Экспериментальные исследования оптико-акустическим методом - лазерная диагностика в биологии и медицине
5.4. Особенности экспериментальных исследований оптико-акустическим методом
Схемы экспериментальных установок. Типичные схемы экспериментальных установок для исследования оптикоакустических (ОА) спектров веществ в различных агрегатных состояниях представлены на рис. 5.4 и 5.5. При исследовании спектров поглощения газов и жидкостей может быть использована схема, показанная на рис. 5.4 [П. 43]. Область перестройки импульсного лазера на красителях с ламповой накачкой 1 450—750 нм, длительность импульсов ти=2&lsquo-10~в с, максимальная энергия и=10&ldquo-8 Дж, частота повторения /=10—20 Гц. ОА ячейка 4 с термопарой 3 и пьезоэлектрическим преобразователем 7 находится внутри термостабилизированной кюветы 6 с кварцевыми окнами 2.
Рис. 5.4. Схема экспериментальной установки для ОА спектроскопии газов и жидкостей. [П. 43]
Рис. 5.5. Схема экспериментальной установки для исследования твердых тел и жидкостей ОА методом
ОА сигнал после усиления (10, И) усредняется во времени о помощью «пробируемого вольтметра 12. Такое усреднение позволяет устранять влияние помех.
Опорный сигнал формируется в канале: пучок света, прошедший ОА ячейку 4, пироэлектрический детектор 5, стробируемый вольтметр 13. Оба сигнала — ОА и опорный — преобразовываются в цифровую форму и поступают на мини-ЭВМ 14 для дальнейшей обработки и получения нормированного ОА сигнала (15). Информация о частоте генерации лазера от сканирующего устройства также поступает на ЭВМ. Окончательно с помощью ЭВМ получают график зависимости амплитуды нормированного ОА сигнала от частоты генерации лазера. Небольшая часть излучения направляется на спектрометр 9, с помощью которого осуществляется калибровка частоты излучения лазера.
Исследование поглощения в твердых телах возможно путем регистрации возбуждаемого ОА сигнала как при непосредственном контакте образца с детектором, так и с помощью упомянутого выше газомикрофонного метода, а также при размещении объекта в открытой ячейке, заполненной жидкостью (рис. 5.5) [П. 231. АИГ : Nd лазер 1 излучает импульсы на =1,06 мкм ( `и=6-10-4 Дж, ти= = 10-7 с и /=8 Гц). В первом случае возбуждающийся в образце 3 акустический импульс через тонкую пленку глицерина, служащую элементом связи по акустическому каналу, попадает на пьезоэлектрический детектор 4, выходной сигнал которого усиливается (5), фильтруется в полосе 80—600 кГц (6), а затем поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, который открывается сигналом с фотодиода 2 только на период действия лазерного импульса. Данные с АЦП поступают на ЭВМ 8, где ОА сигнал усредняется по большому числу лазерных импульсов.
При реализации жидкостного метода исследуемый образец наносится на подложку, которая является задним окном 9 жидкостной открытой ячейки- ОА детектор расположен в жидкости (10) вблизи поверхности образца. Жидкость, так же как и газ, может служить генератором акустических колебаний, обусловленных тепловыми процессами, возникающими при поглощении света в тонкой пленке на поверхности образца. Таким образом, в отличие от первого случая, в котором глицерин является всего лишь передатчиком акустических колебаний, здесь жидкость является как генератором, так и передатчиком этих колебаний. Чувствительность жидкостного метода оказывается выше как по сравнению с контактным, так и газомикрофонным методами.
Промышленные образцы лазерных ОА спектрометров представляют имеющие близкие характеристики разработки ЦКБ уникального приборостроения АН СССР и L-1400 фирмы Gilford (США) [1]. Диапазон длин волн отечественного спектрометра 9,25—10,75 мкм обеспечивается дискретно перестраиваемым С02 лазером (всего 45 линий генерации). Перестройка длин волн автоматическая с управлением от ЭВМ. Используется дифференциальная схема с двумя ячейками, для привязки по длинам волн используется третья О А ячейка с эталонными газами. Минимально регистрируемый коэффициент поглощения 1 • 10-7 см-1, погрешность измерений 20 %, динамический диапазон 10*. Объем газовой пробы равен 0,044 м3. Основные медицинские применения — это анализ состава выдыхаемого воздуха с целью диагностики некоторых заболеваний, а также контроль технологических процессов в фармакологии.
Калибровка ОА детектора. В принципе существует возможность прямого определения абсолютного значения коэффициента поглощения вещества, если известны все значения коэффициентов передачи в системе источник света — поглощающее вещество — ОА ячейка — преобразователь акустических колебаний — электронная схема. Однако это весьма трудная задача, поэтому обычно для определения абсолютных значений коэффициентов поглощения применяют калибровку ОА детектора.
При исследовании жидкостей процесс калибровки заключается в сравнении ОА сигналов, полученных от исследуемой жидкости и жидкости с растворенным в ней красителем. Таким способом можно определить коэффициент поглощения с погрешностью ±10 %. Калибровка одной жидкости по другой с учетом коэффициента объемного расширения, теплоемкости и скорости распространения звука в различных жидкостях дает погрешность ±30 %. При исследовании поглощения в газах обычно применяется аналогичная методика калибровки с использованием эталонных газов с известным коэффициентом поглощения, а в твердых телах для эталонирования можно использовать калориметрический метод, обладающий высокой чувствительностью вплоть до значений а=5-10-6 см-1. Калибровка ОА спектров твердых тел и жидкостей может быть произведена также с помощью стандартных образцов, например задымленной кварцевой пластины.
Факторы, влияющие на чувствительность метода. Основными причинами, снижающими реальную чувствительность ОА метода, являются: поглощение света в окнах ячейки, рассеяние света с последующим его поглощением стенками ячейки или непосредственно элементами приемника акустических сигналов. Эти причины вызывают фоновые сигналы. Для снижения влияния фоновых сигналов в газовой или жидкостной ячейке необходимо уменьшить поглощение в тонком поверхностном слое окон, что достигается соответствующей обработкой поверхности (полировка, очистка), а также взаимным подбором материала ячейки и исследуемого вещества. Необходимо по возможности устранить образования, рассеивающие свет (частицы- пыли, дефекты, неоднородности и т. п.).
При импульсном режиме работы хороших результатов можно достичь стробированием измеряемого сигнала, так как рассеянный свет поглощается в элементах преобразователя практически мгновенно после действия лазерного импульса, а полезный акустический сигнал задерживается на время тд, определяемое выражением (5.6). В свою очередь ОА сигнал от окна приходит несколько позже основного сигнала от жидкости (газа). В этом и заключается основное достоинство метода при использовании его для анализа конденсированных сред. Хорошие результаты дают фазовые измерения, применение частотной модуляции излучения непрерывных лазеров или переключение их длин волн вблизи линии поглощения исследуемого вещества, поскольку благодаря сравнительно слабой дисперсии материала окон и стенок ячейки они дают малый вклад в полезный ОА сигнал.
Таким образом, реальная чувствительность ОА метода составляет 10_6—10~7 см-1. В то же время применение специальных мер по устранению фоновых сигналов в газах позволяет получить чувствительность метода на уровне а«10-8 см-1. Данные по чувствительности ОА метода и других калориметрических методов и их модификаций представлены в табл. 5.1 [П. 411].
