Способ и устройство для анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения

 

Изобретение предназначено для измерения отношения содержания изотопов путем уравнивания уровней сигналов поглощения различных типов изотопов. Устройство для анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения содержит ячейку 21 для образца, предназначенную для формирования оптических путей различной оптической длины и обеспечения ввода в ячейку 21 для образца оптических пучков А, В так, чтобы оптические пучки проходили по путям с различными оптическими длинами, благодаря чему определяется отношение между относительным содержанием типов изотопов в молекулах из отношения между интенсивностями сигналов, соответствующих типам изотопов. Техническим результатом является повышение точности измерений. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение касается способа и устройства для анализа изотопомеров по спектру поглощения для точного количественного анализа изотопомера - молекулы, содержащей изотоп, - для того, чтобы сделать вывод о ее происхождении, для планирования ее применений в научных областях, включая анализ окружающей среды, для применения в области медицины, включая диагностику, и применения в других областях.

Предшествующий уровень техники В обычных устройствах для анализа по спектру поглощения применяется ячейка для образца с одним оптическим путем.

Когда отношение относительного содержания изотопов (отношение между относительным содержанием двух изотопов) значительно отличается от 1:1, то имеется большая разница между уровнями сигналов поглощения, соответствующих типам изотопов, в зависимости от типов изотопов. Например, для СН₄, имеющего естественное происхождение, отношение относительного содержания ¹²С₄ к ¹³СН₄ приблизительно 100: 1 и, следовательно, уровень сигнала поглощения ¹²CH₄ приблизительно в 100 раз превосходит уровень сигнала поглощения ¹³С₄ что делает затруднительным точное измерение отношения содержания изотопов.

Краткое изложение существа изобретения Настоящее изобретение предназначено для разрешения вышеупомянутой проблемы. В основу настоящего изобретения поставлена задача создания устройства и способа для анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения, который позволяют присваивать сигналам поглощения, соответствующим различным изотопам, по существу один и тот же уровень, благодаря чему возможно выполнить точное измерение отношения содержания изотопов.

Поставленная задача решается тем, что устройство для анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения согласно изобретению содержит ячейку для образца, имеющую одно окно для ввода в него по меньшей мере двух оптических пучков и способную формировать оптические пути с различной оптической длиной, по меньшей мере два оптических пучка вводятся в ячейку для образца так, чтобы оптические пучки проходили по оптическим путям с различными оптическими длинами, и отношение между относительным содержанием типов изотопов в молекулах определяется из отношения между интенсивностями сигналов поглощения, соответствующих типам изотопов.

Целесообразно, чтобы по меньшей мере два оптических пучка излучались из одного светового источника с изменяемой длиной волны или из множества световых источников с фиксированными длинами волн или с изменяемыми длинами волн.

Полезно, чтобы ячейка для образца представляла собой ячейку поглощения с многократным отражением, содержащую парные отражательные зеркала.

Поставленная задача решается также тем, что в способе анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения согласно изобретению используют ячейку для образца, содержащую одно окно для ввода в нее по меньшей мере двух оптических пучков и способную формировать оптические пути с различными оптическими длинами, чтобы по существу уравнять уровни сигналов поглощения, соответствующих типам изотопов, благодаря чему возможно осуществить точное измерение отношения между относительным содержанием типов изотопов.

Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: фиг.1 изображает блок-схему системы для анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения согласно изобретению; фиг. 2 изображает модификацию светового источника, используемого в системе для анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения, согласно изобретению; фиг. 3 изображает модификацию ячейки, используемой в системе для анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения, согласно изобретению.

Наилучшие варианты осуществления изобретения Ниже подробно описан способ осуществления настоящего изобретения.

В основе заявленной системы лежит способ лазерной спектроскопии с применением множества оптических путей.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства для анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения, которое содержит соединенные согласно чертежу модуль 1 управления первой частотой и модуляции, первый лазерный диод LD₁ 2, отражательные зеркала 3, 4, 5, первый оптический детектор D₁ 6, демодулятор 7 первого сигнала, второй модуль 11 управления/модуляции частоты, второй лазерный диод LD₂ 12, отражательные зеркала 13, 14, 15 и 16, второй оптический детектор D₂ 17, демодулятор 18 второго сигнала, устройство 19 обработки сигналов, ячейку 21 с длинными оптическими путями, парные отражательные зеркала 22 и 23, проверяемый образец 31, в котором неизвестно отношение относительного содержания ¹²СН₄ к ¹³СН₄. Устройство содержит также эталонный материал 32, в котором известно отношение относительного содержания ¹²CН₄ к ¹³CН₄, вентили 33, 34 и 35 управления положениями "открыто" - "закрыто". В ячейке 21 с длинными оптическими путями более длинный оптический путь представлен сплошной линией, а более короткий оптический путь представлен пунктирной линией. Длина оптического пути, определяемая числом отражений, устанавливается путем регулировки угла падения соответствующего оптического пучка и/или углов зеркал. Ячейка 21 для образца представляет собой ячейку поглощения с многократным отражением.

