Фотометричний аналізатор

Реферат: Фотометричний аналізатор складається з вимірювального блока й оптичного блока, що містить фотодетектор світлового пучка від середовища, яке аналізують, й джерело випромінювання світлодіод. Як джерело випромінювання використовують білий супер'яскравий світлодіод з вузькою спрямованістю світлового пучка 10-15°. Як вимірювальний блок використовують цифровий мультиметр. Як фотодетектор - фоторезистор або фотодіод, які підключено до цифрового мультиметра в режимі омметра або у фотогальванічному режимі відповідно. UA 82446 U (54) ФОТОМЕТРИЧНИЙ АНАЛІЗАТОР UA 82446 U UA 82446 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області хімічного аналізу і призначена для фотометрування забарвлених і мутних розчинів, а також забарвлених твердих напівпрозорих зразків. З розвитком і широким поширенням колориметричного позалабораторного експрес-аналізу виникає потреба в простій, мініатюрній та недорогій апаратурі, що дозволяє проводити аналіз у польових умовах на місці відбору проби. В інструментальному фотометричному аналізі використовують прилади для вимірювання оптичної густини (світлопоглинання) - фотометри й фотоколориметри. Відомий фотометричний аналізатор (Патент РФ № 2154260, G01J3/46), що складається з вольтметра з автономним елементом живлення, електричного блока живлення для світлодіодів і футляра із трубками, що включає дві оптопари, які містять джерела випромінювання світлодіоди та фотодетектори, включені за диференціальною схемою й утворюють два оптичних канали, при цьому один з каналів виконаний як канал відбиття й утворює рефлектометр. Як джерело випромінювання використано світлодіоди, а як фотодетектори фототранзистори, що утворюють разом зі світлодіодами двоє плечей мостової вимірювальної схеми. Особливості конструкції даного приладу обумовлюють його недоліки: використання мостової схеми підключення фотодетектора, що вносить додаткові викривлення в аналітичний сигнал; наявність окремо винесеного блока живлення; наявність додаткового набору насадок зі світлодіодами з фіксованою довжиною хвилі та можливістю лише почергового їхнього використання. Відомий фотоколориметр (Патент РФ № 2187789, G01J3/46), що складається із двох модулів: блока первинних перетворювачів (оптичного фотодетектора) і вимірювального блока, що з'єднуються між собою рознімними кабелями. Оптичний фотодетектор містить як оптичні джерела випромінювання набір світлодіодів з перемикачем і фотодіод-приймач світлового пучка від досліджуваного об'єкта. Вимірювальний блок містить штекери: для підключення фотодатчика відповідно до блока первинних перетворювачів, до персональної електронної обчислювальної машини і до зовнішнього блока живлення. Однак до недоліків фотоколориметра варто віднести неможливість використання світлодіодів різної яскравості, необхідність використання окремого фотоприймача для кожного джерела, що значно ускладнює конструкцію фотоколориметра. Відомий портативний фотоколориметр (Патент РФ № 2289799, G01J3/50), що складається з вимірювального блока й оптичного блока, що містить джерело випромінювання з перемикачем і фотодетектор світлового пучка від середовища, що аналізують, і яке розташоване в кюветі для аналізу рідких середовищ. Вимірювальний блок містить операційний підсилювач, вихід якого підключений до центрального процесора (ЦП) з аналого-цифровим перетворювачем (АЦП), при цьому вимірювальний блок додатково містить підсилювач, до складу якого входить набір з восьми резисторів і мікросхема, що управляє вибором резистора, перший вхід підсилювача з'єднаний з виходом фотодетектора, другий вхід підсилювача, що є входом його мікросхеми, з'єднаний з ЦП із АЦП, а вихід підсилювача з'єднаний із входом операційного підсилювача. Принцип роботи відомого аналога заснований на вимірі струму фотодетектора й автоматичному обчисленні світлопоглинання досліджуваного розчину при проходженні через нього світлового пучка від джерела випромінювання (світлодіода). Недоліками відомого фотоколориметра є складність електронної схеми, використання додаткового операційного підсилювача, що вносить додаткові викривлення аналітичного сигналу, що приводить до необхідності врахування темнового струму, наявність великої кількості світлодіодів з фіксованою довжиною хвилі з можливістю використання тільки одного з них, що збільшує габарити й ускладнює схему аналізатора, а також необхідність додаткового врахування їхньої неоднакової яскравості. Як прототип, який найбільш близький, вибрано останній з наведених аналогів. В основу корисної моделі поставлено задачу розробки простого, портативного фотометричного аналізатора для фотометрування забарвлених і мутних розчинів і забарвлених твердих напівпрозорих зразків, недорогого у виготовленні й придатного для експрес-аналізу в польових умовах. Вирішення поставленої задачі забезпечується тим, що у фотометричному аналізаторі, який складається з вимірювального блока й оптичного блока, що містить фотодетектор світлового пучка від середовища, яке аналізують, й джерело випромінювання - світлодіод, відповідно до корисної моделі, як джерело випромінювання використовують білий суперяскравий світлодіод з вузькою спрямованістю світлового пучка 10-15°, як вимірювальний блок використовують цифровий мультиметр, як фотодетектор - фоторезистор або фотодіод, які підключено до цифрового мультиметра в режимі омметра або у фотогальванічному режимі відповідно. 1 UA 82446 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 У ході досліджень було встановлено, що використання як джерела випромінювання білого суперяскравого світлодіода з вузькою спрямованістю світлового пучка 10-15°, що випромінює у видимому діапазоні спектра і відрізняється доступністю, дозволяє компенсувати недолік чутливості фотоаналізатора, що існує внаслідок відсутності попередньої підсилювальної схеми. Використання світлодіода зі спрямованістю світлового пучка більше 15° приводить до розсіювання й зменшення світлового потоку, а, отже, і до втрати чутливості. Світлодіоди з вузькою спрямованістю (менше 10°) малодоступні й до того ж вимагають більш точного дотримання співвісності світлодіода й фотодетектора. Використання як вимірювального блока цифрового мультиметра дозволяє знизити викривлення сигналу фотодетектора завдяки відмові від мостової схеми. Підключення фотодетектора (фотодіода або фоторезистора) безпосередньо до вимірювального блока дало можливість удосконалити й мініатюризувати конструкцію пристрою, а, отже, зробити його придатним для позалабораторного аналізу, зокрема, використовувати пристрій для екологічного моніторингу. Інструментальна чутливість запропонованого фотоаналізатора визначається чутливістю вимірювального блока мультиметра. Важливою відмінністю запропонованого фотоаналізатора від прототипу є можливість його застосування для вимірювання оптичної густини різноманітних твердих напівпрозорих зразків більшого діаметра 7-25 мм: забарвлених плівок, паперу, таблеток пінополіуретану, стекол і т. д. На фіг. 1 показано схематичну будову фотоаналізатора, що заявляється. Фотоаналізатор, що заявляється, складається із двох рознімних частин - фотодетекторного блока 1 з коліматором фотодетектора 2 і фотодетектора 3, предметного столика 4, а також із знімного освітлювального блока 5 зі світлодіодом 6, батареєю 7 і кнопкою живлення світлодіода 8. Коліматор фотодетектора 2 являє собою трубку із почорненого діелектричного матеріалу довжиною 1 см і служить для запобігання попаданню паразитного відбитого світла на напівпровідниковий кристал фотодетектора 2. Предметний столик 4, виконаний також із почорненого матеріалу, призначений для розміщення твердих зразків і кювет. У торці блока фотодетектора 1 розташований двоконтактний роз'єм 9 для з'єднання блока фотодетектора 1 з мультиметром 10 за допомогою кабелю 11. Зняття знімного освітлювального блока 5, що служить одночасно кришкою, відкриває кюветне відділення 12 і щільно