CZ2015894A3 - Systém pro IR spektroskopii - Google Patents

Abstract

Vynález se týká systému pro IR spektroskopii, který obsahuje zdroj (22) IR záření, dráhu (21) IR záření s prostorem pro vzorek, detektor IR záření a výpočetní prostředky pro analýzu naměřených dat. Výpočetní prostředky pro analýzu naměřených dat jsou tvořeny výpočetními prostředky mobilního komunikačního záření (1) s operačním systémem, přičemž zdroj (22) IR záření, dráha (21) IR záření, prostor (24) pro vzorek, prostředky pro řízenou manipulaci s IR zářením a snímač IR záření jsou uloženy v optoelektronickém modulu (2), který je tvořen samostatným tělesem, a který je funkčně spřažen s mobilním komunikačním zařízením (1) s operačním systémem.

Description

Systém pro IR spektroskopii Oblast techniky

Vynález se týká systému pro IR spektroskopii, který obsahuje zdroj IR záření, dráhu IR záření s prostorem pro vzorek, detektor IR záření a výpočetní prostředky pro analýzu naměřených dat.

Dosavadní stav techniky

Spektrální analýza, spektrofotometrie a spektrofluorimetrie, slouží k určení kvalitativního i kvantitativního složení látek podle emisního spektra této látky po ozáření světlem. U spektrofotometrie dochází průchodem světla zkoumanou látkou k útlumu světla, výsledkem je tedy upravené světlo, jehož spektrum se zachytává optickým snímačem a ze kterého se určují parametry zkoumané látky. U spektrofluorometrie dochází ozářením zkoumané látky k vyvolání fluorescence pomocí fluorescenčního indikátoru přidaného do vzorku a na optickém snímači je zachytáváno spektrum vyvolané fluorescence, podle kterého se poté vyhodnocují parametry zkoumané látky.

Speciální oblastí spektrální analýzy je infračervená spektroskopie, zejména její varianta FTIR, z angl. Fourier transform infrared spectroscopy, která označuje experimentální techniku spektroskopie. FTIR je založena na využití absorpce IR záření ve formě interferogramu vytvořeného Michelsonovým interferometrem a jeho průchodu vzorkem, při němž proběhnou změny energetických stavů molekul v závislosti na změnách dipólového momentu molekul a výsledné infračervené spektrum, tj. IR spektrum, vystupující ze vzorku je určeno funkční závislostí energie na vlnové délce dopadajícího záření.

Další variantou IR spektroskopie je průchozí varianta označovaná též jako TM (transmission mode), při které širokopásmové IR záření projde vzorkem, utlumí se na vlnových délkách, které odpovídají složení vzorku a následně se přes lineárně variabilní filtr (LVF) prostorově vyfiltruje a rozloží tak, že dopadá na lineární IR detektor, např. lineární CCD nebo CMOS IR snímač. LVF si lze představit jako velkou skupinu IR filtrů v řadě vedle sebe, kde každý ··. >

jeden filtr propouští jen velmi úzké pásmo vlnových délek dopadajícího IR oá záření, např. 1 X 2 um. Jelikož jsou LFV a lineární CCD/CMOS IR snímač podlouhlé, je i generované IR záření vyzařováno homogenně po šířce LVF a IR snímače a prochází tak i vzorkem v určité šíři vzorku. Zdrojem IR záření tak je plošný zářič nebo řada bodových zářičů vedle sebe uspořádaných s dostatečnou hustotou po šířce LVF a IR snímače. V současné době známá zařízení pro IR spektroskopii však mají společnou nevýhodu spočívající v jejich konstrukčním provedení, které má za následek zejména relativně velkou velikost zařízení s omezenou mobilitou a vysokou cenou. Cílem vynálezu je odstranit nebo alespoň minimalizovat nevýhody dosavadního stavu techniky, zejména vytvořit mobilní systém pro IR spektroskopii se snadným použitím při dostatečné přesnosti a kvalitě provedené analýzy.

Podstata vynálezu Cíle vynálezu je dosaženo systémem pro IR spektroskopii, jehož podstata spočívá v tom, že výpočetní prostředky pro analýzu naměřených dat jsou tvořeny výpočetními prostředky mobilního komunikačního zařízení s operačním systémem, přičemž zdroj IR záření, dráha IR záření, prostor pro vzorek, prostředky pro řízenou manipulaci s IR zářením a snímač IR záření jsou uloženy v optoelektronickém modulu, který je tvořen samostatným tělesem, a který je funkčně spřažen s mobilním komunikačním zařízením s operačním systémem.^

Vynález umožňuje vytvořit rozměrově malý až miniaturní mobilní systém pro IR spektroskopii se snadným řízením a vytvořit u něj optoelektronický modul, který v kombinaci s mobilním komunikačním zařízením s operačním systémem tvoří jednoduchý a snadno použitelný systém umožňující operativní použití mimo laboratoř a vyhodnocení měřených údajů přímo na místě a v reálném čase. To vše s využitím maximálního podílu komerčně dostupných prvků a s využitím výpočetní, paměťové, přenosové a jiné kapacity mobilního komunikačního zařízení s operačním systémem, např. mobilního telefonu, tabletu, přenosného PC atd. Významnou možností je velká variabilita spojená s možností úpravy softwaru podle specifických požadavků koncového uživatele a vzhledem ke konkrétním aplikacím systému pro IR spektroskopii podle vynálezu (ovládání, pracovní prostředí, přizpůsobení databázi uživatele atd.).

