Устройство для идентификации образцов спиртосодержащих жидкостей

 

Изобретение относится к химии. Согласно изобретению устройство содержит два тождественных канала одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции образца, связанных элементом переключения так, что период переключения каналов при измерении на фиксированной длине волны падающего излучения меньше, чем период флуктуаций параметров источника излучения и фотоприемников. В одном из каналов одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции эталонного образца установлен постоянный опорный образец, обладающий неизменными спектрально-люминесцентными свойствами, а сравнение матриц возбуждения - испускания - пропускания идентифицируемого и эталонного образцов осуществляют путем последовательного сравнения их с матрицей возбуждения - испускания - пропускания постоянного опорного образца, благодаря чему достигается полная идентичность многомерных спектров образцов, полученных на разных приборах. Технический результат - создание устройства, пригодного для идентификации образцов по ВИП-спектрам, полученным на разных приборах. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области идентификации (установления тождественности) и определения подлинности объектов путем прямого сопоставления характеристик идентифицируемого и эталонного изделий, а именно к устройствам для идентификации образцов спиртосодержащих жидкостей путем прямого сопоставления полных отображений спектрально-люминесцентных свойств образцов [см. Способ идентификации спиртосодержащих жидкостей, патент RU 2150699, G 01 N 33/14, 10.06.2000] .

Известно устройство, спектрофотометр для ультрафиолетовой и видимой области Lambda 800 (PerkinElmer, USA), применяемое для получения спектров поглощения спиртных напитков в ультрафиолетовой и видимой областях [см. Тесленко П. Г. Оборудование фирмы PerkinElmer для анализа качества алкогольной продукции. Тезисы докладов Второй научно-практической конференции и выставки "Идентификация качества и безопасность алкогольной продукции", Пущино, 10-14 июля 2000 г. , с. 47] , однако оно не позволяет получить отображение люминесцентных свойств образца.

Известно также устройство, люминесцентный спектрометр LS-50B (PerkinElmer, USA), применяемое для спектрометрического анализа, контроля качества и определения подлинности спиртных напитков [см. Тесленко П. Г. Оборудование фирмы PerkinElmer для анализа качества алкогольной продукции. Тезисы докладов Второй научно-практической конференции и выставки "Идентификация качества и безопасность алкогольной продукции", Пущино, 10-14 июля 2000 г. , с. 47] .

Недостатком устройства является невозможность получения полного отображения всех (включая спектр поглощения) спектрально-люминесцентных свойств образца. Другим недостатком является отсутствие автоматического контроля за изменением спектральной чувствительности люминесцентного спектрометра LS-50B с течением времени.

Наиболее близким принятым за прототип, является устройство люминесцентный спектрометр LS-50B [см. Технические характеристики люминесцентного спектрометра LS-50B. Проспект фирмы PerkinElmer] .

Указанные устройства не могут быть применены для экспрессной идентификации образцов спиртосодержащих жидкостей по следующим причинам: - во-первых, для проведения идентификации образцов спиртосодержащих жидкостей по способу, описанному в [патент RU 2150699, G 01 N 33/14, 10.06.2000] , измерения совокупности спектров люминесценции на LS-50B необходимо дополнить измерением спектра поглощения на другом устройстве (например на спектрофотометре Lambda 800), что накладывает ограничения на возможность проведения экспрессного анализа.

- во-вторых, способ идентификации спиртосодержащих жидкостей предусматривает возможность получения совокупностей спектрально-люминесцентных свойств эталонного и идентифицируемого образцов на двух разных устройствах одного типа. Для этого необходима полная идентичность кривых спектральной чувствительности измерительных устройств. В случае LS-50B это условие не выполняется, поскольку в устройстве не предусмотрено автоматическое исправление спектральной чувствительности, которая не только различна у разных приборов, но и изменяется со временем.

Техническая задача изобретения - создание устройства для идентификации образцов спиртосодержащих жидкостей (спиртов и водок) путем сравнения матриц возбуждения - испускания - пропускания (ВИП-матрицы или ВИП-спектры) идентифицируемого и эталонного образцов (матрица возбуждения - испускания - пропускания является полным отображением спектрально - люминесцентных свойств образца).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - создание типа устройства, пригодного для идентификации образцов спиртосодержащих жидкостей по ВИП-спектрам, полученным на разных приборах указанного типа.

