PL247930B1 - Uchwyt do mocowania cienkich warstw materiałów w kuwecie pomiarowej do pomiarów fluorymetrycznych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem niniejszego zgłoszenia jest uchwyt (1) do mocowania cienkich warstw badanych materiałów w kuwecie spektrofluorymetrycznej (2), charakteryzujący się tym, że ma kształt graniastosłupa o podstawie trapezu prostokątnego; dwie sąsiadujące ściany boczne, pierwsza ściana boczna (3) i druga ściana boczna (4), będące względem siebie pod kątem 90° docelowo przylegają do dwóch sąsiadujących ścian kuwety spektrofluorymetrycznej, druga ściana boczna (4) jest wyposażona w co najmniej dwie wypustki (5, 6) przylegające do drugiej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej oraz do trzeciej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej, pomiędzy wypustkami (5, 6), w trzeciej ścianie bocznej (7) graniastosłupa uchwytu (1), umieszczona jest nasadka (8) unieruchamiająca badaną cienką warstwę w postaci ramki; trzecia ściana boczna (7) graniastosłupa uchwytu (1) jest nachylona względem pierwszej ściany bocznej (3) graniastosłupa uchwytu (1) pod kątem powyżej 0° do 45°.

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy uchwytu służącego do mocowania cienkich warstw materiałów, tj. filmów, błon, warstw nanostrukturalnych, w kuwecie pomiarowej do pomiarów fluorymetrycznych. Dzięki wykorzystaniu niniejszego wynalazku próbki badanych materiałów są umieszczane w sposób powtarzalny i odtwarzalny w kuwecie pomiarowej, przez co znacznie zmniejsza się błąd pomiarowy. Możliwe jest wielokrotne wprowadzanie i wyjmowanie próbki z kuwety, porównanie widm otrzymywanych dla różnych materiałów. Z zastosowaniem wyżej wymienionego rozwiązania pomiar emisji fluorescencji w kuwecie może być prowadzony zarówno w roztworze, jak i bez roztworu. Niniejszy wynalazek eliminuje konieczność zakupu tzw. holdera do pomiarów/badań próbek stałych, opcjonalnie oferowanych przez producentów fluorymetrów. Istotną wadą tego typu holderów jest konieczność pracy w nieobecności roztworu oraz niepowtarzalne mocowanie próbki/próbek w holderze, co może powodować istotną zmianę widma nie związaną np. z badanymi procesami, w których uczestniczy materiał emitujący widmo, czy też różnymi właściwościami badanych materiałów. Holdery oferowane na rynku są przeznaczone i skonstruowane do umieszczania w urządzeniu relatywnie sztywnych próbek stałych.

W przypadku pomiarów spektrofluorymetrycznych światło powinno padać na badaną próbkę (np. cienki film), za każdym razem pod tym samym kątem, a próbka powinna być nieruchoma w roztworze w czasie pomiaru. Ponadto badana próbka musi znajdować się w wiązce promieniowania wzbudzającego, jeśli pomiar jest powtarzany (np. dla monitorowania przebiegu procesu) światło wzbudzające musi padać w tym samym miejscu, aby uzyskiwane wyniki były powtarzalne i porównywalne.

Niniejszy wynalazek umożliwia rejestrację widma cienkiej warstwy materiału stałego - przełożenie uchwytu wraz z próbką materiału do innego ośrodka np. celem zajścia reakcji - i ponowne umieszczenie badanego materiału w kuwecie w sposób taki, jak za pierwszym razem, tj. powtarzalnie. Umożliwia to porównanie widma emisji badanego materiału przed i po reakcji. Cienkie, szczególnie wiotkie warstwy (np. filmy/błony polimerowe, maty z nanowłókien) mają tendencję do unoszenia/zmieniania swojego położenia w roztworze, a w rezultacie intensywność rejestrowanych widm zmienia się znacznie przy zachowaniu innych parametrów pomiarowych. W skrajnych przypadkach próbka badanego materiału może znaleźć się poza wiązką światła wzbudzającego, uniemożliwiając pomiar. W ogólności samorzutny ruch cienkich warstw materiałów w roztworze, prowadząc do przypadkowych zmiany intensywności rejestrowanych widm, uniemożliwia bezpośrednie zbadanie wpływu innych procesów (np. reakcji z barwnikiem obecnym w materiale) na zmiany intensywności emisji fluorescencji filmów np. polimerowych, zapewniających pomiary w roztworach. Pomiary takie mogą być istotne np. w celu badania oddziaływania cienkiej warstwy materiału (błony, filmu, maty z nanowłókien) z roztworem, dla badania składu roztworu, badania właściwości filmu/maty, czy też badania oddziaływania filmu/maty z roztworem, np. uwalniania leku.

Dotychczas nie zaprezentowano żadnych sposobów na rozwiązanie problemów związanych z pomiarami fluorymetrycznymi, w których stosowano stałe, cienkie, wiotkie warstwy materiałów polimerowych, np. warstw czy mat z nanowłókien.

Opracowany uchwyt umożliwia umieszczenie próbki pod wybranym kątem w stosunku do padającej wiązki wzbudzającej, a w rezultacie optymalizację rozproszenia i odbicia światła padającego i maksymalizacje intensywności widma emisji. Wynalazek obejmuje modele uchwytu o różnych kątach padania wiązki światła na próbkę, od 0° do 45°, o drodze optycznej wynoszącej np. 5,5 mm. Dla większości materiałów (struktur) preferowana wartość kąta padania wiązki wzbudzającej będzie wynosiła 35° dla próbek nie odbijających światła. W przykładach zaprezentowano wpływ zmiany wartości kąta padania wiązki dla wybranych kątów wynoszących 15°, 20°, 25°, 30°, 35° i 45°.

