NO158034B - Fototermisk maalecelle for studium av lysabsorpsjonen hos en proevesubstans. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fototermisk målecelle for studium av lysabsorpsjonen hos en prøvesubstans, hvilken bestråles med lys med en modulert intensitet og der den til lysabsorpsjonen proporsjonale temperaturstigning hos prøvesubstansen er anordnet til å bli omvandlet til et elektrisk signal hvis intensitet er anordnet til å bli registrert av en registreringsanordning.

En av de viktigste analysemetodene for gasser, væsker eller faste emner er absorpsjonsspektroskopi. Hele det optiske området fra ultrafiolett til langbølget infrarødt anvendes. Normalt utføres en måling ved at man lar en lysstråle passere

en prøve og deretter sammenligning med en referansestråle. Forskjellen i intensitet mellom de to stråler måles og utgjør

et mål på lysabsorpsjonen i prøven. Denne metode har to svakheter. Metoden er ikke anvendbar for måling av meget liten absorpsjon. F.eks. ved måling av små konsentrasjoner av fremmede emner eller ved måling på tynne sjikt eller flater. Ved meget liten absorpsjon må man måle forskjellen mellom to nesten like lysintensiteter hvilket er meget vanskelig. Metoden krever videre prøver -med god optisk kvalitet, dvs. prøvene må ikke spre lyset. Metoden kan dermed ikke anvendes på f.eks. pulver.

En fremgangsmåte for å komme forbi disse to ulemper er direkte å måle et signal som er proporsjonalt med absorp-sjonen i prøven i stedet for et signal som er proporsjonal med transmisjonen. Et slikt signal er prøvens temperatur. Når lyset absorberes i prøven, oppnås en temperaturstigning som er proporsjonal med den absorberte energi. Den optiske kvalitet på prøven spiller her mindre rolle. Videre kan endog meget små absorpsjoner måles hvis temperaturmålingen kan gjøres tilstrekkelig følsom og/eller den tilførte optiske effekt kan gjøres tilstrekkelig stor.

I U.S.-patent 3.948.345 beskrives en metode som kalles fotoakustisk spektroskop!, hvor prøven innesluttes i en gasstett prøvecelle inneholdende et lite volum luft eller annen gass. Når prøven ved bestråling oppvarmes, utvides luften nærmest prøven, hvilket gir opphav til en trykkendring i prøvekammeret. Denne trykkendring registreres med en mikrofon. Lysstrålen "hakkes" med en lav frekvens (ca. 100

Hz) i en anordning som alternativt lar lyset passere og alternativt blokkerer dets passasje. Mikrofonsignalet måles med et målesystem med smalt bånd (fastlåst forsterker) for oppnåelse av maksimal følsomhet.

Kommersielle fotoakustiske instrumenter har vært tilgjenge-

lige siden 1977, dog i et begrenset antall og metoden har hittil ikke blitt tilpasset innen industrien i noen større utstrekning.

Hensikten med oppfinnelsen og dens viktigste kjennetegn.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe

en forenklet fototermisk målecelle, med hvilken man måler temperaturstigningen hos en prøve som bestråles. Påføringen av prøvesubstansen skal skje på en enkel måte og målecellen skal kunne anvendes for analyse av såvel faste emner som fluider. Følsomheten skal naturligvis være høy.

Dette er oppnådd ved at prøvesubstansen er plassert i kontakt

med eller alternativt utgjøres av ett eller flere temperaturutvidelseselementer av fast materiale, og at en eller flere mekanoelektriske eller mekanooptiske omvandlere er anbragt i kontakt med en eller noen av temperaturutvidelseselementets sider.

Tegningsbeskrivelse.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere med henvisning til et par i de etterfølgende tegninger viste utførelseseksempler.

Fig. 1 er et skjematisk blokkskjema over et målesystem der målecellen ifølge oppfinnelsen inngår som en del, fig. 2 er et perspektivriss av en utførelsesform av målecellen ifølge oppfinnelsen,

fig. 3 er et snitt etter linjen III-III i fig. 2,

fig. 4 viser en modifisert utførelse av en målecelle ifølge oppfinnelsen, og

fig. 5 viser spektra opptatt med en målecelle ifølge oppfinnelsen .