Предлагаемое устройство содержит источник непрерывного оптического излучения в видимой и ультрафиолетовой областях, монохроматор для выделения требуемой длины волны падающего на образец излучения, кюветное отделение для размещения исследуемого образца, фотоприемник для измерения интенсивности прошедшего через образец монохроматического излучения, монохроматор с фотоумножителем для выделения требуемой длины волны и измерения интенсивности света люминесценции образца, электронно-вычислительный модуль для управления процессами измерения, построения и сравнения матриц возбуждения - испускания - пропускания образцов.

Предлагаемое устройство отличается тем, что кюветное отделение содержит канал одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции идентифицируемого образца и тождественный ему канал одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции эталонного образца. С помощью оптического переключателя излучение люминесценции и излучение, прошедшее через идентифицируемый и эталонный образцы, поочередно попадают на пару фотоприемников (фотоэлектронный умножитель и фотодиод). Период переключения каналов при измерении на фиксированной длине волны падающего излучения выбирают таким, чтобы он был меньше периода флуктуации параметров источника излучения и обоих фотоприемников.

Вариант реализации устройства, при котором в канале одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции эталонного образца устанавливают постоянный опорный образец, обладающий неизменными спектрально - люминесцентными свойствами, а сравнение матриц возбуждения-испускания - пропускания идентифицируемого и эталонного образцов осуществляют путем последовательного сравнения их с ВИП-матрицей постоянного опорного образца, обеспечивает идентичность ВИП-спектров (ВИП-матриц), полученных на разных приборах указанного типа.

Дополнительный технический результат, приводящий к повышению экспрессности идентификации, может быть получен в том случае когда в канал одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции идентифицируемого образца устанавливают автоматический регулятор интенсивности света люминесценции.

Предлагаемое устройство позволяет: 1. Осуществлять одновременное измерение спектров испускания (люминесценции) и поглощения на одном устройстве.

2. Автоматически корректировать кривую спектральной чувствительности устройства.

3. Осуществлять автоматическое построение ВИП-матрицы образца водки или спирта.

Все перечисленное обеспечивает высокую стабильность и идентичность получаемых ВИП-спектров и достоверность идентификации образцов.

Для пояснения описываемого устройства на фиг. 1 приведена принципиальная оптическая схема. Процесс измерения ВИП-спектров предлагаемым устройством сводится к выполнению следующих операций.

1. Получение спектра пропускания.

Дуга ксеноновой лампы (источник интенсивного излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазоне) изображается конденсором осветительной системы в плоскости диафрагмы возбуждающего монохроматора, заполняя светом щель диафрагм. Далее щель диафрагмы изображается вогнутой дифракционной решеткой и вогнутым зеркалом в плоскости такой же щелевой диафрагмы. Дифракционная решетка и зеркало создают в плоскости диафрагмы растянутую картину спектра. Поворачивая дифракционную решетку вокруг оси, параллельной штрихам решетки, выделяют щелью выходной диафрагмы излучение любой длины волны от 200 до 1200 нм.

Объектив Л1 создает в кюветном отделении слабо сходящийся монохроматический пучок света, который расщепляется на два пучка примерно одинаковой интенсивности посредством светоделительного кубика СдК1.

Возбуждающий световой поток фокусируется линзами Л2 и Л6 на помещенные в идентичные кварцевые кюветы анализируемый образец (КАО) и образец сравнения (КОС).

Часть света, прошедшая через образцы КАО, КОС и систему поворотных зеркал (ПЗ), попеременно попадает на фотодиод. Ток фотодиода, возникающий под воздействием световых потоков, проходящих через образцы, подается на вход усилителя постоянного тока (УПТ).

