Фотометр диффузного отражения

Фотометр может быть использован в аналитической химии для анализа химического состава жидких сред, в фармацевтической промышленности для контроля качества лекарственных препаратов, для анализа медицинских объектов, в экологии и др., где необходим контроль растворов на содержание тяжелых металлов. В фотометре диффузного отражения, включающий корпус, держатель с пробой и приемник излучения, установленные соосно оси корпуса, и источников излучения, расположенных равномерно вокруг оси корпуса на расстоянии от держателя с пробой, корпус выполнен в виде двух соосных прямых круговых цилиндров разного диаметра, сопряженных друг с другом конусным кольцом, на стенках которого по круговой конике закреплены источники излучения с различными длинами волн, покрывающими всю видимую область спектра, таким образом, что обеспечивается расположение оси пучка излучения каждого излучателя в одной плоскости с осью корпуса и пересечение с ней под одинаковым углом для всех излучателей, держатель с пробой и приемник излучения размещены на торцах большого и малого цилиндров корпуса соответственно, фотометр снабжен оптической системой, установленной по оси корпуса и состоящей из не менее двух линз, расположенных в цилиндре малого диаметра корпуса. Фотометр позволяет повысить чувствительность и снизить предел обнаружения за счет более эффективного использования энергии излучателей и интенсивности диффузноотраженного излучения.

Полезная модель относится к аналитической химии для анализа химического состава жидких сред и может быть широко применима в фармацевтической промышленности для контроля качества лекарственных препаратов, для анализа медицинских объектов, экология и др., где необходим контроль растворов на содержание тяжелых металлов.

Известен фотометр диффузного отражения, включающий криптоновую лампу накаливания, фотометрическую интегрирующую сферу, полихроматор и дифракционную решетку (тип I) N=600 штр/мм, R=62,5 мм вместе с ПЗС линейкой, разработанный на кафедре «Твердотельной Оптоэлектроники» Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики [http://faculty/info.ru/ttoe/sale/2].

Известный фотометр предназначен для измерения коэффициента отражения диффузно-отражающих объектов и определения их колориметрических параметров (в принятых колориметрических системах). Фотометр обладает рабочим спектральным диапазоном 380-760 нм, пределом спектрального разрешения 5 нм и фотометрической погрешностью 1%.

Фотометр не может быть использован для изучения комплексообразования красителей с элементами и регистрации изменения цвета из-за низкой чувствительности. Из-за использования лампы накаливания фотометр характеризуется высокой энергоемкостью и низкой надежностью.

Известен фотометр, содержащий источник света, конденсор, полевую диафрагму, зональные светофильтры, объектив, кювету, кассету с диффузно отражающим экраном и образцами реактивных индикаторных бумаг, а также фотоприемный блок [Патент РФ 1771531, кл. G01N 21/85, опубл. 1992]. Фотоколориметр используется без перестройки оптической схемы для анализа жидких сред, налитых в кювету, а также с помощью реактивных индикаторных бумаг, смоченных в исследуемом растворе.

Образец освещается лампой напрямую, регистрация диффузного отражения происходит детектором, расположенным под угол 8°, т.е. вырезается из всего потока излучения некий достаточно малый телесный угол, что и сказывается на снижении аналитических характеристик (чувствительности, повторяемости и проч.), теряя при этом большую часть полезного света.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является фотометр диффузного отражения, включающий корпус, блок с пробой и приемник излучения, установленные соосно оси корпуса, и не менее трех источников излучения, расположенных равномерно вокруг оси корпуса на расстоянии от блока с пробой [Патент на полезную модель 90897, кл. G01J 3/00, опубл. 2010].

Источники излучения располагаются в одной плоскости с приемником излучения равномерно вокруг него и на определенном расстоянии от объекта измерений. Фотометр предназначен для определения параметров зерна, муки и других пищевых продуктов.

В связи с большой неоднородностью объекта как по форме, так и по размерам компонентов пробы (особенно при анализе зерна) невозможно добиться высокой воспроизводимости результатов при параллельных определениях проб одной партии. Поэтому высокая точность измерения величины интенсивности диффузно отраженного излучения является излишней в этой области применения..

