Рефрактометрическая оптическая система

 

(l.

О 6А Ю "А — Й=-И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалксткческнх

Республкк

<" ?17634

Ф

J (6I ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07.07.77 (21) 2508366/18 25 с присоединением заявки ¹ (51)М. Кл.

G 01 Н 21/46 йеудеротеенный комитет

СССР

an делам изооретений н открытий (23) П риоритет

Опубликовано 25,02.80. Бюллетень ¹ 7

Дата опубликования описания 25.02.80 (53) УДК 535

322,4 (088.8) (72) А вторы изобретения

А. X. Марголин, Ю. А. Лотц, А. И. Самбурский и Л. A. Утюгова (7!) Заявитель Специальное конструкторское бюро биофизической аппаратуры (54) РЕфРАКТОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИЧЕСКАЯ

С ИСТЕМА

Изобретение относится к измерительным устройствам, осуществляющим регистрацию распределения градиента показателя преломления, и может быть использова-но для измерения распределения градиента концентрации вещества в кювете ана5 литической ультрацентрифуги, создаваемого под действием центробежного поля.Известны рефрактометрические опти= ческие системы, состоящие из источника

10 света, щели коллиматорной линзы, кюветы с исследуемым веществом и балансировочной кюветы с масштабными отверстиями, помещенных во вращающийся ротор аналитической ультрацентрифуги, объектива, ножа с изменяющимся наклоном лезвия, расйоложенного в фокальной плоскос-" ти объектива, проекционного объектива, устройства, сканирующего изображение кюветы, и фоточувствительного элемента (например, фотоэлектронного умножителя), осуществляющего преобразование световых импульсов в электрические, амплитуда которых пропорциональна величи2 не градиента показателя преломления в регистрируемой точке кюветы .(11.

Известные оптические системы обладают большими погрешностями, Это связано с тем, что информация о распределении градиента показателя преломления заключена в амплитуде импульсов, на вес личину которых влияют" такие факторы, как неравномерное распределенце интенсйвности света по щели (пространственное и временное), пульсации напряжений, питающих фоточувствительный элемент и источник света.

Кроме того, для преобразования полученных данных в цифровой код требуется сложная электронная аппаратура, осуществляющая преобразование амплитуды импульса в цифровой код, в процессе которого также возникают погрешности;

Известна также рефрактометрическая оптическая система; содержащая источник света, Фель, кювету с маской для исследуемого вещес1ва и балансировочную кювету с масштабными отверстиями, 7176 помещенных во вращающийся ротор, входную и выходную коллиматорные линзы, шелевая диафрагма, состоящая из двух частей, одна из которых неподвижна, а вторая выполнена с возможностью изменения угла наклона к первой, проекционный объектив, устройство, сканирующее изображение кюветы с входной щелью и фотоприемник, электронную схему регис. трации f2(. 10

Однако, известная рефрактометрическая оптическая система не позволяет работать с низкими концентрациями исследуемых препаратов. Эти ограничения обусловлены тем, что под действием мощного 15 центробежного поля, а также при сборке измерительных кювет в пластинах кювет из оптически прозрачного материала возникают напряжения, создающие дополнитель ный градиент показателя преломления, 20 искажающий распределение градиента показателя преломления, создаваемого исследуемым веществом. Кроме того, искажение вносится градиентом показателя преломления, создаваемым из-за перераспределения под действием центробежного поля низкомолекулярных компонентов, содержащихся в растворе исследуемого вещества. Погрешности, создаваемые этими эффектами, возрастают с уменьшением концентрации исследуемых растворов.

При исследовании препаратов на аналиI 1 тических ультрапентрифугах необходимо — производить регистрацию как градиента показателя преломления, так и распределения 35 оптическойплотности, причемвнекоторых случаях необходима одновременная регист-рация этих параметров, Для осуществления регистрации распределения оптической плотности в случае применения из- 40 вестной рефрактометрической системы необходимо оборудование ультрацентрифуги второй оптической системой — абсорбпионной, что существенно удорожает и усложйяет систему регистрации ультрацентри-45 . фуги.

