Фотоколориметр-рефлектометр

 

Изобретение относится к инструментальным методам химического анализа и предназначено для фотометрирования окрашенных и мутных растворов, окрашенных и серых поверхностей. Фотоколориметр-рефлектометр включает две оптопары, содержащие источники излучения - светодиоды и фотоприемники, включенные по дифференциальной схеме и образующие два оптических канала. Один из каналов выполнен как канал отражения и образует рефлектометр. Светодиоды и фотоприемники в каналах расположены под углом, обеспечивающим максимальное попадание отраженного от исследуемого образца излучения на фотоприемник. Прибор снабжен сменными приставками для работы с газообразными, жидкими и твердыми образцами. Технический результат изобретения заключается в упрощении измерительной схемы, повышении чувствительности измерений и обеспечении работы с жидкими и газообразными средами. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к инструментальным методам химического анализа и предназначено для фотометрирования окрашенных и мутных растворов и окрашенных и серых поверхностей.

Известны фотоколориметры и рефлектометры, работающие в видимой области спектра и предназначенные для фотометрирования окрашенных и мутных растворов и окрашенных и серых поверхностей [1].

Наиболее близким к изобретению является портативный колориметр-рефлектометр [2], состоящий из двух оптопар, включенных по дифференциальной схеме и образующих два оптических канала. Известный прибор измеряет коэффициент отражения цветового пятна реактивной индикаторной бумаги (РИБ), обрабатывает результаты измерений по заданному алгоритму и выдает концентрацию (в мг/мл) на табло прибора. РИБ-тест представляет собой полоску индикаторной бумаги шириной 10 мм и толщиной 0,2-0,5 мм с несмываемым реагентом-индикатором. Прибор состоит из фотометрического датчика, пульта отображения и обработки информации и блока питания. Фотометрический датчик выполнен в виде корпуса с откидной крышкой, под которой находится отверстие для выхода лучей излучателя, над которым размещается РИБ. Фотометрический датчик содержит фотометрическую ячейку с источниками оптического излучения (светодиоды), фотоприемники отраженного сигнала (фотодиоды) и электронное устройство преобразования фототока в напряжение до необходимого для измерения в амплитудно-цифровом преобразователе (АЦП) пульта, прибора.

Недостатком известного прибора является сложность измерительной схемы и невозможность работы с жидкими и газообразными образцами.

Технический результат изобретения заключается в устранении указанных недостатков, а именно в упрощении измерительной схемы, повышении чувствительности измерений и обеспечении работы с жидкими и газообразными средами.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном фотоколориметре-рефлектометре, включающем две оптопары, содержащие источники излучения - светодиоды и фотоприемники, включенные по дифференциальной схеме и образующие два оптических канала, один из каналов выполнен как канал отражения и образует рефлектометр, в котором продольная ось фотоприемника расположена под углом 2α к продольной оси источника излучения, при этом источник излучения установлен так, что расстояние "r" от центра торца источника излучения до центра светового пятна на исследуемой поверхности удовлетворяет соотношению r = (d/2+a)ctgα, где d - ширина светового пучка источника излучения, а - кратчайшее расстояние от торца светодиода до точки пересечения перпендикуляра к исследуемой поверхности в центре светового пятна с плоскостью, в которой расположен торец световода, α - угол между направлением распространения излучения и перпендикуляром к исследуемой поверхности, в качестве источников излучения использованы светодиоды с силой света не менее 0,4 кд, а в качестве фотоприемников - фототранзисторы, образующие вместе со светодиодами два плеча мостовой измерительной схемы, при этом рефлектометр снабжен сменными приставками для работы с твердыми, жидкими и газообразными средами.

При работе с твердотельными сенсорными элементами приставка выполнена в виде крышки с дном из материала со стандартной отражательной способностью.

При работе с жидкими средами приставка выполнена в виде кюветы с прозрачным дном, снабженной световым отражателем в виде крышки, имеющей зеркальное покрытие.

При работе с газообразными средами приставка выполнена в виде цилиндрической кюветы, содержащей пленку с газочувствительным индикаторным покрытием, при этом кювета снабжена отражателем в виде крышки с зеркальным покрытием и отверстиями для подачи и отвода газа.

