RU2449260C1 - Способ спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его осуществления (варианты) - Google Patents
Способ спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его осуществления (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2449260C1 RU2449260C1 RU2011103819/28A RU2011103819A RU2449260C1 RU 2449260 C1 RU2449260 C1 RU 2449260C1 RU 2011103819/28 A RU2011103819/28 A RU 2011103819/28A RU 2011103819 A RU2011103819 A RU 2011103819A RU 2449260 C1 RU2449260 C1 RU 2449260C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- component
- thickness
- substance
- concentration
- cuvette
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для анализа веществ, в том числе и сильно рассеивающих свет. Способ заключается в том, что одну сторону специальной кюветы, которая может регулярно увеличивать и уменьшать толщину измеряемого объема вещества на малую постоянную величину ΔL, с исследуемым раствором с i-компонентами освещают светом, при этом свет спектрально изменяется в широком диапазоне, как минимум, с фиксацией на i+1 монохроматических составляющих. С противоположной стороны измеряемого объекта устанавливается фотоприемное устройство, которым измеряются значения светового потока, вышедшего из кюветы, в максимально ограниченном телесном угле приема излучения, для разных монохроматических составляющих света в момент исходного состояния и сжатия (расширения) кюветы, а концентрация компонент вещества определяется из системы i+1 уравнений. Изобретение позволяет проводить спектральный анализ сильно рассеивающих свет веществ, используя один канал измерения. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к области специального оптического приборостроения и предназначено для анализа концентрации компонент веществ (растворов), в том числе и сильно рассеивающих свет, спектрального анализа веществ, анализа концентрации компонент крови человека, таких как гемоглобин, билирубин и т.п., без повреждения кожных тканей человека.
Спектральный анализ компонент не рассеивающего свет раствора обычно проводится обычными спектрофотометрами (анализатором спектра), принцип действия которых основан на измерении интенсивности спектрально-перестраиваемого света, прошедшего через кювету, в которой находится исследуемое вещество или объект, и одновременного измерения интенсивности света на той же длине волны излучения света, прошедшего через пустую или с растворителем кювету. Искомый результат определяют по отношению сигналов.
К недостаткам данного устройства стоит отнести невозможность производить анализ мутных веществ, рассеивающих свет.
Известен способ неинвазивного (без повреждения кожи) анализа компоненты крови человека, описанный в заявке на изобретение WO 03/098213 «Способ определения соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды» (авторы Чернов Е.И. и Головков О.Л.), который заключается в подаче на поверхность пульсирующей среды с i-компонентами оптического излучения, которое спектрально разделено по i монохроматическим составляющим, при этом коэффициенты экстинкции веществ априорно известны. Измерение сигнала осуществляется по отношению максимальной и минимальной составляющей оптического сигнала для каждой монохроматической составляющей в моменты пульсации среды (ударов сердца). Искомый результат определяется решением системы из i-1 уравнений.
Данный способ основывается на утверждении, что рассеяние среды не изменяется во время пульсации среды и в течение как минимум, 1 с, а изменение толщины образца одинаково и регулярно, при этом также не учитывается изменение мутности среды за счет увеличения рассеяния света кровью во время пульсации.
Способ, взятый в качестве прототипа, патент РФ №2320980, «Способ спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его реализации» (авторы Головков О.Л и др.) состоит в облучении вещества спектрально изменяемым источником света и измерении световых потоков, прошедших через вещество, при этом для анализа используется кювета с регулярно изменяющейся толщиной объема вещества, измерении световых потоков в моменты изменения толщины измеряемого объема, при этом искомая величина концентраций i-компонент вещества определяется исходя из системы i+1 уравнений:
Основным недостатком данного способа и устройства является то, что в представленном изобретении анализ проведен для однократного рассеяния, при этом известно, что, например, ткани человеческого тела относятся к классу сильно рассеивающих свет сред и в нем преобладают многократные рассеяния. Проведенные экспериментальные и теоретические данные показали, что изобретение, взятое в качестве прототипа, описывает слабо рассеивающие среды, что сужает область его применения.
Задача заявляемого технического решения - создание оптоэлектронного устройства, позволяющего производить спектральный анализ сильно рассеивающего свет растворов или веществ, используя один канал измерения.
Технический результат направлен на создание прибора, позволяющего производить спектральный анализ сильно рассеивающего свет растворов или веществ, используя один канал измерения.
В предлагаемом способе и устройстве технический результат достигается за счет использования спектрально перестраиваемого источника света, блока измерения толщины объекта, формирования падающего пучка света, измерения интенсивности лучей света, прошедших через объект в моменты изменения толщины объекта, ограничения телесного угла приема рассеянного света и применения оригинальной математической обработки.