По схеме включения фотодиод работает практически в режиме короткого замыкания. Такой режим обеспечивает высокую линейность электрической схемы измерения пропускания (поглощения) образцов. При стабильном световом потоке от источника света ток фотодиода в рабочем интервале длин волн изменяется примерно на три порядка, значительно уменьшаясь в области ультрафиолета. Поэтому в электрической схеме УПТ предусмотрена возможность изменения его чувствительности. Общая максимальная чувствительность УПТ определяется минимальным измеряемым током фотодиода на длине волны 200 нм. Общий коэффициент усиления УПТ и величина сопротивления нагрузки фотодиода выбраны таким образом, чтобы на длине волны 200 нм выходное напряжение УПТ было достаточным для нормальной работы АЦП.

Выбор чувствительности УПТ осуществляется процессором путем включения реле, переключающего нагрузку. Усиленный сигнал с УПТ подается на АЦП и через полный параллельный интерфейс в процессор, где обрабатывается.

Для получения значений коэффициента пропускания амплитуда сигнала от анализируемого образца делится на амплитуду сигнала от образца сравнения (для каждой длины волны возбуждения): где величина определяется в процессе настройки устройства и хранится в памяти ПК ЭВМ; K_анализ и K_сравн2 - коэффициенты пропускания кювет анализируемого образца и образца сравнения; а_оп - отношение интенсивностей прошедшего излучения в каналах анализа и сравнения; отношение интенсивностей падающего излучения в каналах анализа и сравнения; T_c(λ_возб) - коэффициент пропускания образца сравнения.

1. Получение спектров люминесценции.

Монохроматическое излучение с длиной волны λ_возб вызывает люминесценцию анализируемого образца и образца сравнения. Излучение люминесценции посредством оптического переключателя каналов анализируемого образца и образца сравнения, выполненного в виде двух подвижных диафрагм Пс1 и Пс2, переключаемых электромагнитным реле, поочередно фокусируется в плоскости входной диафрагмы монохроматора люминесценции. Выходная щель монохроматора люминесценции выделяет излучение с длиной волны λ_люм. Для отсекания второго порядка рассеянного образцами возбуждающего света при работе в соответствующей области спектра перед монохроматором люминесценции автоматически вводится отсекающий светофильтр.

Ослабитель - диафрагма (ОД) предназначен для регулировки интенсивности света люминесценции анализируемого образца. Цель такой регулировки состоит в поддержании скорости счета одноэлектронных импульсов в диапазоне ниже предельно допустимой скорости счета, обусловленной конечностью апертуры анодного импульса (ФЭУ), и выше минимальной скорости счета, при которой относительная погрешность, обусловленная статистическим характером потока фотонов люминесценции, не превышает 1%.

Излучение с длиной волны λ_люм попадает на фотокатод фотоэлектронного умножителя. Одноэлектронные импульсы с анодной нагрузки ФЭУ поступают на вход усилителя и далее сосчитываются счетчиком.

Каждому участку спектров люминеценции образца сравнения и анализируемого образца с шириной Δλ_люм соответствует время набора импульсов Δτ с. Для каждой длины волны возбуждения λ_возб значения интенсивностей люминесценции идентифицируемого и опорного образцов, измеряемые для значений длин волн от λ_люм начальное до λ_люм конечное через Δλ_люм, по параллельному интерфейсу поступают в процессор, где обрабатываются.

Обработка спектров люминесценции анализируемого образца состоит в делении значений интенсивности в спектре его люминесценции на значения интенсивностей в спектре люминесценции образца сравнения при соответствующих длинах волн:



где K_анализ и K_сравн2 - коэффициенты потерь света на кюветах анализируемого образца и образца сравнения, хранятся в памяти ПК ЭВМ; α_on - отношение интенсивностей прошедшего излучения в каналах анализа и сравнения; Т_Ос- коэффициент пропускания ослабителя - диафрагмы.

Каждый набор точек люминесценции для одного значения λ_возб представляет собой строку L^*_анализ(λ_люм) в ВИП-матрице анализируемого образца.

Поделив L^*_анализ(λ_люм) на , получают строку исправленных значений ВИП-матрицы анализируемого образца:

Исправленные значения

представляют собой меры различия образца сравнения и анализируемого образца, причем определяется в ходе тестирования прибора, K_анализ и K_сравн2 конкретного устройства, хранятся в памяти ПК ЭВМ.

