Конструкції спектрофонов і зондів - лазерна діагностика в біології та медицині
Конструкції спектрофонов і зондів
Нерезонансні спектрофони і зонди. Під нерезонансних спектрофоном розуміють таку ОА осередок, яка не володіє помітними акустичними резонансними властивостями. Найбільш простий і найпоширенішою конструкцією спектрофонов, використовуваних при дослідженні газів, є циліндр з прозорими для лазерного випромінювання вікнами на торцях і з мікрофоном в боковій стінці циліндра (рис. 5.6а).
Збільшення чутливості можна домогтися оптимізацією форми осередки або багаторазовим пропусканням лазерного пучка через комірку. Наскільки це можливо, прагнуть зменшити ефективний перетин осередки, так як, згідно (5.7) і (5.10), амплітуда ОА сигналу обернено пропорційна перетину (R2). Однак для зниження впливу стінок відношення радіусів світлового пучка і осередки, як правило, не повинно перевищувати 0,2.
Мал. 5.6. Спектрофони і зонди, використовувані при дослідженні газоподібних речовин (а, б), рідин (в - д), порошків, тонких плівок і биотканей (е - і): 1 - пучок світла, 2 - ОА детектор, мікрофон або п`єзоелектричний перетворювач, 3 - віконце, 4 - досліджуваний біооб`єкт, 5 - кварц, 6 - липка стрічка
Оскільки реальна чутливість спектрофона визначається рівнем фонових сигналів, то конструювання ОА осередків йде по шляху максимального зниження впливу цих сигналів. Один з можливих шляхів - це порівняння сигналів від двох ідентичних осередків, заповнених газами з близькими термодинамічними параметрами і освітлюваних однаковими пучками світла. Можливо як паралельне, так і послідовне розташування осередків. У загальному випадку при рівних обсягах камер їх довжини і відповідно діаметри можуть бути різними, оскільки, згідно і (5.10), корисні сигнали від таких камер сильно розрізняються по амплітуді, а фонові залишаються однаковими і «віднімаються» на диференціальному мікрофоні.
Хороших результатів можна досягти, істотно зменшуючи обсяг осередку, використовуючи, наприклад, явище повного внутрішнього відображення на кордоні вимірювальна призма - досліджуваний газ (або рідина). Оптимізація розмірів такого осередку дозволяє знизити її обсяг до 0,25 мкл і забезпечити чутливість на рівні пг.
Важливою перевагою мініатюрних осередків є можливість роботи на порівняно високих частотах модуляції 0,1-1,3 кГц, так як час теплової релаксації осередку зменшується пропорційно площі її поперечного перерізу R2 (5.8). Це забезпечує низький рівень шумів електронної схеми і зростання швидкодії всього пристрою в цілому.
При дослідженні парів різних речовин можна використовувати просту осередок, виготовлену з циліндричної кварцовою 1-міліметрової кювети, з`єднаної з кварцовою трубкою (довжиною 60 мм, внутрішнім діаметром 2 мм), відкритий кінець якої закривається тефлоновим пробкою, всередині якої розташований мікрофон (рис. 5.66) . Зміна тиску парів передається мікрофона по вузькому каналу діаметром 0,2 мм, висвердлених всередині пробки. З метою усунення попадання парів в порожнину мікрофона з`єднувальний канал перегороджений тефлоновим діафрагмою.
Для реєстрації ОА сигналу в рідини використовують три основних типи спектрофонов: газомікрофонние, рідинні відкритого і закритого типів. У газомікрофонних осередках в якості вимірювача амплітуди акустичного сигналу використовують звичайні мікрофони, а передавачем акустичних коливань, що виникають при поглинанні світла в рідині, є газ. Пристрій закритих рідинних спектрофонов аналогічно пристрою газомікрофонних. Однак в якості датчика ОА сигналу (гідрофону) зазвичай застосовують п`єзоелектричний перетворювач, що знаходиться в безпосередньому контакті з рідиною або пов`язаний з нею через погоджують або захисні елементи.
Завдяки простоті конструкції досить широкого поширення набула рідинна осередок, виконана на основі пьезокерамического циліндра, який одночасно є і бічною стінкою осередку, і приймачем ОА сигналу (рис. 5.6в). За допомогою такого осередку була досягнута порогова чутливість пристрою з поглинання а = 2,2 li / -5 см-1. Одна зі схем відкритою осередку показана на рис. 5.5. При певних умовах, наприклад при розташуванні перетворювача на достатньому видаленні від вікон (переднього і заднього), фонові сигнали будуть ослаблені і перетворювач повинен реєструвати в основному сигнал від рідини.
