×
26.08.2017
217.015.e3ec

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОГО АНАЛИТА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства для регистрации оптических параметров жидкого аналита. Устройство включает в себя подложку, в толще которой сформированы камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона, второй фотоприемник и датчик температуры. Датчик температуры выполнен в виде пленочного интерференционного покрытия торца оптического волновода, расположенного в камере и снабженного Y-разветвителем, одна ветвь которого соединена с источником излучения ближнего инфракрасного диапазона, а другая ветвь соединена со вторым фотоприемником. В стенках камеры у внутренних ее поверхностей сформирован светопоглощающий слой. Технический результат заключается в повышении точности измерения температуры аналита в зоне детектирования. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для контроля параметров фазовых переходов в жидких средах методом упругого рассеяния света.

Известно устройство для измерения показателя преломления жидкого аналита (Haibo Wuetal. -An ultra-low detection-limit optofluidic biosensor based on all glass Fabry-Perot cavity. // Opt. Express22, 31977-31983, 2014), содержащее подложку, микрофлюидный канал, сформированный на подложке и помещенный в интерферометр, и два оптических волновода для ввода и вывода оптического сигнала.

Недостатком устройства является необходимость использования спектрофотометра для регистрации сигнала и невозможность определения параметров фазовых превращений аналита.

Известно устройство для регистрации оптических параметров аналита (см. заявка РСТ WO 2011005776, МПК G01N 01/10, G01N 15/06, G01N 15/14, G01N 21/01, G01N 21/64, G01N 33/36, опубликована 13.01.2011), включающее подложку, микрофлюидный потоковый канал, сформированный на подложке, источник света и первое полупрозрачное (дихроичное) зеркало, устройство сбора света, испускаемого клетками, а также первое устройство обработки излучения, многожильный оптический кабель с Y-образным разветвителем; фотоумножитель или фотодиод; второй источник света и второе полупрозрачное зеркало, позволяющее отражать свет клеток и способное пропускать его через себя; второе устройство сбора света, способное собирать свет, испускаемый клетками в другом направлении, и второе устройство обработки оптических параметров излучения.

Недостатком известного устройства является невозможность изменения и измерения температуры аналита и определения параметров его фазовых превращений.

Известно устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита (см. заявка РСГ WO 2016025698, МПК G01N 33/543, G01N 33/571, G01N 33/58, опубликована 18.02.2016), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и выбранное в качестве прототипа. Устройство - прототип включает подложку, в толще которой сформированы по меньшей мере одна камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник, модуль контроля, управляющий источниками света и фотоприемниками, предназначенными для выполнения в зоне детектирования колориметрических измерений параметров аналита посредством спектрофотометра.

Недостатком известного устройства является его усложненная конструкция из-за необходимости использования спектрофотометра для регистрации детектируемого сигнала, а также невозможность точного измерения температуры жидкого аналита в зоне детектирования.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка устройства для регистрации оптических параметров жидкого аналита, обеспечивающего повышенную по сравнению с прототипом стабилизацию и точность измерения температуры жидкого аналита в зоне детектирования.

Поставленная задача решается тем, что устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита включает подложку, в толще которой сформированы камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник, Новым является снабжение устройства датчиком температуры. Датчик температуры выполнен в виде пленочного интерференционного покрытия торца оптического волокна, расположенного в камере и снабженного Y-разветвителем, одна ветвь которого соединена с источником излучения ближнего инфракрасного диапазона, а другая ветвь соединена со вторым фотоприемником, при этом в стенках камеры у ее внутренних поверхностей сформирован светопоглощающий слой.

Подложка может быть выполнена из химически инертного неорганического или полимерного материала.

Пленочное интерференционное покрытие выполнено из последовательно нанесенных на торец оптического волокна слоев полупроводника и диэлектрика (диэлектрического зеркала) толщиной 400-800 нм.

Источник оптического излучения видимого диапазона частот может быть выполнен в виде лазера или в виде лазерного диода.

Светопоглощающий слой в стенках камеры у ее внутренних поверхностей может быть выполнен в виде слоя стекла, содержащего наночастицы металла, например, серебра или никеля, или железа, или меди.

