Експериментальні дослідження оптико-акустичним методом - лазерна діагностика в біології та медицині
5.4. Особливості експериментальних досліджень оптико-акустичним методом
Схеми експериментальних установок. Типові схеми експериментальних установок для дослідження оптікоакустіческіх (ОА) спектрів речовин в різних агрегатних станах представлені на рис. 5.4 і 5.5. При дослідженні спектрів поглинання газів і рідин може бути використана схема, показана на рис. 5.4 [П. 43]. Область перебудови імпульсного лазера на барвниках з ламповим накачуванням 1 450-750 нм, тривалість імпульсів ти = 2&lsquo-10 ~ в с, максимальна енергія і = 10&ldquo-8 Дж, частота повторення / = 10-20 Гц. ОА осередок 4 з термопарою 3 і п`єзоелектричним перетворювачем 7 знаходиться всередині термостабілізованого кювети 6 з кварцовими вікнами 2.
Мал. 5.4. Схема експериментальної установки для ОА спектроскопії газів і рідин. [П. 43]
Мал. 5.5. Схема експериментальної установки для дослідження твердих тіл і рідин ОА методом
ОА сигнал після посилення (10, І) усредняется в часі про допомогою «пробіруемого вольтметра 12. Таке усереднення дозволяє усувати вплив перешкод.
Опорний сигнал формується в каналі: пучок світла, що пройшов ОА осередок 4, піроелектричний детектор 5, стробіруемий вольтметр 13. Обидва сигнали - ОА і опорний - перетворюються в цифрову форму і надходять на міні-ЕОМ 14 для подальшої обробки та отримання нормованого ОА сигналу (15 ). Інформація про частоту генерації лазера від скануючого пристрою також надходить на ЕОМ. Остаточно за допомогою ЕОМ отримують графік залежності амплітуди нормованого ОА сигналу від частоти генерації лазера. Невелика частина випромінювання направляється на спектрометр 9, за допомогою якого здійснюється калібрування частоти випромінювання лазера.
Дослідження поглинання в твердих тілах можливо шляхом реєстрації порушуваного ОА сигналу як при безпосередньому контакті зразка з детектором, так і за допомогою згаданого вище газомікрофонного методу, а також при розміщенні об`єкта в відкритому осередку, заповненої рідиною (рис. 5.5) [П. 231. АІГ: Nd лазер 1 випромінює імпульси на = 1,06 мкм ( `і = 6-10-4 Дж, ти = = 10-7 с і / = 8 Гц). У першому випадку збуджує в зразку 3 акустичний імпульс через тонку плівку гліцерину, що служить елементом зв`язку по акустичному каналу, потрапляє на п`єзоелектричний детектор 4, вихідний сигнал якого посилюється (5), фільтрується в смузі 80-600 кГц (6), а потім надходить на аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 7, який відкривається сигналом з фотодіода 2 лише на період дії лазерного імпульсу. Дані з АЦП надходять на ЕОМ 8, де ОА сигнал усереднюється по великому числу лазерних імпульсів.
При реалізації рідинного методу досліджуваний зразок наноситься на підкладку, яка є заднім вікном 9 рідинної відкритою ячейкі- ОА детектор розташований в рідини (10) поблизу поверхні зразка. Рідина, так само як і газ, може служити генератором акустичних коливань, обумовлених тепловими процесами, які виникають при поглинанні світла в тонкій плівці на поверхні зразка. Таким чином, на відміну від першого випадку, в якому гліцерин є всього лише передавачем акустичних коливань, тут рідина є як генератором, так і передавачем цих коливань. Чутливість рідинного методу буде вищою як в порівнянні з контактним, так і газомікрофонним методами.