Beskrivelse av utførelseseksempel.

I fig. 1 betegner 1 en lampe, f.eks. en Xenon- eller halogen-lampe hvis lys rettes mot en monokromator 2. Monokromatoren 2 er varierbar og avgir således en lysstråle av en viss ønsket bølgelengde, f.eks. innen det synlige spekter. Man kan endog oppnå en variasjon av bølgelengden med tiden. En såkalt hakker 3 hakker lysstrålen ved alternerende å blokkere passasjen for lysstrålen resp. muliggjøre passasje for denne med en viss frekvens fj_.

Den bølgelengdeoppdelte og opphakkede lysstråle passerer inn i en målecelle 4 i hvilken er plassert den prøve 5 som skal analyseres. Prøven 5, hvilken kan utgjøres av et fast emne eller et fluid, er plassert i kontakt med et optisk transparent temperaturutvidelseselement 6, f.eks. en skive av glass,kvarts, safir eller lignende. De krav man stiller til det nevnte materiale, er at det skal fremvise meget liten absorpsjon i det aktuelle bølgelengdeområdet, at det i seg selv skal ha en målbar temperaturutvidelse, samt at det er kjemisk inert overfor de prøver som skal studeres.

Når lyset absorberes av prøven 5, oppnås en temperaturstigning som er proporsjonal med den absorberte energi. Kun lys som absorberes i en viss avstand fra temperaturekspansjons-elementet 6, bidrar til temperaturstigningen i temperatur-ekspansjonselementet 6. Denne avstand betegnes som den termiske spredningsavstand. Når den termiske spredningsavstand er liten for normale prøver og for normale modula-sjonsfrekvenser, er det kun en liten del av hele prøven som analyseres. Ved prøve på vann og ved en modulasjonsfrekvens av 100 Hz er den termiske spredningsavstand 0,002 cm. I dette tilfellet analyseres derfor kun 0,256 av hele prøven. Hver lyspuls fra hakkeren 3 forårsaker en temperaturstigning av prøven 5 og hvert intervall mellom pulsene gir opphav til avkjøling av prøven.

Temperaturvariasjonene i prøven 5 medfører en alternerende ekspansjon og kontraksjon av utvidelseselementet 6, hvilket med en eller flere sider er anbragt i kontakt med en mekanoelektrisk omvandler 7, f.eks. en piezoelektrisk krystall. Som mekanoelektrisk omvandler 7 kan også anvendes en kondensatormikrofon.

Den mekanoelektriske omvandler 7 omvandler utvidelses-elementets 6 ekspansjons- resp. kontraksjonsbevegelser til et elektrisk signal, hvilket forsterkes av en forforsterker 8 og tilføres den faselåste forsterkeren 9 for at maksimal følsomhet skal oppnås. Den mekaniske bevegelse til utvidelseselementet kan også avføles på optisk måte, f.eks. ved hjelp av et interferometer. Utsignalene S^ fra den faselåste forsterker 9 svarer til prøvens 5 lysabsorpsjon slik den detekteres av den mekanoelektriske omvandler 7. Utsignalet S^ registreres på Y-aksen av et X-Y-registreringsinstrument 10 og kan forflyttes langs registreringsinstrumentets 10 X-akse sammen med monokromatorens 2 bølgelengdevariasjon, hvorved et absorpsjonsspektrum for prøvesubstansen i det aktuelle bølgelengdeområdet, oppnås. Det er naturligvis også mulig ved gehaltbestemmelser av et emne, hvilket man vet har sitt absorpsjonsmaksimum ved eh viss bølgelengde, å gjøre kun en måling ved denne bølgelengde.

i

I

Hvis man vil ha en normalisert måleverdi for å eliminere effekten av en variasjon av lampens 1 intensitet ved forskjellige bølgelengder, anordnes en referansemålecelle med f.eks. et svartmalt utvidelseselement 6. Utsignalet fra referansemålecellen forsterkes i en forsterker og tilføres en faselåst forsterker på samme måte som utsignalet fra målecellen 4. Utsignalet S£ fra den faselåste forsterker sammen-lignes med utsignalet S± og den dividerte verdi S1/S2 representerer en normalisert måleverdi på prøvens 5 lys-absorpsjonsevne. Den dividerte måleverdi S1/ S2 registreres av X-Y-registreringsinstrumentet 10.