Proponowana konstrukcja uchwytu może być otrzymana z dowolnego materiału, o ile przynajmniej jego powierzchnia zostanie zabezpieczona przed odbiciem i rozpraszaniem wiązki padającej wzbudzającej. Przykłady obrazujące istotę wynalazku zostały wykonane i wydrukowane przy pomocy drukarki 3D z materiału termoplastycznego - polilaktydu.

Wykorzystanie proponowanego uchwytu do kuwety, do unieruchamiania cienkich filmów, umożliwia również pomiary fluorymetryczne prowadzone w kontrolowanej temperaturze za pomocą standardowego wyposażenia fluorymetru: termostatowanego uchwytu do kuwet.

W stanie techniki istniejące rozwiązania do pomiarów fluorescencji próbek stałych dają możliwość pomiaru z wykorzystaniem uchwytu (holdera), będącego opcjonalnym (dodatkowo płatnym) wyposażeniem różnych spektrofluorymetrów oferowanych na rynku. Co do zasady, urządzenie takie wymaga pracy w nieobecności roztworu (suche próbki) i każdorazowego mocowania próbki w holderze oraz w wiązce światła padającego, co z reguły jest źródłem znacznych fluktuacji w rejestrowanych, nawet dla tej samej próbki, w tych samych warunkach pomiarowych, wartościach intensywności emisji fluorescencji. Dodatkowo mocowanie cienkiej - więc wiotkiej, nieodpornej mechanicznie - próbki w holderze jest bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe. Zaproponowane holdery do próbek stałych nie mają możliwości regulacji temperatury pomiarowej [https://www.hitachi-hightech.com/file/global/products/science/appli/ana/fl/solid/fl_120005.pdf; https://store.eu.horiba.com/products/solid-sample-holder-5500001934, https://www.agilent.com/en/product/molecular-spectroscopy/fluorescence-spectroscopy/fluorescence-accessories/cary-eclipse-solid-sample-holder, stan na 13.03.2023].

Inne rozwiązanie wykorzystywane w praktyce, choć kłopotliwe eksperymentalnie i nie zapewniające odpowiednio wysokiej powtarzalności rejestrowanych widm, wymaga umocowania próbki - cienkiej warstwy materiału stałego lub pół-stałego w oprawce, która jest następnie umieszczana w komercyjnym holderze do próbek stałych opisanym powyżej [A. Baranowska-Korczyc, K. Maksymiuk, A. Michalska Electrospun nanofiber supported optodes: scaling down the receptor layer thickness to nanometers towards 2D optodes, Analyst, 2019, 144, 4667]. Taką oprawką może być fragment odpowiednio przyciętej fiolki plastikowej tzw. eppendorfa. Takie rozwiązanie umożliwia wyłącznie rejestrację widm w powietrzu (w nieobecności roztworu) i nie zapewnia powtarzalności pomiędzy kolejnymi pomiarami próbkę każdorazowo należy umieścić w ramce i umocować w holderze. Nawet niewielkie zmiany położenia i kąta padania promieniowania wzbudzającego prowadzą do znacznych zmian intensywności rejestrowanych widm. Dodatkowo opisany sposób jest bardzo pracochłonny. Próbka cienkiego ciała stałego umocowana w opisanej powyżej (home made) oprawce nie jest wsparta na podłożu - co dodatkowo zwiększa ryzyko zmiany ułożenia zewnętrznej powierzchni próbki, a co za tym idzie kąta padania promieniowania wzbudzającego i w efekcie intensywności rejestrowanych widm emisyjnych.

Kolejne możliwe rozwiązania pozwalające na rejestrację widma emisji cienkiej warstwy obejmują wykorzystanie specjalnej przystawki połączonej przez światłowody ze spektrofluorymetrem - także opcjonalnego wyposażenia oferowanego przez niektórych producentów [https://www.perkinelmer.com/pl/product/ls-series-front-surface-accessory-52123130, dostęp 28 marca 2023]. Również to rozwiązanie wymaga pracy w nieobecności rozpuszczalników np. wody, a intensywności rejestrowanych widm zależą od sposobu umieszczenia końcówki na próbce, są wiec wysoce niepowtarzalne.

Inne możliwe do wykorzystania rozwiązanie to np. „wklejenie” badanej próbki - cienkiej warstwy - w planarny uchwyt z tworzywa. Tak otrzymany układ przykleja się, np. z wykorzystaniem taśmy dwustronnej w kuwecie. Rozwiązanie takie umożliwia rejestrację powtarzalnych widm w różnych roztworach, jednak nie umożliwia wyjęcia próbki i przeprowadzenia reakcji poza kuwetą. Dodatkowo sposób mocowania próbki w kuwecie - na taśmę dwustronną jest bardzo pracochłonny, słabo powtarzalny miedzy różnymi próbkami. Co więcej jest to sposób nietrwały - w kontakcie z wodą, czy reagentami taśma, czy też uchwyt próbki może ulegać zniszczeniu, powodując uwolnienie badanego materiału lub wprowadzając do próbki inne, niepożądane składniki w wyniku reakcji np. taśmy dwustronnej z wodą (hydroliza kleju i/lub materiału taśmy) [Kalisz, J., Zarębska, J., Kijeńska-Gawrońska, E., Maksymiuk, K., Michalska, A. Colorimetric and fluorimetric pH sensing using polydiacetylene embedded within PVC/PCL nanofibers. Electroanalysis, e202200497].

