RU2408908C1 - Apparatus for measuring concentration of light-absorbing substances - Google Patents

Apparatus for measuring concentration of light-absorbing substances Download PDF

Info

Publication number
RU2408908C1
RU2408908C1 RU2009122642/28A RU2009122642A RU2408908C1 RU 2408908 C1 RU2408908 C1 RU 2408908C1 RU 2009122642/28 A RU2009122642/28 A RU 2009122642/28A RU 2009122642 A RU2009122642 A RU 2009122642A RU 2408908 C1 RU2408908 C1 RU 2408908C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channel
light
sample
cavity
receivers
Prior art date
Application number
RU2009122642/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Платонович Попов (RU)
Александр Платонович Попов
Анатолий Александрович Крашенинников (RU)
Анатолий Александрович Крашенинников
Париз Азимович Шахвердов (RU)
Париз Азимович Шахвердов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ЛЮМЭКС-АвтоХимКонтроль"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ЛЮМЭКС-АвтоХимКонтроль" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ЛЮМЭКС-АвтоХимКонтроль"
Priority to RU2009122642/28A priority Critical patent/RU2408908C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2408908C1 publication Critical patent/RU2408908C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Optical Measuring Cells (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: waveguide element is in form of a channel cavity in diffusely scattering hydrophobic materials having cavities without direct contact with the channel cavity. Inside the cavities there are light sources and receivers spaced apart by a distance which provides the required assay sensitivity. Direct-flow of the analysed sample is created inside the channel cavity. The channel cavity can also be coated with porous material which enables extraction of the analysed substance with subsequent measurement of its optical absorption. The apparatus can also be fitted with washing apparatus. ^ EFFECT: high sensitivity of the apparatus and possibility of self-cleaning of the measurement channel. ^ 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области техники спектроскопического измерения концентрации веществ (в том числе экологически вредных) в различных агрегатных состояниях автоматическими аналитическими методами, особенно применительно к природным условиям.The invention relates to the field of spectroscopic measurement of the concentration of substances (including environmentally harmful) in various states of aggregation by automatic analytical methods, especially in relation to natural conditions.

Особенностью автоматических приборов для измерения концентраций различных веществ в природных образцах является необходимость работы при постоянном поступлении новых порций пробы в широком, заранее неизвестном, диапазоне концентраций и необходимость быстрой очистки измерительной кюветы от неожиданно высокой концентрации вещества в пробе. В этих условиях на первый план выходит создание устройств, обладающих наряду с высокой чувствительностью способностью не подвергаться загрязнению.A feature of automatic instruments for measuring the concentrations of various substances in natural samples is the need to work with the constant supply of new portions of the sample in a wide, previously unknown, range of concentrations and the need for quick cleaning of the measuring cell from an unexpectedly high concentration of the substance in the sample. Under these conditions, the creation of devices that possess, along with high sensitivity, the ability not to be contaminated, comes to the fore.

Известны устройства для спектроскопического измерения концентрации веществ, базирующиеся на использовании закона Бугера-Ламберта-Бера, связывающего оптическую плотность образца, измеренную в определенном спектральном диапазоне, с концентрацией вещества и длиной кюветы [М.И.Булатов, И.П.Калинкин. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. Л.: Химия, 1986]. Необходимость измерения (особенно в природных образцах) низких концентраций веществ и, следовательно, низкого уровня поглощения света привела к использованию либо устройств, собирающих максимум света, прошедшего многократно через образец, либо применению длинных кювет.Known devices for spectroscopic measurement of the concentration of substances, based on the use of the Bouguer-Lambert-Behr law that relates the optical density of a sample, measured in a certain spectral range, with the concentration of the substance and the length of the cuvette [M.I. Bulatov, I.P. Kalinkin. A practical guide to photometric analysis methods. L .: Chemistry, 1986]. The need to measure (especially in natural samples) low concentrations of substances and, therefore, a low level of light absorption has led to the use of either devices that collect the maximum of light that has passed many times through the sample, or the use of long cuvettes.