Цель предлагаемого изобретенияповышение чувствительности системы с одновременной регистрацией распределения градиента показателя преломления и распределения оптической плотности.

Йпя этого входная щель выполйена не« линейной с кривизной, соответсгвуюшей траектории движения оси ветового пучка 55 в плоскости щели.

Кроме того, электронная схема регистрации выполнена в виде логарифмического

34 4 преобразователя амплитуды импульсов, подключенного к выходу фотоприемника.

На фиг. 1 изображена структурная схема рефрактометрической оптической системы; на фиг. 2 приведена схема, поясняющая принцип работы шелевой диафрагмы; на фиг. 3 - диаграммы напряжений на выходе фотоприемника.

Предлагаемая рефрактометрическая оптическая система (фиг. 1 ) состоит из источника 1 света со щелью, входной коллиматорной линзы 2; выходной коллиматорной линзы

3, цилиндрической линзы 4, шелевой ди- . афрагмы 5 со щелями 6 и 7, установленной в фокальной плоскости выходной

1 коллиматорной линзы 3, проекционного объектива, содержащего сферическую 8 и цилиндрическую 9 линзы, устройства

lO, осуществляющего сканирование изображения кюветы посредством входной (сканирующей) щели 11 и фотоприемника 12, например, фотоэлектронного умножителя фЭУ),, установленного за сканирующей щелью 1 1. Между входной коллима торной линзой 2 и выходной коллиматорной линзой 3 расположен ротор (на фиг. 1 не показан) вращающийся вокруг оси 13. В отверстие ротора помещены измерительная кювета, содержащая, в основном, камеру 14 с двумя секторами

15 и 16 и балансировочная кювета с дву- . мя масштабными отверстиями.

Камера 14 закреплена между верхней и нижней пластинами 17, 18, выполненными из оптически прозрачного материала, например, плавленного кварца. На верхнюю пластину 17 наложена маска 19 с двумя направленными вдоль радиуса вращения щелями 20, 21, диафрагмируюшими сектора 15, 16 камеры 14, корпус кюветы и устройство, крепящее в нем камеру 14, пластины 17, 18 и маску 1 9 (на чертеже не показаны) .

К выходу фотоприемника 12 подключены электронная схема регистрации: устройство 22, преобразующее длительность светового импульса в цифровой код, и устройство 23, преобразующее логарифм отношения импульсов световых пятем 24, 25 в цифровой код.

На фиг. 2 показаны возможные траектории 26, 27, 28 движения световых пятен 29.

Предлагаемая рефрактометрическая оптическая система работает следующим образом.

Световой поток из шелевого источника I света поступает на входную колли17634

5 7 маторную линзу 2, которая формирует параллельный световой поток, проходящий через секторы 15, 16, кюветы, находящейся во вращающемся роторе, выход:ную коллиматорную линзу 3 и цилиндрическую линзу 4, создавая в плоскости диафрагмы 5, установленной в фокальной плоскости выходной коллиматорной линзы 3, два световых пятна 24, 25, причем одно пятно соответствует сектору камеры . кюветы с растворителем (пятно 24), а другое — сектору с раствором (пятно 25)

Размеры пятен определяютси шириной щели источника 1 света и шириной щелей 20, 21 маски кюветы 19, При движении кюветы в оптическом тракте световые пятна 24, 25 в плоскости диафрагмы также перемещаются. Проекпионный объектив, состоящий из линз 8 и 9, проецирует изображение кюветы в плоскость входной сканирующей щели 11, за которой находится фотоприемник 1 2, например, ФЭУ.