W pomiarach fluorymetrycznych, prowadzonych dla ciał stałych, dla uzyskania wiarygodnych wyników pomiaru, powtarzalnych i odtwarzalnych, spełnionych musi być kilka warunków: badany obiekt musi być nieruchomy w stosunku do drogi optycznej światła wzbudzającego (pozycja próbki musi być stała). Roztwór, jeśli jest wykorzystywany, nie może wpływać na pozycję próbki (nie może się dostawać pod próbkę i unosić jej, ani przemieszczać w inny sposób). Pod próbką nie mogą formować się pęcherze powietrza i zmieniać położenie powierzchni próbki w stosunku do padającego światła wzbudzającego. Jeśli pomiary są wykonywane kilkakrotnie dla tej samej próbki - rejestrowane są zmiany w czasie, w funkcji zmian stężenia wybranych reagentów, itp. - światło wzbudzające powinno padać na próbkę ciała stałego za każdym razem w tym samym miejscu, pod tym samym kątem, aby uzyskiwane wyniki były powtarzalne i porównywalne.

W badaniach fluorymetrycznych często wykorzystuje się nanomateriały w postaci drobin zawieszonych w roztworze (mikro- i nanocząstek). Badanie zmian emisji tego typu obiektów - trwałych zawiesin w wybranym ośrodku ciekłym - w wyniku reakcji np. z odczynnikami rozpuszczonymi w fazie ciekłej, czy też badanie zmian emisji w czasie, na skutek innych procesów, nie nastręcza problemów technicznych. Dla celów rejestracji widm emisji, podobnie jak dla homogenicznych roztworów, próbkę tego typu można umieścić wraz z roztworem w kuwecie pomiarowej i uzyskać korzystne, powtarzalne i odtwarzalne wyniki - widma [A. Michalska, K. Maksymiuk, Jonoselektywne sensory potencjometryczne i optyczne: podobne materiały konstrukcyjne, różne możliwości analityczne. Wiadomości Chemiczne, 2015, 69, 9-10: 687-699].

Próbki stałe wymagają odpowiedniego umiejscowienia w kuwecie i unieruchomienia, tak aby mogły być oświetlane pod odpowiednim kątem, tj. nie powodującym odbicia, światłem wzbudzającym. W przypadku badania proszków, kryształów, grubych warstw można wykorzystać odpowiednie uchwyty - holdery - oferowane przez producentów urządzeń pomiarowych. Są to z reguły metalowe elementy, w których próbka jest umieszczana poprzez wsunięcie między podłoże a dociski (sprężyny) metalowe. Jednak podkreślić należy, iż z reguły urządzenia te są dostosowane do pracy w nieobecności roztworu. O ile można w nich wielokrotnie umieszczać tę samą próbkę (z uwzględnieniem jej wytrzymałości materiałowej), to proces ten nie pozwala na precyzyjną kontrolę miejsca, z jakiego zbierane jest widmo, znacznie przyczyniając się do rozbieżności pomiarowych. Podkreślić należy, iż aby np. monitorować wymywanie odczynnika barwnego z próbki, czy reakcje materiału próbki z roztworem, w przypadku wykorzystania w/w rozwiązania konieczne jest wyjmowanie próbki z uchwytu i ponowne umieszczanie po reakcji/procesie.

Rejestracja widm z cienkich, wiotkich, materiałów stałych czy semi-stałych, o ograniczonej lub niskiej wytrzymałości mechanicznej, jest ogromnym wyzwaniem w przypadku rejestrowania widm w nieobecności cieczy. Monitorowanie ewentualnych reakcji/procesów zachodzących, z udziałem tego typu materiałów, w ośrodkach ciekłych, np. w wodzie jest praktycznie niemożliwe. Podkreślić należy, iż związane to jest z reguły z niewielką wytrzymałością mechaniczną cienkich warstw materiałów, szczególnie nanostrukturalnych, a także ich wysoką wypornością. Cienkie warstwy polimerowe, np. maty z nanowłókien, mają tendencje do unoszenia się w roztworze, co powoduje zmianę kąta padania światła wzbudzającego. W ekstremalnych przypadkach światło wzbudzające może nie oświetlać próbki badanego ciała stałego (próbka znajdzie się poza drogą optyczną). W efekcie rejestrowane widma mogą znacznie różnić się intensywnością nawet dla tego samego materiału, w nieobecności innych reakcji/procesów. Trudności techniczne w rejestracji widm dla cienkich materiałów uniemożliwiają w praktyce badania fluorymetryczne tych obiektów, wykorzystanie ich np. jako sensorów fluorymetrycznych, fluorymetryczne badanie uwalniania z nich substancji (np. leków), czy też śledzenie zmian emisji materiału na skutek innych procesów/reakcji.

Dotychczas nie zaprezentowano żadnych długotrwale sprawdzonych, i działających w sposób powtarzalny, sposobów na rozwiązanie problemów związanych z pomiarami spektrofluorymetrycznymi stałych cienkich filmów np. polimerowych, prowadzonych w roztworze, szczególnie rozwiązań pozwalających na rejestrowanie widm dla tej samej próbki w czasie/w różnych warunkach, wymagających prowadzenia reakcji poza kuwetą czy też w kuwecie w roztworze, lub też porównywania widm emisji różnych nominalnie takich samych próbek.