Часто бувають необхідні проточні комірки, в яких досліджувана рідина омиває вікно робочої камери. В даному випадку вікно не тільки пропускає випромінювання в клітинку, а й служить приймачем оптичного сигналу, який перетворюється в електричний за допомогою щільно контактують з вікном одного або декількох п`єзоелектричних перетворювачів. Матеріал вікна повинен володіти необхідними акустичними властивостями, тому часто використовують сапфір. Обсяг досліджуваної рідини суттєво менше обсягу робочої камери і може становити 1 мкл, так як при такому способі реєстрації ОА сигналу основний вплив має поглинання в тонкій плівці поблизу вікна.
Найбільш зручні в біологічних дослідженнях такі спектрофони, які допускають швидку зміну досліджуваної рідини і роботу зі стандартними кюветами. Одна з таких конструкцій представлена на рис. 5.6г. Кварцова кювета з досліджуваної рідиною щільно прилягає до кварцового циліндру, що забезпечується за допомогою тонкої плівки мастила (наприклад, краплі гліцерину). Між кварцовим циліндром і опорним металевим циліндром за допомогою гвинта закріплюється п`єзоелектричний перетворювач. Для зменшення фонових сигналів від вікон застосовується диференціальне включення двох послідовно розташованих осередків. Для підвищення відношення сигнал / шум кварцовий циліндр між кюветой і пьезопреобразователем іноді замінюють на дзеркало, що відбиває розсіяне в рідини світло, а металеву основу розміщують в середовищі, що поглинає акустичні коливання.
Для спектроскопических досліджень конденсованих середовищ зручними в експлуатації виявляються ОА зонди, один з яких показаний на рис. 5.6 (5. Основний елемент - стрижень з плавленого кварцу (діаметр 8 мм, довжина 20 см) є акустичним волноводом. До стрижня за допомогою клею прикріплений п`єзоелектричний перетворювач (діаметр 12,7 мм, товщина 3 мм), який фіксується діелектричним гвинтом. Ця частина пристрою розміщена в металевій коробці, яка є електричним екраном. Гумова прокладка зменшує акустичну зв`язок коробки і стержня. Стрижень опущений в кювету з рідиною, через яку на 3 мм нижче нижнього зрізу зонда пропускається лазерний промінь. Такий зонд зручний для застосування в біології та медицині. його переваги полягають в тому, що імпульси світла і звуку зрушені в часі, перетворювач акустичних коливань віддалений від джерела коливань, його пристрій допускає охолодження і роботу з коррозирующего рідинами.
При дослідженні порошків, тонких плівок і біологічних тканин можливе застосування різних типів спектрофонов. Їх можна розділити на три групи.
До першої відносяться спектрофони, в яких використовується безпосередній контакт або перетворювача, або кварцового звукопровода з досліджуваним об`єктом за допомогою акустично сполучною тонкої плівки рідини (рис. 5.5) або струбцини (рис. 5.6е). Спектрофони, представлені на рис. 5.5, зручні для вимірювання коефіцієнтів поглинання в об`ємних тілах, а пристрій, показане на рис. 5.6е, - в порошках і тонких плівках. У цих схемах ослаблення впливу розсіяного світла на датчик, що викликає фоновий сигнал, обумовлений піроелектричні ефектом, досягається за рахунок складної конфігурації звукопровода. Усунути вплив розсіяного світла можна або напиленням дзеркального шару в місці контакту звукопровода з п`єзоелектричним елементом, або використанням диференціальної схеми з двома п`єзоелементами, один з яких механічно не пов`язаний зі звукопровода, але опромінюється розсіяним випромінюванням тієї ж інтенсивності, що і робочий.
Зручним для дослідження спектрів в умовах низьких температур виявляється датчик, представлений на рис. 5.6ж. Основою датчика є кварцовий блок розміром 2,5x1,2x0,18 см, який затискається між мідної дужкою і п`єзоелектричним перетворювачем. Малі габарити датчика дозволяють розміщувати його в криостате Цілком. Датчик був використаний для дослідження ОА спектрів порошків, розчинених в гліцерині при 10 К. Він простий у виготовленні і може знайти застосування в біологічних дослідженнях при низьких температурах.
