Волоконно-оптический зонд для колориметрических измерений

 

Использование: биомедицина, пищевая промышленность. Сущность изобретения: волоконно-оптический зонд колориметрического измерения химических свойств, выполненный в виде иглы, содержащий пробоотборную камеру, расположенную между противоположными торцами волокон, установленными навстречу друг другу, причем одно из волокон изогнуто под углом 180°. а полупроницаемая мембрана установлена на наружном торце полости. 2 з.п. ф-лы.З ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

К ПАТЕНТУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4202483/25 (86) РСТ/US 86/01579 (31.07.86) (22). 03.64.87 (46) 23.07.93. Бюл: М 27 (31) 763.019 (32).06;08.85 (33) US . (71) Оптекс биомедикал Инк. (US) (72) Дэвид Дж. Костелло (05)

: (56) Патент США ЬЬ 3123066. кл.. Н 128-2, опубл. 1964;

Патент США hh 4200110, кл. В 23 В 9/00, опубл. 1980.

Изобретение относится к волоконно-оптическому зонду. в котором используется измерительная схема определения оптического промежутка между противостоящими поверхностями, в то же время обеспечивающая воэможность использования достаточно небольшого общего диаметра зонда. позволяющего ему проникнуть в живую ткань непосредственно или путем предварительного ввода в гиподермическую иглу с номером 16 или менее.

Целью изобретения является повышение точности измерений эа счет увеличения коэффициента проаускания.

На фиг.1 представлен волоконно-оптический зонд, продольный разрез; на фиг.2— продольный разрез в увеличенном масштабе наконечника зонда, на котором иллюстрируются детали пробоотборной камеры; на фиг.3 — направляющие свойства оптического волокна, насколько они связаны с определением ширины оптического промежутка.

Волоконно-оптический зонд содержит корпус 1 состоящий из первого оптического (я)э G 01 М 21/17, 21/59, В 23 В 9/00 (54) волоконно-оптический зонд для

КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ (57) Использование: биомедицина, пищевая промышленность. Сущность изобретения: волоконно-оптический зонд колориметрического измерения химических свойств, выполненный в виде иглы, содержащий пробоотборную камеру, расположенную между противоположными торцами волокон, установленными навстречу друг другу, причем одно из волокон изогнуто под углом 180О, а полупроницаемая мембрана установлена на наружном торце полости. 2 э,п. ф-лы 3 ил.

) волокна 2 и второго оптического волокна 3, З заключенного в капсулу из защитного кожуха 4. Защитный кожух 4 предпочтительно представляет собой гибкую цилиндрическую трубку приблизительно длиной 3,5 дюйма (8,9 см), из такого материала, как тефлон. Трубка из тефлона является тонкостенной, внутренней диаметр ее составляет д приблизительно 0,02 дюйма (0,5 мм), а тол- р щина стенки составляет приблизительно

0,002 дюйма (0,05 мм), Оболочка наконечника 5 закрывает часть оптических волокон 3 С и 2, которые выступают приблизительно на

0.2 дюйма(5.0 мм) с одного конца защитного фЬ кожуха 4, и затем проходят внутрь защитно- в го кожуха 4. Пробоотборная камера 6 открыта со стороны поверхности обшивки наконечника и проходит внутрь обшивки наконечника 5 на расстояние приблизительно

0 5 дюйма (1 2,7 мм).

На фиг.3 изображены оптические волокна 3 и 2 удаленные друг от друга на расстояние, превышающее диаметр волокон 3 и 2, в основном, для того, чтобы лучше проиллю1830141 стрировать детали конструкции. Также значительноее пространство изображено между внутреббней стенкол защитного кожуха 4 и оптическими волокнами 3 и 2. и снова для более лучшего изображения деталей конструкции. При фактическом воплощении защитный кожух 4 плотно подогнан под оптические волокна 3 и 2, с тем чтобы приВести Волокна 3 и 2 В соприкосновение друг с другом по всей внутренней поверхности защитного кожуха 4, Оптическое волокна предпо пительно

Выполнено из полиметилметакрилатного сердечника с наружным покрытием из прозрачного полимера с более низким показателем преломления по сравнению с показателем преломления сердечника.

Обычно используется Волокно с наружным диаметрам около 0,01 дюйма — (0,25 мм).

