Лазерный флуориметр

Полезная модель относится к устройству для бесконтактного исследования потоков жидкости посредством ее облучения лазерным импульсом и может быть использована в области экологии, лимнологии и океанологии при измерении в водной среде спектров флуоресценции органических веществ. Сущность устройства заключается в том, что оно выполнено как минимум двухканальным и содержит оптически связанные между собой источник лазерного излучения, оптическое устройство в виде зеркала, оптическую кювету, светофильтр, оптический анализатор, связанный с компьютером, а также датчики измерения солености и температуры. Оптический анализатор выполнен на базе полихроматора и включает также электронно-оптический преобразователь (ЭОП), оптическую систему переноса изображения и цифровую видеокамеру. Светофильтры соединены с оптическим анализатором посредством световодов. Количество оптических устройств, эспандеров, оптических кювет и светофильтров соответствует количеству каналов флуориметра. Технический результат заключается в увеличении числа одновременно регистрируемых спектров флуоресценции, возбуждаемых разными источниками (лазерами), позволяя контролировать несколько веществ, составляющих исследуемую жидкость, а при аналитических расчетах - корректировать результат, получать более достоверные данные.

Полезная модель относится к устройству для бесконтактного исследования водной среды посредством ее облучения лазерным импульсом и может быть использована в экологическом мониторинге акваторий, их планктонного сообщества, обширных подспутниковых измерений (для сканеров цвета моря), а также для других задач анализа состава смесей и взвесей.

Известен судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды (А.Ю.Майор, О.А.Букин, А.Н.Павлов, В.Д.Киселев "Судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды". Приборы и техника эксперимента, 2001, 4, с.151-154). Известный лазерный флуориметр состоит из лазерного источника, излучение которого через поворотную призму попадает в оптически прозрачное входное окошко проточной кюветы, в которую при помощи насоса накачивается забортная жидкость. Излучение флуоресценции через выходное окно проточной кюветы, светофильтр и фокусирующий объектив направляется в оптический анализатор, включающий сканирующий монохроматор, ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), интегратор и АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Сканирующий монохроматор содержит в себе дифракционную решетку, положение которой изменяется при помощи шагового двигателя управляемого с компьютера. Полученные в монохроматоре спектральные линии при помощи ФЭУ, интегратора и АЦП переводятся в цифровую форму и подаются на компьютер для дальнейшей обработки. Флуориметр содержит также кювету с датчиками для измерения солености и температуры забортной воды, соединенными с компьютером.

Однако известный флуориметр не позволяет осуществлять одновременное измерение всего спектра из-за использования сканирующей приемной системы с шаговым двигателем. Кроме того, известный флуориметр содержит в себе подвижные механические части, которые требуют отдельного контроля, конструктивно сложен, имеет значительные габариты.

Наиболее близким к заявляемому устройству является судовой проточный лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды (патент РФ на полезную модель 53016, МПК G01N 21/64, опубликовано 27.04.2006 г.). Известный флуориметр состоит из лазерного источника, оптически связанные между собой источник лазерного излучения, оптическое устройство в виде поворотной призмы, оптическую проточную кювету, светофильтр, оптический анализатор, связанный с компьютером, а также датчики измерения солености и температуры, при этом оптический анализатор выполнен на базе полихроматора и включает также электронно-оптический преобразователь (ЭОП), оптическую систему переноса изображения и черно-белую цифровую видеокамеру.

Недостатком известного лазерного флуориметра является невозможность одновременной регистрации нескольких спектров флуоресценции, возбуждаемых разными источниками накачки (лазерами).

Технической задачей заявляемой полезной модели является создание лазерного флуориметра, который позволяет проводить одновременно измерение количества растворенного органического вещества и пигментов планктона, и обеспечивает повышение достоверности и качества полученных результатов.