Celem niniejszego wynalazku było opracowanie uchwytu służącego do mocowania cienkich warstw materiałów, tj. filmów, błon, warstw nanostrukturalnych, w kuwecie pomiarowej do pomiarów fluorymetrycznych, który umożliwi unieruchomienie próbek ciał stałych w kuwecie pomiarowej w sposób powtarzalny i odtwarzalny, w roztworze lub bez roztworu, pozwalając na wielokrotne wyjmowanie i umieszczanie w kuwecie pomiarowej próbki wraz z holderem.

Cel ten został zrealizowany przez uchwyt do mocowania cienkich warstw materiałów w kuwecie pomiarowej do pomiarów fluorymetrycznych według niniejszego wynalazku.

A zatem, przedmiotem niniejszego wynalazku jest uchwyt do mocowania cienkich warstw materiałów w kuwecie pomiarowej do pomiarów fluorymetrycznych, który:

- ma kształt graniastosłupa o podstawie trapezu prostokątnego;

- dwie sąsiadujące ściany boczne, pierwsza ściana boczna i druga ściana boczna, będące względem siebie pod kątem 90° docelowo przylegają do dwóch sąsiadujących ścian kuwety spektrofluorymetrycznej, przez które nie przechodzi ani światło wzbudzające, ani emitowane, pierwszej ściany kuwety i drugiej ściany kuwety, przy czym pierwsza ściana boczna ma przylegać do pierwszej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej na całej jej powierzchni, natomiast druga ściana boczna ma szerokość mniejszą niż szerokość drugiej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej i jest wyposażona w co najmniej dwie wypustki przylegające do drugiej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej oraz do trzeciej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej, przez którą wpada promieniowanie wzbudzające;

- pomiędzy wypustkami, w trzeciej ścianie bocznej graniastosłupa uchwytu, na drodze optycznej światła wzbudzającego umieszczona jest nasadka unieruchamiająca badaną cienką warstwę w postaci ramki, korzystnie prostokątnej, przy czym nasadka unieruchamiająca jest mocowana na trzeciej ścianie bocznej graniastosłupa uchwytu albo w prostokątnym wgłębieniu w trzeciej ścianie bocznej graniastosłupa uchwytu po nałożeniu badanej próbki, w celu jej unieruchomienia; - trzecia ściana boczna graniastosłupa uchwytu jest nachylona względem pierwszej ściany bocznej graniastosłupa uchwytu pod kątem powyżej 0° do 45°.

Korzystnie, wypustki mają kształt graniastosłupa o podstawie trapezu prostokątnego, który pierwszą ścianą boczną o najmniejszej powierzchni ma przylegać do drugiej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej, a drugą ścianą boczną znajdującą się pod kątem 90° względem pierwszej ściany bocznej wypustki ma przylegać do trzeciej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej.

Korzystnie, uchwyt ma kształt graniastosłupa o podstawie trapezu prostokątnego o wysokości wyższej niż wysokość kuwety spektrofluorymetrycznej.

Korzystnie, powierzchnia uchwytu może być pokryta warstwą zapobiegającą rozpraszaniu i/lub odbijaniu światła.

Korzystnie, trzecia ściana boczna graniastosłupa uchwytu jest nachylona względem pierwszej ściany bocznej graniastosłupa uchwytu pod kątem od 15° do 45°, korzystnie 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40° i 45°.

Korzystnie, uchwyt może być wykonany z różnych materiałów, korzystnie przy pomocy drukarki 3D.

Korzystnie, polimer wykorzystywany do otrzymania uchwytu wybrany jest z grupy polimerów termoplastycznych.

Korzystnie, polimer wykorzystywany do otrzymania uchwytu jest matowy, korzystnie ciemnej barwy, najkorzystniej czarny.

Nieoczekiwanie okazało się, że zaproponowane uchwyty dla cienkich filmów, np. takie jak cienkie warstwy polimerowe, maty z nanowłókien, pozwalają na unieruchomienie cienkich próbek ciał stałych w sposób powtarzalny i odtwarzalny w kuwecie pomiarowej. Pozwala to na monitorowanie reakcji między ciałem stałym a roztworem, czy też na wielokrotne wyjmowanie próbki wraz z holderem celem przeprowadzenia reakcji/czy innego procesu i ponowne umieszczanie w kuwecie celem rejestracji widma.

Niniejszy wynalazek może mieć zastosowanie do cienkich warstw różnych materiałów, niezależnie od ich składu chemicznego czy natury. Niniejszy wynalazek jest korzystnie użyteczny w przypadku rejestracji widm emisyjnych mat z nanowłókien polimerowych. Maty z włókien polimerowych otrzymywane są za pomocą metody elektroprzędzenia, w polu elektrycznym o dużym natężeniu. Roztwór polimeru, w odpowiednim rozpuszczalniku, dostarczany jest za pomocą pompy strzykawkowej ze stałą szybkością, a wysokie napięcie przykładane jest pomiędzy igłę podłączoną do strzykawki a kolektor (materiał o dobrej przewodności elektrycznej, np. folia aluminiowa, szkło przewodzące (ITO)). Po przyłożeniu napięcia, z igły wyciągane są nici roztworu polimeru. Po odparowaniu rozpuszczalnika, w czasie opadania nici na podłoże - kolektor, powstają włókna polimerowe o rozmiarze rzędu nanometrów lub grubsze. Grubość otrzymanej maty polimerowej zależy od długości prowadzenia procesu elektroprzędzenia, gotową matę zdejmuje się z kolektora - podłoża przewodzącego, np. folii aluminiowej. Otrzymane maty w zależności od stosowanego materiału polimerowego lub ewentualnej modyfikacji maty po elektroprzędzeniu, mogą wykazywać emisję fluorescencji. Typowa grubość maty polimerowej to kilka do kilkuset mikrometrów.