Промислові зразки лазерних ОА спектрометрів представляють мають близькі характеристики розробки ЦКБ унікального приладобудування АН СРСР і L -1400 фірми Gilford (США) [1]. Діапазон довжин хвиль вітчизняного спектрометра 9,25-10,75 мкм забезпечується дискретно перебудовуваним С02 лазером (всього 45 ліній генерації). Перебудова довжин хвиль автоматична з керуванням від ЕОМ. Використовується диференціальна схема з двома осередками, для прив`язки по довжинах хвиль використовується третя Про А осередок з еталонними газами. Мінімально реєстрований коефіцієнт поглинання 1 • 10-7 см-1, похибка вимірювань 20%, динамічний діапазон 10 *. Обсяг газової проби дорівнює 0,044 м3. Основні медичні застосування - це аналіз складу повітря, що видихається з метою діагностики деяких захворювань, а також контроль технологічних процесів в фармакології.
Калібрування ОА детектора. В принципі існує можливість прямого визначення абсолютного значення коефіцієнта поглинання речовини, якщо відомі всі значення коефіцієнтів передачі в системі джерело світла - поглинає речовина - ОА осередок - перетворювач акустичних коливань - електронна схема. Однак це дуже важке завдання, тому зазвичай для визначення абсолютних значень коефіцієнтів поглинання застосовують калібрування ОА детектора.
При дослідженні рідин процес калібрування полягає в порівнянні ОА сигналів, отриманих від досліджуваної рідини і рідини з розчиненим у ній барвником. Таким способом можна визначити коефіцієнт поглинання з похибкою ± 10%. Калібрування однієї рідини по інший з урахуванням коефіцієнта об`ємного розширення, теплоємності і швидкості поширення звуку в різних рідинах дає похибку ± 30%. При дослідженні поглинання в газах зазвичай застосовується аналогічна методика калібрування з використанням еталонних газів з відомим коефіцієнтом поглинання, а в твердих тілах для еталонірованія можна використовувати калориметрический метод, що володіє високою чутливістю аж до значень а = 5-10-6 см-1. Калібрування ОА спектрів твердих тіл і рідин може бути проведена також за допомогою стандартних зразків, наприклад задимленої кварцової пластини.
Фактори, що впливають на чутливість методу. Основними причинами, що знижують реальну чутливість ОА методу, є: поглинання світла у вікнах осередки, розсіювання світла з подальшим його поглинанням стінками комірки або безпосередньо елементами приймача акустичних сигналів. Ці причини викликають фонові сигнали. Для зниження впливу фонових сигналів в газовій або рідинної осередку необхідно зменшити поглинання в тонкому поверхневому шарі вікон, що досягається відповідною обробкою поверхні (полірування, очищення), а також взаємним підбором матеріалу осередки і досліджуваної речовини. Необхідно по можливості усунути освіти, що розсіюють світло (частки- пилу, дефекти, неоднорідності і т. П.).
При імпульсному режимі роботи хороших результатів можна досягти стробированием вимірюваного сигналу, так як розсіяне світло поглинається в елементах перетворювача практично миттєво після дії лазерного імпульсу, а корисний акустичний сигнал затримується на час тд, яке визначається виразом (5.6). У свою чергу ОА сигнал від вікна приходить дещо пізніше основного сигналу від рідини (газу). В цьому і полягає основна перевага методу при використанні його для аналізу конденсованих середовищ. Хороші результати дають фазові вимірювання, застосування частотної модуляції випромінювання безперервних лазерів або переключення їх довжин хвиль поблизу лінії поглинання досліджуваної речовини, оскільки завдяки порівняно слабкою дисперсії матеріалу вікон і стін осередку вони дають малий внесок в корисний ОА сигнал.
Таким чином, реальна чутливість ОА методу складає 10_6-10 ~ 7 см-1. У той же час застосування спеціальних заходів щодо усунення фонових сигналів в газах дозволяє отримати чутливість методу на рівні а «10-8 см-1. Дані по чутливості ОА методу та інших калориметричних методів і їх модифікацій представлені в табл. 5.1 [П. 411].
