DK156282B - Fototermisk fremgangsmaade til studium af lysabsorptionen hos en proevesubstans - Google Patents

Description

- 1 -

DK il56282B

Den foreliggende opfindelse angâr en fototermisk fremgangs-mâde til studium af lysabsorptionen hos en provesubstans, som bestrâles med lys med en moduleret intensitet, og hvor ^ den med lysabsorptionen proportionale temperaturstigning hos proven omsættes til et elektrisk signal med en amplitude, der varierer som en funktion af provesub-stansens temperatur.

•j^q En af de vigtigste analysemetoder for gasser, vœsker eller faste stoffer er absorptionsspektroskopi. Hele det optiske omrâde, fra ultraviolet til langbolget infrarodt, anvendes. Normalt udfores en mâling, ved at man lader en lysstrâle passere en prove og derefter sammenligner den med en refe-^ rensstrâle. Forskellen i intensitet mellem de to strâler mâles og udgor et màl for lysabsorptionen i proven. Denne metode har to svagheder. Metoden er ikke anvendelig ved mâling af en meget lille absorption, f.eks. ved mâling af smâ koncentrationer af stoffer eller ved mâling pâ tynde 2Q lag eller flader. Ved meget lille absorption skal mari mâle forskellen mellem to næsten lige store lysintensiteter, hvilket er meget svœrt. Metoden kræver endvidere prover med god optisk kvalitet, d.v.s. at proverne mâ ikke sprede lyset. Metoden kan dermed ikke anvendes pâ f.eks. pulver.

25

En mâde at omgâ disse to ulemper pâ er at direkte mâle et signal, som er proportionalt med absorptionen i proven i stedet for et signal, som er proportionalt med trans- missionen. Et sâdant signal er provens temperatur. Nâr 2Q lyset absorberes i proven, opnâs en temperaturstigning, som er proportional med den absorberede energi. Den optiske kvalitet' af proven spiller her en mindre rolle. Endvidere kan selv meget smâ absorptioner mâles, hvis temperatur- mâlingen kan gores tilstrækkelig folsom, og/eller den til- forte optiske effekt kan gores tilstrækkelig stor.

US-A-3.948.345 beskriver en metode, som kaldes fotoakustisk .35 - 2 -

DK 156282 B

spektroskopi, hvorved pr0ven indesluttes i en gastæt prove-celle indeholdende et lille volumen luft eller en anden gas. Nâr proven ved bestrâling opvarmes, udvides luften nærmest preven, hvilket giver anledning til en trykændring 5 i provekammeret. Denne trykændring registreres med en mikrofon. Lysstrâlen "hakkes over" med en lav frekvens (ca.

100 Hz) i en anordning, som skiftevis lader lyset passere og alternativt blokerer dets passage. Mikrofonsignalet mâles med et smalbândet màlesystem (faselâste forstærkere), for at en maksimal folsomhed skal opnâs.

Kommercielle fotoakustiske instrumenter har været til-gœngelige siden 1977, men kun i et begrænset antal, og me-toden har hidtil ikke fundet anvendelse i industrien i 15 nogen storre udstrækning.

I en artikel af A.C. Tam i Applied Physics Letters,

Vol. 35, No. Dec. 1979, side 843-845 beskrives et apparat til fotoakustisk spektroskopi af oxidpulver af sjældne 20 jordarter. Proven er fast indspaendt mellem kvartsplader og belyses med en laser. En akustisk belge frembringes og udbredes gennem kvartspladerne til en transducer. En intim ' mekanisk kontakt mellem proven og kvartspladerne er en betingelse for at en akustisk belge udsendes.

25 I en artikel af A. Rocenzwaig et al i Journal of Applied Physics, Vol. 51, No. 8, August 1980, side 4361-4364 beskrives en fotoakustisk fremgangsmâde hvor en piezoelek-trisk transducer er direkte limet sammen med proven.

30 EP-A-1 0012 262 omhandler ogsâ en fotoakustisk fremgangs-mâde hvor koblingsmediet gennem hvilket de akustiske belger udbredes er en væske.