Известны патенты, например U.S. Patent №5570447, в котором описывается длинная (до 5 м) капиллярная кювета, внутренние стенки которой покрыты инертным фторполимером TEFLON AF (который используется, например, в US Patent №5165773, US Patent №5608517), имеющим показатель преломления n=1,315-1,29, меньший чем показатель преломления воды (n=1,33), что обеспечивает волноводный эффект для вводимого в нее света. Однако размещение источника и приемника света непосредственно в исследуемом потоке пробы, особенно при малой его скорости, не способствует быстрой отмывки кюветы от предыдущей пробы.Patents are known, for example U.S. Patent No. 5570447, which describes a long (up to 5 m) capillary cell, the inner walls of which are coated with an inert fluoropolymer TEFLON AF (which is used, for example, in US Patent No. 5165773, US Patent No. 5608517), having a refractive index of n = 1,315-1 , 29, smaller than the refractive index of water (n = 1.33), which provides a waveguide effect for the light introduced into it. However, placing the light source and receiver directly in the sample stream under investigation, especially at its low speed, does not contribute to the quick washing of the cuvette from the previous sample.

Аналогичным недостатком обладают устройства, описанные в U.S. Patent №6246828 B1, U.S. Patent №6878943 B2, U.S. Patent №6016372, U.S. Patent №5444807, U.S. Patent №7343074 B1.The devices described in U.S. have a similar disadvantage. Patent No. 6246828 B1, U.S. Patent No. 6878943 B2, U.S. Patent No. 6016372, U.S. Patent No. 5444807, U.S. Patent No. 7343074 B1.

Другим направлением техники определения малых концентраций химических соединений, присутствующих в природной воде, является использование интегральной сферы в различных ее модификациях. Один из вариантов реализации такого устройства рассмотрен в диссертации R.М.Pope [R.М.Pope. Optical absorption of pure water and sea water using the integrating cavity absorption meter. Ph.D. Thesis. 1993]. Интегрирующая полость изготовлена из диффузно отражающей керамики, внутри полости помещена измерительная кювета, заполняющая почти весь ее объем. Свет в кювету заводится через несколько оптических волокон, аналогично осуществляется регистрация света, рассеянного в интегрирующей полости. В другом варианте устройства - PSICAM (point-source integrating-cavity absorption meter) используется источник света, расположенный в центре интегрирующей сферы, полностью заполненной исследуемой жидкостью. Рассеянный интегрирующей сферой свет собирается на внешней ее поверхности через соответствующее окно. Фирма HOBI Labs выпускает аналогичного типа прибор для океанографических исследований [D.R.Dana, R.A.Maffione. A new hyperspectral spherical-cavity absorption meter. HOBI Labs, Inc. http://www.hobilabs.com]. Оба этих устройства не предназначены для проточных приборов и имеют либо застойные зоны, либо загрязняющиеся внутренние поверхности.Another area of the technique for determining small concentrations of chemical compounds present in natural water is the use of the integral sphere in its various modifications. One of the options for implementing such a device is considered in the dissertation R.M. Pope [R.M. Pope. Optical absorption of pure water and sea water using the integrating cavity absorption meter. Ph.D. Thesis. 1993]. The integrating cavity is made of diffusely reflecting ceramics, a measuring cell is placed inside the cavity, filling almost its entire volume. The light is fed into the cuvette through several optical fibers; similarly, light scattered in the integrating cavity is recorded. In another embodiment of the device, PSICAM (point-source integrating-cavity absorption meter) uses a light source located in the center of an integrating sphere completely filled with the studied liquid. The light scattered by the integrating sphere is collected on its outer surface through a corresponding window. HOBI Labs produces a similar type of instrument for oceanographic research [D.R.Dana, R.A. Maffione. A new hyperspectral spherical-cavity absorption meter. HOBI Labs, Inc. http://www.hobilabs.com]. Both of these devices are not designed for flowing devices and have either stagnant zones or contaminated internal surfaces.