з'єднується із блоком фотодетектора 1. Усередині кюветного відділення розташовується циліндрична кювета 13 і плівковий світлофільтр 14. Кнопка живлення 8 розташована з торця корпуса освітлювального блока 5. На стиках обох частин корпуса пристрою розташовані юстувальні мітки для забезпечення співвісності світлодіода і фотодетектора. У фотоаналізаторі, що заявляється, світлодіод розташовують на мінімальній відстані від фотодетектора і юстують таким чином, щоб центр радіальної світлової плями від фокусуючої системи світлодіода співпадав із центром напівпровідникового кристала фотодетектора. Виносний блок живлення, який використано у прототипі, замінено на живлення від трьох лужних мікробатарій типорозміру LR44 (AG13), які розміщено у корпусі фотоаналізатора. На фіг. 2 показано електричну принципову схему фотоаналізатора, що заявляється. Світлодіод VD1 (фіг. 2) з'єднано послідовно в електричне коло з резистором R1, батареєю GB1 і кнопкою живлення SB1. Фотодетектор (фотодіод VD2 або фоторезистор VR1) з'єднано паралельно з мультиметром Р. На фіг. 3 показано спектри поглинання іонного асоціату перхлорат-іонів з тіоніном, який сорбовано на пінополіуретані, що отримані за допомогою фотоаналізатора, що заявляється, і спектрофотометра "СФ-2000 БИО" (1 - спектр, який отримано з використанням пристрою, що заявляється, 2 - спектр, який отримано з використанням приставки дифузійного відбиття для спектрофотометра "СФ-2000 БІО"). У таблиці наведені метрологічні характеристики визначення Со(ІІ), Fe(III) і NО 2 на пінополіуретані за допомогою стандартного рефлектометра, фотометричного аналізатора, що заявляється, та візуального тест-визначення. 2 UA 82446 U Таблиця Відносне Діапазон Межа стандартне Визначуваний Прилад визначуваних визначення Сн, відхилення для мікрокомпонент концентрацій, мг/л мг/л середини діапазону sr Со(ІІ) 0,1-1,6 0,012 0,01 Рефлектометр Fe(III) 0,1-1,6 0,08 0,01 NO2 0,3-2,4 0,016 0,05 Со(ІІ) 0,1-1,3 0,08 0,06 Фотоаналізатор, що Fe(III) 0,05-0,4 0,14 0,17 заявляється NO2 0,3-3,9 0,38 0,15 Со(ІІ) 0,1-1,3 0,1 0,25 Візуальне тестFe(III) 0,05-0,65 0,05 0,25 визначення NO2 0,3-3,9 0,3 0,25 5 10 15 20 Для роботи з рідкими речовинами передбачені кварцові циліндричні кювети, діаметром 25 мм, що забезпечують товщину поглинаючого шару, що дорівнює 10 мм. Для мікрооб'ємів рідини передбачено чарунки із плоским дном діаметром 8-9 мм і товщиною поглинаючого шару 5 мм, які виготовлені із прозорого пластику. При роботі із твердими зразками їх розміщають на предметному столику із почорненого матеріалу безпосередньо над фотодетектором. Фотометричний аналізатор працює в такий спосіб (див. фіг. 1): - Фотометричний аналізатор з'єднують із мультиметром 10 за допомогою кабелю 11. - Зразок, що аналізують, або кювету з рідкою пробою 13 розташовують на предметному столику 4 і закривають кришкою освітлювального блока 12 з поміщеним у неї світлофільтром 14, стежачи за суміщенням юстувальних міток. - Вибирають на селекторі мультиметра 10 режим мілівольтметра або омметра (залежно від типу фотодетектора). - Натискають кнопку живлення світлодіода 8 і чекають 1-2 с, доки не стабілізуються показання на дисплеї мультиметра 10. - Записують значення ЕРС або опору (залежно від типу фотодетектора) для холостого зразка (з нульовим змістом компонента, що аналізують) і досліджуваних зразків. - Розраховують аналітичний сигнал. У випадку лінійної градуювальної залежності оптичної густини (D) від концентрації компонента (С) оптичну густину розраховують за формулою: D=lg(U0/U) = lg(R/R0) = kC, 25 30 де U0, (R0) - ЕРС у мілівольтах (опір в омах), яке отримане при вимірюванні холостого зразка, U, (R) - ЕРС (опір) при вимірюванні досліджуваного зразка, k - тангенс кута нахилу градуювального графіка, побудованого в координатах D - С. Величиною темнового сигналу при розрахунку D можна знехтувати, тому що через відсутність попередньої підсилювальної схеми значення ЕРС темнового струму істотно нижче, ніж