Волоконно-оптический зонд для колориметрических измерений Советский патент 1993 года по МПК G01N21/17 G01N21/59 B23B9/00 

Изобретение относится к волоконно-оптическому зонду, о котором -используется измерительная схема определения оптического промежутка между противостоящими поверхностями, в то же время обеспечивающая возможность использования достаточно небольшого общего, диаметра зонда, позволяющего ему проникнуть в живую ткань непосредственно или путем предварительного ввода в гиподермическую иглу с номером 16 или менее.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет увеличения коэффициента пропускания.

На фиг.1 представлен волоконно-оптический зонд, продольный разрез; на фиг.2 - продольный разрез в увеличенном масштабе наконечника зонда, на котором иллюстрируются детали пробоотборной камеры; на фиг.З - направляющие свойства оптического волокна, насколько они связаны с определением ширины оптического промежутка.

Волоконно-оптический зонд содержит корпус 1,состоящий из первого оптического

волокна 2 и второго оптического волокна 3, заключенного в капсулу из защитного кожуха 4. Защитный кожух 4 предпочтительно представляет собой гибкую цилиндрическую трубку приблизительно длиной 3,5 дюйма (8,9 см), из такого материала, как тефлон. Трубка из тефлона является тонкостенной, внутренней диаметр ее составляет приблизительно 0,02 дюйма (0,5 мм), а толщина стенки составляет приблизительно 0,002 дюйма (0,05 мм). Оболочка наконечника 5 закрывает часть оптических волокон 3 и 2, которые выступают приблизительно на 0.2 дюйма (5,0 мм) с одного конца защитного кожуха 4. и затем проходят внутрь защитного кожуха 4. Пробоотборная камера 6 открыта со стороны поверхности обшивки наконечника и проходит внутрь обшивки наконечника 5 на расстояние приблизительно 0,5 дюйма (12,7 мм).

На фиг.З изображены оптические волокна 3 и 2 удаленные друг от друга на расстояние, превышающее диаметр волокон 3 и 2, в основном, для того, чтобы лучше проиллюсо со о

Ј

со

стрировать детали конструкции. Также значительное пространство изображено между внутренней стенкой защитного кожуха А ы оптическими волокнами 3 и 2, и снова для более лучшего изображения деталей конструкции. При фактическом воплощении защитный кожух 4 плотно подогнан под оптические волокна 3 и 2, с тем чтобы привести волокна 3 И:2 в соприкосновение друг с другом по всей внутренней поверхности защитного кожуха 4.

Оптическое волокно предпочтительно выполнено .из полиметилметакрилатного сердечника с наружным покрытием из про-, зрачного полимера с. более низким показа-: тел ем преломления по ера ранению с показателем преломления1сердечника. Обычно используется волокно с наружным диаметром около 0,01 дюйма - (0,25 мм). Вожжна этого типа, связанные в группы до 64 волокон, и покрытые кожухом из полиэтиленового полимера, поставляются компанией Дюпона под зарегистрированным торговым названием CROFON (КРОФОН). Оптическое волокно. Дюпона ОЕ0011, не покрытое кожухом из полиэтиленового; полимера, является подходящим волокном для воплощения настоящего изобретения.

Обшивка наконечника 5 предпочтительно представляет собой эпоксидный материал, который может быть нанесен в виде жидкости и может высохнуть до. образования жесткой оболочки, Хотя на фиг.1 обшивка наконечника 5 для ясности изображена непрозрачной, она в равной степени может быть прозрачной или полупрозрачной, Помимо обеспечения прочной защиты для наконечника и окружающей среды для той же камеры, обшивка наконечника помогает за-., крепить конец защитного кожуха 4. Дальние концы оптических волокон 3 и 2 оптически соединены с источником света 7 и световым детектором 8 с помощью стандартных и легко доступных соединительных муфт, позволяя таким образом, передачу света через оптические волокна 3 и 2. Следовало бы подчеркнуть, что зонд будет также взаимодействовать со световым детектором 8, соединенным со вторым оптическим волокном 3 и источником света 7, соединенным с первым оптическим волокном 2, позволяя передачу света.в-направлении, противоположном изображенному на фиг. 1.