35 En artikel af R.J. von Gutfelt i ültrasonics, July 1980, side 175-180 er baseret pâ varmefrembringelse og efter-folgende ekspansion af en film anbragt pâ et akustisk - 3 -

DK 156282 B

transmitterende medium. Denne fremgangsmâde er ikke baseret pâ termisk udvidelse af det akustisk transmitterede medium.

Filmen skal være i intim kontakt med det transmitterede medium for at en bolge kan udsendes.

5

Formâlet med den foreliggende opfindelse er at anvise en forenklet fototermisk fremgangsmâde, med hvilken man kan mâle temperaturstigningen hos en prove, som bestrâles. Appliceringen af provesubstansen skal ske pâ enkel mâde, og ^ fremgangsmâden skal kunne anvendes for analyse af sâvel faste stoffer som fluida. Folsomheden skal naturligvis være stor.

Dette opnâs ifolge opfindelsen ved, at provesubstansens ^ temperaturvariationer frembringer en skiftevis udvidelse og sammentrækning af et fast temperaturudvidelseselement som et résultat af den termiske diffusion fra provesubstansen til udvidelseselementet, med hvilket proven er anbragt i direkte kontakt, og at udvidelse og sammentrækning af 20 udvidelseselementet detekteres til frembringelse af et elektrisk signal ved hjælp af en til udvidelseselementet fastgjort mâleværdiomsætter.

Opfindelsen skal i det folgende beskrives nærmere under 25 henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et skematisk blokskema over et mâlesystem til brug ved udovelse af fremgangsmâden ifolge opfindelsen, 30 fig. 2 i perspektiv en udfarelsesform for en mâle-celle til brug ved udovelse af fremgangsmâden ifolge opfindelsen, fig. 3 et snit langs linien III-III i fig. 2, fig. 4 en modificeret udforelse af en mâlecelle, og

DK 156282 B

-4-.

fig. 5 spektra optaget med en mâlecelle ifolge op-findelsen.

Beskrivelse af udforelseseksempel.

5 I fig. 1 er vist en lampe 1, f.eks. en Xénon- eller halo-genlampe, hvis lys rettes mod en monokromator 2. Monokro-matoren 2 er variabel og afgiver sâledes en lysstrâle af en vis onsket bolgelængde, f.eks. i det synlige omrâde. Man kan ogsâ opnâ en variation af bolgelængden med tiden. En sâkaldt hakker 3 overhakker lysstrâlen ved skiftevis at blokere passagen for lysstrâlen henholdsvis tillade passage af strâlen med en vis frekvens f-^.

15

Den bolgelængdeopdelte og overhakkede lysstrâle passerer ind i en mâlecelle 4, i hvilken den prove 5, som skal analyseres, er placeret. Proven 5, som kan udgores af et fast stof eller et fluidum, er placeret i kontakt med et optisk transparent temperaturudvidelseselement 6, f.eks. en 20 skive af glas, kvarts eller safir. De krav, man stiller til det pâgældende materiale, er, at det skal hâve meget lille absorption i det aktuelle bolgelængdeomrâde, at det i sig selv skal hâve en mâlelig temperaturudvidelse, samt at det er kemisk inaktivt i forhold til de prover, som studeres.

25 Nâr lyset absorberes af proven 5, opnâs en temperatur- stigning, som er proportional med den absorberede energi.

Kun lys, som absorberes inden for en vis afstand fra temperaturudvidelseselementet 6, bidrager til temperatur-30 . .

stigningen i elementet 6. Denne afstand betegnes som den termiske spredningsafstand. Da den termiske sprednings- afstand er lille for normale prover og for normale modu- lationsfrekvenser, er det kun en lille del af hele proven, som analyseres. Ved prove pâ vand og ved en modulations-35 frekvens pâ 100 Hz er den termiske spredningsafstand 0,002 cm. I dette tilfælde analyseres derfor kun 0,2% af hele proven. Hver lysimpuls fra hakkeren 3 forârsager en - 5 -

DK 156282 B

temperaturstigning af pr0ven 5f og hvert interval mellem impulserne giver lejlighed til afkoling af proven.

