Устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии

Устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области аналитической химии, а именно к спектрометрии, спектроскопии и спектрофотометрии.

Термолинзовая спектрометрия является одним из наиболее чувствительных оптических методов молекулярной спектроскопии поглощения и все более широко используется как высокочувствительный фотометрический детектор в сочетании с различными методами разделения и концентрирования.

Термолинзовое детектирование обеспечивает существенное увеличение чувствительности по сравнению с традиционным УФ детектированием. Основные процессы, протекающие при формировании термолинзы (теплоперенос и формирование температурного профиля преломления), непосредственно связаны с термооптическими характеристиками среды (теплопроводность, теплоемкость, температурный градиент показателя преломления). Таким образом, за счет изменения термооптических характеристик раствора появляется возможность влиять на процесс образования термолинзы и, как следствие, контролировать величину термолинзового сигнала.

Известно устройство формирования термолинзы, состоящее из кюветы, индуцирующего термолинзу в кювете аргонового ионного лазера с длинами волн генерации 488,0 и 514,5 нм и зондирующего гелий-неонового лазера с длиной волны 632,8 нм [М.А.Проскурнин и др. "Двухлазерный термолинзовывй спектрометр для проточного анализа", "Ж. аналитической химии", 1999 г., т.54, №1, с.101-108].

Лазерный луч аргонового ионного лазера фокусируется в какой-либо точке кюветы с анализируемой жидкостью, где в результате формируется термолинза, а второй лазер исследует результаты рассеяния, пропускания света, направленного в эту точку фокусировки лазерного излучения.

Известное устройство формирования термолинзы обладает дороговизной за счет использования индуцирующего термолинзу лазера и сопутствующего его оборудования и нестабильностью образованной термолинзы, обусловленной нестабильностью работы индуцирующего лазера.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии, включающее кювету для анализируемого раствора и зондирующий лазер для анализа сформированной термолинзы [М.Ю.Кононец и др. "Изучение адсорбции комплекса железа (II) с 1,10-фенантролином на лабораторной посуде методом термолинзовой спектрометрии», «Ж. Аналитической химии», 2003 г., т.58, №4, с.382-287] Кроме того, известное устройство содержит индуцирующий аргоновый ионный лазер с длиной волны 514,5 нм. В качестве зондирующего лазера используют гелий-неоновый лазер с длиной волны 632,8 нм. Лазерный луч индуцирующего лазера фокусируется в какой-либо точке кюветы с анализируемой жидкостью, где в результате формируется термолинза, а второй лазер исследует результаты рассеяния, пропускания света, направленного в эту точку фокусировки лазерного излучения.

Синхронизацию измерений проводили при помощи специально разработанного программного обеспечения. Термолинзовый сигнал измеряли в кварцевой кювете с длиной оптического пути 1 см. Мощность излучения индуцирующего и зондирующего лазеров в кювете с образцом составляла соответственно 180 мВт и 4 мВт.

Известное устройство формирования термолинзы обладает дороговизной за счет использования индуцирующего термолинзу лазера и сопутствующего его оборудования и программного обеспечения и нестабильностью образованной термолинзы, обусловленной нестабильностью работы индуцирующего лазера.

Задачей предложенного технического решения является удешевление устройства и создание условий для получения стабильной термолинзы.

Поставленная задача решается тем, что устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии, включающее кювету для анализируемого раствора и зондирующий лазер для анализа сформированной термолинзы, дополнительно содержит диафрагму, расположенную в центре кюветы, выполненную из диэлектрика и содержащую в центральной части отверстие с диаметром не более 1 мм, и два электрода, расположенных по обе стороны диафрагмы и подключенных к источнику питания, а зондирующий лазер установлен напротив отверстия диафрагмы.

Целесообразно кювету выполнить прозрачной или с прозрачными окнами, расположенными по обе стороны диафрагмы.

Предпочтительно в качестве зондирующего лазера для анализа сформированной термолинзы использовать гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения 628 нм с толщиной пучка менее 1 мм.

Целесообразно в качестве анализируемых растворов выбрать электропроводящие растворы на основе кислот, оснований, органических растворителей из числа пропилена карбоната, нитрометана и диметилсульфоксида.

В предлагаемом изобретении действие индуцирующего лазера заменяется на аналогичное действие электродов, помещенных в анализируемый раствор и формирующих в определенном месте раствора термолинзу с помощью электрического тока. При этом место формирования термолинзы находится в отверстии диафрагмы. Зондирующий лазер, формирующий световой луч, также направлен в данное место, и путем пропускания света через термолинзу измеряется появившееся пространственное распределение интенсивности и спектральная картина этого пространственного распределения интенсивности.

На чертеже представлен общий вид устройства.

Устройство состоит из кюветы 1, внутри которой находится анализируемый раствор, с оптическими окнами 2, диафрагма 3 с отверстием 4, электроды 5, зондирующий лазер 6, формирующий световой луч 7, спектральный прибор 8, источник тока 9, отверстия 10 в кювете 1.

Диафрагма 3 размещена в кювете 1 между окнами 2. Электроды 5 расположены с разных сторон диафрагмы 3. Лазер 6, формирующий световой луч 7 и спектральный прибор 8 направлены на отверстие 4 в диафрагме 3. Окна 2 выполнены из светопропускающего материала, а диафрагма 3 и кювета 1 - из диэлектрика.