Если в регистрируемых точках секторов

15, 16 градиент показателя преломления равен нулю, световые лучи, проходящие через эти точки, не отклоняются и образуют в плоскости щелевой диафрагмы

5 два пятна 24, 25, движущиеся по опной траектории 26. При пересечении этими пятнами щели 6 на выходе фотопри емника 12 образуется два электрических импульса, временной интервал между которыми равен Т,, Если в секторе 15 с раствором в результате перераспределе- ния концентрации вещества создается градиент показателя преломления, то лу; . чи, проходящие через этотсектор, отклоняются на угол, пропорциональный величине градиента. При этом траектория пятна

25, соответствующая этому сектору, смещается на некоторую величину h . и пятно 25 движется по траектории 27.

В атом случае временной интервал, -между моментамИ пересечения пятнами -

24 и 25 щели 6 возрастает и длитель- ность между импульсами на выходе фотоприемника 12 становится равной Т, причем, Т > Т, . Величина Т зависит также от угла < наклона щели 6. С увеличением этого угла длительность T уменьшается и наоборот. Таким образом, изменяя угол а. щели 6,можно изменять чувствительность системы. Градиенты цо» каэателей преломления, возникающие в обоих секторах из-за эффектов перераспределения ниэкомолекулярных соедине ний или напряжений в пластинах 17, 18 приводят к одинаковым смещениям тра5 о а5 го

25 зо

35 ао

5о

55 екторий 26, 27 пятен 24, 25 в случае идентичных секторов, Поэтому вышеуказанные эффекты не вызывают изменений длительности Т меж- ду импульсами на выходе фоточувствительного- элемента 12.

Устройство 22 осуществляет преобразование "интервала Т между двумя им- пульсами в цифровой код известным в электронике способом: преобразованием этого интервала в длительность импульса с последующим его заполнением импульсами с генератора стабильной частоты.

Эти импульсы подсчитываются счетчиком, код на выходе которого соответствует измеряемому значенню градиента пока зателя преломления. Возможно также аналоговое преобразование длительности им/ пульса в напряжение.

Лля определения параметров веществ на основании графика распределения градиента показателя преломления, регистрируемом рефрактометрической системой, необходимо приведение абсциссы графика к масштабу измерительной кюветы, Подобное приведение возможно благодаря использованию специальной балансировочной кюветы, Эта кювета вставляется в отверстие ротора диаметрально противоположно измерительной кюветы с целью ее уравновешивания. Кроме того, в балансировочной кювете выполняются масштабные отверстич, расстояние 0 между ко ч торыми больше длины секторов кюветы вдоль радиуса вращения, Расстояние выдерживается с большей точностью равным 17 мм. При движении балансировочной кюветы в оптическом тракте световые лучи, проходящие через масштабные отверстия, создают в плоскости диафрагмы 5 световое пятно 29, движущееся по траектории 28., прИчем в процессе эксперимента смещения этой траектории не.происходит. При пересечении пятном 29 неподвижной щели 7 диафрагмы 5 на фотоприемник 12 поступает одиночный импульс.

В процессе сканирования устройство 23 регистрирует наличие етого импульса. В результате на графике распреДеления градиента показателя преломления фиксируются два масштабных индекса, причем расстояние между индексами оо соответствует расстоянию между масштабными от-. верстиями, а масштабный коэффициент может быть вычислен из соотношения: х и = - =„, Поскольку движенйе кювет происходит по круговой траектории, сканирующая

634 8 жения светового пятна в плоскости этой входной щели, позволила осуществить йреобраэование регистрируемых градиентов показателей преломления в секторах кювет в длительность между двумя световыми импульсами, которая пропорциональна разности ординат распределений градиентов,показателей преломления в секторе с раствором н секторе с растворителем.

Благодаря атому стало возможно ком-" пенсировать погрешности, обусловленные эффектами, одинаковыми для обоих секторов влияние растворителя, натяжение стекол, загрязнение оптических алементов), н получить распределение градиента показателя преломления, создаваемое исследуемым веществом в растворе. Это позволило повысить точность и чувствительность данной системы.