Temperaturvariationerne i proven 5 medf0rer en skiftevis -1 ekspansion og kontraktion af udvidelseselementet 6, som med en eller flere sider er anbragt i kontakt med en mekano-elektrisk omsætter 7, f.eks. et piezoelektrisk krystal. Som mekanoelektrisk omsætter 7 kan ogsâ anvendes en konden-satormikrofon.

10

Den mekanoelektriske omsætter 7 omsætter udvidelses-elementets 6 ekspansions- henholdsvis kontraktions-bevægelser til et elektrisk signal, som forstærkes af en forforstærker 8 og tilfores en faselâst forstærker 9, for *·^ at maksimal folsomhed skal opnâs. Den mekaniske bevægelse hos udvidelseselementet kan ogsâ aftastes optisk, f.eks. ved hjælp af et interferometer. Udgangssignalet fra den faselâste forstærker 9 modsvarer provens 5 lysabsorption, som den blev detekteret af den mekanoelektriske omsætter 7.

20 Udgangssignalet registreres pâ Y-akslen af et X-Y-regi-streringsinstrument 10 og kan bevæges langs registrerings-instrumentets 10 X-aksel sammen med monokromatorens 2 bol-gelængdevariation, hvorved et absorptionsspektrum for provesubstansen i det aktuelle bolgelængdeomrâde opnâs. Det 25 er naturligvis ogsâ muligt ved indholdsbestemmelser af et stof, som man ved har sit absorptionsmaksimum ved en vis bolgelængde, kun at foretage en mâling ved denne bolge-længde.

30 Hvis man vil hâve en normaliseret mâleværdi for at elimi-nere effekten af en variation af lampens 1 intensitet ved forskellige bolgelængder, anbringes en referencemâlecelle med eksempelvis et sortmalet udvidelseselement 6. Udgangssignalet S2 fra referencemâlecellen forstærkes i en for-35 forstærker og tilfores en faselâst forstærker pâ samme mâde som udgangssignalet fra mâlecellen 4. De to udgangssignaler og S2 sammenlignes, og den dividerede værdi S^/S2 repræ- - 6 -

DK 156282 B

senterer en normaliseret mâleværdi for provens 5 lys-absorptionsevne. Den dividerede mâleværdi registreres af X-Y-registreringsinstrumentet 10.

^ En udforelsesform for en mâlecelle 4 til brug ved udovelse af fremgangsmâden ifolge opfindelsen skal nu beskrives nærmere under henvisning til fig. 2 og 3. Mâlecellen 4 omfatter to til hinanden fastgjorte huse 11 og 12. Gennem det forste hus 11 strækker sig en âbning, der danner lys-^ passagen. Udvidelseselementet 6, eksempelvis en plade af glas, kvarts eller safir, er anbragt i âbningen 13 pâ tværs af denne. Det forste hus 11 bestâr af to sammenspændte dele, mellem hvilke udvidelseselementet 6 er fikseret.

15

Udvidelseselementet 6 ligger med sin ene side an mod en mekanoelektrisk omsætter 7, f.eks. et piezo-elektrisk kry-stal, der er anbragt i et udvidet parti 14 af en udskæring 15 i det andet hus 12, hvilken udskæring strækker sig vinkelret pâ âbningen i det forste hus 11. Omsætterens 7 20 anlægstryk mod udvidelseselementet 6 kan justeres ved hjælp af en skrue 16, som er indskruet i den nævnte udskæring 15.

En plade 17 ligger med sin ene side an mod skruens 16 indre ende og med den modsatte side mod omsætteren 7. Elektriske tilslutninger 18 strækker sig fra omsætteren 7. Eftersom 25 skruen 16, pladen 17 og omsætteren 7 er forskydelige i udskæringen 14,15 i det andet hus 12, kan udvidelses-elementer 6 af forskellig storrelse anbringes i mâlecellen, f.eks. i de tilfælde, hvor udvidelseselementet ogsâ udgor provesubstansen, eksempelvis et metalstykke med oxid pâ ^ overfladen.