Wynalazek dotyczy sposobu immobilizacji cienkiego filmu np. polimerowego w kuwecie do pomiarów spektrofluorometrycznych. Wynalazek umożliwia pomiar spektrofluorymetryczny cienkich filmów w kuwecie pomiarowej z długością optyczną mniejszą niż 1 cm, korzystnie 5,5 mm. Wynalazek umożliwia wielokrotne wyjmowanie próbki materiału stałego z kuwety (na przykład celem modyfikacji, przeprowadzenia reakcji, itp.) i ponowne umieszczanie go w kuwecie w identycznej pozycji. Wynalazek umożliwia rejestrację widm w roztworze jak i w nieobecności roztworu. Wynalazek umożliwia pomiar przy różnych kątach padania, od 0° do 45°, korzystnie 35° stopni dla próbek matowych i 15° dla próbek odbijających promieniowanie. Uchwyt do unieruchamiania cienkich warstw próbek stałych może być wykonany z dowolnego materiału, opcjonalnie jego powierzchnia może być pokryta warstwą zapobiegającą rozpraszaniu/odbijaniu światła. Korzystnie uchwyt może być przygotowany techniką druku 3D.

Uchwyt umożliwia umocowanie próbki ciała stałego w kuwecie pomiarowej - unieruchomienie jej pod wybranym kątem do promieniowania padającego. Uchwyt wykorzystuje typową geometrię kuwety pomiarowej - jego tylne ściany stykające się pod kątem 90° po włożeniu do kuwety przylegają do jej ścianek, przez które nie przechodzi ani światło wzbudzające, ani emitowane. W 1/3 wysokości uchwytu (licząc od góry) i na dole uchwytu umieszczono elementy, które stykają się ze ścianką kuwety, przez którą wpada promieniowanie wzbudzające - rolą tych elementów jest zabezpieczenie przed odchylaniem się uchwytu od pionu i zmiana położenia badanej warstwy. Przednia część uchwytu jest płaszczy zną przekroju poprzecznego skierowaną pod wybranym kątem (od 0 do 45°) w stosunku do tylnej krawędzi uchwytu, która styka się ze ścianką kuwety, równoległa do tej, przez którą wpada promieniowanie wzbudzające. Pozwala to umocować próbkę pod wybranym kątem w stosunku do promieniowania wzbudzającego. Na powierzchni przekroju poprzecznego uchwytu znajduje się prostokątne zagłębienie, z centralnie umieszczonym miejscem, w kształcie prostokąta, przeznaczonym na próbkę. Cienki film, warstwa badanego materiału, jest nakładana na powierzchnię uchwytu w miejscu przeznaczonym na próbkę. Miejsce to jest tak usytuowane w uchwycie, aby znajdowało się na drodze optycznej światła wzbudzającego. Następnie badany materiał jest unieruchamiany za pomocą nakładki unieruchamiającej - ramki. Tak umocowaną próbkę w uchwycie można umieścić w kuwecie pomiarowej, także wypełnionej roztworem, i zarejestrować widmo w dowolnie wybranym spektrofluorymetrze oraz trybie pracy. Próbkę można również wraz z holderem wyjąć i ponownie umieścić w kuwecie. Dzięki kształtowi uchwytu, przyleganiu jego tylnych ścianek, i dwóch wypustek znajdujących się z przodu i przylegających do ścianek kuwety oraz unieruchomieniu próbki przy pomocy ramki w wybranym miejscu, badany materiał będzie zawsze znajdował się w tym samym położeniu względem światła wzbudzającego. Jednocześnie kształt uchwytu umożliwia obecność roztworu w kuwecie, tj. rejestrowanie widm w roztworze, czy w wybranej temperaturze, jeśli uchwyt na kuwety w spektrofluorymetrze wyposażony jest w urządzenie do termostatowania. Roztwór można mieszać, nie powoduje to przemieszczania się próbki.

W przykładzie zaprezentowano uchwyty o 5 różnych kątach padania wiązki wzbudzającej na próbkę: 15°, 20°, 25°, 30°, 35° z zastosowaniem tej samej drogi optycznej wynoszącej 5,5 mm.

Korzystnie, proponowany uchwyt może być wykorzystywany jednorazowo (podobnie jak kuwety poliakrylowe), może jednak być także wykorzystywany wielokrotnie. Uchwyt może być wprowadzany do kuwety poliakrylanowej - jednorazowej, ale także od kuwety np. kwarcowej.

W przykładzie pokazującym działanie wynalazku, wykorzystano cienki film, matę z nanowłókien elektroprzędzionych wykonanych z polichlorku winylu) (PCW) i polikaprolaktonu (PCL), zawierających barwnik fluorescencyjny czerwień Nilu (NR).

W przykładzie wykonania środowiskiem, w którym sprawdzana była użyteczność wynalazku była woda dwukrotnie destylowana, niezawierająca żadnych substancji przeszkadzających.

W korzystnym przykładzie prezentacji wynalazku, w roztworze wodnym, uzyskano wyniki pokazujące stabilności widma, zarejestrowanego z wykorzystaniem maty PCW/PCL o grubości między 20 a 50 μm, z dodatkiem NR umieszczonej w uchwycie według niniejszego wynalazku, po przełożeniu jej do innych kuwet pomiarowych.