Техническая сущность решения. Лазерный флуориметр, выполненный как минимум 2-х канальным, содержит оптически связанные между собой источник лазерного излучения, оптическое устройство, эспандер, оптическую кювету, светофильтр, оптический анализатор, состоящий из полихроматора, электронно-оптического преобразователя, оптической системы передачи изображения и соединен с компьютером посредством цифровой видеокамеры, к компьютеру также подключены датчики измерения солености и температуры. Количество оптических устройств, эспандеров, оптических кювет и светофильтров соответствует числу каналов флуориметра. Светофильтры соединены с оптическим анализатором посредством световода.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема двухканального лазерного флуориметра; на фиг.2 - приведены спектры флуоресценции морской воды, возбуждаемые второй гармоникой Nd:YAG лазера; на фиг.3 - приведены спектры флуоресценции морской воды, возбуждаемые третьей гармоникой Nd:YAG лазера; на фиг.4 - укладка оптоволокна в световоде со стороны спектрографа.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - источник лазерного излучения, 2 - оптическое устройство в виде зеркала, 3 - эспандер, 4 - оптическая кювета, снабженная оптически прозрачными окнами, 5 - светофильтр; 6 - световод, 7 - спектрограф в качестве полихроматора, 8 - ЭОП (электронно-оптический преобразователь), 9 - оптическая система передачи изображения (объектив), 10 - цифровая видеокамера, 11 - ЭВМ, 12 - насос, 13 - измерительная кювета, снабженная датчиками (на фиг.1 не показаны) для измерения температуры и солености проточной воды.

Лазерный флуориметр работает следующим образом. Излучение генерируется источником лазерного излучения 1, и пройдя через зеркало 2 и эспандер 3 расширяющий луч лазера до размеров, окна кюветы, поступает в оптическую кювету 4 через входное окно. Индуцированный в оптической кювете 4 сигнал флуоресценции проходит через боковое окно на вход световода 6, который расположен за светофильтром 5, установленным для подавления лазерного рассеянного излучения. С выхода световода 6 первого канала (фиг.4), совмещенного с щелью спектрографа 7, излучение попадает в спектрограф 7. Одновременно излучение от источника лазерного излучения 1 проходит по второму каналу через зеркало 2 и эспандер 3 и поступает в оптическую кювету 4 через входное окно. Индуцированный в оптической кювете 4 сигнал флуоресценции проходит через боковое окно на вход световода 6, который расположен за светофильтром 5. С выхода световода 6 второго канала (фиг.4), совмещенного с щелью спектрографа 7, излучение попадает в спектрограф 7. Непосредственно за спектрографом 7 располагается ЭОП 8, который усиливает изображение спектров флуоресценции, а оптическая система 9 передачи изображения переносит изображение спектра с выходного окна ЭОП 8 на цифровую видеокамеру 10, сигнал с которой в оцифрованном виде передается на ЭВМ 11. Насос 12 обеспечивает прокачку забортной воды через оптическую кювету 4 и измерительную кювету 13, в которой расположены связанные с компьютером 11 датчики для измерения температуры и солености морской воды, сведения с которых требуются для последующего вычисления концентраций органических веществ. Местонахождение измерительной кюветы 13, приведенное на фиг.1 является одним из вариантов ее расположения. Она может располагаться как перед оптической кюветой 4, так и после нее.

Конкретное аппаратурный состав устройства зависит от поставленной задачи измерений, необходимой точности и условий использования. Так, в качестве источника лазерного излучения используют стандартные лазерные источники, например, Nd-YAG лазер или любой другой, излучающий в видимом диапазоне 350-535 нм, с длительностью импульса порядка 10-20 нсек и энергией порядка 20 мДж и непрерывно с мощностью порядка 10-40 мВт. Используемый в устройстве полихроматор должен обеспечивать регистрацию спектра в диапазоне 390 нм - 780 нм без наложения порядков, обратной линейной дисперсией порядка 15-30 нм/мм, размером изображения как минимум 5×25 мм и относительным отверстием не менее 1:2, для согласования со стандартными кварцевыми световодами Na=0.22, например, для изучения фитопланктона используют спектрограф CP-140 или аналогичный другой. Оптическая система переноса изображения представляет собой объектив, позволяющий перенести изображение с выходного экрана ЭОП на ПЗС матрицу видеокамеры. Технические характеристики объектива подбираются обычным образом с целью согласования размеров изображения на ЭОП и размеров ПЗС матрицы. В качестве регистрирующего прибора используют любую черно-белую цифровую видео-камеру с чувствительностью не ниже 10^-3 лК.