Можно видеть, что второе оптическое волокно 3 расположено параллельно и на близком расстоянии от первого оптического волокна 2. Первое оптическое волокно 2 проходит за ближайший конец второго оптического волокна 3 и пересекает резкий, 180° - изгиб, так что ближайшие концы оптических волокон 3 и 2 противостоят друг другу с противоположных сторон пробоот- б.орнрй камеры 9. Наконечник 10 образован резким, 180°-.изгибом. В практической конструкции оптического волокна, сложенного вдвое и протянутого через защитный кожух 4, с обшивкой наконечника 5, нанесенной в жидком виде. После затвердевания обшивки наконечника 5 в отвержденную обшивку

наконечника 5 врезают пробоотборную камеру 9, с одним оптическим волокном, которое является таким образом, разделенным с образованием двух отдельных оптических волокон 3 и 2, закрепленным, как показано на

5- чертеже.

Обращаясь теперь к фиг.2, можно увидеть более подробное изображение оптического зонда Езблизи наконечника 10 и пробоотборной. камеры 9, Острота 1.80°0 изгиба в наконечнике 10 может быть.бо лее .. конкретно определена в виде радиуса, изгиба 11, измеренного от центра кривизны 12 изгиба до оси 13 первого оптического волокна 2. Для получения небольшого размера

5 .наконечника радиус гиба выполнен меньше диаметра первого оптического волокна 2 или равен ему. Из науки, посвященной волоконной оптике/ известно, что коэффициент пропускания оптического волокна

0 может падать до 60% или менее по отношению, к коэффициенту, пропускания прямой линии,, в случае сравнимости радиуса гиба с диаметром волокна, Изготовители оптических волокон .поэтому рекомендуют для надь лежащей работы оптического волокна использовать большие радиусы гиба.-Успешная работа зонда при использовании радиуса гиба 11, который меньше диаметра первого оптического волокна 2 или равен

0 ему, является, таким образом, неожиданным и неочевидным результатом в свете известных научных данных.. . . Правильное функционирование зонда с таким небольшим радиусом гиба 11, вотли5 чие от принятого понимания оптической волоконной техники, кажется основанным на двух факторах. Во-первых, многие объекты применения требуют отрезков оптического волокна длиной от десятков до сотен футов,

0 в которых может быть необходимо много изгибов. В таком применении кумулятивные снижения коэффициента пропускания, вызванные длинными отрезками волокна и многочисленными изгибами, требуют огра5 ничения потерь, вызванных каким-либо одним изгибом. Настоящее изобретение требует длины волокна порядка 3 футов (2,34 мм - пер. 0,91 м) или менее, и лишь один изгиб с высокой петлей. Таким образом, большое снижение коэффициента пропускания, вызванное изгибом в наконечнике 10, не является фатальным для работы зонда.

Во-вторых, многие примеры применения волоконной оптики включают пропуска- ние сложных форм волн, таких, как из этой речи. Гибы небольших размеров, такие как, например, гибы, используемые в настоящем изобретении, будут вызывать сильное искажение таких сложных форм волн. В на- стоящем изобретении измеряется лишь амплитуда передаваемого света, поэтому это искажение формы волны и возникающая в результате нечеткость переданного светового сигнала не является особенностью при работе зонда,

Обращаясь снова к фиг.2, можно увидеть детали пробоотборной камеры 9 и окружающей конструкции. Ближние концы оптических волокон 3 и 2 получаются, соот- в.етственно, со срезами 14 и 15. Поверхности среза 14 и 15 являются плоскими и срезаны таким образом, чтобы они были в основном перпендикулярны осям оптических волокон 3 и 2, соответственно, и одна поверхность, таким образом, была параллельна другой. Срезы 14 и 15 отстоят друг от друга, на раестоянии.с образованием оптического промежутка. Ось 13, выходящая за пределы поверхности среза 15 в направ- лении поверхности среза 14. будет видна совпадающей с осью 16.

