Кювета для спектрофотометрирования сильнопоглощающих образцов

 

Использование: изобретение относится к устройствам нарушенного полного внутреннего отражения (РПВО), предназначенным для спектрофотометрирования сильнопоглощающих образцов с характерными значениями коэффициента поглощения каппа, приблизительно равное 1. Сущность изобретения: жидкий слой образца располагается в регулируемом щелевидном зазоре между двумя частями оптического элемента НВПО в виде призмы Дове с симметричным расположением этих частей относительно оси светового пучка. Верхняя часть оптического элемента выполнена съемной или откидной, а нижняя - с возможностью вертикальных перемещений относительно нижней с чувствительностью перемещения λ min и диапазоном от l min до d больше или равно l max, где l min, l max - наименьшая и наибольшая длины волн l используемого спектрального диапазона, d - толщина слоя образца. Одна или обе сопрягаемые с жидким слоем поверхности НПВО могут быть выполнены искривленными книзу со сферичностью, не превышающей 1 мм. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к спектрофотометрии, более конкретно к кюветам нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), предназначенным для спектрофотометрирования сильнопоглощающих образцов с характерными коэффициентами поглощения κ~1. Известна кювета НПВО, содержащая прозрачный в заданном спектральном диапазоне оптический элемент НПВО с вертикально ориентированной плоскостью НПВО, перпендикулярной плоскости дисперсии спектрофотометрического прибора, сопряженный с возможностью разъединения с держателем образцов, а также систему согласования, учитывающую несовпадение направлений входящего и выходящего излучения в оптическом элементе [1] Недостатком [1] является наличие усложняющей системы согласования и ограниченная для жидких образцов надежность герметизации разъемного совпадения, определяемая вертикальным расположением плоскости НПВО и необходимостью многократной разборки-сборки в процессе эксплуатации с целью очистки от ранее применявшихся жидких образцов.

Другим недостатком является специализация по применению (отсутствие универсальности), поскольку кювета [1] рассчитана только на щелевидную форму поля изображения в спектрофотометрическом приборе, не характерную, например, для Фурье -спектрометров, а также на определенный для данного держателя вид образцов с необходимостью изготовления набора различных держателей.

Наиболее близкой, принимаемой за прототип, является кювета НПВО, не имеющая системы согласования и образованная оптически элементом в виде призмы Дове, прозрачным в спектральном диапазоне его применения и сопряженным с ним с возможностью разъединения держателе образцов [2] Хотя сама кювета [2] не имеет ограничений по требуемой геометрии поля спектрометрического прибора, ее обычно специализируют для щелевидного поля при вертикальной, перпендикулярной плоскости дисперсии ориентации плоскости НПВО, чем уменьшаются размеры оптического элемента и требуемый объем пробы жидкого образца.

При этом недостатком [2] является отсутствие универсальности применения и сложность удерживания от вытекания жидких образцов в держателе с вертикально ориентированной плоскостью НПВО с учетом многократно применяемой разборки сборки герметизируемого соединения, а также (при ее выполнении, учитывающем нещелевидную, например, квадратную форму поля спектрофотометрического прибора) увеличенный объем требуемой пробы жидкого образца, определяемый размерами плоскости НПВО оптического элемента.

Изобретение решает задачу расширения эксплуатационных возможностей, повышения технических характеристик и удобства в эксплуатации кюветы НПВО.

Поставленные цели достигаются благодаря тому, что в кювете для спектрофотометрирования сильнопоглощающих образцов, содержащей оптический элемент НПВО в виде призмы Дове, прозрачный в спектральном диапазоне его применения и сопряженный с ним с возможностью разъединения держатель образцов, держатель образцов выполнен с виде второй призмы Дове, установленной зеркально симметрично первой, с горизонтальным расположением поверхностей НПВО, при выполнении верхней призмы Дове съемной или откидной, а нижней с возможностью вертикальных перемещений относительно верхней в диапазоне от λ_min до d≥ λ_max с чувствительностью λ_min, где λ_min, λ_max наименьшая и наибольшая длины волн применяемого спектрального диапазона; d величина зазора между призмами Дове.

Дополнительно в кювете НПВО не менее чем одна ее поверхность НПВО может быть выполнена изогнутой книзу со сферичностью, обеспечивающей стрелку прогиба не более 1 мм.

Найденное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, а перечисленная совокупность его существенных признаков обеспечивает получение следующих технических результатов.