Оптические пучки А и В из световых источников направляют для входа под различными углами в ячейку 21 с длинными оптическими путями, выполняющую функцию ячейки поглощения с многократным отражением и снабженную парными отражательными зеркалами 22 и 23 так, чтобы оптические пучки А и В проходили по оптическим путям с различными длинами, например 1 м и 100 м. Таким образом может быть обеспечена разность оптических путей, подходящая для измерения отношения относительного содержания изотопомеров в образце.

Относительное содержание изотопомера - изотопсодержащей молекулы в значительной степени изменяется в зависимости от его происхождения и других факторов. Следовательно, с помощью точного измерения отношения между относительным содержанием изотопомеров в образцах, собранных из различных мест по всему миру, можно подробно проанализировать образование, перенос и исчезновение веществ, находящихся в окружающей среде.

Настоящее изобретение обеспечивает высокоэффективный анализ, который дополняет массовый анализ, обычно применяемый для анализа изотопомеров. В способе согласно настоящему изобретению измеряется отношение сигнала поглощения одного изотопомера к сигналу поглощения другого изотопомера и оно сравнивается с таким же отношением для эталонного материала 32.

Было измерено отношение ¹³CH₄/^l2CН₄ для метана, содержащегося в атмосфере. Известно, что это отношение должно быть приблизительно 1/100. Следовательно, чтобы получить абсолютную величину сигналов поглощения по существу одного и того же уровня, можно применить один из следующих способов. В первом способе используется комбинация интенсивного падающего пучка, который должен поглощаться ¹³CН₄, и слабого падающего пучка, который должен поглощаться ¹²СН₄. Во втором способе используются два интенсивных пучка и обеспечивается их прохождение по оптическим путям с различными длинами. Отношение измерялось в соответствии со вторым способом путем использования устройства для анализа, согласно изобретению, снабженного модифицированной ячейкой с длинными оптическими путями Херриотта (выпускается фирмой New Focus) и двумя полупроводниковыми лазерами (лазерные диоды) со стабилизированными длинами волн. Длины оптических путей составляют 100 м и 1.1 м.

В вышеуказанном варианте выполнения изобретения оптические пучки создавали путем использования нескольких световых источников.

В альтернативном варианте (фиг.2) несколько оптических пучков создано путем использования одного светового источника - лазерного диода LD 42 и полупрозрачного зеркала для разделения пучка, выходящего из светового источника. Устройство содержит дополнительно модуль 41 управления/модуляции частоты и отражательные зеркала 44, 45.

В вышеупомянутом варианте используется ячейка, содержащая отражательные зеркала, благодаря чему обеспечивается создание множества оптических путей, имеющих различную оптическую длину. Однако конструкция ячейки не ограничивается вышеупомянутой конструкцией. Может также использоваться ячейка (фиг. 3), содержащая часть 51 с коротким оптическим путем и часть 52 с длинным оптическим путем.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами выполнения. Возможны многочисленные модификации и вариации в рамках настоящего изобретения.

Как подробно было описано выше, за счет использования ячейки для образца, которая может обеспечить множество оптических путей с различными оптическими длинами, уровни сигналов поглощения, соответствующих различным типам изотопов, могут быть по существу уравнены, чтобы можно было точно измерить отношение относительного содержания изотопов.

Промышленная применимость Настоящее изобретение позволяет провести точный количественный анализ изотопомера - молекулы, содержащей изотоп, чтобы сделать заключение о ее происхождении. Предполагается, что изобретение найдет применение в научных областях, включая анализ окружающей среды, а также для диагностики в медицине.

Формула изобретения

1. Устройство для анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения, отличающееся тем, что содержит ячейку для образца, имеющую окно для ввода по меньшей мере двух оптических пучков, излучаемых от одного светового источника с изменяемой длиной волны или от множества световых источников с фиксированными или изменяемыми длинами волн, и способную обеспечивать оптические пути различной оптической длины, при этом обеспечивается ввод по меньшей мере двух оптических пучков в ячейку для образца так, чтобы оптические пучки проходили по оптическим путям с различными оптическими длинами, для определения отношения между относительным содержанием типов изотопов в молекуле из отношения между интенсивностями сигналов поглощения, соответствующих типам изотопов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ячейка для образца представляет собой ячейку поглощения с многократным отражением, содержащую парные отражательные зеркала.

3. Способ анализа изотопсодержащих молекул по спектру поглощения, отличающийся тем, что используют ячейку для образца, содержащую окно для ввода по меньшей мере двух оптических пучков, излучаемых от одного светового источника с изменяемой длиной волны или от множества световых источников с фиксированными или изменяемыми длинами волн, в ячейку и способную обеспечивать оптические пути различной оптической длины, для уравнивания уровней сигналов поглощения, соответствующих типам изотопов, и тем самым обеспечивают точное измерение отношения между относительным содержанием типов изотопов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3