Сущность предлагаемого способа спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его осуществления поясняется фиг.1-4.
Фиг.1 - прохождение лучей света через объект при двукратном рассеянии.
Фиг.2 - зависимость погрешности измерения концентрации компонент среды от угла однократного рассеяния при разных коэффициентах рассеяния среды и толщине среды 5 мм.
Фиг.3 - устройство спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества.
Фиг.4 - устройство спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества (вариант 2).
В прототипе приведен способ определения концентрации компонент мутной среды, который заключается в следующем - одну сторону специальной кюветы, которая может регулярно увеличивать и уменьшать толщину измеряемого объема вещества на малую постоянную величину ΔL, с исследуемым веществом, которое может быть мутным (сильно рассеивать свет) и имеет i-компонент, освещают светом, при этом свет спектрально изменяется в широком диапазоне, как минимум, с фиксацией на i+1 монохроматических составляющих. С противоположной стороны измеряемого объекта устанавливается фотоприемное устройство, при этом фотоприемным устройством измеряются минимальное и максимальное значения светового потока для разных монохроматических составляющих света в момент исходного состояния и сжатия (расширения) кюветы, а концентрация компонент вещества определяется из системы i+1 уравнений (1).
Экспериментальные данные и теоретические расчеты показали, что на точность данного способа влияют диффузные фотоны (рассеянные в среде), и чем больше коэффициент рассеяния, тем это влияние значительнее. Также при выводе приведенной системы уравнений использовалось условие, что при k·L<1 справедливо приближение exp(-k·L)=1-k·L, что некорректно при исследовании сильно рассеивающих сред.
Для вывода общих выражений использовались следующие допущения:
- чем меньше зона облучения и чем меньше апертура фотоприемного устройства, тем выше точность измерения (патент РФ №2320980);
- фаза и поляризация рассеянного света в условиях многократного рассеяния света в СРС не учитывается, так как это несущественно;
- распространение пучка света в СРС при условии, что к нему не добавляется рассеянное излучение из окружающего пространства, описывается законом Бугера-Ламберта-Бэра;
- вероятность m- кратного рассеяния описывается соотношением Пуассона (Воронов А.В., Третьяков Е.В., Шувалов В.В. Быстрое интегрирование по путям при моделировании распространения света через сильно рассеивающие объекты. // Квантовая электроника, 34, № 6, 2004, с.547)
где µS - коэффициент рассеяния среды, µ - коэффициент экстинкции среды, l -траектория распространения луча света. Так как при увеличении кратности рассеяния происходит пропорциональное увеличение траектории пути, то под экспонентой установлен множитель l/m.
Тогда излучение, пришедшее на фотоприемник и не испытавшее рассеяния, описывается выражением:
где I0 - интенсивность падающего на объект света, c1 - концентрация первой определяемой компоненты среды, cn - концентрация n-й определяемой компоненты среды; gλ1 - чувствительность фотоприемника на длине волны излучения λ1, - приведенный коэффициент поглощения света первой компонентой на длине волны излучения λ1, - приведенный коэффициент поглощения света компонентой n на длине волны излучения λ1, L - толщина объекта.
Тогда излучение, пришедшее на фотоприемник и испытавшее однократное рассеяние, описывается выражением:
f - диаграмма направленности однократного рассеяния излучения частицами среды.
Тогда излучение, пришедшее на фотоприемник и испытавшее двукратное рассеяние, см. фиг.1, описывается выражением:
где , r1 - длина пути луча света до первого акта рассеяния, r2 - проекция на ось Х длины пути распространения произвольного луча света после второго акта рассеяния, α - угол отклонения произвольного луча света при одном акте рассеяния.