Rejestrowane widma emisji dla mat umieszczonych w uchwycie, będącym przedmiotem wynalazku, mają znacznie wyższe intensywności, co wynika z bardziej korzystnego ułożenia próbki w stosunku do wiązki wzbudzającej. Dodatkowo przekładanie uchwytu, wraz z umieszczoną na nim próbką, pomiędzy różnymi kuwetami pozwala uzyskać zbliżone intensywności w maksimum. W przypadku próbki nie umieszczonej w uchwycie obserwuje się znaczne zmiany rejestrowanych wartości intensywności emisji fluorescencji. Wyniki uzyskane dla cienkich warstw polimerowych, mat PCW/PCL z NR, z zastosowaniem uchwytu będącego przedmiotem wynalazku charakteryzują się korzystną powtarzalnością i odtwarzalnością.

Uchwyt według wynalazku może być zastosowany do unieruchamiania stałych cienkich filmów, korzystnie materiałów polimerowych, korzystnie elektroprzędzionych mat polimerowych, do badań spektrofluorometrycznych.

Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnych przykładach wykonania z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schemat wynalazku o przykładowych kątach padania: 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, widok perspektywiczny;

Fig. 2 przedstawia schemat wynalazku o kącie padania równym 35° z unieruchomioną matą polimerową za pomocą nakładki unieruchamiającej w kuwecie pomiarowej, widok perspektywiczny;

Fig. 3 przedstawia schemat nakładki unieruchamiającej wraz z wymiarowaniem, widok perspektywiczny;

Fig. 4 przedstawia schemat wynalazku o przykładowych kątach padania: 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, wraz z wymiarowaniem dla kąta padania równego 35°, widok od przodu;

Fig. 5 przedstawia schemat wynalazku o przykładowych kątach padania od prawej kolejno: 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, wraz z wymiarowaniem dla kąta padania równego 35°, widok z góry;

Fig. 6 przedstawia schemat wynalazku dla kąta padania równego 35° wraz z wymiarowaniem, widok z góry;

Fig. 7 przedstawia schemat wzbudzenia fluorescencji w próbce umieszczonej pod kątem padania pod wpływem wiązki wzbudzającej;

Fig. 8 przedstawia widma emisji dla filmu PCW/PCL z dodatkiem NR, zarejestrowane z wykorzystaniem uchwytu według wynalazku o kącie padania równym 35° po przełożeniu do 5 różnych kuwet w powietrzu;

Fig. 9 przedstawia widma emisji dla filmu PCW/PCL z dodatkiem NR, zarejestrowane z wykorzystaniem uchwytu według wynalazku o kącie padania równym 35° po przełożeniu do 5 różnych kuwet wypełnionych wodą destylowaną;

Fig. 10 przedstawia widma emisji dla filmu PCW/PCL z dodatkiem NR, zarejestrowane z wykorzystaniem uchwytu według wynalazku o przykładowych kątach padania: 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, pomiar emisji prowadzony był w kuwecie wypełnionej wodą destylowaną;

Fig. 11 przedstawia widma emisji dla filmu PCW/PCL z dodatkiem NR, zarejestrowane z wykorzystaniem uchwytu według wynalazku o kącie padania równym 35° dla 8 mat (próbek) w powietrzu; we wstawce umieszczono zależność intensywności emisji mierzonej przy długości fali 640 nm dla każdej próbki;

Fig. 12 przedstawia widma emisji dla filmu PCW/PCL z dodatkiem NR, zaimmobilizowanym w płytce 96-dołkowej, pomiar wykonany był 5 razy dla 1 dołka wypełnionego wodą destylowaną wyjmując i wkładając ponownie płytkę;

Fig. 13 przedstawia widma emisji dla filmu PCW/PCL z dodatkiem NR, zarejestrowane z wykorzystaniem immobilizacji maty na ITO po przełożeniu do 5 różnych kuwet wypełnionych wodą destylowaną;

Fig. 14 przedstawia porównanie maksymalnych intensywności emisji dla pomiarów prowadzonych w wodzie destylowanej, mierzonych dla immobilizacji próbki w uchwycie według wynalazku o kącie padania równym 35°, dołku na płytce 96-dołkowej oraz na ITO; pomiar prowadzono w 5 różnych kuwetach (uchwyt według wynalazku, ITO) lub po ponownym umieszczeniu płytki w spektrofluorymetrze.

PRZYKŁADY

Odczynniki i stosowane materiały

Aparatura

Podstawową techniką stosowaną do badania wynalazku była spektroskopia fluorymetryczna. Wymagała ona użycia standardowej, akrylowej kuwety pomiarowej. Maty z PCW/PCI z dodatkiem NR zostały otrzymane metodą elektroprzędzenia. Wykorzystano drukarkę 3D Prusa Mini. Spektrofluorymetr Cary Eclipse (parametry pomiarów emisji wzbudzenie 540 nm, zakres emisji 560 lub 580 do 800 nm, szczeliny wzbudzenia i emisji: 5 nm, napięcie fotopowielacza 650 V).

Odczynniki

Tetrahydrofuran (THF), dimeyloformamid (DMF), podwójnie destylowana i świeżo dejonizowana woda (rezystancja 18.2 MQ cm, Milli-Q Plus, Millipore, Austria). Poli(chlorek winylu) (PCW), polikaprolakton (PCL), czerwień Nilu (NR) zostały zakupione w Sigma Aldrich (Germany), filament z polilaktydu (PLA, BASF).