Objasnění výkresů

Vynález je schematicky znázorněn na výkrese, který ukazuje obr. 1 systém pro IR spektroskopii ve variantě s průchodem IR záření vzorkem, obr. 2 systém pro IR spektroskopii ve variantě s průchodem IR záření ATR krystalem se vzorkem na povrchu ATR krystalu, obr. 3 systém pro IR spektroskopii ve variantě s Michelsonovým interferometrem ve formě MEMS - FTIR modulu za vzorkem a obr. 4 systém pro IR spektroskopii ve variantě s Michelsonovým interferometrem ve formě MEMS - FTIR modulu před vzorkem. Příklady uskutečnění vynálezu

Systém pro IR spektroskopii podle vynálezu bude objasněn na několika příkladech provedení, které znázorňují využití vynálezu u TM varianty a FTIR varianty.

Systém pro IR spektroskopii obsahuje mobilní komunikační zařízení 1_ s operačním systémem a samostatný, tj. fyzicky oddělený, optoelektronický modul 2. Mobilní komunikační zařízení 1 s operačním systémem a optoelektronický modul 2 jsou spřaženy pomocí funkčního propojení, např. pomocí standardizovaného kabelového rozhraní USB nebo standardizovaným bezdrátovým rozhraním (např. Wi-fi, Bluetooth, aktivní (obousměrné) NFC, atd.).

Ve znázorněném příkladu provedení má optoelektronický modul 2 vlastní napájení z baterie 20. V neznázorněném příkladu provedení je optoelektronický modul 2 napájen baterií mobilního komunikačního zařízení λ s operačním systémem, a to zejména při propojení mobilního komunikačního zařízení 1 s operačním systémem a optoelektronického modulu 2 kabelem.

Mobilním komunikačním zařízením i s operačním systémem se pro účely tohoto vynálezu rozumí běžně dostupné mobilní komunikační zařízení s operačním systémem, např. mobilní telefon nebo tablet s operačním systémem iOS, Android, Windows, atd.

Operačním systémem se pro účely tohoto vynálezu rozumí softwarové prostředí zařízení ±, které umožňuje do běžně dostupného a prodávaného mobilního komunikačního zařízení Λ instalovat uživatelský software (aplikaci) pro použití k účelu tohoto vynálezu, tj. pro účelnou spolupráci mobilního komunikačního zařízení 1 s operačním systémem a optoelektronického modulu 2.