Кроме того, подключение к выходу фотоприемника логарифмического преобразователя амплитуды импульсов и выполнение источника света монохроматическнм, позволило испольэовать одну и ту же оптическую систему для одновременной регистрации распределения градиента показателя

*реломления н распределения оптической плотности -исследуемого вещества в растворе вдоль сектора кюветы ультрацентрифуги, в результате чего отпадает необходимость оснащения ультрацентрифуги дополнительной оптической системой для регистрации распределения оптической плотности.

Источник света можно выполнить мо.нохроматическнм, например, в виде монохроматора, а длину волны установить таким образом, чтобы она соответствовала максимуму поглощения исследуемого вещества, В атом случае помимо модуля- 10 цин длительности между импульсами бу» дет также происходить модуляция амплитуды импульсов в завнсимосж от распреде ленни оптической плотности вдоль секторов

15 н 16 измерительной кюветы. Подклю- .35 ченне логарифмического преобразователя

22 амплитуды импульсов к выходу фотоприемника позволяет осуществить преобразование амплитуды импульсов в значенЪе оптичеокой плотности, причем пре- 20 образование должно бсуществляться в соответствии с выражением:

25 г де

Э вЂ” значение оптической плотности, создаваемое исследуемым веществом в сканируемой точке сектора 20 с раствором атого вещества;

Up — амплитуда импульса на выходе фотоприемника 12, соответствующая световому по току, прошедшему через сектор

20 с" раство ром;

U - амплитуда импульса на выходе З5 фотоприемнйка 12, соответствующая световому потоку, прошедшему через сектор

21 с растворителем.

ЗО

717 щель 11 выполнена с кривизной, соответ ствующей траектории движенйя" светового пятна в плоскости атой mens.

Формула изобретения

Таким образом, предлагаемое иэобре-. 40 тенне дает возможность осуществить c .. . помощью одной н той же оптической системы одновременную регистрацию распределения градиента показателя преломления и распределения оптической плотнос-45 ти иссле дуемого,вещества в растворе, соз- даваемого под действием центробежного поля.

Предлагаемая рефрактометрнческая оптическая система, снабженная щелевой диа- фрагмой, состоящей из двух частей, одна из которых неподвижна и перпендикулярна траектории движения „световых пятен в плоскости диафрагмы, а другая выйолнена с изменяющимся углом наклона, причем вхбцная щель устройства, сканирующего . изображение кюветы, выполнена с кривизной, соответствующей траектории дви1. Рефрактометрнческая оптическая система, содержащая источник света, шель, кювету с маской для исследуемого вещества н балансировочную кювету с масштабными отверстиями, помещенные во вращающийся ротор, входную и выходную коллиматорные линзы, шелевую диафрагму, состоящую из двух частей, одна иэ которых неподвижна, а вторая выполнена

C возможностью изменения угла наклона к первой, проекционный объектив, устройство, сканирующее изображение кюветы с входной щелью, фотоприемник, электронную схему регистрации, о т л н ч аю m а я с я тем, что, с целью повыше.ния чувствительности и обеспечения регистрации распределения градиента показателя преломления и распределения оптической плотности, входная щель выполнена нелинейной с кривизной, соответствующей

9 717634 10 траектории движения оси светового пуч- Источники информации, ка в плоскости щели, принятые во внимание при экспертнзе

2, Рефрактометрическая оптическая снс 1. Патент США ¹ 3454341, тема по п. 1, отличающаяся кл. 356-129, опублнк. 1969. тем, что электронная схема регистра- 5 2. Заявка ¹ 2446257/18-25, пни выполнена в виде логарифмического кл, G 01. и 21/46, 24,01.77, по котопРеобРазователя амплитуды импульсов, Рой принято решенне о выдаче авторскоподключенного к выходу фотоприемника, го свидетельства.

717634

Составитель М. Ледловский

Редактор Павлов Техред О. Легеза Корректор Г. Назарова

Заказ 9831/60 Тираж 101 9 Подписное

ПНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4