До другої групи спектрофонов відносяться газомікрофонние осередки. В даний час це найбільш поширений тип спектрофонов, використовуваних в біології та медицині. Підстроювання обсягу робочої камери, тиску газу, його складу і частоти модуляції необхідні для оптимізації ОА сигналу як за амплітудою, так і по фазового зсуву. Цікавий варіант спектрофона представлений на рис. 5.6з. Диференційний мікрофон змонтований між двома ідентичними осередками. В одну з них введено світловод для освітлення об`єкта, а в іншу - гвинт, який дозволяє змінювати обсяг осередку і домагатися мінімуму впливу фонових сигналів. Такий детектор приклеюється липкою стрічкою до досліджуваного об`єкта, наприклад до поверхні шкіри людини, листа рослини.
Нарешті, до третьої групи слід віднести конструкції, в яких рідина використовується в якості перетворювача теплових коливань зразка в акустичні. Приклад такого осередку показаний на врізки рис. 5.5.
Резонансні спектрофони [П. 23, П. 41]. У резонансних спектрофонах реалізується значна відношення обсягу осередку до її поверхні, що дозволяє з великою надійністю працювати з газами, поглинаються стінками комірки. Просторовий розподіл акустичних полів згідно з усталеними типами коливань дозволяє вводити необхідні конструктивні елементи (неоднорідності), наприклад трубки для введення і виведення газу, в ті місця осередку, де знаходиться вузол стоячу акустичну хвилі, не спотворюючи її. Більш того, одним з найважливіших напрямків конструювання резонансних ОА осередків є усунення фонових сигналів від вікон і інших елементів конструкції. Прийом той же самий: в акустичному резонаторі необхідно порушити такий тип коливань, щоб в області локалізації вікон і цих елементів стояча хвиля мала вузол.
Типові значення частоти і добротності акустичних резонаторів відповідно рівні / р = 102-101 Гц, Q = = 102-10:&lsquo-. Порівняно висока частота коливань знижує амплітуду ОА сигналу. При цьому зменшення амплітуди не може бути повністю скомпенсировано збільшенням добротності Q резонатора (для резонансних осередків в формулу (5.10) необхідно підставити частоту робочого резонатора і помножити на параметр Q). З іншого боку, збільшення частоти сприяє підвищенню швидкодії і збільшення відносини сигнал / шум вимірювального пристрою. В принципі будь-яка з конструкцій, представлених на рис. 5.6, буде проявляти резонансні властивості на певних частотах- однак ці осередки не оптимізовані за своїми резонансним властивостям, і тому акустичні резонанси, що виникають в системі, як правило, є заважають факторами.
Порівняно низькі резонансні частоти, можливість управління параметрами мають так звані резонатори Гельмгольца (рис. 5.6и). Вони успішно застосовуються при дослідженні як газоподібних, так і конденсованих середовищ, в тому числі при дослідженнях біологічних тканин in vivo [П. 46]. Особливо корисними вони виявляються, при дослідженнях поглинання в твердих тілах і рідинах при низьких температурах. У таких випадках використовуються протяжні осередки, т. Е. Мікрофонний відсік, що міститься при кімнатній температурі, з`єднується вузьким довгим каналом з робочим відсіком, що знаходяться в криостате. Чим довше з`єднувальний канал, тим виразніше резонанс. Зниження температури зразка дозволяє істотно (більш ніж на три порядки) збільшити чутливість методу. При цьому частота резонансу f $ ~ Txl2y де Т - температура буферного газу, а добротність ~ 1 / Т.
Приймачі акустичних сигналів. Як приймачів акустичного сигналу найбільшого поширення набули мікрофони різних конструкцій: циліндричні, плоскі, конденсаторні, а також електретних. Нерівномірність частотної характеристики і рівень шумів електретних мікрофонів трохи вище, ніж у конденсаторних, проте електретних мікрофони мають малі розміри і не вимагають джерела напруги поляризації. Чутливість кращих мікрофонів становить 50 100 мВ / Па.