Волокна этого типа, связанные в группы до

64 волокон, и покрытые кожухом из полиэтиJlc. H0D0ãо полимера, поставляются компанией Дюпона под зарегистрированным торговым Ifaaf affueM СБОРОК (КРОФОН).

Оптическое волокно Дюпона ОЕ0011, не покрьпое кожухам из полиэтиленового полимера, является ббодходящим волокном для

Воплощения настояшего изобретения.

Обшивка наконечника 5 гбредпочтительно представляет собой эпоксидныл материал, который мажет быть нанесен в виде жидкостл и может высохнуть до образования жесткой оболочки, Хотя на фиг.1 обшивка наконечника 5 ДлЯ Ясности изображена непрозрачной, она B равной степени может быть прозрачной или полупрозрачной. ПомиMО абеспечениЯ прочной защитbl Для на конечника и окружающей среди для той же камеры, обшивка наконечника помогает закреплть конец забцитногo кожуха 4. Дальние концы оптических Волокон 3 и 2 оптически соединены с источником света 7 и световым детектором 8 с помощью стандартных и легк0 достуг:ных соединительных муфт, позволяя таклм образом, передачу света через оптические Волокна 3 и 2. Следовало бы подчеркнуть, бто зонд будет также взаимодействовать со световым детектором 8, соВ

ДИНЕННЫМ СО BTOPbli" ОГIТИЧЕСКИМ ВОЛОКНОМ

3 и источником света 7, соединенным с перВым огбтическббм волокном 2, позволяя передачу света В направлении, тбратиВОпаложном изображенному на фиг.1.

Можб.о видеть, что второе onT!f«ecкое волокбба 3 расположено параллельно и на близком расстоянии От первого Оптблббескага волокна 2. Первое оптическое Волокно 2 прохоДит за ближайшил конец Второго оптического волокна 3 I . пересекает резкий, 180 — изгиб, так что бллжалшие концы of1тических волокон 3 и 2 противостоят друг другу с. противоположных сторон пробоотборной камеры 9. Наконечник 10 образован резким, 180 — изгибом. В практической конструкции огбтлческого волокна, сложенного вдвое и протянутого через защитный кожух

4, с обшивкой наконечника 5, нанесенной в жидком виде, После затвердевания обшивки наконечника 5 в отвержденную обшивку наконечника 5 врезак>т прабоотборнуба камеру 9, с одним оптическим волокном, которое является таким образом, разделенным с образованием двух отдельных оптических волокон 3 и 2,. закрепиенным, как показано на чертеже.

Обращаясь теперь к фиг.2, можно увидеть более подробное изображение оптического зонда вблизи наконечника 10 и пробоотбарной камеры 9, Острота 180Ов изглба В наконечнике 10 может быть. более конкретна определена В виде радиуса, изгиба 11, измеренного от центра кривизны 12 изгиба до оси 13 первого оптического волокна 2. Для получения нбольшого размера

2- б наконечника радиус гиба выполнен меньше диаметра первого оптическагo волокна 2 или равен ему. Из науки, посвященной волоконной оптике, известно, что коэффициент пропускания оптического волокна может падать до 60, или менее по отношению к коэффициенту. пропускания прямой линил, В случае сравнимости радиуса гиба с дламетром волокна, Изготовители оптических Волокон поэтому рекомендуютдля над30 лежащей работы оптического волокна использовать большие радиусы гиба, Успешная рабата зонда при использовании радиуса тиба 11, который меньше диаметра первого оптического Волокна 2 или равен ем>, является, таким образом, неожиданHb!M и неочевлдHLIM результатом в свете известных научных данных.

Правильное функционирование зонда с таким небольшим радиусом гиба 11, В отли45 чие от принятого понлмания оптической волоконной техники, кажется ocHOBBHHblM на двух факторах, Во-первых, многие обьекты применения требуют отрезков оптического волокна длиной от десятков до сотен футов, в которых может быть необходимо много изгибов. В таком применении кумулятивные снижения коэффициента пропускания, вызванные длинными отрезками волокна и многочисленными изгибами, требуют ограничения потерь, вызванных каким-либо одним изгибам. Настоящее изобретение требует длины волокна порядка 3 футов (2,34 мм — пер. 0,91 м) или менее, и лишь один изгиб с высокой петлей, Таким образом, большое снижение коэффициента про i 830141 пускания, вызванное изгибом в наконечнике 10, не является фатальным для работы зонда.