Устройство работает следующим образом.

Пробу анализируемого раствора, например хлористого натрия в дистиллированной воде 7·10^-2 М, помешают в кювету 1 из оргстекла объемом 50 мл. Пробу заполняют в кювету 1 таким образом, чтобы раствор находился по обе стороны от диэлектрической (в данном случае - тефлоновой диафрагмы) с отверстием, а электроды 5 были погружены в раствор.

На электроды 5 подают электрическое напряжение от источника тока 9, которое вызывает в электропроводящем растворе ток, плотность которого максимальна в отверстии 4, что приводит к локальному нагреванию вещества в этом месте. За счет локального нагрева в отверстии формируется так называемая термолинза из анализируемого раствора, через термолинзу пропускают световой луч 7 и анализируется взаимодействие светового луча 7 с термолинзой с помощью спектрального прибора 8.

В качестве зондирующего лазера для анализа сформированной термолинзы используют гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения 628 нм с толщиной пучка менее 1 мм.

Лазерный луч пропускают сквозь раствор через оптические окна по обе стороны от диафрагмы так, чтобы луч проходил точно в отверстие 4. Без наложения напряжения на электроды 5 луч образует на экране, расположенном на расстоянии 80 см от кюветы, световое пятно диаметром 7 мм вследствие уширения из-за естественных причин. В центре пятна определяют интенсивность излучения I₀, в качестве спектрального прибора используют фотодиод типа ФД-7К.

При наложении на электроды в емкости постоянного напряжения, равного 41,6 В вследствие омического нагрева объема раствора, прилегающего к отверстию в пластине, формируется термолинза, из-за чего лазерный луч дополнительно уширяется и световое пятно на экране становится шире - диаметром около 15 мм. Интенсивность излучения в пятне становится меньше и равна I_B, причем отношение I₀/I_B=14.

При использовании в аналогичном эксперименте пробы 7·10^-3 М раствора хлористого натрия в дистиллированной воде при наложении на электроды 5 в кювете 1 постоянного напряжения в 41,6 В пробный лазерный пучок уширяется в меньшей степени и интенсивность излучения в пятне падает до отношения I₀/I_B=6.

Для отверстия в диафрагме диаметром в 1 мм и межэлектродном расстоянии 6,5 см получено, что при температуре раствора 25°С с удельной электропроводностью 70 Ом^-1см^-1 формирование термолинзы с двукратным падением интенсивности зондирующего лазерного пучка происходит при напряжении на электродах примерно 41,5 В, а при удельной электропроводности 8 Ом^-1см^-1 - при напряжении примерно 55 В.

Предложенное устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии применимо ко всем электропроводящим жидким растворам. Практический интерес имеют в первую очередь растворы малых и сверхмалых концентраций, имеющие достаточно слабое светопоглощение и светорассеяние. Это водные растворы, в том числе растворы кислот, оснований, а также ряд органических растворителей типа пропилен карбоната, нитрометана и диметилсульфоксида.

Водные растворы по своим свойствам не являются наиболее благоприятными для измерений по своим свойствам, однако они с успехом могут использоваться для этого, и образование термолинзы заметного размера происходит при сравнительно умеренных напряжениях на электродах - порядка 40 В, при оценочном объеме термолинзы порядка 10^-3 см³, при концентрациях раствора 10^-1-10^-3 М. Поскольку энергия, рассеиваемая в объеме при протекании электрического тока, пропорциональна квадрату напряжения между электродами и обратно пропорциональна сопротивлению раствора, то при практически доступных напряжениях порядка нескольких кВ данное устройство может быть применимо в дальнейшем для термолинзовой спектрометрии концентрации водных растворов порядка 10^-7-10^-8 М.

Поскольку вместо дорогостоящего лазера, как в прототипе, в предлагаемом изобретении использованы более дешевые источник света и источник напряжения с электродами, это позволяет удешевить способ термолинзовой спектроскопии и получить более стабильную термолинзу.

1. Устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии, включающее кювету с прозрачным анализируемым раствором, средство создания термолинзы и зондирующий лазер для анализа сформированной термолинзы, отличающееся тем, что средство создания термолинзы выполнено в виде диэлектрической диафрагмы, расположенной в кювете и выполненной в центральной части с отверстием диаметром не более 1 мм, и двух электродов, расположенных по обе стороны диафрагмы и подключенных к источнику напряжения, при этом в качестве анализируемых растворов выбирают растворы на основе электропроводящих жидкостей.

2. Устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии по п.1, отличающееся тем, что кювета выполнена прозрачной или с прозрачными окнами, расположенными по обе стороны диафрагмы.

3. Устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии по п.1, отличающееся тем, что в качестве зондирующего лазера для анализа сформированной термолинзы используют гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения 628 нм с толщиной пучка менее 1 мм.

4. Устройство формирования термолинзы для термолинзовой спектрометрии по п.1, отличающееся тем, что в качестве анализируемых растворов выбирают растворы кислот, оснований, органических растворителей из числа пропилена карбоната, нитрометана и диметилсульфоксида.