ | 2004 |
|
RU2334958C2 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛУЧШЕННОГО НАНОСПЕКТРОСКОПИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ | 2005 |
|
RU2378627C2 |
АНАЛИЗ АНАЛИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТИЦ В КАЧЕСТВЕ МЕТКИ | 1997 |
|
RU2251572C2 |
УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ | 2022 |
|
RU2794055C1 |
ОПТИЧЕСКИЙ РАСХОДОМЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ В ТРУБОПРОВОДАХ | 2004 |
|
RU2377573C2 |
Двунаправленное волоконно-оптическое устройство связи | 1987 |
|
SU1578675A1 |
Световодный инструмент с микрофокусировкой | 2020 |
|
RU2741236C1 |
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП | 2007 |
|
RU2340873C1 |
Изобретение относится к оптическому анализу биологических материалов, например протеина, клеток, вирусов и т.д. Цель изобретения - упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет исключения необходимости юстировки пучков. Для этого два луча с различной длиной волны пропускают через общий волоконно-оптический световод с общей фокусирующей линзой, что позволяет решить проблему их совмещения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
/Г/У
ПЕЧЬ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКИХ ГОРЮЧИХ ОТХОДОВ | 1993 |
|
RU2054143C1 |
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
I | |||
С | |||
F, Wang al a, in situ particle size measurements using a two-color laser scattering technigue | |||
- Applied Optics, v | |||
Видоизменение пишущей машины для тюркско-арабского шрифта | 1923 |
|
SU25A1 |
Кипятильник для воды | 1921 |
|
SU5A1 |
Прибор для перевода единиц одного наименования в другие | 1923 |
|
SU653A1 |
Авторы
Даты
1992-06-23—Публикация
1988-05-04—Подача