Насадка для жидких сред имеет вид цилиндрической кюветы с прозрачным дном высотой 10-12 мм и внутренним диаметром 8 мм. Нижняя часть кюветы имеет посадочное углубление для фиксации ее на головке рефлектометра, а верхняя часть - посадочный выступ для крышки с зеркальным покрытием. Излучение светодиода, прошедшее через прозрачное дно кюветы и жидкий образец, отразившись от зеркального покрытия крышки, возвращается обратно и падает на фотоприемник, расположенный рядом со светодиодом, что позволяет вдвое увеличить оптический путь лучей и тем самым повысить чувствительность измерений. Эта насадка может также использоваться при работе с порошками и мягкими пористыми телами, покрытыми индикаторными составами, как в сухом виде, так и непосредственно в испытуемом растворе в момент проведения аналитических определений.

Насадка для работы с пористыми и твердыми образцами (бумажными индикаторными полосками) имеет вид крышки, плотно до упора надеваемой на головку рефлектометра, при этом дно крышки покрывается составом со стандартной отражательной способностью, например бумагой определенного сорта и белизны.

Насадка для работы с газами имеет вид цилиндрической кюветы с прозрачным дном и зеркальной крышкой, в которой роль образца выполняет пленка из прозрачного материала с нанесенным на пленку газочувствительным индикаторным составом, меняющим свои оптические свойства в результате взаимодействия с исследуемым газом. Излучение светодиода проходит через пленку и попадает на фотоприемник, отразившись от зеркального дна крышки кюветы. Преимуществом этой конструкции является удвоенный оптический путь лучей, а также возможность двустороннего покрытия пленки газочувствительным составом, что значительно повышает чувствительность прибора. Дальнейшее повышение чувствительности может быть достигнуто за счет использования двух и более рядом расположенных пленок. Для повышения быстродействия проведения измерений за счет улучшения условий диффузии газа кювета может быть снабжена боковыми отверстиями, а пленка перфорирована по окружности (вне пути распространения оптических лучей).

Для повышения чувствительности прибора и упрощения его конструкции в качестве источников излучения использованы светодиоды с силой света не менее 0,4 кд, а в качестве фотоприемников - фототранзисторы, которые не только регистрируют, но и одновременно усиливают полезный сигнал. Это позволяет не вводить в схему элементов усиления сигнала с сопутствующими им элементами питания, регулирования и т.п. Для повышения стабильности показаний прибора использована мостовая схема включения фототранзисторов, при которой последние образуют два плеча моста и, таким образом, работают в противофазе, гася случайные колебания в работе схемы и выделяя на их фоне полезный сигнал. Использование ярких и сверхъярких светодиодов позволяет также свести к минимуму влияние паразитной засветки фотоприемников, поскольку свет от светодиодов оказывается значительно более ярким по сравнению со светом от внешних источников.

Существенное повышение чувствительности измерений достигается за счет оптимального размещения светодиода и фотоприемника относительно фотометрируемой поверхности. Оптимальным размещением является такое, при котором фотоприемник находится на минимально возможном расстоянии от поверхности, а большая часть отраженного излучения попадает на его светочувствительную площадку.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение прибора. Несколько колориметров 1 в виде трубок диаметром 1,6 см и длиной 10 см закреплены в вертикальном положении рядом друг с другом на задней стенке 2 футляра с откидной крышкой. Верхний конец трубки - головка рефлектометра выступает на 0,5-1 см над стенкой для возможности размещения на ней сменной приставки-насадки 3. Нижний конец трубки снабжен 5-штырьковым разъемом для подключения колориметра к блоку питания 4, который в свою очередь подключен к измерительному прибору - милливольтметру 5. В нижней части трубки имеется прорезь-гнездо 6 для кюветы или ширмы. С помощью переключателя 7 можно выбрать светодиод с определенной длиной волны (два светодиода в каждом колориметре). В представленном варианте с четырьмя трубками имеется набор светодиодов с длинами волн 450, 470, 520, 565, 590, 625, 660 и 880 нм, что позволяет снимать спектры пропускания и отражения в видимой области спектра жидких и твердых образцов.

