Эталон для калибровки спектрофлуорометра

 

Эталон позволяет провести метрологическую аттестацию систем измерений формы импульсов флуоресценции в наносекундном диапазоне и тем самым повысить точность измерений постоянной времени затухания флюоресценции. Эталон представляет собой монокристаллический ортоалюминат иттрия, активированный примесью церия, для которого характерны следующие особенности, строго одноэкспоненциальный закон затухания флуоресценции в диапазоне двух порядков, отсутствие перекрытия спектров поглощения и люминесценции , высокая термическая и фотохимическая стабильность, высокий квантовый выход люминесценции, не зависящий от длины волны возбуждения, высокая степень сохраняемости и удобство в эксплуатации , 3 ил. (Л С

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s G 01 N 21/64

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ т жтл t. М1 и" т

l мФ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4925010/25 (22) 03.04-91 (46) 07.04.93. Бюл, М 13 (71) Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им.

А,Н.Севченко (72) В.В.Нижников, П.А.Торпачев, M.8.Êoðжик, М.Г.Лифшиц, M.Ë.Ìåéëüìaí и

С.A.Ñìèðíîâa (56) Chen R.F. Fluorescence lifetime reference

standarts for the tange 0.189-115

nanoseconds. Anal. B tochtm, 1974, v.57, р. 593.

Авторское свидетельство СССР

N 1402865. кл. G 01 N 21/64, опубл. 15.06,88. (54) ЭТАЛОН ДЛЯ КАЛИБРОВКИ СПЕКТРОФЛУОРОМЕТРА (57) Эталон позволяет провести метрологическую аттестацию систем измерений форИзобретение относится к технике оптических измерений, в частности к методам поверки и метрологической аттестации систем регистрации формы оптических импульсов и наносекундном диапазоне длительностей и в видимой области спектра электромагнитного излучения.

Цель изобретения — повышение точности калибровки спектрофлюорометра по форме импульса флуоресценции.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве эталона использован монокристаллический ортоал юминат иттрия, а ктивированный примесью церия тА!Оз:Се, с концентрацией церия (2,5 — 15)10 весовых процента и оптической плотностью 0,1 — 0,3.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый эталон отличается от известного

„„Я „„1807351 А1 мы импульсов флуоресценции в наносекундном диапазоне и тем самым повысить точность измерений постоянной времени затухания флюоресценции. Эталон представляет собой монокристаллический ортоалюминат иттрия, активированный примесью церия, для которого характерны следующие особенности, строго одноэкспоненциальный закон затухания флуоресцен.ции в диапазоне двух порядков, отсутствие перекрытия спектров поглощения и люминесценции, высокая термическая и фотохимическая стабильность, высокий квантовый выход люминесценции, не зависящий от длины волны возбуждения, высокая степень сохраняемости и удобство в эксплуатации, 3 ил. тем, что в нем церий внедрен в ортоалюми- а нат иттрия с концентрацией )2,5-15)104 ве- Qg совых процента, а не в иттрий-алюминиевый гранат с концентрацией 0,5 — 0,3 весовых процента, Поскольку использование ортоалюмината иттрия, в том числе с примесью церия, в том числе с концентрацией церия (2,5 — 15)10 4 в качестве эталона времени высвечивания не обнаружено. Известно применение кристалла ортоалюмината иттрия с примесью церия (концентрация более 0,2 ) в ядерной физике в качестве сцинтилляторов и сцинтилляционных экранов, однако в этом случае указанный кристалл используется для визуализации излучений и изображений, а не в качестве эталона времени высвечивания, причем в виде поликристаллов. Применение же монокристалла с концентрацией церия, 1807351

55 опти:еской плотностью и размерами, находящимися в указанных диапазонах, позволяет снизить абсолютную погрешность калибровки шкалы измерителей формы световых импульсов до 83 10 с и получить механически и фотохимически стабильный эталон.

На фиг.1 приведена функция высвечивания предлагаемого стандарта при концентрации церия 7,5.10 7; и размерах кристалла 1 х 1 х 1 смз, измеренная на приборе PRA (D = 0.3). Время жизни составило т (17,757+О,083) нс. Длина волны возбуждения Ле=300 нм,длина волны регистрации

Q =«350 нм. Наблюдение флуоресценции ортогонально к направлению возбуждения.

На фиг.2 и 3 представлены спектры поглощения и флуоресценции соответственно, измеренные на приборах Specord M40 и

СДЛ-2 соответственно. Точность измерения интенсивности в приведенных спектрах не хуже 1 . Длина волны возбуждения при измерении спектра флюоресценции Яв =

300 нм.

Исследования зависимости формы импульса флуоресценции от концентрации. церия, оптической плотности, длины кристалла вдоль направления возбуждения, времени и температуры проводились в течение 3-х лет. Рефлектор импульсной лампы фокусирует ее излучение в пятно с минимальным диаметром 7 мм, в связи с чем размер граней эталона, входной и выходной для возбуждающего излучения, составлял 1 см. Этот размер соответствует стандартному держателю образцов, которыми снабжаются все флюорометры, и позволяет с учетом неточности наведения излучения лампы на объект надежно охватить весь поток возбуждающего флуоресценцию излучения, Длина эталона вдоль направления возбуждения варьировалась от 0,5 до 1 см и выбиралась из условия, что с учетом аберраций оптической системы и неточности ее наведения на флуоресцирующий объем вся апертура сбора флуоресценции должна быть заполнена излучением флуоресценции. Это требование объясняется тем, что как эталон, так и исследуемый образец должны дать однотипные изображения на фотокатоде фотоприемника. Исходя из необходимости удовлетворения этому требованию выбирался и диапазон значений D эталона, который должен был соответствовать диапазону, наиболее часто используемому во флюорометрии и ограниченный значениями Р - 0 1-0,3, что при длине эталона 1 см соответствует диапазону значений концентрации церия (0,00025-0,00075) 5