Optoelektronický modul 2 obsahuje neznázorněný rám, ve kterém je uspořádán zdroj 22 IR záření, kterým je buď bodový, nebo řádkový nebo plošný IR zářič, případně i několik bodových IR zářičů vedle sebe atd., s výhodou se však jedná o širokopásmový zdroj 22 IR záření, kde slovo širokopásmový vyjadřuje, že se jedná o zdroj IR záření v širokém rozsahu vlnových délek záření označovaných jako IR záření. V rámu optoelektronického modulu 2 je dále uspořádána řídicí elektronika 26, která je výhodně uložena na desce integrovaných plošných spojů společně s dalšími elektrickými a/nebo elektronickými prvky optoelektronického modulu 2, jak bude popsáno v dalším textu. Řídicí elektronika 26 optoelektronického modulu 2 zajišťuje chod a kooperaci jednotlivých prvků optoelektronického modulu 2 a také komunikaci a kooperaci optoelektronického modulu 2 s mobilním komunikačním zařízením 1 s operačním systémem. Proto řídicí elektronika 26 obsahuje prostředky pro řízení a kooperaci jednotlivých prvků optoelektronického modulu 2 a také prostředky pro komunikaci a kooperaci optoelektronického modulu 2 s mobilním komunikačním zařízením 1 s operačním systémem. V příkladu provedení znázorněném na obr. 1 je za zdrojem 22 IR záření v dráze 21 IR záření uspořádán prostor 24 pro vložení vzorku, např. v kyvetě 3. Za prostorem 24 pro vložení vzorku je uspořádán lineární, tj. podlouhlý, filtr 254 IR záření s proměnlivou propustností vlnových délek IR záření po své délce (dále jen LVF). Za LVF 254 je uspořádán řádkový optický snímač 253 IR záření, který obsahuje řadu na IR záření citlivých elementů, přičemž tato řada na záření citlivých elementů je svojí délkou situována ve stejném směru, jako je směr délky LVF 254. Řádkový optický snímač 253 IR záření je tvořen např. řádkovým CCD snímačem nebo CMOS snímačem apod. V neznázorněném příkladu provedení je za prostorem 24 pro vložení vzorku uspořádána úzká štěrbina, kterou prochází IR záření na difrakční plochu, která dopadající IR záření difraktuje a difraktované IR záření odráží na řádkový optický snímač (CCD, CMOS, apod.). V příkladu provedení na obr. 2 je prostor 24 pro vložení vzorku tvořen prostorem pro vložení ATR krystalu 250. jehož horní plocha 2500 je určena pro uložení vzorku, např. nakapáním, nalitím, prostým položením atd.^ATR krystal 250 je přitom na obou svých koncích opatřen skloněnou a pokovenou (zrcadlově odraznou) plochou, přičemž jedním tímto svým koncem je ATR krystal 250 přes první poloválcovou čočku 251 přiřazen zdroji 22 IR záření a druhým svým koncem je ATR krystal 250 přes druhou poloválcovou čočku 252 přiřazen řádkovému optickému snímači 253 IR záření. Mezi řádkovým optickým snímačem 253 a jemu přilehlým koncem ATR krystalu 250 je opět uspořádán LVF 254, který je svojí délkou situován ve směru řady na záření citlivých řádkového optického snímače 253 IR záření. V příkladu provedení na obr. 3 je za zdrojem 22 IR záření v dráze 21 IR záření uspořádán prostor 24 pro vložení vzorku, např. v kyvetě 3. Za prostorem 24 pro vložení vzorku je uspořádán Michelsonův interferometr v podobě MEMS FTIR čipu 25 s vlastním (neznázorněným) integrovaným bodovým detektorem IR záření, zpravidla tvořeným vhodnou IR fotodiodou. Zkratka MEMS přitom znamená micro-electro-mechanic-system, což je elektro-mechanický mikrosystém, který ze vstupujícího IR záření vytvoří interferogram, který pak vydává na svém výstupu. V provedení podle obr. 3 vstupuje IR záření ze zdroje 22 do vzorku, kterým prochází. Při průchodu vzorkem dojde v důsledku složení vzorku k ovlivnění spektra procházejícího záření, které následně vstupuje do Michelsonova interferometru 25, který ze vstupujícího IR záření s ovlivněným spektrem vytvoří interferogram, který je následně zaznamenán bodovým detektorem IR záření. Interferogram zachycený bodovým detektorem IR záření je následně podroben zpětné Fourierově transformaci, čímž se získá spektrum, jehož další analýzou se určí složení vzorku. V neznázorněném příkladu provedení je řešení podle obr. 3 modifikováno nahrazením MEMS FTIR čipu 25 přeladitelným FPI čipem, tj. přeladitelným Fabry-Pérotovým interferometrem, v podstatě tedy přeladitelným filtrem IR záření, který se řídí tak, aby postupně propouštěl IR záření různých vlnových délek dopadající na optický snímač a zpracováním takto postupně tvořeného obrazu pomocí mobilního komunikačního zařízení 1. s operačním systémem se vytvoří a celkový obraz snímaného předmětu v IR spektru. Fabry-Pérotův interferometr je přitom tvořen dvojicí plochých a rovnoběžných desek s nastavitelnou vzdáleností, které ve své podstatě pracují jako polovlnný resonátor produkující propouštěné píky v postupném pořadí interferencí. Změnou vzdálenosti řečených desek se naladí polohy píků a tím i střední vlnová délka (CLW), kterou je žádáno aktuálně zaznamenat na optickém snímači. Přídavný filtr předřazený před přeladitelný Fabry-Pérotův interferometr umožňuje filtrování velmi úzkého pásma IR záření. V příkladu provedení na obr. 4 je za zdrojem 22 IR záření v dráze 21 IR záření uspořádán Michelsonův interferometr 25 v podobě MEMS FTIR čipu s odděleným bodovým detektorem 255 IR záření, vhodná IR fotodioda. Michelsonův interferometr je svým vstupem 256 záření přiřazen zdroji 22 IR záření a svým výstupem 257 záření je přiřazen bodovému detektoru 255 IR záření. Mezi výstupem 257 záření Michelsonova interferometru 25 a bodovým detektorem 255 IR záření je situován prostor 24 pro vložení vzorku. Širokopásmové IR záření generované zdrojem 22 záření nejdříve prochází Michelsonovým interferometrem 25, který z tohoto širokopásmového záření vytvoří interferogram, který následně prochází prostorem 24 pro vložení vzorku, tj. prochází vzorkem, a následně dopadá na bodový detektor IR záření. Při průchodu vzorkem dojde v důsledku složení vzorku k ovlivnění interferogramu a právě tento ovlivněný interferogram je zaznamenán bodovým detektorem 255 IR záření. Ovlivněný interferogram zachycený bodovým detektorem 255 IR záření je následně podroben zpětné Fourierově transformaci, čímž se získá spektrum, jehož další analýzou se určí složení vzorku. LVF 254, ATR krystal 250 a Michelsonův interferometr 25 tvoří prostředky pro řízenou manipulaci (úpravu, ovlivnění atd.) s IR zářením.