Так как двукратное рассеяние отличается от однократного одним конусом рассеяния, а трехкратное рассеяние отличается от двукратного также конусом рассеяния, то выдвинуто предположение, что распределение лучей света по их длине пути в СРС для трехкратного рассеяния пропорционально отношению выражений (5) к (4). Тогда сигнал, поступающий на фотоприемник от всех лучей света, прошедших через среду, равен:
Проведенный анализ показал, что для определения концентрации i-компонент мутной однородной среды достаточно произвести измерение параметров Рλ1 и при облучении объекта i+1 разными монохроматическими составляющими света, при этом для каждой монохроматической составляющей спектра излучения источника света должны быть известны коэффициенты экстинкции для определенной компоненты среды и эти коэффициенты должны быть разными, как минимум, для двух монохроматических составляющих спектра облучения. Искомый результат концентраций i-компонент среды при ΔL<<L определяется из системы i+1 уравнений:
При облучении объекта двумя спектрально разнесенными источниками света, когда коэффициенты экстинкции не изменяются для всех компонент, кроме одной, для анализа именно этой компоненты вещества достаточно решения системы из двух уравнений. Например, для лабораторного анализа гемоглобина достаточно облучать объект двумя светодиодами с длинами волн λ1 (например, 590 нм) и λ2 (например, 650 нм), а концентрацию определять из выражения:
В патенте РФ №2320980 было установлено, что чем меньше зона облучения и чем меньше апертура фотоприемного устройства, а также чем меньше величина ΔL, тем выше точность измерения. Кроме этого, установлено, см. фиг.2, что чем меньше величина α в выражении (5), тем меньше погрешность способа представленного измерения. Чтобы обеспечить прием излучения, рассеянного при малых углах, достаточно использовать одномодовое оптическое волокно либо производить измерение прошедшего через объект и дополнительную диафрагму излучения фотоприемником на расстоянии много большем диаметра приемной апертуры фотоприемника, что максимально ограничит телесный угол приема рассеянного излучения.
Способ спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества заключается в следующем - одну сторону специальной кюветы, которая может регулярно увеличивать и уменьшать толщину измеряемого объема вещества на малую постоянную величину ΔL, с исследуемым раствором, который может быть мутным (сильно рассеивать свет) и имеет i-компонент, освещают светом, при этом свет спектрально изменяется в широком диапазоне, как минимум, с фиксацией на i+1 монохроматических составляющих. С противоположной стороны измеряемого объекта устанавливается фотоприемное устройство, которым измеряются значения светового потока, вышедшего из кюветы в максимально ограниченном телесном угле приема излучения, для разных монохроматических составляющих света в момент исходного состояния и сжатия (расширения) кюветы, а концентрация компонент вещества определяется из системы i+1 уравнений (7).
Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества (вариант 1), представленное на фиг.3, состоит из спектрально управляемого осветителя 6, излучение которого подается на кювету переменной толщины 3 через световод осветителя 1, а рассеянное излучение принимается одномодовым световодом 2 и далее фотоприемным устройством 7, при этом используются блок изменения толщины кюветы 4, блок измерения толщины кюветы 8 и управляющее устройство 9.
Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества работает следующим образом - в кювету переменной толщины 3 наливают раствор исследуемого вещества, с помощью блока изменения толщины кюветы 4 производится изменение толщины измеряемого объема кюветы, при этом с помощью блока измерения толщины кюветы 8 производится измерение ее толщины, одновременно с этим с помощью спектрально управляемого осветителя 6 и световода осветителя 1 осуществляется освещение малого участка поверхности кюветы поочередно на одной монохроматической составляющей из множества длин волн. Фотоприемное устройство 7, связанное с поверхностью кюветы 3 одномодовым световодом 2, осуществляет измерение светового потока, прошедшего через кювету 3 в моменты изменения толщины кюветы 3 для каждой из монохроматических составляющих. Согласованную работу осветителя 6, блока изменения толщины кюветы 4, блока измерения толщины кюветы 8 и фотоприемного устройства 7 обеспечивает блок управления 9, который производит определение концентрации компонент вещества из системы i+1 уравнений (7).
Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества (вариант 2), представленное на фиг.4, состоит из спектрально управляемого осветителя 6, излучение которого подается на кювету переменной толщины 3 через световод осветителя 1, а рассеянное излучение принимается через диафрагму 5 фотоприемным устройством 7, при этом используются блок изменения толщины кюветы 4, блок измерения толщины кюветы 8 и управляющее устройство 9.
Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества (вариант 2) работает следующим образом - в кювету переменной толщины 3 наливают раствор исследуемого вещества, с помощью блока изменения толщины кюветы 4 производится изменение толщины измеряемого объема кюветы, при этом с помощью блока измерения толщины кюветы 8 производится измерение ее толщины, одновременно с этим с помощью спектрально управляемого осветителя 6 и световода осветителя 1 осуществляется освещение малого участка поверхности кюветы поочередно на одной монохроматической составляющей из множества длин волн. Рассеянное в мутном веществе излучение проходит через диафрагму 5, расположенную вплотную к поверхности кюветы 3, и попадает на фотоприемное устройство 7, расположенное от кюветы на расстоянии значительно большем его приемной апертуры. Фотоприемное устройство 7 осуществляет измерение светового потока, прошедшего через кювету 3 в моменты изменения толщины кюветы 3 для каждой из монохроматических составляющих. Согласованную работу осветителя 6, блока изменения толщины кюветы 4, блока измерения толщины кюветы 8 и фотоприемного устройства 7 обеспечивает блок управления 9, который производит определение концентрации компонент вещества из системы i+1 уравнений (7).