40 вес. при длине 0,5 см — (0,0005, — 0,00150) вес %

В течение четырех лет в пределах погрешности измерений прибора РРА, составляющей 2, не было обнаружено зависимости от: (1) длины волны возбуждения при изменении ее в диапазоне 270320 нм; (2) длины волны регистрации при изменении ее в диапазоне ЗЗΠ†4 нм;(3) температуры в диапазоне ее изменений

+10 — +50 С; (4) Dвдиапазоне 0,,1-0,3; (5) толщины в диапазоне 0.5 — 1 см: (61 концентрации в диапазоне (0,25-1,5) 10 %.

Пример 1, После проведения указанных исследований изготовлен эталон с размером поверхности, на которую поступает излучение возбуждения флюоресценции 10 г

М х 10 мм при концентрации церия 5 10, Толщина эталона равна 10 мм и выбиралась из условия, чтобы 0 составляла (0,20 0,01) — наиболее часто используемое значение плотности, Поверхности, через которые проходит излучение возбуждения, полировались по 14 классу с целью сведения к минимуму уровня рассеяния возбуждающего излучения, Наблюдение флуоресценции проводится со стороны одной из боковых поверхностей перпендикулярно направлению возбуждения. Сами боковые поверхности могут быть неполированными, поскольку интенсивности флуоресценции вследствие высокого квантового выхода достаточно для надежных измерений. Поскольку кристалл кубический, нет зависимости коэффициента поглощения от состояния поляризации излучения, вследствие чего ориентация граней эталона относительно вектора поляризации излучения может быть любой. На фиг,1 в логарифмическом масштабе по шкале интенсивностей представлена функция высвечивания предлагаемого эталона.

Пример 2. Второй образец имел такой же размер 10, х 10 х 10 мм, концентрацияцерия 2,5 10 4 % При этом 0 составила 0,1, Функция высвечивания для данного образца идентична представленной на фиг.1, условия наблюдения те же.

Пример 3. Третий образец имел размер 10 х 10 х10 мм, концентрация церия з

7,5 10 %, = 0,3. Функция высвечивания для данного образца идентичная представленной на фиг,1. Условия наблюдения те же.

При измерениях т трех образцов длиной 0,5 см с концентрацией церия 5 10 4;

10 ; 15 10 вес. были получены зависи-. мости, идентичные представленной на фиг,1.

1807351

Уменьшение О менее 0,1 во-первых, увеличивало время измерений более чем в

2 раза по сравнению с О = 0,2, во-вторых, не соответствовало диапазону значений О, наиболее часто исследуемых во флюорометрии (что может приводить к неидентичности 5 геометрии засветки фотокатода фотоприемника при измерениях r эталона и объекта).

Увеличение О более 0 3, во-первых, не соответствовало диапазону значений О, наиболее часто используемых во флюорометрии, 10 во-вторых, приводило к неоправданному расходу церия, в-третьих, увеличивало вероятность возникновения дефектов решетки.

При калибровке системы регистрации 15 на место исследуемого объекта квазиортогонального к направлению, возбуждения полированными поверхностями устанавли-. вается эталон. Через центр полированных граней пропускается излучение возбужде- 20 ния с длиной волны 260-320 нм. Квазиортогонально направлению возбуждения, через центр одной иэ боковых граней проводится наблюдение излучения флуоресценции системой регистрации, позволяющей измерять 25 форму импульса флуоресценции в спектральном диапазоне 320 — 420 нм, Отладка и настройка системы регистрации и(или) системы цифрового расчета импульса флуоресценции проводится до тех пор, пока не 30 будет получена одноэкспоненциа IbHBA форма среза импульса флуоресценции с величиной постоянной времени спада интенсивности флуоресценции в е раз т = (17,757М,083) нс. 35

По сравнению с прототипом предлагаемый эталон имеет в 3,3 раза меньше т. Это позволяет, в отличие от прототипа, проводить калибровку наиболее "быстрых" шкал времени систем регистрации формы световых импульсов и тем самым снизить абсолютную погрешность шкалы времени.

Например, для прототипа на шкале времени с верхним значением 640 нс было получено

r> - (59,078 -0,216) нс (см;верхнюю правую часть фиг.1 описания заявки для прототипа), т.е. абсолютная погрешность hrI = 0,216 нс, Для предлагаемого эталона на шкале с верхним значением 160 нс получено г2 =

= (17,757 0,083) нс (см.верхнюю правую часть фиг.1 настоящей заявки), т.е, Лт2 =

=0,083 нс. Следовательно, сжатие диапазона измерений в 4 раза уменьшило абсолютную погрешность калибровки в 2,6 раза, Все остальные преимущества прототипа по сравнению с жидкими стандартами предлагаемый эталон сохраняет.

Формула изобретения

Эталон для калибровки спектрофлюорометра, на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного примесью ионов группы редкоземельных элементов, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности калибровки по форме импульса флуоресценции, эталон выполнен из монокристаллического ортоалюмината иттрия, активированного примесью церия УА!Оз:Се с концентрацией церия (2,5 15) х 10 мас, и оптической плотностью 0,1 — 0,3.

1807351

81 Ю 60 80 NP iB Ю 1Ю 130 2И ГЛ" МР

1807351

o,s

2оо

Составитель М, Мейльман

Редактор С. Кулакова Техред М.Моргентал Корректор M. Керецман

Заказ 1374 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101