En utførelsesform av målecellen 4 ifølge oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til fig. 2 og 3. Målecellen 4 omfatter to til hverandre festede hus 11 og 12. Gjennom det første huset 11 strekker det seg en åpning som danner lyspassasjen. Utvidelseselementet 6, f.eks. en plate av glass, kvarts, safir eller lignende er anbragt i nevnte åpning 13 på tvers av denne. Det første hus 11 består av to mot hverandre festede (fastskrudde) stykker mellom hvilke utvidelseselementet 6 er festet.

Utvidelseselementet 6 ligger med sin ene side an mot en mekanoelektrisk omvandler 7, f.eks. en piezo-elektrisk krystall, hvilken er anordnet i et utvidet parti 14 av en utsparing 15 i det andre hus 12, hvilken utsparing er anordnet vinkelrett på åpningen i det første hus 11. Om-vandlerens 7 anleggstrykk mot utvidelseselementet 6 kan justeres ved hjelp av en skrue 16 hvilken er skrudd inn i nevnte utsparing 15. En plate 17 ligger an med sin ene side mot skruens 16 indre ende og med den motsatte side mot omvandleren 7. Elektriske tilkoplinger 18 er anordnet fra omvandleren 7. Ettersom skruen 16, platen 17 og omvandleren 7 er forskyvbare i det andre husets 12 utsparing 14,15, kan utvidelseselementer 6 av forskjellig størrelse anbringes i målecellen, f.eks. i de tilfeller utvidelseselementet også utgjør prøvesubstansen, f.eks. en metallbit med oksyd på overflaten.

Hvis prøvesubstansen består av f.eks. et pulver, en væske, gel, kolloid eller lignende, påføres den direkte på ut-videlseselementets 6 hele flate. Mengden prøvesubstans som påføres har liten eller ingen betydning for måleresultatet ettersom det kun er temperaturstigningen i det mot utvidelseselementet 6 anliggende sjikt av prøvesubstansen som skal avføles og registreres. Det er således viktig at den termiske kontakt mellom prøvesubstansen og utvidelseselementet 6 er god.

Det er også mulig å analysere, flere prøvesubstanser samtidig ved å anbringe disse på forskjellige deler av utvidelses-elementets 6 flate og rette lysstråler mot en av disse deler av gangen.

I visse tilfeller, f.eks. ved prosessovervåkninger, kan det være ønskelig å gjøre en kontinuerlig registrering av lysabsorpsjonen hos en prøvesubstans, f.eks. pulver, væske, gel eller lignende. Denne får da strømme gjennom målecellen 4 over utvidelseselementet 6 med en viss hastighet. En målecelle for dette formål er vist i fig. 5 og fremviser en passasje 19 gjennom det første hus 11, hvilken passasje strekker seg på tvers av åpningen 13. Rørtilkoplinger er hensiktsmessig anordnet ved passasjens 19 inn- og utløp i målecellen 4.

I det tilfellet man vil studere hvordan en kjemisk reaksjon forandrer prøvesubstansens lysabsorpsjon, f.eks. for å studere reaksjonshastigheten hos en kjemisk reaksjon, er dette mulig ved at man i målecellen tilsetter et emne, f.eks. en enzym, som reagerer med prøvesubstansen.

Det er naturligvis mulig i en og samme målecelle 4, å ha to eller flere lyspassasjer med hvert sitt utvidelseselement 6,

i

I

hvilke står 1 kontakt med en omvandler 7. Man kan herved studere forskjellen i lysabsorpsjon hos to eller flere prøvesubstanser, hvorved f.eks. lysabsorpsjonen i den ene prøvésubstans kan forandres gjennom en kjemisk reaksjon.