Claims (3)
1. Способ спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества, заключающийся в облучении вещества спектрально изменяемым источником света и измерении световых потоков, прошедших через вещество, при этом для анализа используется кювета с регулярно изменяющейся толщиной, измерении световых потоков в моменты изменения толщины объема измеряемого вещества, отличающийся тем, что измерение рассеянного излучения производится в узком телесном угле, при этом искомая величина концентраций i компонент вещества определяется исходя из системы i+1 уравнений:
,
где µS - коэффициент рассеяния света в среде, c1 - концентрация первой определяемой компоненты среды, cn - концентрация n-й определяемой компоненты среды, - приведенный коэффициент поглощения света первой компонентой на длине волны излучения λ1, - приведенный коэффициент поглощения света n-й компонентой на длине волны излучения λi+1, ΔL - величина изменения толщины исследуемого объекта.
,
где µS - коэффициент рассеяния света в среде, c1 - концентрация первой определяемой компоненты среды, cn - концентрация n-й определяемой компоненты среды, - приведенный коэффициент поглощения света первой компонентой на длине волны излучения λ1, - приведенный коэффициент поглощения света n-й компонентой на длине волны излучения λi+1, ΔL - величина изменения толщины исследуемого объекта.
2. Устройство анализа и определения концентраций компонент мутного вещества, состоящее из спектрально управляемого осветителя, излучение которого подается на кювету переменной толщины через световод осветителя, а рассеянное излучение принимается фотоприемным устройством, при этом используются измеритель толщины кюветы и управляющее устройство, отличающееся тем, что используется блок изменения толщины кюветы, а рассеянное излучение принимается с помощью одномодового волокна, при этом искомая величина концентраций i компонент вещества определяется исходя из системы i+1 уравнений:
,
где µS - коэффициент рассеяния света в среде, c1 - концентрация первой определяемой компоненты среды, cn - концентрация n-й определяемой компоненты среды, - приведенный коэффициент поглощения света первой компонентой на длине волны излучения λ1, - приведенный коэффициент поглощения света n-й компонентой на длине волны излучения λi+1, ΔL - величина изменения толщины исследуемого объекта.
,
где µS - коэффициент рассеяния света в среде, c1 - концентрация первой определяемой компоненты среды, cn - концентрация n-й определяемой компоненты среды, - приведенный коэффициент поглощения света первой компонентой на длине волны излучения λ1, - приведенный коэффициент поглощения света n-й компонентой на длине волны излучения λi+1, ΔL - величина изменения толщины исследуемого объекта.
3. Устройство анализа и определения концентраций компонент мутного вещества, состоящее из спектрально управляемого осветителя, излучение которого подается на кювету переменной толщины через световод осветителя, а рассеянное излучение принимается фотоприемным устройством, при этом используются измеритель толщины кюветы и управляющее устройство, отличающееся тем, что используются блок изменения толщины кюветы и диафрагма, установленная вплотную к поверхности кюветы, при этом искомая величина концентраций i компонент вещества определяется исходя из системы i+1 уравнений:
,
где µs - коэффициент рассеяния света в среде, c1 - концентрация первой определяемой компоненты среды, cn - концентрация n-й определяемой компоненты среды, - приведенный коэффициент поглощения света первой компонентой на длине волны излучения λ1, - приведенный коэффициент поглощения света n-й компонентой на длине волны излучения λi+1, ΔL - величина изменения толщины исследуемого объекта.