Основным недостатком прибора является низкая эффективность использования источников излучения: как следует из чертежа, диаграмма направленности источника излучения (светодиода) ориентирована таким образом, что на центр поверхности пробы, который вносит максимальный вклад в поступающий на фотоприемник поток диффузно отраженного излучения, приходится половина интенсивности излучения от ее величины в центре диаграммы направленности, а для относительно равномерного освещения поверхности пробы требуется не менее 3 излучателей. На чувствительную поверхность фотоприемника попадает только незначительная доля диффузно отраженного излучения, поскольку используется излучение в малом телесном угле. Увеличение его путем применения фотоприемника с большим размером чувствительной площадки ведет к значительному удорожанию прибора, а улучшение отношения сигнал/шум (определяющее точность измерений) возрастает не более, чем в корень квадратный из увеличения размера. Поэтому применение такой конструкции фотометра не целесообразно при анализе по спектрам диффузного отражения цветных подложек, где требуется достаточно высокая точность измерения сигналов..

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение чувствительности и снижение предела обнаружения за счет более эффективного использования энергии излучателей и интенсивности диффузноотраженного излучения.

Поставленная задача решается тем, что в фотометре диффузного отражения, включающем корпус, держатель с пробой и приемник излучения, установленные соосно оси корпуса, и источников излучения, расположенных равномерно вокруг оси корпуса на расстоянии от держателя с пробой, корпус выполнен в виде двух соосных прямых круговых цилиндров разного диаметра, сопряженных друг с другом конусным кольцом, на стенках которого по круговой конике закреплены источники излучения с различными длинами волн, покрывающими всю видимую область спектра, таким образом, что обеспечивается расположение оси пучка излучения каждого излучателя в одной плоскости с осью корпуса и пересечение с ней под одинаковым углом для всех излучателей, держатель с пробой и приемник излучения размещены на торцах большого и малого цилиндров корпуса соответственно, фотометр снабжен оптической системой, установленной по оси корпуса и состоящей из не менее двух линз, расположенных в цилиндре малого диаметра корпуса.

Предпочтительно в качестве источников излучения использовать светодиоды, а держатель выполнить в виде клипсы с пробой в виде цветной пластины.

Целесообразно снабдить фотометр блоком управления работой источников излучения, первичной обработки сигналов от фотоприемника и связи с внешним вычислительным устройством.

На фиг.1 представлен общий вид фотометра в разрезе.

На фиг.2 - вид А фиг.1.

На фиг.3 - внешний вид макета фотометра диффузного отражения.

На фиг.4 - спектры отражения о-фенантролина (1) и его комплекса с Fe(II) (2).

На фиг.5 - спектры дитизона (1) и его комплексов с Cu(II) (2).

Фотометр диффузного отражения содержит корпус 1, держатель с пробой 2 и приемник излучения 3, установленные соосно оси корпуса 1.

Корпус выполнен в виде двух соосных прямых круговых цилиндров разного диаметра, сопряженных друг с другом конусным кольцом.

Держатель с пробой 2 выполнен в виде клипсы, в которой укреплена цветная пластина.

Фотометр содержит источники излучения 4 с различными длинами волн, покрывающими весь спектр видимого света, в качестве которых быть использованы, например, светодиоды. Источники 4 закреплены на стенках конусного кольца корпуса 1 по круговой конике, обеспечивая расположение оси пучка излучения каждого светодиода 4 в одной плоскости с осью корпуса 1 и пересечение с ней под одинаковым углом а для всех светодиодов 4. При таком геометрическом расположении оси пучков излучения всех светодиодов 4 пересекаются с осью корпуса 1 в одной точке, в которую помещается держатель с пробой 2.

Держатель с пробой 2 и приемник излучения 3 размещены на торцах цилиндров большого и малого диаметра корпуса 1 соответственно.

Фотометр имеет оптическую систему, установленную по оси корпуса 1 и состоящую из не менее двух линз 5, расположенных в цилиндре с малым диаметром корпуса 1.

Фотометр диффузного отражения снабжен блоком управления 6 работой источников излучения 4 и приемника излучения 3, соединенным с источниками излучения 4 и приемником излучения 3, и блок первичной обработки информации 7.

Фотометр работает следующим образом.

Раствор, содержащий определяемый элемент, после пробоподготовки пропускается через пластину пробы. После концентрирования определяемого элемента при его взаимодействии с органическим аналитическим реагентом платину с пробой 2 помещают в окошко фотометра и фиксируют клипсой. Включают фотометр. При программном управлении поочередно включаются светодиоды 4. Отраженное излучение фокусируется и регистрируется приемником излучения 3.

Упрощенно схему сигнал-регистрация можно представить как: образец (цветная пластина) - прибор [конус с пластиной - оптическая система-приемник излучения (фотодиод)].