Som det fremgår av ovenstående beskrivelse er anvendelses-området for målecellen ifølge oppfinnelsen stort, og den fremviser påtagelige fordeler med hensyn til enkelheten i konstruksjonen og prøvepåføringen, i sammenligning med tidligere kjente metoder og anordninger for studium av lysabsorpsjonen hos en prøvesubstans.

Den åpne målecelle gjør det enkelt å bytte prøver. Måleceller kan også lett utformes for en (kontinuerlig) strøm av fluider. At målecellen er åpen gjør det mulig f.eks. kontinuerlig å studere kjemiske reaksjoner i kolloidale oppløsninger gjennom tilføring av reagensmiddel.

Som bevis på målecellens utmerkede følsomhet, henvises til fig. 5 som viser to spektra rød tusj opptatt med den aktuelle målecelle. Spektrum I viser meget utspedd tusj, mens spektrum II viser konsentrert tusj. Forskjellen i spektrenes form beror på en målingseffekt (spektrum II).

Oppfinnelsen er naturligvis ikke begrenset til de på tegning-ene viste utførelsesformer, men kan varieres innen rammen for patentkravene.

Claims (7)

1. Fototermisk målecelle for studium av lysabsorpsjonen hos en prøvesubstans, hvilken bestråles med lys av en modulert intensitet og der den med lysabsorpsjonen proporsjonale temperaturstigning hos prøvesubstansen blir omvandlet til et elektrisk signal hvis intensitet registreres av en registreringsanordning, karakterisert ved at prøvesubstansen (5) er plassert i kontakt med ett eller flere temperaturutvidelseselementer (6) av fast materiale, og at en eller flere mekanoelektriske eller mekanooptiske omvandlere (7) er anbragt i kontakt med en eller noen av temperaturutvidelseselementets/elementenes sider.

2. Fototermisk målecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at temperaturutvidelseselementet. (6) utgjøres av en plate av et gjennomskinnelig kjemisk inert materiale, såsom kvarts,glass, safir etc.

3. Fototermisk målecelle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den mekanoelektriske omvandler utgjøres av et plezoelektrisk materiale.

4. Fototermisk målecelle ifølge et eller flere av de foregående krav .karakterisert ved at en del av temperaturutvidelseselementet (6) er fargebehandlet på en annen måte enn resten av nevnte element, f.eks. svartmalt.

5. Fototermisk målecelle ifølge et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at målecellen (4) fremviser en gjennomgående passasje (19) for en prøve-substans, f. eks. et pulver,en væske, gel, kolloid eller lignende, hvilken passasje er anordnet til å strekke seg over temperaturutvidelseselementet (6), hvilket danner en del av passasjens vegg.

6. Fototermisk målecelle ifølge et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at målecellen (4) fremviser to eller flere temperaturutvidelseselémenter (6), hvilke er anbragt i kontakt med mekanoelektriske eller-optiske omvandlere (7).

7. Fototermisk fremgangsmåte for studium av lysabsorpsjonen i en prøvesubstans, hvilken bestråles med lys av en modulert intensitet og der prøven undergår en temperaturhevning proporsjonal mot det lys som absorberes av prøven og der temperaturhevningen i prøven omvandles til et elektrisk signal med en amplitude som varierer som en funksjon av temperaturen i prøven, karakterisert ved at temperaturvariasjonene i prøven (5) frembringer en alternerende ekspansjon og kontraksjon i et temperaturutvidelseselement (6) av fast materiale som et resultat av den termiske diffusjonen fra prøven til temperaturutvidelseselementet, med hvilket prøven er plassert i direkte kontakt og at ekspansjonen og kontraksjonen til nevnte temperNtur-utvidelseselement detekteres for å tilveiebringe et elektrisk signal ved hjelp av et omvandlerorgan (7) fast anbragt mot nevnte temperaturutvidelseselement.