інструментальна погрішність мультиметра. У випадку нелінійної градуювальної залежності D від С координати перетворюють у лінійний вид за формулою: ln[A/(D-y0)] = k1C/t, 35 - С. 40 (1) (2) де А, у0 і t - параметри експоненціального рівняння виду D = у0+Ae(-C/t), k1 - тангенс кута нахилу градуювального графіка, побудованого в координатах t*ln[(A/(D - у0)] Приклади використання фотометричного аналізатора, що заявляється, у хімічному аналізі. Приклад 1. Вимірювання оптичної густини забарвлених таблеток пінополіуретану після сорбції комплексів Со(ІІ) і Fe(III) з тіоціанатом або нітритів. Для проведення таких вимірювань готують стандартні градуювальні шкали на таблетках пінополіуретану (марка 22-3.0 на основі простих ефірів; діаметр таблеток 16 мм, товщина - 5 мм). За результатами вимірювань шкал будують градуювальні графіки в координатах D - С. 3 UA 82446 U 5 10 15 20 Паралельно для порівняння вимірюють координати кольору таблеток за допомогою стандартного рефлектометра-колориметра. Будують градуювальний графік у координатах: канал кольору (R, G, В) - концентрація (вміст) компонента. Розраховують межі визначення й відносне стандартне відхилення середини діапазону градуювального графіка для кожного компонента. За межу визначення приймають величину, яка дорівнює 6s, де s - стандартне відхилення оптичної густини холостої проби. З таблиці видно, що похибки результатів, які отримано за допомогою пристрою, що заявляється, менші, ніж при візуальному тест-визначенні, і задовольняють вимогам кількісного аналізу (sr < 0,3), а результати визначень добре узгоджуються з даними, що отримано за допомогою стандартного рефлектометра. Приклад 2. Зняття спектрів поглинання забарвлених таблеток пінополіуретану із сорбованими іонними асоціатами перхлоратів з тіоніном. Фотометричний аналізатор, що заявляється, дозволяє одержувати спектри поглинання розчинів і напівпрозорих твердих зразків в оптичному діапазоні (λ = 380-770 нм) при використанні плівкових світлофільтрів. Для цього таблетку пінополіуретану діаметром 16 мм і товщиною 5 мм розміщують на предметному столику, закривають світлофільтром і кришкою освітлювального блока, сполучаючи юстувальні мітки. Записують значення ЕРС для досліджуваних зразків (зі світлофільтром) для різних довжин хвиль (Uλoc), а також значення ЕРС для кожного світлофільтра при відсутності досліджуваного зразка (U λc). Зміну оптичної густини для даної довжини хвилі (Dλ) розраховують за формулою: ΔDλ = lg(Uλc/Uλoc). 25 30 (3) Для порівняння цю ж таблетку пінополіуретану паралельно вимірюють на приставці дифузійного відбиття до спектрофотометра "СФ-2000 БІО". Одержують спектр в одиницях світлопоглинання (оптичної густини). З фіг. 3 видно, що отримані форми спектрів однакові; довжина хвилі максимуму поглинання (λmax) для кривої 1 становить близько 610 нм, а для кривої 2 - λmax=613 нм, тобто максимуми практично збігаються. Таким чином, фотометричний аналізатор, що заявляється, дозволяє замінити стаціонарний спектрофотометр при наближеній оцінці спектральних характеристик сорбованих забарвлених речовин. Корисна модель може бути використана як автономний мобільний пристрій у хімічному експрес-аналізі рідин і твердих зразків безпосередньо на місці відбору проби, а також для лабораторного експрес-аналізу. 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 Фотометричний аналізатор, який складається з вимірювального блока й оптичного блока, що містить фотодетектор світлового пучка від середовища, яке аналізують, й джерело випромінювання - світлодіод, який відрізняється тим, що як джерело випромінювання використовують білий супер'яскравий світлодіод з вузькою спрямованістю світлового пучка 1015°, як вимірювальний блок використовують цифровий мультиметр, як фотодетектор фоторезистор або фотодіод, які підключено до цифрового мультиметра в режимі омметра або у фотогальванічному режимі відповідно. 4 UA 82446 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5