Поряд з мікрофонами для прийому акустичних коливань безпосередньо від рідин і твердих тіл застосовуються різноманітні п`єзоелектричні перетворювачі, чутливість яких складає 0,01-1 мВ / Па. На рис. 5.5 схематично показана одна з конструкцій таких перетворювачів. Вона складається зі шматка плавленого кварцу Т-подібної форми діаметром 0,63 см і довжиною кожного плеча 2,5 см. На нижню частину вертикального відростка нанесено покриття, що відбиває, на яке наклеєний пьезокерамический циліндр. Ця частина приймача захищена латунним склянкою, який виконує також функції електричної екранування. Кварцовий блок зроблений таким, щоб, будучи хорошим провідником для звукових хвиль, міг звести до мінімуму вплив розсіяного лазерного випромінювання на роботу пьезопреобразователя. Власна резонансна частота ОА детектора становить 250 кГц.
Застосовуються й інші типи універсальних п`єзоелектричних ОА детекторів, виготовлених у вигляді болта, угвинчується в бічну стінку закритою осередку або стикається зі стандартною кюветой (кварцовим звукопровода, рис. 5.6е) за допомогою струбцини [П. 43], а також виготовлених у вигляді паралелепіпеда, на межі якого напилю електроди (однієї з цих граней детектор приклеюється до зразка). Розглянуті приймачі є резонансними і використовуються для прийому імпульсних сигналів тривалістю від 1 мкс до 80 ні. Застосування тонких (9 мкм) полівініліденфторідних п`єзоелектричних плівок дозволяє підвищити швидкодію до »4 НЕ [9].
У порівнянні з традиційними мікрофонами і пьезопреобразователь лазерні і волоконно-оптичні приймачі ОА сигналів мають ряд переваг: відсутність власних коливань, можливість знизити шуми електронної апаратури за рахунок переходу на високі частоти (звідси і швидкодія), а також можливість роботи з агресивними середовищами в умовах високих температур при наявності значних електричних і магнітних полів [П. 23, П. 41, П. 43].
Як «приймача» акустичної хвилі можна, наприклад, використовувати пробний лазерний пучок, що відхиляється за рахунок зміни показника заломлення (концентрації частинок) в області проходження акустичної хвилі 1П. 43]. Відхилення лазерного пучка реєструється за допомогою позиційно-чутливого фотоприймача. Змінюючи відстань між робочим і пробним лазерними пучками і регулюючи тривалість імпульсу збудження, можна виділити акустичний сигнал і виміряти швидкість поширення звуку в різних середовищах.
Динамічні калориметричні системи. Важливим класом діагностичних завдань в біології та медицині є аналіз переміщаються газових і рідинних потоків, наприклад газова і рідинна хроматографія, дослідження кровотоку, рахунок одиночних біочастіц (біомолекули, клітини) і ін. В потоках змінюється характер
де a&rdquo- = av * d - «потоковий» коефіцієнт дифузії, а - експериментально визначається коефіцієнт ((3-4) - 10 ~ а),
Мал. 5.7. Приклади динамічних калориметричних систем [10]
(5.12) `
Час теплозой релаксації замість
визначається співвідношенням [10]
v * - зсувна швидкість, d - діаметр потоку. Для типових умов а? = 7,7- 10-3ur (v - швидкість потоку, г - його радіус).
Деякі приклади динамічних калориметричних систем схематично показані на рис. 5.7, де 1 - потік, 2 - збудливий лазерний пучок. Для динамічних вимірювань в потоках можна використовувати традиційні схеми (рис. 5.6а, в). Вибір оптимального співвідношення між швидкістю потоку, частотою модуляції світла і відстанню між зонами збудження і реєстрації дозволяє в схемі рис. 5.7а досягти порогової чутливості по поглинанню на рівні 10&ldquo-7 см-1. Диференціальний піропріемніка 3 в даній схемі виключає вплив розсіяного випромінювання.
Схема рис. 5.75 перспективна для застосування в рідинної капілярної хроматографії. Тут 3 - пьезодатчик. Ще одна схема (рис. 5.7в) призначена для детектування одиночних частинок, які, потрапляючи при своєму русі в область жорсткої фокусування лазерного пучка, стрибком сильно збільшують амплітуду ОА сигналу (lt ;? - мікрофон або пьзодатчік). Схема рис. 5.7г реалізує безконтактний дефлекціонний метод. Ця схема має високу просторову роздільну здатність, високу чутливість і можливість одночасного вимірювання швидкості потоку, концентрації поглинаючих частинок і температури середовища. Вона володіє значним динамічним діапазоном (0,1-100 см / с) і можливістю визначення профілю швидкостей в перетині потоку. Тут 3 - позиційно-чутливий фотоприймач, 4 - пробний лазерний пучок.