Проточный вариант реализован в US Patent №7057730 B2. Исследуемая проба протекает через центральную трубу, изготовленную из прозрачного материала, которая окружена двумя концентрическими диффузно рассеивающими цилиндрами с промежутком между ними. В этот промежуток вводится свет от большого количества равномерно расположенных источников, освещающих пробу через внутренний рассеивающий цилиндр. Измеряемый сигнал снимается через световоды с приемников, также равномерно распределенных по интегрирующей полости. Таким образом, в этом устройстве отсутствуют застойные зоны и осуществляется защита от загрязнения источников и приемников света из-за отсутствия их непосредственного контакта с пробой, но требуется очистка внутреннего прозрачного цилиндра, изготовленного из гидрофильного материала. В этом устройстве не реализуется волноводный процесс распространения света вдоль пробы, т.к. проба освещена равномерно. Волноводный процесс распространения света вдоль пробы осуществлен в US Patent №6385380, который принят за прототип изобретения. Исследуемая проба протекает в прозрачном капилляре, освещаемом через его стенку источником света с помощью оптоволокна. На некотором расстоянии вдоль потока пробы (непосредственно в потоке) расположено регистрирующее оптоволокно, связанное с приемником излучения. Ввод и вывод пробы осуществляется перпендикулярно к оси капилляра. Недостатками этого устройства являются наличие застойных зон из-за отмеченной выше геометрии ввода пробы и возможность загрязнения как стенок прозрачного капилляра, так и регистрирующего оптоволокна.The flow-through version is implemented in US Patent No. 7057730 B2. The test sample flows through a central pipe made of a transparent material, which is surrounded by two concentric diffusely scattering cylinders with a gap between them. Light is introduced into this gap from a large number of evenly spaced sources illuminating the sample through an internal scattering cylinder. The measured signal is taken through the optical fibers from the receivers, which are also uniformly distributed over the integrating cavity. Thus, in this device there are no stagnant zones and protection against pollution of light sources and receivers due to the lack of their direct contact with the sample, but cleaning of the inner transparent cylinder made of a hydrophilic material is required. This device does not implement the waveguide process of light propagation along the sample, because the sample is lit evenly. The waveguide light propagation process along the sample is carried out in US Patent No. 6385380, which is adopted as a prototype of the invention. The test sample flows in a transparent capillary, illuminated through its wall by a light source using optical fiber. At a certain distance along the sample stream (directly in the stream), a recording optical fiber connected to the radiation receiver is located. The input and output of the sample is perpendicular to the axis of the capillary. The disadvantages of this device are the presence of stagnant zones due to the above geometry of the injection of the sample and the possibility of contamination of both the walls of the transparent capillary and the recording optical fiber.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, обладающего наряду с высокой чувствительностью за счет длинного оптического пути в анализируемой пробе способностью к самоочистке измерительного тракта.The objective of the invention is to provide a device that, along with high sensitivity due to the long optical path in the analyzed sample, the ability to self-clean the measuring path.

В заявленном изобретении это обеспечивается реализацией волноводного процесса распространения анализирующего света вдоль интегрирующей полости и отсутствием ее загрязнения из-за создания прямоточного характера протекания пробы, не контактирующей непосредственно с источниками и приемниками анализирующего света.In the claimed invention, this is ensured by the implementation of the waveguide process of the distribution of the analyzing light along the integrating cavity and the absence of its pollution due to the creation of a direct-flow nature of the flow of the sample, which does not directly contact the sources and receivers of the analyzing light.

Поставленная задача достигается тем, что волноводный элемент выполнен в виде полости-канала в диффузно рассеивающем гидрофобном материале с углублениями, в которых размещены источники и приемники света, разнесенные друг от друга на расстояние, обеспечивающее требуемую чувствительность анализа, причем углубления выполнены с возможностью прохождения света в полость без контакта с ее внутренней поверхностью. Поперечное сечение полости по форме и площади совпадает с магистралью, подводящей пробу, а отсутствие каких-либо элементов внутри полости позволяет создать прямоточный характер протекания пробы, отсутствие застойных зон и, как следствие, самоочищение измерительного тракта.This object is achieved in that the waveguide element is made in the form of a cavity channel in a diffusely scattering hydrophobic material with recesses in which light sources and receivers are placed spaced apart from each other to provide the required analysis sensitivity, the recesses being made with the possibility of light passing into cavity without contact with its inner surface. The cross section of the cavity in shape and area coincides with the line supplying the sample, and the absence of any elements inside the cavity allows you to create a direct-flow nature of the flow of the sample, the absence of stagnant zones and, as a result, self-cleaning of the measuring path.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, гдеThe claimed invention is illustrated by drawings, where

на фиг.1 представлена конструкция устройства.figure 1 presents the design of the device.

На Фиг.2 представлена зависимость оптической плотности раствора соли ванадия в воде от ее концентрации.Figure 2 shows the dependence of the optical density of a solution of vanadium salt in water on its concentration.