Устройство может содержать третий фотоприемник, оптически соединенный с источником оптического излучения видимого диапазона частот через первое полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45 градусов к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот.

Устройство может содержать четвертый фотоприемник, оптически соединенный с источником ближнего инфракрасного диапазона частот через второе полупрозрачное зеркало, установленное под углом 30 или 60 градусов к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где:

на фиг. 1 схематически изображен общий вид настоящего устройства для регистрации оптических параметров жидкого аналита;

на фиг. 2 показана в продольном разрезе конструкция торца волновода 15 с интерференционным покрытием 14;

на фиг. 3 приведены расчетные спектры отражения интерференционного покрытия 14 при различных температурах: 1-20°C, 2-85°C, 3-95°C. Пунктирный указатель соответствует длине волны полупроводникового лазера;

на фиг. 4 показана расчетная зависимость коэффициента отражения интерференционного покрытия 14 от температуры для длины волны 980 нм;

на фиг. 5 приведена зависимость сигнала фотоприемника 11, регистрирующего излучение, рассеянное в камере 2 аналитом, от температуры аналита.

Устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита (см. фиг. 1-фиг. 2) включает подложку 1, выполненную, например, из химически инертного боросиликатного стекла, в толще которой сформированы: камера 2 для жидкого аналита, входной микрофлюидный канал 3 и выходной микрофлюидный канал 4, сообщающиеся с камерой 2, источник 5 оптического излучения видимого диапазона частот, в виде, например, лазера, оптически соединенный через камеру 2, например, с помощью линзы 6 и оптических волноводов 7, 8, проведенных через каналы соответственно 9, 10, с первым фотоприемником 11. Выбор длины волны излучения источника 5, например, 405 нм, обусловлен тем, что сечение светорассеяния пропорционально 1/λ4 (λ - длина волны излучения). Поэтому, уменьшение длины волны зондирующего излучения позволяет увеличить чувствительность устройства к изменению светорассеяния в камере 2. В устройство также входит источник 12 излучения ближнего инфракрасного диапазона частот, например, в виде лазера, и второй фотоприемник 13. Выбор длины волны излучения источника 12, например, 980 нм обусловлен тем, что вода, которая обычно присутствует в аналите, имеет полосы поглощения в спектральном интервале 920-1400 нм. Устройство снабжено датчиком температуры в виде пленочного интерференционного покрытия 14 торца оптического волновода 15, проведенного в камеру 2 через канал 16 и снабженного Y-образным разветвителем 17, одна ветвь 18 которого соединена с источником 12 ближнего инфракрасного диапазона через линзу 19, а другая ветвь 20 соединена со вторым фотоприемником 13, В стенках камеры 2 у ее внутренних поверхностей сформирован светопоглощающий слой 21, выполнен в виде слоя стекла, содержащего наночастицы металла, например, серебра или меди, введенных методом ионного обмена. Пленочное интерференционное покрытие 14 состоит, например, из слоя 22 кремния, слоя 23 диоксида кремния и слоя 24 кремния, которые нанесены на торец оптического волновода 15, состоящего из сердцевины 25 из кварцевого стекла и стеклянной оболочки 26. Для контроля мощности источника 5 оптического излучения видимого диапазона частот устройство может содержать третий фотоприемник 27, оптически соединенный с источником 5 через первое полупрозрачное зеркало 28, установленное под углом 45 градусов к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот. Для контроля мощности источника 12 ближнего инфракрасного диапазона устройство может содержать четвертый фотоприемник 29, оптически соединенный с источником 12 через второе полупрозрачное зеркало 30, установленное под углом 30 или 60 градусов к продольной оси входного канала излучения видимого диапазона частот. Подложка 1 герметично закрыта крышкой (на чертеже не показана).

Настоящее устройство работает следующим образом.