Hvis provesubstansen udgores af f.eks. et pulver, en væske, en gel eller et kolloid, pâfores den direkte pâ hele udvidelseselementets 6 overflade. Mængden af provesubstans, O c som pâfores, har ringe eller ingen betydning for màle-resultatet, eftersom det alene er temperaturstigningen i det mod udvidelseselementet 6 anliggende lag af prove-

DK 156282B

- 7 - substansen, soin affoles og registreres. Det er sâledes vigtigt, at den termiske kontakt mellem provesubstansen og udvidelseselementet 6 er god.

5

Det er ogsâ muligt at analysere flere provesubstanser sam-tidig ved at anbringe disse pâ forskellige dele af ud-videlseselementets 6 overflade og rette lysstrâlen mod en af disse dele ad gangen.

I visse tilfælde, f.eks. ved procesovervâgninger, kan det være onskværdigt at foretage en kontinuerlig registrering af lysabsorptionen hos en provesubstans. Denne lades da stromme gennem mâlecellen 4 over udvidelseselementet 6 med en vis hastighed. En mâlecelle for dette formai er vist i 15 fig. 5 og har en passage 19 gennem det forste hus 11, hvilken passage strækker sig pâ tværs af âbningen 13. Ror-tilslutninger er hensigtsmæssigt anbragt ved passagens 19 ind- og udlob i mâlecellen 4.

20 I tilfælde hvor man vil studere, hvorledes en kemisk reaktion forandrer provesubstansens lysabsorption, f.eks.

for at studere reaktionshastigheden hos en kemisk reaktion, er dette muligt, ved at man i mâlecellen tilsætter et stof, f.eks. et enzym, som reagerer med provesubstansen.

25

Det er naturligvis muligt i en og samme mâlecelle 4 at hâve to eller flere lyspassager med hver sit udvidelseselement 6, som stâr i kontakt med en omsætter 7. Man kan herigennem studere forskellen i lysabsorption hos to eller flere 30 provesubstanser, hvorved f.eks. lysabsorptionen i den ene provesubstans kan forandres ved en kemisk reaktion.

Som det fremgâr af ovenstâende, er anvendelsesomrâdet for mâlecellen ifolge opfindelsen stort, og den har væsentlige oc o fordele hvad angâr enkelhed i konstruktion og provepâforing sammenlignet med tidligere kendt udstyr til studium af lysabsorptionen hos en provesubstans.

- 8 -

DK 156282 B

Den âbne'mâlecelle gor det enkélt at udskifte pr0ver. Mâle-celler kan ogsâ let udformes for en (kontinuerlig) strom af fluida. At mâlecellen er âben, gor det muligt f.eks. kon-tinuerligt at studere kemiske reaktioner i kolloidale los-

C

ninger ved tilsætnxng af reagensmiddel.

Som bevis pâ mâlecellens fremragende folsomhed henvises til fig. 5, som viser to spektra af r0d tusch optaget med mâlecellen ifolge opfindelsen. Spektrum I viser meget fortyndet tusch, medens spektrum II viser koncentreret tusch. Forskellen i spektrernes form beror pâ en msetningseffekt (spektrum II).

15 20 25 30 35

Claims (1)

1. DK 156282 B - 9 - Fototermisk fremgangsmâde til studium af lysabsorptionen hos en provesubstans, som bestrâles med lys med en modu-^ leret intensitet og hvor den med lysabsorptionen propor-tionale temperaturstigning hos proven omsættes til et elek-trisk signal med en amplitude, der varierer som en funktion af provesubstansens temperatur kendetegnet ved, at provesubstansens (5) temperaturvariationer frembringer ^ en skiftevis udvidelse og sammentrækning af et fast tempe-raturudvidelseselement (6) som et résultat af den termiske diffusion fra provesubstansen til udvidelseselementet, med hvilket proven er anbragt i direkte kontakt, og at udvidelse og sammentrækning af udvidelseselementet detekteres 15 til frembrxngelse af et elektrisk signal ved hjælp af en til udvidelseselementet fastgjort mâleværdiomsætter (7). 20 25 30 35