Полость-канал 1 (далее канал 1) по Фиг.1 изготовлена в элементе 3 из гидрофобного материала с высоким коэффициентом диффузного отражения света, например тефлоне. Вокруг канала 1 в полостях 4, не имеющих непосредственного контакта с каналом 1, размещаются источники света 5. Такими источниками света могут быть как монохроматические источники типа светоизлучающих диодов или лазеров, так и немонохроматические источники с оптическими фильтрами, соответствующими спектру поглощения исследуемой пробы. Стенка канала в месте размещения источников света выполняется достаточно тонкой, чтобы обеспечить освещение канала диффузно рассеянным светом. В соответствии с индикатрисой рассеяния свет распространяется вдоль канала 1 волноводным образом и поглощается пробой. На расстоянии от источников света 5, определяемом требуемой чувствительностью анализа, располагаются в полостях 6 приемники излучения 7. Стенки канала 1 в месте размещения приемников также сделаны достаточно тонкими, чтобы обеспечить освещение приемников 7 светом, прошедшим вдоль канала. Герметизация канала 1 осуществляется стандартными методами с помощью кольцевых прокладок. Для предварительной промывки канала 1 может быть предусмотрен дополнительный штуцер 8, через который закачивается промывочная жидкость, смачивающая поверхность канала. В случае необходимости предварительного экстрагирования анализируемого вещества из пробы стенки канала 1 покрываются пористой мембраной, на которой по мере прохождения пробы происходит накопление исследуемого вещества, по кинетике поглощения света которого определяют его концентрацию (при предварительной калибровке по эталонным пробам). Предварительное смачивание мембраны производится экстрагирующей жидкостью также через штуцер 8.The cavity channel 1 (hereinafter channel 1) of FIG. 1 is made in element 3 of a hydrophobic material with a high coefficient of diffuse reflection of light, such as Teflon. Light sources 5 are placed around channel 1 in cavities 4 that do not have direct contact with channel 1. Such light sources can be either monochromatic sources such as light-emitting diodes or lasers, or non-monochromatic sources with optical filters corresponding to the absorption spectrum of the sample under study. The channel wall at the location of the light sources is thin enough to provide diffusely scattered light to the channel. In accordance with the scattering indicatrix, light propagates along channel 1 in a waveguide manner and the breakdown is absorbed. At a distance from the light sources 5, determined by the required sensitivity of the analysis, radiation receivers 7 are located in the cavities 6. The walls of the channel 1 at the location of the receivers are also made thin enough to provide illumination of the receivers 7 with light transmitted along the channel. The sealing of channel 1 is carried out by standard methods using ring gaskets. For pre-flushing the channel 1, an additional nozzle 8 can be provided through which the flushing fluid is wetted to wet the surface of the channel. If it is necessary to pre-extract the analyte from the sample, the walls of channel 1 are covered with a porous membrane, on which, as the sample passes, the analyte accumulates, the light absorption kinetics of which determine its concentration (during preliminary calibration using standard samples). Preliminary wetting of the membrane is carried out by the extracting liquid also through the nozzle 8.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Анализируемая проба 2 пропускается через полость-канал 1. Сигналы с 5 приемников 7, освещаемых светом, прошедшим через анализируемую пробу, сравниваются с сигналами, полученными при прохождении эталонных проб с известными концентрациями анализируемого вещества, и на основании предварительной градуировки вычисляется концентрация вещества в пробе.The operation of the device is as follows. The analyzed sample 2 is passed through the cavity channel 1. The signals from 5 receivers 7 illuminated by the light passing through the analyzed sample are compared with the signals obtained by passing the reference samples with known concentrations of the analyte, and the concentration of the substance in the sample is calculated based on preliminary calibration.

На фиг.2 приведен пример использования устройства при измерении концентрации растворенных в воде ионов ванадия, анализируемых с помощью реакции комплексообразования с 4-(2-пиридилазо)резорцином. В качестве источника излучения был использован светодиод с длиной волны излучения 520 нм, а в качестве приемника фотодиод типа ОРТ-301.Figure 2 shows an example of the use of the device when measuring the concentration of vanadium ions dissolved in water, analyzed using the complexation reaction with 4- (2-pyridylazo) resorcinol. An LED with a radiation wavelength of 520 nm was used as a radiation source, and an ORT-301 type photodiode as a receiver.