Во-вторых, многие примеры применения волоконной оптики включают пропускание сложных форм волн, таких, как иэ этой речи. Гибы небольших размеров, такие как, например, гибы, используемые в настоящем изобретении, будут вызывать сильное искажение таких сложных форм волн. В настоящем изобретении измеряется лишь амплитуда передаваемого света. поэтому это искажение формы волны и возникающая в результате нечеткость. переданного светового сигнала не является особенностью при работе зонда, Обращаясь снова к фиг.2, можно увидеть детали пробоотборной камеры 9 и окружающей конструкции. Ближние концы оптических волокон 3 и 2 получаются, соответственно, со срезами 14 и 15. Поверхности среза 14 и 15 являются плоскими и срезаны таким образом, чтобы они были в основном перпендикулярны осям оптических волокон 3 и 2, соответственно, и одна поверхность, таким образом, была параллвльна другой, Срезы 14 и 15 отстоят друг от друга, на расстоянии.с образованием оптического промежутка. Ось 13, выходящая за пределы поверхности среза 15 в направлении поверхности среза 14. будет видна совпадающей с осью 16.

Максимальная ширина оптического промежутка 17 определяется с помощью двух факторов. Прежде всего; при увеличении оптического промежутка, на принимающую поверхность принимается меньше света от передающей поверхности. На фиг.2 поверхность среза 14 является передающей поверхностью. потому что второе оптическое волокно 3 оптически соединено с источником света 7. Как описано выше, первое оптическое волокно 2 могло бы быть волокном, оптически соединенным с источником света 7, при этом световой детектор 8 соединен с вторым оптическим волокном 3, таким образом, соответственно изменяя передаточные и воспринимающие роли поверхностей срезов 14 и 15 на противоположные.

Вторым фактором, влияющим на максимальную ширину оптического промежутка

17, является возможность приема света на воспринимающей поверхности среза 15 от иных источников,чем передающая поверх- ность среза 14. Обращаясь теперь к фиг.3, можно увидеть, что поверхности срезов 14 и 15 являются направленными в своих соответствующих передаточных и воспринимающих функциях. Эталоны направленности

10 таким, что оно является проницаемым для

30 химического вещества, подвергаемого колориметрическому определению.

50

25 для передачи и приема света от срезов оптических волокон Дюпон КРОФОК изображены на чертеже. Свет, переданный от передающей поверхности среза 14, главным образом, ограничен передающим конусом с телесным углом 20 по отношению к оси 1.6 второго оптического волокна 3. Воспринимающая поверхность среза .15 воспринимает свет, который. в основном, ограничен приемным углом величиной 60 по отношению к оси 13 первого оптического волокна 2. Если поверхности среза 14 и 15 отделены друг от друга расстоянием X, ripeвышающим 2 тангенс 30 = 0,868.d. где d— диаметр оптического волокна, то свет может быть воспринят от окружающих источников света, отличающихся от передающей поверхности среза 14, отрицательно влияя тем самым на точность измерения. Эксперименты показали. что примеры иэ настоящего изобретения, в которых оптический промежуток 17 имеет ширину в 1,5 раза превышающую диаметры волокон 3 и 2, являются выполненными, но неэффективными.

Возвращаясь снова к фиг.2, можно видеть, что пробоотборная камера 9 заполнена колориметрическим веществом 18.

Калориметрическое вещество 18- является

В ходе процесса измерения колориметрически определяемое химическое вещество поступает в пробоотборную камеру 9 через полупроницаемую мембрану 19 и проходит сквозь колориметрическое вещество 18.

Если требуемое свойство имеется в химическом веществе, то колориметрическое вещество изменит свою окраску, и, таким образом, ее коэффициент пропускания света будет изменен. Изменение в интенсивности света, переданного от передающей поверхности среза 14 через пробюотборную. камеру 9, и воспринятого воспринимающей поверхностью среза 15, будет обнаружено световым детектором 8, сигнализируя таким образом, о наличии искомого свойства.

Колориметрическое вещество 18 приготовляют путем введения красителя в пористую несущую среду. Одно практическое воплощение пористой несущей среды состоит из небольших стеклянных микросфер диаметром приблизительно 10 мкм, смешанных с водой, с целью получения водной суспензии. Вместо микросфер можно использовать частицы неправильной формы с максимальными размерами в интервале 1100 мкм. Применяли также полиуретановые частицы, хотя более лучшие результаты были получены.с помощью стекла.