Вторая гармоника 532 нм возбуждает флуоресценцию хлорофилла А фитопланктона, линия Хл А (680 нм) фиг.2, в основном через фотоантенну фотосинтетической ячейки, сам хлорофилл А в этой области поглощает слабо. При таком возбуждении основной вклад в его флуоресценцию вносят живые клетки фитопланктона. Близкое расположения линии комбинационного рассеяния воды (КР), линия КР (649 нм) фиг.2, к флуоресценции хлорофилла А, линия Хл А (680 нм) фиг.2, позволяет использовать ее в качестве репера - оптические свойства воды меняются слабо в области этих линий в широком диапазоне внешних условий, что особенно удобно при расчете абсолютных значений концентраций хлорофилла А. Однако линия КР перекрывает область где высвечиваются другие, слабо флуоресцирующие пигменты фитопланктона. При таком возбуждении не доступны и исследования пигментов, чьи линии флуоресценции лежат в области короче 560 нм.

Вторая гармоника 532 нм возбуждает широкополосную флуоресценцию РОВ в основном связанного с жизнедеятельностью фитопланктона или загрязнениями ароматическими и др. углеводородами в области от 550 до 750 нм.

Третья гармоника 355 нм возбуждает флуоресценцию пигментов фитопланктона менее эффективно, но ширина спектра значительно шире (фиг.3). Это позволяет регистрировать большее число пигментов фитопланктона, а при больших концентрациях фитопланктона и слабо флуоресцирующие пигменты, что дает возможность определять смену видового состава, стадии развития и другие характеристики фитопланктона.

Флуоресценцию РОВ третья гармоника 355 нм возбуждает значительно эффективней. Регистрируется флуоресценция РОВ обусловленного как природными явлениями (течения, пылевые бури, терригенные выносы и т.п.) так и антропогенным влиянием. Для некоторых углеводородов (топлив, масел) возможна идентификация по характерным широкополосным линиям спектра.

Использование информации поступающей с двух каналов позволит заметно поднять достоверность и качество исследований фитопланктонных сообществ и окружающей их среды, а так же расширить круг решаемых задач в свете растущего антропогенного воздействия и изменения климата. Кроме того, возможно выявление новых зависимостей при одновременной регистрации спектров с различным возбуждением.

Сигналы со всех каналов преобразуются и усиливаются одной и той же приемной системой, содержащей: спектрограф, ЭОП, объектив и ПЗС-камеру (на фиг.1. позиции 7-10). Это значительно снижает погрешности измерений связанные с температурной и временной нестабильности приемной системы в широком диапазоне температур окружающей среды (от 10 до 30°С). Получаются достаточно стабильные коэффициенты преобразования (усиления) как для разных каналов флуоресценции, так и для разных участков спектра сигналов.

Использование световода для доставки излучения к приемной системе позволяет использовать не только кюветы различной конструкции, но и получать излучение непосредственно из исследуемой среды, например, проводить исследования флуоресценции морского фитопланктора и РОВ по глубине, заглубляя только световод с насадкой (кюветой). Световод так же может позволить использовать флуориметр без лазерной накачки, например, в качестве фотометра для исследования по глубине восходящего излучения океана, возбуждаемого солнцем, биолюминесценции океана и т.п.

В отличие от прототипа, содержащего оптический одноканальный анализатор, в заявляемом устройстве используется оптический многоканальный анализатор, который позволяет получать несколько спектров флуоресценции исследуемого потока жидкости, возбуждаемых разными источниками (лазерами), за одно измерение, тогда как прототип за одно измерение дает возможность исследовать только один спектр и перестройка его под другой источник возбуждения займет много времени и может потребовать дополнительной калибровки, что не приемлемо в процессе измерений.

1. Лазерный флуориметр, содержащий оптически связанные между собой источник лазерного излучения, оптическое устройство, оптическую кювету, светофильтр, оптический анализатор, состоящий из полихроматора, электронно-оптического преобразователя, оптической системы передачи изображения и соединен с компьютером посредством цифровой видеокамеры, к компьютеру также подключены датчики измерения солености и температуры, отличающийся тем, что лазерный флуориметр выполнен как минимум 2-канальным, количество оптических устройств, эспандеров, оптических кювет и светофильтров соответствует числу каналов флуориметра, при этом светофильтры соединены с оптическим анализатором посредством световодов.

2. Лазерный флуориметр по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического устройства используют зеркало.

3. Лазерный флуориметр по п.1, отличающийся тем, что в качестве полихроматора используют спектограф.

4. Лазерный флуориметр по п.1, отличающийся тем, что эспандер предназначен для согласования размеров луча лазера с используемой кюветой.