В камеру 2 через входной микрофлюидный канал 3 подают жидкий аналит, а по выходному микрофлюидному каналу 4 аналит вытекает из нее. В камеру 2 через оптический волновод 15 вводят излучение источника 12 излучения ближнего инфракрасного диапазона, например, лазера или лазерного диода, длина волны которого попадает в полосу поглощения аналита, что приводит к его нагреву. Часть излучения, не поглощенная аналитом, поглощается в светопоглощающем слое 21, сформированном в стенках камеры 2 у ее внутренних поверхностей, что приводит к дополнительному, причем однородному, нагреву аналита. Интерференционное покрытие 14 на торце оптического волновода 15 пропускает часть излучения в камеру 2, а часть излучения отражается и попадает на фотоприемник 13, расположенный на другой ветви 20 оптического волновода 15. При нагреве излучением аналита тепло передается на интерференционное покрытие 14, содержащее, например, полупроводниковых слоев кремния, диоксида ванадия и окиси магния 22, 23, 24. При нагреве этих слоев 22, 23, 24 происходит изменение показателя их преломления, что сопровождается спектральным сдвигом резонансных полос интерференционного покрытия 14 и изменением его коэффициента отражения на длине волны источника 12 излучения ближнего инфракрасного диапазона. Регистрация отраженного оптического сигнала фотоприемником 13 позволяет производить измерение температуры аналита на основе соответствующей калибровки. По оптическому волноводу 7 излучение источника 5 видимого диапазона частот вводят в камеру 2, часть излучения, прошедшего через аналит или рассеянного им, через оптический волновод 8 поступает на фотоприемник 11. В качестве оптических волноводов 7, 8, 15 могут быть использованы оптические волокна. При определенной температуре (например, 67°C для диоксида ванадия, 75°C для раствора белка) вещество аналита претерпевает фазовый переход, что сопровождается резким увеличением светорассеяния. Рассеянное излучение при этом поглощается оптическим поглощающим слоем 21 на стенках камеры 2. Это приводит к уменьшению сигнала фотоприемника 11 (фиг. 5), что позволяет зарегистрировать температуру фазового перехода. Величина изменения сигнала фотоприемника 11, при проведении соответствующей калибровки, позволяет получить информацию о концентрации белка в аналите. После проведения анализа аналит удаляют из камеры 2 через микрофлюидный канал 7. Кроме того, дополнительная информация может быть получена из измерения индикатрисы рассеяния света аналитом, для чего в устройстве может быть предусмотрена возможность анализа светорассеяния под углами 30, 45, 60 и 90 градусов. Это позволяет зафиксировать присутствие новой фазы в аналите, а таже определить тип вещества и его концентрацию.

Была изготовлена подложка из натриево-силикатного стекла. В подложке была выполнена камера в виде углубления круглой формы диаметром 2 мм и глубиной 0,5 мм и входной и выходной микрофлюидные каналы шириной 50 мкм и глубиной 50 мкм. Изнутри камера содержит светопоглощающий слой, представляющий собой слой стекла толщиной 20 мкм, содержащий наночастицы серебра. В подложке также были выполнены сообщающиеся с камерой каналы для установки оптических волноводов. Глубина каналов равна 130 мкм, ширина равна 130 мкм. Каналы и камера в подложке были изготовлены путем сканирования по заданной программе по поверхности стекла сфокусированного луча CO2 лазера. Оптический поглощающий слой изготовлен методом ионного обмена Ag+↔Na+ (A. Tervonen, B.R. West, S. Honkanen, Ion-exchangedglasswaveguidetechnology: areview // Opt. Eng. 50 071107, 2011). Для этого в камеру помещали смесь нитратов серебра и натрия, нагревали до температуры 340°C и выдерживали в течение 30 минут. После этого расплав солей удаляли, а подложку выдерживали при температуре 560°C в течение 60 минут. В результате в приповерхностном слое стекла толщиной 30 мкм внутри камеры сформировались наночастицы серебра, имеющие высокое поглощение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. При этом стенки камеры остаются химически инертными по отношению к аналиту. В качестве оптических волноводов были использованы стандартные многомодовые оптические волокна из кварцевого стекла без полимерной оболочки. После установки волокон в соответствующие им каналы и их герметизации подложку сверху закрывали герметичной крышкой. Интерференционное покрытие, состоящее из пленок кремния толщиной 3 мкм и расположенной между пленками кремния пленки диоксида кремния 10 толщиной 5,5 мкм. Пленки изготовлены методом вакуумного напыления. Толщина пленок выбрана таким образом, что на длине волны 980 нм от интерференционного покрытия назад отражается не более 15%, а большая часть излучения проходит сквозь него. На фиг. 3 показаны спектральные зависимости коэффициента интерференционного покрытия при различных температурах. На фиг. 4 показана температурная зависимость коэффициента отражения интерференционного покрытия на длине волны 980 нм. Из фиг. 4 видно, что при изменении температуры от 20°C до 80°C коэффициент отражения увеличивается от 8% до 18%. Это позволяет контролировать температуру аналита путем контроля оптических характеристик отраженного сигнала излучения инфракрасного диапазона частот.