Claims (3)

1. Устройство для измерения концентрации светопоглощающих веществ, содержащее волноводный элемент, источники и приемники света, отличающееся тем, что волноводный элемент выполнен в виде полости-канала, в диффузно рассеивающем гидрофобном материале с полостями, не имеющими непосредственного контакта с полостью-каналом, в которых размещены источники и приемники света, разнесенные друг от друга на расстояние, обеспечивающее требуемую чувствительность анализа, причем внутри полости-канала создается прямоточный характер протекания анализируемой пробы.1. A device for measuring the concentration of light-absorbing substances, containing a waveguide element, light sources and receivers, characterized in that the waveguide element is made in the form of a cavity channel in a diffusely scattering hydrophobic material with cavities that do not have direct contact with the cavity channel, in which light sources and receivers are placed, spaced apart from each other to provide the required sensitivity of the analysis, and a direct-flow nature of the flow of the analysis is created inside the channel-channel iruemoy sample. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость-канал дополнительно покрыта пористым материалом, обеспечивающим экстракцию исследуемого вещества с последующим измерением его оптического поглощения.2. The device according to claim 1, characterized in that the cavity channel is additionally coated with a porous material, which provides extraction of the test substance with subsequent measurement of its optical absorption. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено средством промывки. 3. The device according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with a washing means.
RU2009122642/28A 2009-06-08 2009-06-08 Apparatus for measuring concentration of light-absorbing substances RU2408908C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009122642/28A RU2408908C1 (en) 2009-06-08 2009-06-08 Apparatus for measuring concentration of light-absorbing substances

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009122642/28A RU2408908C1 (en) 2009-06-08 2009-06-08 Apparatus for measuring concentration of light-absorbing substances

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2408908C1 true RU2408908C1 (en) 2011-01-10

Family

ID=44054720

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009122642/28A RU2408908C1 (en) 2009-06-08 2009-06-08 Apparatus for measuring concentration of light-absorbing substances

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2408908C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2627561C1 (en) * 2016-03-24 2017-08-08 Общество с ограниченной ответственностью "ЛЮМЭКС-АвтоХимКонтроль" Device for measuring concentration of light-absorbing substances

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2627561C1 (en) * 2016-03-24 2017-08-08 Общество с ограниченной ответственностью "ЛЮМЭКС-АвтоХимКонтроль" Device for measuring concentration of light-absorbing substances

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9939373B2 (en) Interactive variable pathlength device
JP4933271B2 (en) Handheld device with a disposable element for chemical analysis of multiple specimens
KR20050002822A (en) Method for analysing liquids, in addition to a device therefor
KR101684407B1 (en) Water pollution measurement system using optical sensor and water pollution measurement apparatus
RU2007126679A (en) SYSTEM FOR SPECTROSCOPY OF PASSING FOR USE IN DETERMINING ANALYZED SUBSTANCES IN THE LIQUID OF THE ORGANISM
JP2007501415A5 (en)
RU2593623C2 (en) Device for photometric or spectrometric analysis of liquid sample
JPH0141934B2 (en)
JP2008309785A (en) Attenuated total reflection sensor
CN205941357U (en) Integrative optoelectronic measuring structure of scattering transmission
GB2312278A (en) Organic and/or biological pollution monitor
RU2408908C1 (en) Apparatus for measuring concentration of light-absorbing substances
EP3137861A1 (en) A disposable measurement tip and method for use thereof
JP2018526644A (en) Method and apparatus for determining substance concentration or substance in a liquid medium
RU96974U1 (en) SPECTROPHOTOMETRIC LIQUID CELL
CN115290587A (en) Multichannel solution concentration detection method and device based on hollow optical fiber
RU2627561C1 (en) Device for measuring concentration of light-absorbing substances
AU732530B2 (en) Device for measuring the partial pressure of gases dissolved in liquids
DE60109261D1 (en) Device for determining the volume of a single red blood cell
US20020110487A1 (en) Apparatus and method for handling fluids
Goswami et al. Fiber optic chemical sensors (FOCS): An answer to the need for small, specific monitors
RU2419086C1 (en) Spectrophotometric liquid cell
CN103604768A (en) Portable UV spectrophotometer special for CO poisoning and application method thereof
KR20140034733A (en) Sample receiving apparatus
EA036344B1 (en) Oil spectral analyzer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160609