1.830141

Краситель соединяют с частицами или микросферами перед введением воды. Добавление воды к частицам или микросферам помогает держивать частицы или микросферы вме:те при использовании полупроницаемой мембраны, Существует большое разнообразие красителей, доступных на рынке и обладающих разнообразием цветов, Одним примером красителя, который был использован некоторыми исследователями для колориметрического определения поглощения кислорода.KpoBbK), является перилендибутират, поставляемый под названием Термопласт, блестящий Желтый 10 БАСФ-Вьяндотте Корпорейшен. Сцепление красителя с несущей средой может быть осуществлено путем промывки стеклянных .астиц или микросфер красителем, смешенным с органическим растворителем, таким как дихлорметан.

Пористый носитель може быть также получен с использованием твердого, пористого материала, такого как стекло или полиуретан, для заполнения пробоотборной камеры. Краситель подходящего типа может быть введен в промежутки, существующие в носителе, и он может прилипнуть к их стенка 4. Экспериментальные работы показали, что носитель в виде суспензии является более легким для использования в пробоотборной камере, Полупроницаемую мембрану 19 предпочтительно получают путем применения 2 g, раствора ацетилцеллюлозы, растворенной в растворе, приготовленном из 50 ацетона и

50 4 циклогексанона. Раствор распыляют в виде аэрозоля после ввода водной суспензии в пробоотборную камеру 9, Аэрозоль высохнет с получением мембраны 19, которая будет служить удержанию стеклянных частиц и пористого носителя, одновременно допускал прохождение воды через мембрану 19, Увеличение концентрации ацетилцеллюлозы в растворе приведет к более мелкому размеру пор в мембране 19. Обширная литература, посвященная производству мембран из ацетилцеллюлозы, указывает, на то, что для получения мембраны, проницаемой для газов и одновременно непроницаемой для воды, можно использовать концентрацию ацетилцеплюлозы свыше 27.

Такую мембрану 19 можно было бы использовать для удержания води в суспензии, так чтобы колориметрически определяемый газ мог бы растворяться и воде.

10

30 1. Волоконно-оптический эонддля коло50

Изобретение содержит в себе преимущества оптического промежутка с противостоящими поверхностями среза достигая в то же время характерно меньшего размера наконечника зонда. Настоящее изобретение характеризуется еще одним преимуществом перед известными конфигурациями в том, что измерительная камера расположена со стороны зонда в большей степени, чем на наконечнике. Наконечник, таким образом, может быть выполнен достаточно прочным и небольшим, чтобы позволить вводить зонд непосредственно в живую ткань, без предварительной установки его в подкожную иглу.

Настоящее изобретение находит свое применение и вне биомедицинской области применения, в частности, в таких областях как пищевая промышленность. Например, прочность и небольшой размер наконечника зонда позволяет вводить его в свежие фрукты или мясо для определения их. химических свойств. Благодаря небольшому размеру наконечника при его введении произойдетлишь минимальная деформация фруктов или мяса.

Формула изобретения риметрических измерений, содержащий оптически связанные входное и выходное оптические волокна и оптическую камеру с полупроницаемой мембраной, при этом один из концов зонда выполнен в виде иглы, о т л и ч а «о шийся тем, что, с целью повышения точности колориметрических измерений за счет увеличения коэффициента пропускания, одно из волокон изогнуто под углом 180 с радиусом изгиба меньшем или равным диаметру волокна, с образованием иглы, при этом волокна заключены в защитный кожух, в котором выполнена полость для оптической камеры, обраэованной между противоположными торцами волокон, расположенных навстречу друг другу, причем полупроницаемая мембрана установлена на наружном торце полости.

2. Зондпоп.1,отл ича ю щийся тем, что наружный диаметр иглы зонда соответствует условию введения его в иглу 16 калиора.

3, Зонд поп.1,отл ича ю щи йся тем, что наружный диаметр иглы зонда соответствует условию введения его в кровеносный сосуд.

1830141

183D141

Я4аоЮ = 088gd

Составитель Н. Стукова

Техред М.Моргентал Корректор И. Шулла

Редактор T..Шагова

Заказ 2493 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Рауц ская наб., 4/5

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