Systém podle vynálezu pracuje tak, že v mobilním komunikačním zařízením 1 s operačním systémem, ve kterém je nainstalován software pro nastavení, řízení a vyhodnocení měření, se provede nastavení parametrů měření. Tato nastavení se přenesou spřažením mobilního komunikačního zařízení χ s operačním systémem s optoelektronickým modulem 2 do elektronické jednotky 26 optoelektronického modulu 2 a po vložení vzorku se provede měření. Nastavení se v jiném příkladu provedení provádí a přenáší se vzorkem již vloženým do optoelektronického modulu 2. Data zaznamenaná optickým snímačem IR záření se předají elektronické jednotce 26 optoelektronického modulu 2, která je předá do mobilního komunikačního zařízení X s operačním systémem, jehož prostředky se naměřená data zpracují, včetně zobrazení výsledků, uložení dat, odeslání dat, synchronizace dat, ověření atd.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Systém pro IR spektroskopii, který obsahuje mobilní komunikační zařízení (1) s operačním systémem a optoelektronický modul (2), přičemž systém dále obsahuje zdroj (22) IR záření, dráhu (21) IR záření s prostorem pro vzorek, detektor IR záření a výpočetní prostředky pro analýzu naměřených dat, tvořené výpočetními prostředky mobilního komunikačního zařízení (1) s operačním systémem, vyznačující se tím, že optoelektronický modul (2) je tvořen samostatným tělesem, ve kterém jsou uloženy zdroj (22) IR záření, dráha (21) IR záření, prostor (24) pro vzorek, interferometrický čip a snímač IR záření pro získání souvislého spektra IR záření, přičemž v optoelektronickém modulu (2) je dále uložena řídicí deska (26), která obsahuje prostředky pro řízení a kooperaci jednotlivých prvků optoelektronického modulu (2) a prostředky pro komunikaci a kooperaci optoelektronického modulu (2) s mobilním komunikačním zařízením (1) s operačním systémem, které je opatřeno softwarovou aplikací pro nastavení, řízení a vyhodnocení měření, zobrazení výsledků, uložení dat, odeslání dat, synchronizace dat a jejich ověření.
2. 2. Systém pro IR spektroskopii podle nároku 1, vyznačující se tím, že optoelektronický modul (2) je opatřen vlastním napájením z baterie (20).
3. 3. Systém pro IR spektroskopii podle nároktf 1 nebo 2, vyznačující se tím, že zdroj (22) IR záření je tvořen řádkovým nebo plošným IR zářičem nebo několika bodovými IR zářiči vedle sebe.
4. 4. Systém pro IR spektroskopii podle nárokff 1 nebo 2, vyznačující se tím, že interferometrický čip je tvořen Michelsonovým interferometrem (25) vytvořeným jako MEMS čip.
5. 5. Systém pro IR spektroskopii podle nárotó 1 nebo 2, vyznačující se tím, že interferometrický čip obsahuje úzkou štěrbinu, za níž je uspořádána difrakční plocha odrážející difraktované IR záření na řádkový optický snímač.
6. 6. Systém pro IR spektroskopii podle nároKC 1 nebo 2, vyznačující se tím, že interferometrický čip je tvořen lineárním filtrem (254) IR záření s proměnlivou propustností vlnových délek IR záření po délce řádkového optického snímače (253), přičemž filtr (254) je uspořádán před řádkovým obrazovým snímačem (253).
7. 7. Systém pro IR spektroskopii podle nárok¥r-1 nebo 2, vyznačující se tím, že interferometrický čip obsahuje ATR krystal (250), jehož jeden konec se skloněnou a pokovenou plochou je přes první poloválcovou čočku (251) přiřazen zdroji (22) IR záření, přičemž druhý konec ATR krystalu (250) se skloněnou a pokovenou plochou je přes druhou poloválcovou čočku (252) přiřazen řádkovému obrazovému snímači (253), před nímž je uspořádán lineární filtr (254) IR záření s proměnlivou propustností vlnových délek IR záření po délce řádkového optického snímače (253).
8. 8. Systém pro IR spektroskopii podle nárokí 1 nebo 2, vyznačující se tím, že interferometrický čip je tvořen přeladitelným Fabry-Pérotovým interferometrem.