Поскольку в режиме НПВО глубина прохождения излучения в слой образца (эффективная толщина d_эф слоя) соизмерима с длиной волны λ излучения (d_эф~λ) независимо от фактической толщины d слоя образца, то для жидких образцов толщина d слоя без потери спектральной информации может быть выполнена близкой к d_эф:d~d_эф~λ. Использование такой возможности в известных кюветах НПВО затруднено вследствие сложности заполнения и удерживания жидких образцов в таком тонком слое, а в предлагаемой кювете достигнуто благодаря найденной совокупности существенных признаков, включающих горизонтальное расположение жидкого слоя в регулируемом зазоре между верхней и нижней призмами Дове, образующего в вертикальном сечении капиллярный слой, удерживаемый без дополнительной герметизации за счет молекулярного сцепления.

Этим обеспечивается расширение эксплуатационных возможностей использования малых количеств жидких образцов и повышение удобства в эксплуатации при получении тонкого слоя, его заполнении жидким образцом, удерживании в процессе спектрофотометрирования, последующем удалении жидкого образца с чисткой поверхностей НПВО и многократной разборккой-сборкой держателя. Одновременно обеспечивается универсальность применения держателя, образуемого нижней призмой Дове, и устраняется необходимость наличия набора сменных держателей.

Кроме того, в отличие от кюветы [2] с расположением в ней призмы Дове в сечении, а держателя вне сечения спектрофотометрируемого светового пучка, в предлагаемой кювете обе призмы Дове расположены симметрично в сечении спектрофотометрируемого излучения, чем обеспечивается скачкообразное уменьшение их размеров и тем самым требуемого объема пробы жидкого образца при заданной толщине d ≥ λ_max слоя, определяемой зазором между поверхностями НПВО обеих призм Дове, чем дополнительно расширяются эксплуатационные возможности при спектрофотометрировании малых количеств жидких образцов.

Кроме того, использование вместо одностороннего двустороннего облучения жидкого слоя в режиме ГПВО обеспечивает уменьшение угловой расходимости светового пучка, формируемого спектрофотометрическим прибором, за счет его симметричного разбиения верхней и нижней призмами Дове, чем дополнительно уменьшается определяемая угловой расходимостью излучения погрешность фотометрирования и повышается его точность.

Выбранные чувствительность λ_min и диапазон от λ_min до d ≥ λ_max вертикальных перемещений нижней призмы Дове относительно верхней обеспечивают использование образцов в заданной толщине d слоя при глубине проникновения излучения в режиме НПВО в жидкий слой, соизмеримой с длиной волны λ излучения.

Дополнительное искривление одной или обеих поверхностей НПВО обеспечивает удерживание от вытекания жидких образцов малой вязкости при отклонении в условиях эксплуатации поверхности НПВО от горизонтального положения без нарушения характера функционирования обеих призм Дове вследствие малости этого искривления, а также минимизацию объема жидкого образца.

На фиг. 1а, б показана кювета НПВО в двух вертикальных ее сечениях: фиг. 1а вдоль оси спектрофотометрируемого светового пучка; фиг. 1б - перпендикулярно этой оси; на фиг. 2а, б, в вид вертикальногосечения капиллярного жидкого слоя в различных вариантах исполнения.

Кювета НПВО (фиг. 1а, б) содержит верхнюю призму 1 Дове и установленную зеркально симметрично нижнюю призму 2 Дове с горизонтальным расположением их поверхностей 3, 4 НПВО и возможностью регулирования зазора d между ними. Нижняя призма 2 Дове является держателем сильнопоглощающего образца 5 с толщиной d слоя d ≥ λ_max, где λ_max наибольшая длина волны применяемого спектрального диапазона, расположенного горизонтально на оси 6 светового пучка 7 с линейным полем изображения 8, в зазоре между поверхностями 3,4 НПВО при сопряжении с этими поверхностями.

Сопряжение осуществляется вертикальным перемещением нижней призмы 2 Дове относительно находящейся в фиксированном положении верхней призмы 1 Дове.

Верхняя призма 1 Дове в оправе 9 может быть выполнена съемной в направлении стрелки А или откидной в плоскости, перпендикулярной оси 6 светового пучка 7.

Оправа 9 с верхней призмой 1 Дове устанавливается до упора в направляющей 10, закрепленной вместе с устройством 11 вертикальных перемещений нижней призмы 2 Дове на съемном основании 12. Устройство 11 с чувствительностью вертикальных перемещений λ_min где λ_min наименьшая длина волны применяемого спектрального диапазона, может быть выполнено, например, микрометрическким винтовым в направляющих типа "ласточкин хвост".

Съемное основание 12 устанавливается в держателе 13 спектрофотометрического прибора в направлении стрелки В.