Настоящее устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита имеет упрощенную по сравнению с прототипом конструкцию и обеспечивает более точное измерение температуры жидкого аналита в зоне детектирования. Дополнительным достоинством настоящего устройства является отсутствие в его конструкции металлических деталей, что исключает возможность химических реакций аналита при его контакте с элементами устройства.


УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОГО АНАЛИТА
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОГО АНАЛИТА
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОГО АНАЛИТА
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОГО АНАЛИТА
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 81-90 из 134.
20.01.2018
№218.016.1126

Устройство защиты от обрывов проводов воздушной линии электропередачи с изолированной нейтралью

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности работы электрических сетей напряжением 6-10 кВ и улучшение условий электробезопасности. Устройство защиты от обрывов проводов трехпроводной воздушной линии электропередачи электрической сети с изолированной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633803
Дата охранного документа: 19.10.2017
20.01.2018
№218.016.11a2

Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

Использование: для исследованиях конденсированных материалов и наноструктур методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в различных областях науки. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометр ЭПР содержит генератор (1) фиксированной частоты, генератор (2), первый делитель...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002634076
Дата охранного документа: 23.10.2017
20.01.2018
№218.016.11a4

Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

Использование: для регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометр ЭПР содержит генератор фиксированной частоты, генератор переменной частоты, первый делитель мощности, второй делитель мощности, переключатель каналов, первый...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002634075
Дата охранного документа: 23.10.2017
13.02.2018
№218.016.20a6

Дозиметр ультрафиолетового излучения

Изобретение относится к области оптических измерений и касается дозиметра ультрафиолетового излучения. Дозиметр включает в себя последовательно расположенные по ходу распространения излучения средство оптической фильтрации, пропускающее ультрафиолетовое излучение, фотолюминесцентный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641509
Дата охранного документа: 17.01.2018
13.02.2018
№218.016.20f8

Солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль

Солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль содержит первичный оптический концентратор (3) в виде линзы Френеля, с линейным размером D, оптическая ось (4) которой проходит через центр (5) фотоактивной области фотоэлемента (1), выполненной в виде круга диаметром d, и соосный с ним...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641627
Дата охранного документа: 18.01.2018
13.02.2018
№218.016.249d

Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам удвоения частоты оптического излучения. Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения содержит активный элемент на основе нитрида алюминия. Активный элемент выполнен в виде волновода с воздушными обкладками,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642472
Дата охранного документа: 25.01.2018
04.04.2018
№218.016.36a8

Способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития

Изобретение относится к области интегральной оптики. Способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития заключается в том, что подают на входной волновод разветвителя рабочее оптическое излучение, выбирают для подстройки один из выходных волноводов, затем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646546
Дата охранного документа: 05.03.2018
04.04.2018
№218.016.36e8

Фотопреобразователь лазерного излучения

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. Фотопреобразователь лазерного излучения включает подложку (1) из n-GaAs, на которую последовательно нанесены слой (2) тыльного барьера из n-AlGaAs, базовый слой (3) из n-GaAs, эмиттерный слой (4) из p-GaAs, слой (5) широкозонного окна из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646547
Дата охранного документа: 05.03.2018
10.05.2018
№218.016.389b