Поскольку функция L_анализ(λ_люм) зависит лишь от физических параметров образцов и не зависит от характеристик измерительного устройства, постольку ее можно применять для сличения различных образцов путем сравнения ВИП-матриц, составленных из значений функций L_анализ(λ_люм) и T_c(λ_возб) для упорядоченных наборов длин волн возбуждения и люминесценции (см. матрицу в конце описания).

Пример измерения ВИП-спектров (получения ВИП-матриц) и установления тождественности (идентификации) образцов водки предлагаемым устройством.

Количество образца, необходимое для проведения анализа, переливают из упаковки завода-изготовителя в чисто вымытую кварцевую кювету. Затем кювету с анализируемым образцом устанавливают в кюветное отделение и запускают режим измерения. Процессом измерения спектрального распределения интенсивности люминесценции и коэффициента пропускания управляет программа электронно-вычислительного блока устройства. По окончании измерения на экране видеомонитора появляется надпись "Заполните информационную карту образца". Заполняют информационную карту и нажатием клавиши "Enter" создают многомерный ВИП-спектр исследуемого образца. Результат измерения сохраняется на жестком магнитном носителе в виде текстового файла и может быть выведен на видеомонитор или принтер либо в графическом виде (фиг. 2), либо в виде таблицы - ВИП-матрица (фиг. 3).

Пример идентификации образцов водки предлагаемым устройством.

Установление тождественности (идентификация) образцов водки осуществляется путем сопоставления полученных для них ВИП-спектров (ВИП-матриц). Запускают режим идентификации. При этом на экране видеомонитора появляется надпись "Введите имя файла первого образца". Набирают имя файла первого образца и нажимают клавишу "Enter", На экране появляется надпись "Введите имя файла второго образца". Набирают имя файла второго образца и запускают программу сопоставления ВИП-спектров (ВЦП-матриц) идентифицируемых образцов. Результат идентификации выводится на экран видеомонитора в виде надписи: "образцы тождественны" или "образцы не тождественны".

Результат идентификации сохраняется на жестком магнитном носителе в виде текстового файла и может быть выведен на видеомонитор или принтер в виде графической иллюстрации (фиг. 4) или в виде таблиц (фиг. 5).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет в полном объеме реализовать способ идентификации спиртов и водок путем прямого сопоставления полных отображений спектрально-люминесцентных свойств образцов по способу, изложенному в [патент RU 2150699, G 01 N 33/14, 10.06.2000]

Формула изобретения

1. Устройство для идентификации образцов спиртосодержащих жидкостей путем сравнения матриц возбуждения - испускания - пропускания идентифицируемого и эталонного образцов, содержащее источник непрерывного оптического излучения в видимой и ультрафиолетовой областях, монохроматор для выделения требуемой длины волны падающего на образец излучения, кюветное отделение для размещения исследуемого образца, фотоприемник для измерения интенсивности прошедшего через образец монохроматического излучения, монохроматор с фотоумножителем для выделения требуемой длины волны и измерения интенсивности света люминесценции образца, электронно-вычислительный модуль для управления процессами измерения, построения и сравнения матриц возбуждения - испускания - пропускания образцов, отличающееся тем, что кюветное отделение содержит канал одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции идентифицируемого образца и тождественный канал одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции эталонного образца, которые связаны элементом переключения так, что период переключения каналов при измерении на фиксированной длине волны падающего излучения меньше, чем период флуктуаций параметров источника излучения и фотоприемников.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в канале одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции эталонного образца устанавливают постоянный опорный образец, обладающий неизменными спектрально-люминесцентными свойствами, а сравнение матриц возбуждения - испускания - пропускания идентифицируемого и эталонного образцов осуществляют путем последовательного сравнения их с матрицей возбуждения - испускания - пропускания постоянного опорного образца.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что в канал одновременного измерения коэффициента пропускания и интенсивности люминесценции идентифицируемого образца устанавливают автоматический регулятор интенсивности света люминесценции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7