Эталон для калибровки спектрофлуорометра Советский патент 1993 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к технике оптических измерений, в частности к методам поверки и метрологической аттестации систем регистрации формы оптических импульсов и наносекундном диапазоне длительностей и в видимой области спектра электромагнитного излучения.

Цель изобретения - повышение точности калибровки спектрофлюорометра по форме импульса флуоресценции.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве эталона использован монокристаллический ортоалюминат иттрия, активированный примесью церия YAlOaiCe3, с концентрацией церия (2,5-15) весовых процента и оптической плотностью 0,1-0,3.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый эталон отличается от известного

тем, что в нем церий внедрен в ортоалюминат иттрия концентрацией )2,5-15). весовых процента, а не в иттрий-алюминиевый гранат с концентрацией 0,5-0,3 весовых процента. Поскольку использование ортоалюмината иттрия, в том числе с примесью цери, в том числе с концентрацией церия (2,5-15) в качестве эталона времени высвечивания не обнаружено. Известно применение кристалла ортоалюмината иттрия с примесью церия (концентрация более 0,2%) в ядерной физике в качестве сцинтилляторов и сцинтилля- ционных экранов, однако в этом случае указанный кристалл используется для визуализации излучений и изображений, а не в качестве эталона времени высвечивания, причем в виде поликристаллов. Применение же монокристалла с концентрацией церия.

00

о

vj

СО

ел

оптической плотностью и размерами, находящимися в, указанных диапазонах, позволяет снизить абсолютную погрешность калибровки шкалы измерителей формы световых импульсов до ±83-10 12 с и получить механически и фотохимически стабильный эталон.

На фиг.1 приведена функция высвечивания предлагаемого стандарта при концентрации церия 7, и размерах кристалла 1x1x1 см3, измеренная на приборе PRA (D 0,3). Время жизни составило т (17,757±0,083) не. Длина волны возбуждения Дв 300 нм, длина волны регистрации Др 350 нм. Наблюдение флуоресценции ортогонально к направлению возбуждения.

На фиг.2 и 3 представлены спектры поглощения и флуоресценции соответственно, измеренные на приборах Specord M40 и СДЛ-2 соответственно. Точность измерения интенсивности в приведенных спектрах не хуже 1%. Длина волны возбуждения при измерении спектра флюоресценции Ав 300 нм.

Исследования зависимости формы импульса флуоресценции от концентрации це- рия, оптической плотности, длины кристалла вдоль направления возбуждения, времени и температуры проводились в течение 3-х лет. Рефлектор импульсной лампы фокусирует ее излучение в пятно с минимальным диаметром 7 мм, в связи с чем размер граней эталона, входной и выходной для возбуждающего излучения, составлял 1 см. Этот размер соответствует стандартному держателю образцов, которыми снабжаются все флюорометры, и позволяет с учетом неточности наведения излучения лампы на объект надежно охватить весь поток возбуждающего флуоресценцию излучения. Длина эталона вдоль направления возбуждения варьировалась от 0,5 до 1 см и выбиралась из условия, что с учетом аберраций оптической системы и неточности ее наведения на флуоресцирующий объем вся апертура сбора флуоресценции должна быть заполнена излучением флуоресценции. Это требование объясняется тем, что как эталон, так и исследуемый образец должны дать однотипные изображения на фотокатоде фотоприемника. Исходя из необходимости удовлетворения этому требованию выбирался и диапазон значений D эталона, который должен был соответствовать диапазону, наиболее часто используемому во флюорометрии и ограниченный значениями D 0,1-0,3, что при длине эталона 1 см соответствует диапазону значений концентрации церия (0,00025-0,00075)

вес.% при длине 0,5 см - (0,0005, - 0,00150) вес.%.

В течение четырех лет в пределах погрешности измерений прибора РРА, составляющей 2%, не было обнаружено зависимости т от: (1) длины волны возбуждения при изменении ее в диапазоне 270- 320 нм; (2) длины волны регистрации при изменении ее в диапазоне 330-400 нм; (3)

температуры в диапазоне ее изменений +10 - +50°С; (4) D в диапазоне 0,1-0,3; (5) толщины в диапазоне 0.5-1 см: (6) концентрации в диапазоне (0,25-1,5) %.