На фиг. 2а обе поверхности НПВО нижняя 3 верхней призмы 1 Дове и верхняя 4 нижней призмы 2 Дове выполнены плоскими. На фиг. 2б верхняя 4 поверхность НПВО выполнена изогнутой книзу со сферичностьюобеспечивающей стрелку пробига h ≅ 1 мм, что обеспечивается повышение удобства удерживания от вытекания жидкого слоя образцов малой вязкости при отклонениях в условиях эксплуатации верхней 4 поверхности НПВО от горизонтального положения без нарушения характера функционирования нижней призы 2 Дове ввиду малости этого искривления.

На фиг. 2в обе поверхности 3, 4 НПВО выполнены искривленными книзу с одинаковой степенью искривления, определяемой стрелкой прогиба h ≅ 1 мм, чем обеспечивается наряду с повышением удобства удерживания жидкого слоя малой вязкости при отклонениях от горизонтального положения в условиях эксплуатации также и минимизация требуемого объема жидкой пробы образца без нарушения при этом характера функционирования обеих призм 1, 2 Дове.

Кювета НПВО функционирует следующим образом.

Верхняя призма 1 Дове снимается в направлении стрелки А или откладывается в плоскости, перпендикулярной оси излучения, а нижняя 2 опускается в крайнее положение в направлении стрелки Б.

Затем на верхнюю поверхность 4 НПВО нижней призмы 2 Дове устанавливается или наносится пластичный, упругий, пастообразный, порошковидный, нитевидный или жидкий образец. Жидкий образец при этом наносится капельным путем в объеме пробы, соответствующей задаваемой толщине d слоя d ≥ λ_max. Верхняя призма 1 Дове устанавливается в фиксированное рабочее положение, а нижняя 2 вертикально поднимается устройством 11 до сопряжения жидкого слоя с верхней 4 и нижней 3 поверхностями НПВО в заданной толщине d слоя с чувствительностью λ_min, после чего кювета НПВО устанавливается в держателе 13 спектрофотометрического прибора.

В рабочем положении световой пучок спектрофотометрического прибораcимметрично разделяемый пополам призмами 1, 2 Дове, проходит через них, преломляясь на входных и выходных гранях и испытывая нарушенное полное внутреннее отражение на поверхностях 3, 4 НПВО, сопряженных с жидким слоем образца, и вновь соединяются в единый световой пучок, идущий по тому же направлению, что и в отсутствие кюветы НПВО.

Световой пучок спектрофотометрируется прибором, образуя спектр поглощения в режиме НПВО при эффективной толщине d_эф поглощающего слоя, соизмеримой с длиной волны λ спектрального диапазона.

При необходимости выполняют регистрацию базовой линии при том же расположении призм 1, 2 Дове без образцов, фиксируемом устройством 11 вертикальных перемещений, и взятие отношения двух полученных спектров (с образцом и без образца) в отдельных или каждой точке l спектрального диапазона в автоматическом или ручном режиме в зависимости от функциональных возможностей спектрофотометрического прибора.

Затем осуществляют повторный съем или откидывание верхней призмы 1 Дове и чистку обеих поверхностей 3, 4 НПВО призм 1, 2 Дове от остатков уже использованного жидкого образца, например, с применением соответствующих растворителей, не активных в отношении материала призм 1, 2 Дове, после чего кювета НПВО готова к использованию с другими жидкими образцами.

Предлагаемая кювета НПВО не имеет ограничений по типу применяемого спектрофотометрического прибора или геометрии поля изображения, обладает расширенными эксплуатационными возможностями, повышенными удобством в эксплуатации и техническими характеристиками и может иметь широкое применение для спектрофотометрического анализа жидких образцов в области нефтехимии (кроме легколетучих фракций с низкими температурами испарения), мясомолочной промышленности, фармацевтики, парфюмерии и др. при невысоких стоимости анализа и требованиях к квалификации обслуживающего персонала.

Формула изобретения

1. Кювета для спектрофотометрирования сильнопоглощающих образцов, содержащая оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) в виде призмы Дове, прозрачный в спектральном диапазоне его применения, и сопряженный с ним с возможностью разъединения держатель образцов, отличающийся тем, что держатель образцов выполнен в виде второй призмы Дове, установленной зеркально симметрично первой, с горизонтальным расположением поверхностей НПВО обеих призм Дове, при этом верхняя призма Дове выполнена съемной или откидной, а нижняя с возможностью вертикальных перемещений относительно верхней в диапазоне от λ_min до d≥ λ_max с чувствительностью λ_min, где λ_min, λ_max- наименьшая и наибольшая длины волн применяемого спектрального диапазона, d величина зазора между призмами Дове.

2. Кювета по п.1, отличающаяся тем, что не менее, чем одна ее поверхность НПВО выполнена изогнутой книзу со сферичностью, обеспечивающей стрелку прогиба не менее 1 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2