На фиг. 2 приведена оптимальная схема размещения источника излучения и фотоприемника относительно друг друга и отражательной поверхности. Из схемы видно, что для наиболее полного попадания отраженных лучей на фотоприемник последний должен быть зеркально симметричен источнику излучения относительно перпендикуляра к поверхности, исходящего из центра светового пятна на поверхности. Второе условие состоит в том, чтобы световое пятно от источника и мнимое пятно от фотоприемника совпадали, т.е. крайние лучи от них пересекались на границах светового пятна. Исходя из указанных условий можно получить уравнение для расстояния r = (a+d/2)ctgα. В случае расходящегося пучка лучей выгодно уменьшить расстояние r для повышения чувствительности измерений, что можно достичь за счет сближения источника излучения и фотоприемника (т.е. а=0) и увеличения угла зеркального отражения (но не выше 45^o). Минимально возможным может быть r=d/2.

Порядок работы с прибором.

В разъем соединительного кабеля вставляется световая трубка с нужным светодиодом и включается питание тумблером на блоке питания. При этом загораются светодиоды обоих оптических каналов (оптронов).

При работе в режиме пропускания свободный конец трубки(колориметр) закрывается крышкой с зеркальным покрытием. Кювета заполняется раствором и вставляется в гнездо. Перед началом измерений следует установить величину темнового значения A1 прибора, для чего канал пропускания (гнездо-щель) перекрывается ширмой из непрозрачной (черной) бумаги. Отмечается показание прибора A1. Затем вставляется кювета с чистым раствором (например, водой) и отмечается показание прибора A2. Разность A2 - A1 служит мерой полного светового потока, падающего на фотоприемник в отсутствие поглощающего вещества в растворе.

Чистый раствор в кювете замещается на исследуемый и отмечается показание прибора A. Расчет концентрации вещества в растворе C ведут по формуле Log{(A2-A1)/(A-A1)}=kC, где k - константа прибора для данного раствора, находимая путем калибровки прибора по растворам с известными концентрациями.

При работе в режиме рефлектометра в гнездо-щель вставляется пустая кювета с полупрозрачной ширмой (полоской бумаги), при этом меняя степень затенения канала, выводят показания прибора в нужный диапазон значений (не превышающих ± 1500 мВ при открытом конце трубки, прижатом к белому листу бумаги).

Темновое значение A1 находят, закрывая свободный конец трубки чехлом из черной бумаги. Значение A2 получают, прижимая рефлектометр к стандартной рассеивающей поверхности, относительно которой измеряется отражение образца (обычно белая бумага или подложка-носитель). Разность A2-A1 служит мерой полного светового потока, отраженного поверхностью в отсутствие поглощающего вещества (цветового пятна) на поверхности. Коэффициент отражения R находят по формуле R=(A-A1)/(A2-A1), где A - значение измерительного прибора, соответствующее текущему измерению.

При работе с насадкой для жидких сред значение максимального отражения A2 находят, заполнив кювету чистым раствором заданного объема и закрыв кювету крышкой с зеркальным покрытием.

Пример 1. Измерение оптической плотности окрашенных растворов с использованием кюветы для жидких сред осуществляли путем фотометрирования растворов хромогенов, широко используемых в иммуноанализе: продуктов пероксидазного окисления ортофенилендиамина (ОФД) и 2,2-азино-бис(3-этилбензтиазолин-6-сульфоновой кислоты) (АБТС) с максимумами поглощения при 490 и 405 нм соответственно.

Параллельно те же растворы фотометрировали на промышленном приборе - фотометре фирмы Shimadzu.

Раствор окисленного ОФД с концентрацией 0,4 мг/л последовательно разбавляли с шагом 2 и определяли ОП полученных растворов на длине волны 470 нм. Полученные данные в виде графиков зависимости ОП от разведения приведены на фиг. 3. Здесь же приведены соответствующие кривые для прибора Shimadzu.

Из фиг. 3 видно, что оба прибора дают в целом совпадающие результаты при условии совпадения длин волн и толщины фотометрируемого слоя раствора (1 см). Коэффициент корреляции между кривыми для длин волн 470 нм составляет 0,9994 в области ОП не выше 1.