Гетероструктура мощного полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к мощным полупроводниковым лазерам. Гетероструктура полупроводникового лазера спектрального диапазона 1400-1600 нм содержит подложку (1) из InP, на которой последовательно сформированы слой эмиттера (2) из InP n-типа проводимости,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646951
Дата охранного документа: 12.03.2018
10.05.2018
№218.016.4617

Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам удвоения частоты оптического излучения. Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения содержит активный элемент на основе нитрида алюминия, а также две обкладки из твердого раствора AlGaN. Активный элемент...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002650352
Дата охранного документа: 11.04.2018
Показаны записи 81-90 из 104.
20.01.2018
№218.016.1126

Устройство защиты от обрывов проводов воздушной линии электропередачи с изолированной нейтралью

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности работы электрических сетей напряжением 6-10 кВ и улучшение условий электробезопасности. Устройство защиты от обрывов проводов трехпроводной воздушной линии электропередачи электрической сети с изолированной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633803
Дата охранного документа: 19.10.2017
20.01.2018
№218.016.11a2

Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

Использование: для исследованиях конденсированных материалов и наноструктур методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в различных областях науки. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометр ЭПР содержит генератор (1) фиксированной частоты, генератор (2), первый делитель...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002634076
Дата охранного документа: 23.10.2017
20.01.2018
№218.016.11a4

Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

Использование: для регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометр ЭПР содержит генератор фиксированной частоты, генератор переменной частоты, первый делитель мощности, второй делитель мощности, переключатель каналов, первый...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002634075
Дата охранного документа: 23.10.2017
13.02.2018
№218.016.20a6

Дозиметр ультрафиолетового излучения

Изобретение относится к области оптических измерений и касается дозиметра ультрафиолетового излучения. Дозиметр включает в себя последовательно расположенные по ходу распространения излучения средство оптической фильтрации, пропускающее ультрафиолетовое излучение, фотолюминесцентный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641509
Дата охранного документа: 17.01.2018
13.02.2018
№218.016.20f8

Солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль

Солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль содержит первичный оптический концентратор (3) в виде линзы Френеля, с линейным размером D, оптическая ось (4) которой проходит через центр (5) фотоактивной области фотоэлемента (1), выполненной в виде круга диаметром d, и соосный с ним...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641627
Дата охранного документа: 18.01.2018
13.02.2018
№218.016.249d

Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам удвоения частоты оптического излучения. Устройство для генерации второй гармоники оптического излучения содержит активный элемент на основе нитрида алюминия. Активный элемент выполнен в виде волновода с воздушными обкладками,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642472
Дата охранного документа: 25.01.2018
04.04.2018
№218.016.36a8

Способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития

Изобретение относится к области интегральной оптики. Способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития заключается в том, что подают на входной волновод разветвителя рабочее оптическое излучение, выбирают для подстройки один из выходных волноводов, затем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646546
Дата охранного документа: 05.03.2018
04.04.2018
№218.016.36e8

Фотопреобразователь лазерного излучения

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. Фотопреобразователь лазерного излучения включает подложку (1) из n-GaAs, на которую последовательно нанесены слой (2) тыльного барьера из n-AlGaAs, базовый слой (3) из n-GaAs, эмиттерный слой (4) из p-GaAs, слой (5) широкозонного окна из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646547
Дата охранного документа: 05.03.2018
10.05.2018
№218.016.3975

Способ изготовления нанокомпозитов в стекле

Изобретение относится к изготовлению нанопористых электродов для батарей, аккумуляторов и солнечных элементов, катализаторов и др. Способ изготовления металл-стеклянных и полупроводник-стеклянных нанокомпозитов заключается в приложении электрического поля к нанопористому силикатному стеклу,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647132
Дата охранного документа: 14.03.2018
10.05.2018
№218.016.437e

Способ определения коррозионного состояния заземляющих устройств

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для количественной оценки коррозионного состояния элементов заземляющих устройств электроустановок подстанций различного вида и назначения без проведения вскрышных работ. Заявлен способ определения коррозионного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002649630
Дата охранного документа: 04.04.2018
+ добавить свой РИД