Максимальная ширина оптического промежутка 17 определяется с помощью двух факторов. Прежде всего; при увеличе- нии оптического промежутка, на принимающую поверхность принимается меньше света от передающей поверхности. На фиг.2 поверхность среза 14 является передающей поверхностью, потому что второе оптиче- ское волокно 3 оптически соединено с источником света 7. Как описано выше, первое оптическое волокно 2 могло бы быть волокном, оптически соединенным с источником света 7. при этом световой детектор 8 сое- динен с вторым оптическим волокном 3, таким образом, соответственно изменяя передаточные и воспринимающие роли поверхностей срезов 14 и 15 на противоположные.

Вторым фактором, влияющим на максимальную ширину оптического промежутка 17, является возможность приема света на воспринимающей поверхности среза 15 от иных источников, чем передающая поверх- ность среза 14. Обращаясь теперь к фиг.З, можно увидеть, что поверхности срезов 14 и 15 являются направленными в своих соответствующих передаточных и воспринимающих функциях. Эталоны направленности

для передачи и приема света от срезов оптических волокон Дюпон КРОФОН изображены на чертеже. Свет, переданный от передающей поверхности среза 14, главным образом, ограничен передающим конусом с телесным углом 20° по отношению к оси 1.6 второго оптического волокна 3. Воспринимающая поверхность среза 15 воспринимает свет, который, в основном, ограничен приемным углом величиной 60° по отношению к оси 13 первого оптического волокна 2. Если поверхности среза 14 и 15 отделены друг от друга расстоянием X, превышающим 2 тангенс 30° 0.868.d, где d - диаметр оптического волокна, то свет может быть воспринят/от окружающих источников света, отличающихся от передающей поверхности среза 14, отрицательно влияя тем самым на точность измерения. Эксперименты показали, что примеры из настоящего изобретения, в которых оптический промежуток 17 имеет ширину в 1,5 раза превышающую диаметры волокон 3 и 2, являются выполненными, но неэффективными.

Возвращаясь снова к фиг.2, можно видеть, что пробоотборная камера 9 заполнена колориметрическим веществом 18. Колориметрическое вещество 18 является таким, что оно является проницаемым для химического вещества, подвергаемого колориметрическому определению.

В ходе процесса измерения колориметрически определяемое химическое вещество поступает в пробоотборную камеру 9 через полупроницаемую мембрану 19 и проходит сквозь колориметрическое вещество 18. Если требуемое свойство имеется в химиче ском веществе, то колориметрическое вещество изменит свою окраску, и. таким образом, ее коэффициент пропускания света будет изменен. Изменение в интенсивности света, переданного от передающей поверхности среза 14 через пробоотборную камеру 9, и воспринятого воспринимающей поверхностью среза 15, будет обнаружено светоаым детектором 8, сигнализируя таким образом, о наличии искомого свойства.

Колориметрическое вещество 18 приготовляют путем введения красителя в пористую несущую среду. Одно практическое воплощение пористой несущей среды состоит из небольших стеклянных микросфер диаметром приблизительно 10 мкм, смешанных с водой, с целью получения водной суспензии. Вместо микросфер можно использовать частицы неправильной формы с максимальными размерами в интервале 1- 100 мкм. Применяли также полиуретановые частицы, хотя более лучшие результаты были получены с помощью стекла.

Краситель соединяют с частицами или микросферами перед введением воды. Добавление воды к частицам или микросферам помогает удержиаэть частицы или микросферы вместе при использовании полупро- ниц-аемой. мембраны,..