Przedmiot wynalazku „a” został zaprojektowany, w programie do modelowania obrazów, jako uchwyt na matę polimerową wydrukowany przy pomocy drukarki 3D. W programie do modelowania obrazów (np. Blender, Fusion) zaprojektowano uchwyt w taki sposób, aby parametry grubości, długości i szerokości były odpowiednie do kuwety pomiarowej oraz aby miejsce na immobilizację maty znajdowało się w miejscu dopasowanym do pomiarów optycznych tj. aby światło padało na matę zawsze w tym samym miejscu. Dokładne wymiary zaprojektowanego uchwytu: wysokość 55 mm, szerokość 10 mm, grubość 10 mm. Schematyczne rysunki uchwytów wraz z wymiarowaniem zostały przedstawione na Fig. 1-6. Fig. 7 przedstawia schemat wzbudzenia fluorescencji w próbce umieszczonej pod kątem padania pod wpływem wiązki wzbudzającej. Następnie model uzyskanego uchwytu wydrukowano za pomocą drukarki 3D (Prusa MINI). Do wydrukowania konieczne jest zastosowanie filamentów biernych optycznie i chemicznie, najkorzystniej filamenty termoplastyczne czarnego koloru, matowe z np. PLA. Do uchwytu istotne jest również wydrukowanie nakładki unieruchamiającej (tu w formie ramki), aby nałożyć ją na matę w celu jej unieruchomienia. Schemat nakładki wraz z wymiarowaniem został przedstawiony na Fig. 2 i 3. Matę polimerową umieszcza się na uchwycie, a następnie nakłada się na nią nakładkę, która unieruchamia matę na czas badań (schemat unieruchomienia maty został przedstawiony na Fig. 2). Tak przygotowany uchwyt z matą polimerową umieszcza się w kuwecie pomiarowej, co zobrazowano na Fig. 2. Kuwetę z unieruchomioną matą w uchwycie można umieścić w spektrofluorymetrze tak, aby kąt padania wynosił przykładowo: 15°, 20°, 25°, 30°, 35°.

Maty polimerowe PCW/PCL z NR zostały otrzymane metodą elektroprzędzenia przy parametrach: napięcie 13 kV, odległość igły od kolektora 15 cm, czas przędzenia 30 min., przepływ 0,8 ml/h z 15% roztworu PCW/PCL (65% PCW, 35% PCL) z dodatkiem 0,33% NR, rozpuszczonego w mieszaninie polimerów THF : DMF w stosunku objętościowym 1 : 1. Z gotowych mat PCW/PCL wycięto prostokątny fragment o odpowiedniej wielkości (dopasowany do zastosowanego przedmiotu wynalazku) i taką matę, unieruchomioną za pomocą nakładki unieruchamiającej, umieszczono w kuwecie pomiarowej, zawierającej wodę destylowaną, i zarejestrowano widmo emisji. Uchwyt z tą samą matą PCW/PCL przeniesiono do kolejnej kuwety pomiarowej (również zawierającej wodę destylowaną) i zarejestrowano widmo emisji. Czynność powtórzono 5 razy w celu sprawdzenia powtarzalności uzyskanych wyników po przeniesieniu unieruchomionej maty do różnych kuwet. Otrzymane widma emisji są przedstawione na Fig. 7. Maty polimerowe z PCW/PCL z NR zostały również unieruchomione na przykładowych uchwytach o kątach padania: 15°, 20°, 25°, 30°, 35° i wykonano pomiar emisji w powietrzu (Fig. 8) oraz w wodzie destylowanej (Fig. 9).

Przykład 1

Do sprawdzenia powtarzalności wyników uzyskanych z wykorzystaniem uchwytu według niniejszego wynalazku o kącie padania 35° przeprowadzono pomiary emisyjne dla mat PCW/PCL z NR w powietrzu (na sucho) przy przenoszeniu uchwytu z matą do kolejnych próbek i rejestracji widm emisyjnych (5 powtórzeń). Z zarejestrowanych widm emisyjnych (Fig. 8) obserwuje się, że otrzymane odpowiedzi analityczne są stabilne przy przenoszeniu tej samej maty, unieruchomionej na uchwycie, do kolejnej kuwety pomiarowej.

Przykład 2

Do sprawdzenia powtarzalności wyników uzyskanych z wykorzystaniem uchwytu według niniejszego wynalazku o kącie padania 35° przeprowadzono pomiary emisyjne dla mat PCW/PCL z NR w środowisku wodnym przy przenoszeniu uchwytu z matą do kolejnych próbek i rejestracji widm emisyjnych (5 powtórzeń). Z zarejestrowanych widm emisyjnych (Fig. 9) obserwuje się, że otrzymane odpowiedzi analityczne są stabilne przy przenoszeniu tej samej maty, unieruchomionej na uchwycie, do kolejnej kuwety pomiarowej z tym samym roztworem.

Przykład 3

Do sprawdzenia wpływu wybranego kąta padania na rejestrowaną emisję dla mat PCW/PCL z NR, w pięciu uchwytach o wybranych kątach padania wynoszących: 15°, 20°, 25°, 30°, 35° (schematy uchwytów przedstawione są na Fig. 1, 4 i 5), unieruchomiono i przeprowadzono pomiary emisyjne dla mat w wodzie destylowanej. Najwyższe wartości emisji rejestruje się dla kąta padania 35°. Wartość piku emisji przy długości fali około 640 nm wzrasta proporcjonalnie wraz ze wzrostem kąta padania (Fig. 10). Zaleca się jednak dla próbek, które łatwo odbijają promieniowanie, prowadzić pomiary w uchwycie o mniejszym kącie padania.