,
где µs - коэффициент рассеяния света в среде, c1 - концентрация первой определяемой компоненты среды, cn - концентрация n-й определяемой компоненты среды, - приведенный коэффициент поглощения света первой компонентой на длине волны излучения λ1, - приведенный коэффициент поглощения света n-й компонентой на длине волны излучения λi+1, ΔL - величина изменения толщины исследуемого объекта.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011103819/28A RU2449260C1 (ru) | 2011-02-02 | 2011-02-02 | Способ спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его осуществления (варианты) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011103819/28A RU2449260C1 (ru) | 2011-02-02 | 2011-02-02 | Способ спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его осуществления (варианты) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2449260C1 true RU2449260C1 (ru) | 2012-04-27 |
Family
ID=46297583
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011103819/28A RU2449260C1 (ru) | 2011-02-02 | 2011-02-02 | Способ спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его осуществления (варианты) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2449260C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1613955A1 (ru) * | 1984-11-30 | 1990-12-15 | Институт физики АН БССР | Способ определени относительных концентраций производных гемоглобина |
EP1080683A2 (en) * | 1999-08-30 | 2001-03-07 | Cas Medical Systems, Inc. | Laser diode optical transducer assembly for non-invasive spectrophotometric blood oxygenation monitoring |
EP1665980A1 (en) * | 2003-03-19 | 2006-06-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and apparatus for noninvasively measuring a concentration of a blood component |
RU2298396C2 (ru) * | 2002-05-15 | 2007-05-10 | Евгений Иванович Чернов | Способ определения соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды |
RU2320980C1 (ru) * | 2006-10-05 | 2008-03-27 | Олег Леонидович Головков | Способ спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества и устройство для его реализации |
RU2344752C1 (ru) * | 2007-06-26 | 2009-01-27 | Олег Леонидович Головков | Способ определения концентрации компонент крови и устройство для его реализации |
-
2011
- 2011-02-02 RU RU2011103819/28A patent/RU2449260C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1613955A1 (ru) * | 1984-11-30 | 1990-12-15 | Институт физики АН БССР | Способ определени относительных концентраций производных гемоглобина |
EP1080683A2 (en) * | 1999-08-30 | 2001-03-07 | Cas Medical Systems, Inc. | Laser diode optical transducer assembly for non-invasive spectrophotometric blood oxygenation monitoring |
RU2298396C2 (ru) * | 2002-05-15 | 2007-05-10 | Евгений Иванович Чернов | Способ определения соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды |
EP1665980A1 (en) * | 2003-03-19 | 2006-06-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and apparatus for noninvasively measuring a concentration of a blood component |
RU2320980C1 (ru) * | 2006-10-05 | 2008-03-27 | Олег Леонидович Головков | Способ спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества и устройство для его реализации |
RU2344752C1 (ru) * | 2007-06-26 | 2009-01-27 | Олег Леонидович Головков | Способ определения концентрации компонент крови и устройство для его реализации |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0826958B1 (en) | Method and apparatus for obtaining information on the optical absorption of a scattering medium | |
CN109642868B (zh) | 光学特性测定装置和光学特性测定方法 | |
JP3433498B2 (ja) | 散乱吸収体の内部情報計測方法及び装置 | |
JP4038179B2 (ja) | 生物学的マトリックス中の光輸送パラメータおよび分析物の決定のための方法および装置 | |
JP3433508B2 (ja) | 散乱吸収体計測方法及び散乱吸収体計測装置 | |
US8570495B2 (en) | Whole blood immunity measuring device and whole blood immunity measuring method | |
KR101608684B1 (ko) | 헤모글로빈 측정 장치 및 방법 | |
EP0627619A1 (en) | Method for measuring scattering medium and apparatus for the same | |
EP0703445B1 (en) | Method and apparatus for measuring concentration of absorptive constituent in scattering medium | |
KR20180059355A (ko) | 생체 조직 시료에서 흡수 및 투과 스펙트럼의 비침습적 측정을 위한 소형 분광기 시스템 | |
JPH11344442A (ja) | 媒体パラメ―タの決定方法及び自己参照型の光センサ | |
CA2243571A1 (en) | Process and device for determining an analyte contained in a scattering matrix | |
US20150021491A1 (en) | Method and apparatus for measuring concentration of advanced-oxidation active species | |
US20120215078A1 (en) | Method for measuring a concentration of a biogenic substance contained in a living body | |
JPH11287755A (ja) | 散乱吸収体の吸収成分の濃度計測方法及び装置 | |
US6660995B1 (en) | Particle size analysis in a turbid media with a single-fiber, optical probe while using a visible spectrometer | |
JP2020024125A (ja) | 自動分析装置、自動分析方法、および、プログラム | |
GB2311366A (en) | Determining absorption coefficients or modified scattering ceofficients | |
RU2449260C1 (ru) | Способ спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его осуществления (варианты) | |
JP2018526644A (ja) | 液体培地中の物質濃度または物質を判断するための方法および装置 | |
RU2320980C1 (ru) | Способ спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества и устройство для его реализации | |
US20120252131A1 (en) | Biological material analyzer and biological material analysis method | |
WO2002040971A1 (en) | Method and apparatus for determination of optical parameters of turbid media and use thereof | |
RU2344752C1 (ru) | Способ определения концентрации компонент крови и устройство для его реализации | |
CN108240973A (zh) | 一种全血血红蛋白浓度检测方法及装置 |