Пример 1. После проведения указанных исследований изготовлен эталон с размером поверхности, на которую поступает излучение возбуждения флюоресценции, 10 х 10 мм2 при концентрации церия 5-10 %. Толщина эталона равна 10 мм и выбиралась

из условия, чтобы D составляла (0,20±0,01) - наиболее часто используемое значение плотности, Поверхности, через которые проходит излучение возбуждения, полировались по 14 классу с целью сведения к

минимуму/ровня рассеяния возбуждающего излучения, Наблюдение флуоресценции проводится со стороны одной из боковых поверхностей перпендикулярно направлению возбуждения. Сами боковые поверхности могут -быть неполированными, поскольку интенсивности флуоресценции вследствие высокого квантового выхода достаточно для надежных измерений. Поскольку кристалл кубический, нет

зависимости коэффициента поглощения от состояния поляризации излучения, вследствие чего ориентация граней эталона относи- тельно вектора поляризации излучения может быть любой. На фиг.1 в логарифмическом масштабе по шкале интенсивностей представлена функция высвечивания предлагаемого эталона.

Пример 2. Второй образец имел такой же размер 10, х 10 х 10 мм3, концентрация- церия 2,5- %При составила 0,1, Функция высвечивания для данного образца идентична представленной на фиг.1, условия наблюдения те же. ПримерЗ. Третий образец имел размер 10x10x10 мм , концентрация церия 7,5 -10 %, 0,3. Функция высвечивания для данного образца идентичная представленной на фиг.1. Условия наблюдения те же. при измерениях т трех образцов длиной 0,5 см с концентрацией церия 5 104; вес.% были получены зависимости, идентичные представленной на фиг,1.

Уменьшение D менее 0,1 во-первых, увеличивало время измерений более чем в 2 раза по сравнению с D ; 0,2, во-вторых, не соответствовало диапазону значений D, наиболее часто исследуемых во флюоромет- рии (что может приводить к неидентичности геометрии засветки фотокатода фотоприемника при измерениях г эталона и объекта). Увеличение D более 0,3, во-первых, не соответствовало диапазону значений D, наиболее часто используемых во флюорометрии, во-вторых, приводило к неоправданному расходу церия, в-третьих, увеличивало вероятность возникновения дефектов решетки.

При калибровке системы регистрации на место исследуемого объекта квазиортогонального к направлению .возбуждения полированными поверхностями устанавливается эталон. Через центр полированных граней пропускается излучение возбуждения с длиной волны 260-320 нм. Квазиортогонально направлению возбуждения,через центр одной из боковых граней проводится наблюдение излучения флуоресценции системой регистрации, позволяющей измерять форму импульса флуоресценции в спектральном диапазоне 320-420 нм. Отладка и настройка системы регистрации и(или) системы цифрового расчета импульса флуоресценции проводится до тех пор, пока не будет получена одноэкспоненциальная форма среза импульса флуоресценции с величиной постоянной времени спада интенсивности флуоресценции в е раз т (17,757±0,083) не.

По сравнению с прототипом предлагаемый эталон имеет в 3,3 раза меньше г. Это позволяет, в отличие от прототипа, прово- дить калибровку наиболее быстрых шкал времени систем регистрации формы свето- вых импульсов и тем самым снизить абсолютную погрешность шкалы времени. Например, для прототипа на шкале времени с верхним значением 640 не было получено П (59,078±0,216) не (см;верх«юю правую

часть фиг.1 описания заявки для прототипа),

.т.е. абсолютная погрешность ATI 0,216

не. Для предлагаемого эталона на шкале с

верхним значением 160 не получено Г2

(17,757±0,083) не (см.верхнюю правую часть фиг.1 настоящей заявки), т.е. Дта 0,083 не. Следовательно, сжатие диапазона измерений в 4 раза уменьшило абсолют- ную погрешность калибровки в 2,6 раза. Все

остальные преимущества прототипа по сравнению с жидкими стандартами предлагаемый эталон сохраняет. . Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Эталон для калибровки спектрофлюорометра, на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного примесью ионов группы редкоземельных элементов, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности калибровки по

форме импульса флуоресценции, эталон выполнен из монокристаллического ортоалю- мината иттрия, активированного примесью церия YAlOsiCe3 с концентрацией церия (2,5 15) х 104 мас.% и оптической плотностьюО,1-0,3.

ISCI081

2ft)

450

ДНМ

Эталон позволяет провести метрологическую аттестацию систем измерений формы импульсов флуоресценции в наносекун- дном диапазоне и тем самым повысить точность измерений постоянной времени затухания флюоресценции. Эталон представляет собой монокристаллический орто- алюминат иттрия, активированный примесью церия, для которого характерны следующие особенности, строго одноэкспо- ненциальный закон затухания флуоресценции в диапазоне двух порядков, отсутствие перекрытия спектров поглощения и люминесценции, высокая термическая и фотохимическая стабильность, высокий квантовый выход люминесценции, не зависящий от длины волны возбуждения, высокая степень сохраняемости и удобство в эксплуатации, 3 ил. (Л С

50000.00

moo