Пластина - это полимеры с нанесенным на них каким-либо органическим аналитическим реагентом, специфично изменяющие свой цвет при комплексообразовании.

Для проверки работоспособности конструкции был изготовлен макет. Диаметр основания конуса 60 мм; диаметр цилиндрической части 45 мм; длина устройства 95 мм (фиг.3).

Фотометр выполнен из дюралевого сплава массой 250 г. Корпус круглый, длина корпуса общая 95 мм, диаметр 45 мм. С одной стороны диаметр увеличен до 60 мм на длине 12 мм для крепления светодиодов. Здесь имеется внешняя резьба, на которую навинчивается крышка с клипсой у отверстия диаметром 12 мм; размер используемой цветной подложки 20 мм. На увеличенной стороне фотометра внутри по окружности конусного кольца корпуса 1 равномерно размещены 12 светодиодов под углом 45 град (Использованы светодиоды с длинами волн (нм): 407; 454; 503; 512; 570; 590; 629; 660, расстояние между ними около 10 мм). Комплектация светодиодами покрывает весь спектральный диапазон измерений, например 400÷650 нм. Пределы измерения коэффициентов отражения 0,05÷99%. Полуширина диаграммы направленности - 18÷20°. Основание конуса перекрыто диафрагмой, в центре которой отверстие диаметром 12 мм. К этому отверстию прижимается цветная пластина.

Время анализа без пробоподготовки менее 3 мин. Диапазон определяемых концентраций до 0.01 мг/л. Некоторые результаты представлены на фиг.4 и 5.

Использовали бумагу для хроматографии марки Chr 2 см × 100 м Whatman, из которой вырезали подложки размером 20×20 мм. Органические аналитические реагенты о-фенантролин и дитизон наносили из растворов 0.03% и 0.1% соответственно. Объем проб по 25 мл с концентрацией ионов железа(II) 10^-4 М при рН 3.5 и ионов меди(II) также 10^-4 М при рН 1. Статический режим, при слабом перемешивании. Спектры отражения снимали с подсушенных подложек.

В фотометре отсутствуют светофильтры, не требуется механических перемещений. Рабочее положение - любое. Может использоваться в полевых условиях.

В приборе использованы компоненты только массового или крупносерийного производства, что существенно снижает стоимость изделия. В частности светодиоды диаметром 5 мм, выпускаемые многими фирмами. При необходимости они могут быть легко заменены на другие светодиоды для решения новых задач. Время наработки светодиодов около 20000 час.

Фотометр отличает в работе: надежность, стабильность, быстрота, чувствительность.

Для сбора и обработки информации требуется подключение через интерфейс USB 2.0 к устройству на ОС Windows ХР.

Время непрерывной работы от сети переменного тока 10 ч.

Время выхода на рабочий режим не более 1 мин.

Средний срок службы 10 лет с минимумом технического обслуживания.

Прибор предполагает программное управление проведением анализа (переключение диодов, сохранение данных, обсчет и индикация результатов анализа). Не требуются никакие механические переключения.

Энергоэкономная конструкция фотометра и другие улучшенные характеристики устойчивости (пылезащита, влаго- и виброустойчивость, при любой температуре окружающей среды, и др.) позволяет работать в лабораториях и на "месте", например в поле

1. Фотометр диффузного отражения, включающий корпус, держатель с пробой и приемник излучения, установленные соосно оси корпуса, и источников излучения, расположенных равномерно вокруг оси корпуса на расстоянии от держателя с пробой, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде двух соосных прямых круговых цилиндров разного диаметра, сопряженных друг с другом конусным кольцом, на стенках которого по круговой конике закреплены источники излучения с различными длинами волн, покрывающими всю видимую область спектра, таким образом, что обеспечивается расположение оси пучка излучения каждого излучателя в одной плоскости с осью корпуса и пересечение с ней под одинаковым углом, а для всех излучателей держатель с пробой и приемник излучения размещены на торцах большого и малого цилиндров корпуса соответственно, фотометр снабжен оптической системой, установленной по оси корпуса и состоящей из не менее двух линз, расположенных в цилиндре малого диаметра корпуса.

2. Фотометр диффузного отражения по п.1, отличающийся тем, что в качестве источников излучения использованы светодиоды.

3. Фотометр диффузного отражения по п.1, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде клипсы, а пробой является цветная пластина.

4. Фотометр диффузного отражения по п.1, отличающийся тем, что фотометр снабжен блоком управления работой источников излучения, первичной обработки сигналов от фотоприемника и связи с внешним вычислительным устройством.