Przykład 4

Do sprawdzenia odtwarzalności wyników uzyskanych z wykorzystaniem uchwytu według niniejszego wynalazku o kącie padania 35° przeprowadzono pomiary emisyjne dla mat PCW/PCL z NR w powietrzu (na sucho) dla 8 różnych próbek, w których rejestrowano widma emisji. Z zarejestrowanych widm emisyjnych (Fig. 11) obserwuje się, że otrzymane odpowiedzi analityczne są podobne dla 8 próbek, co lepiej zobrazowane jest na wstawce zależności maksymalnej intensywności emisji mierzonej przy 640 nm dla każdej z próbek.

Przykład 5

Dla porównania przeprowadzono inne sposoby immobilizacji mat PCW/PCL z NR na płytce 96-dołkowej lub ITO, na którym bezpośrednio została unieruchomiona mata podczas elektroprzędzenia. Dla obu sposobów immobilizacji przeprowadzano 5 pomiarów emisji dla jednej próbki (w powietrzu, Fig. 12 i 13). W obu przypadkach intensywność fluorescencji była dużo niższa niż w przypadku wynalazku o kącie padania 35° (Fig. 8). Również stabilność odpowiedzi analitycznej dla innych sposobów immobilizacji była gorsza, co widać na zależności intensywności emisji mierzonej przy długości 640 nm w pięciu różnych kuwetach lub dla płytki wielodołkowej przedstawianej na rysunku 14.

Powyższe przykłady potwierdzają korzystne zastosowanie przedmiotu wynalazku do immobilizacji cienkich filmów, korzystnie mat polimerowych, w zastosowaniu do badań optycznych.

Claims (8)

1. Uchwyt (1) do mocowania cienkich warstw badanych materiałów w kuwecie spektrofluorymetrycznej (2), znamienny tym, że

- ma kształt graniastosłupa o podstawie trapezu prostokątnego;

- dwie sąsiadujące ściany boczne, pierwsza ściana boczna (3) i druga ściana boczna (4), będące względem siebie pod kątem 90° docelowo przylegają do dwóch sąsiadujących ścian kuwety spektrofluorymetrycznej, przez które nie przechodzi ani światło wzbudzające, ani emitowane, pierwszej ściany kuwety i drugiej ściany kuwety, przy czym pierwsza ściana boczna (3) ma przylegać do pierwszej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej na całej jej powierzchni, natomiast druga ściana boczna (4) ma szerokość mniejszą niż szerokość drugiej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej i jest wyposażona w co najmniej dwie wypustki (5, 6) przylegające do drugiej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej oraz do trzeciej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej, przez którą wpada promieniowanie wzbudzające;

- pomiędzy wypustkami (5, 6), w trzeciej ścianie bocznej (7) graniastosłupa uchwytu (1), na drodze optycznej światła wzbudzającego umieszczona jest nasadka (8) unieruchamiająca badaną cienką warstwę w postaci ramki, korzystnie prostokątnej, przy czym nasadka (8) unieruchamiająca jest mocowana na trzeciej ścianie bocznej (7) graniastosłupa uchwytu (1) albo w prostokątnym wgłębieniu w trzeciej ścianie bocznej (7) graniastosłupa uchwytu (1) po nałożeniu badanej próbki, w celu jej unieruchomienia;

- trzecia ściana boczna (7) graniastosłupa uchwytu (1) jest nachylona względem pierwszej ściany bocznej (3) graniastosłupa uchwytu (1) pod kątem powyżej 0° do 45°.

2. Uchwyt według zastrz. 1, znamienny tym, że wypustki (5, 6) mają kształt graniastosłupa o podstawie trapezu prostokątnego, który pierwszą ścianą boczną o najmniejszej powierzchni ma przylegać do drugiej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej, a drugą ścianą boczną znajdującą się pod kątem 90° względem pierwszej ściany bocznej wypustki ma przylegać do trzeciej ściany kuwety spektrofluorymetrycznej.

3. Uchwyt według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ma kształt graniastosłupa o podstawie trapezu prostokątnego o wysokości wyższej niż wysokość kuwety spektrofluorymetrycznej.

4. Uchwyt według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że powierzchnia uchwytu (1) może być pokryta warstwą zapobiegającą rozpraszaniu i/lub odbijaniu światła.

5. Uchwyt według któregokolwiek z zastrz. 1-4, znamienny tym, że trzecia ściana boczna (7) graniastosłupa uchwytu (1) jest nachylona względem pierwszej ściany bocznej (3) graniastosłupa uchwytu (1) pod kątem od 15° do 45°, korzystnie 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40° i 45°.

6. Uchwyt według któregokolwiek z zastrz. 1-5, znamienny tym, że może być wykonany z różnych materiałów, korzystnie przy pomocy drukarki 3D.

7. Uchwyt według któregokolwiek z zastrz. 1-6, znamienny tym, że polimer wykorzystywany do otrzymania uchwytu wybrany jest z grupy polimerów termoplastycznych.

8. Uchwyt według któregokolwiek z zastrz. 1-7, znamienny tym, że polimer wykorzystywany do otrzymania uchwytu jest matowy, korzystnie ciemnej barwy, najkorzystniej czarny.