Существует большое разнообразие красителей, доступных на рынке и обладающих разнообразием цветов. Одним примером красителя, который был использован некото- рыми исследователями для колориметрического определения поглощения кислорода кровью, является перилендибутират, поставляемый под названием Термопласт, блестящий Желтый -10 БАСФ-Вьяндотте Корпорейще н. Сцеп- леиие красителя с несущей средой может быть осуществлено путем промывки стеклянных частиц, или микросфер красителем, смешенным с органическим растворителем, таким как дихя.орметан..

Пористый носитель может быть также получен с использованием твердого,: пористого материала, такого как стекло или полиуретан, для заполнения пробоотборнрй камеры. Краситель подходящего типа мо- жет быть введен в промежутки, существующие в носителе, и он может прилипнуть к их стенкам. Экспериментальные работы пока- зали, что носитель в ви-де суспензии является более легким для использования в пробоотборной камере..

Полупроницаемую мембрану 19 предпочтительно получают путем применения 2% раствора ацетилцеллюлозы, растворенной в растворе, приготовленном из 50% ацетона и 50% циклогексанона. Раствор распыляют в виде аэрозоля после евода водной суспензии в пробоотборную камеру 9. Аэрозоль высохнет с получением мембраны 19, которая будет служить удержанию стеклянных частиц и пористого носителя, одновременно допуская прохождение воды через мембрану 19.: .

Увеличение концентрации ацетилцеллюлозы в растворе приведет к более мелко- му размеру пор в мембране 19. Обширная литература, посвященная производству мембран из ацетилцеллюлозы, указывает, на то, что для получения мембраны, проницаемой для газов и одновременно непроии- цаемом для воды, можно использовать концентрацию ацетилцеллюлозы свыше 2%. Такую мембрану 19 можно было бы использовать для удержания воды в суспензии, так чтобы калориметрически определяемый газ мог бы растворяться в воде.

Изобретение содержит в себе преимущества оптического промежутка с противостоящими поверхностями среза достигая в то же время характерно меньшего размера наконечника зонда. Настоящее изобретение характеризуется еще одним преимуществом перед известными конфигурациями в том, что измерительная камера расположена со стороны зонда в большей степени, чем на наконечнике. Наконечник, таким образом, может быть выполнен достаточно прочным и небольшим, чтобы позволить вводить зонд непосредственно в живую ткань, без предварительной установки его в подкожную иглу.

Настоящее изобретение находит свое применение и вне биомедицинской области применения, в частности, в таких областях как пищевая промышленность. Например, прочность и небольшой размер наконечника зонда позволяет вводить его в свежие фрукты или мясо для определения их химических свойств. Благодаря небольшому размеру наконечника при его введении произойдет лишь минимальная деформация фруктов или мяса.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Волоконно-оптический зонддля колориметрических измерений, содержащий оптически связанные входное и выходное оптические волокна и оптическую камеру с полупроницаемой мембраной, при этом один из концов зонда выполнен в виде иглы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности колориметрических измерений за счет увеличения коэффициента пропускания, одно из волокон изогнуто под углом 180° с радиусом изгиба меньшем или равным диаметру волокна, с образованием иглы, при этом волокна заключены в защитный кожух, в котором выполнена полость для оптической камеры, образованной между противоположными горцами волокон, расположенных навстречу друг другу, причем полупроницаемая мембрана установлена на наружном торце полости.

2.Зондпоп.1,отличающийся тем, что наружный диаметр иглы зонда соответствует условию введения его в иглу 16 калибра.

3,Зондпоп.1,отличающийся тем, что наружный диаметр иглы зонда соответствует условию введения его в кровеносный сосуд.

ю

Использование: биомедицина, пищевая промышленность. Сущность изобретения: волоконно-оптический зонд колориметрического измерения химических свойств, выполненный в виде иглы, содержащий пробоотборную камеру, расположенную между противоположными торцами волокон, установленными навстречу друг другу, причем одно из волокон изогнуто под углом 180°. а полупроницаемая мембрана установлена на наружном торце полости. 2 з.п. ф-лы.З ил.

Фиаг

dfeiwWzaesec/

,ч

.«

Ш.З