Пример 2. Снятие спектров отражения с использованием приставки к рефлектометру в виде крышки с дном из материала со стандартной отражательной способностью.

Прибор позволяет определять относительные коэффициенты отражения исследуемых материалов, при этом в начале работы следует найти так называемый полный световой поток от стандартной поверхности, относительно которой будут проводиться дальнейшие измерения. В качестве стандартной можно выбрать любую поверхность с заданными или известными свойствами, например заданной (известной) белизны, заданными спектральными характеристиками и т.п.

После этого измеряется поток, отраженный от исследуемого объекта, и находится его отношение к полному световому потоку - коэффициент отражения R.

На фиг. 4 приведены графики зависимости коэффициента отражения от длины волны для четырех поверхностей разного цвета - пурпурно-красного (а), желтого с зеленым (b), голубого с зеленым (с) и голубого (d). Фиг. 4 заимствованa из [3]. здесь же приведены кривые, полученные с помощью предлагаемого прибора путем фотометрирования приведенных на фиг. 4 цветных квадратов (точки на длинах волн 430, 470, 525, 565, 590, 625, 660 нм). Как видно из фиг. 4, все экспериментальные кривые смещены вверх от кривых оригинала [3] при сохранении в целом их формы, что можно считать хорошим совпадением полученных на приборе данных с данными [3]. Систематическое завышение экспериментальных значений коэффициента отражения на всех исследованных длинах волн можно объяснить выцветанием типографской краски на рисунке оригинала за 50 лет его хранения в библиотеке, приведшее к возрастанию коэффициента отражения цветных квадратов на фиг. 4.

Источники информации 1. Заявка ФРГ N 2313528, G 01 J 3/46, 1981.

2. Паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации Колориметра-рефлектометра фирмы КОСТИП "Мультиэкотест", 1995.

3. Analytical Absorption Spectroscopy, ed. by M.G. Mellon, N.Y. JOHN Wiley & Sons, Inc., 1950.

Формула изобретения

1. Фотоколориметр-рефлектометр, включающий две оптопары, содержащие источники излучения - светодиоды и фотоприемники, включенные по дифференциальной схеме и образующие два оптических канала, отличающийся тем, что один из каналов выполнен как канал отражения и образует рефлектометр, в котором продольная ось фотоприемника расположена под углом 2α к продольной оси источника излучения, при этом источник излучения установлен так, что расстояние r от центра торца источника излучения до центра светового пятна на исследуемой поверхности удовлетворяет соотношению r = (d/2+a)ctgα, где d - ширина светового пучка источника излучения; a - кратчайшее расстояние от торца светодиода до точки пересечения перпендикуляра к исследуемой поверхности в центре светового пятна с плоскостью, в которой расположен торец светодиода; α - угол между направлением распространения излучения и перпендикуляром к исследуемой поверхности, в качестве источников излучения использованы светодиоды с силой света не менее 0,4 кандел, а в качестве фотоприемников - фототранзисторы, образующие вместе со светодиодами два плеча мостовой измерительной схемы, при этом рефлектометр снабжен сменными приставками для работы с твердыми, жидкими и газообразными средами.

2. Фотоколориметр-рефлектометр по п.1, отличающийся тем, что светодиод и фотоприемник в канале отражения расположены зеркально симметрично.

3. Фотоколориметр-рефлектометр по п.1, отличающийся тем, что при работе с твердотельными сенсорными элементами приставка выполнена в виде крышки с дном из материала со стандартной отражательной способностью.

4. Фотоколориметр-рефлектометр по п.1, отличающийся тем, что при работе с жидкими средами приставка выполнена в виде кюветы с прозрачным дном, снабженной световым отражателем в виде крышки, имеющей зеркальное покрытие.

5. Фотоколориметр-рефлектометр по п.1, отличающийся тем, что при работе с газообразными средами приставка выполнена в виде цилиндрической кюветы, содержащей пленку с газочувствительным индикаторным покрытием, при этом кювета снабжена отражетелем в виде крышки с зеркальным покрытием и отверстиями для подачи и отвода газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4