Spectrophone дизайн и сонда - лазерни диагностика в биологията и медицината

Дизайн spectrophone и сонди
Nonresonance spectrophone и сонди. При такава nonresonant spectrophone разбере ОА клетки, които все още няма забележими акустични резонанс свойства. Най-простият и най-често дизайн spectrophone използвани в изследването на газ е цилиндър с прозрачен прозорец за лазерното лъчение в краищата и с микрофона в странична стена на цилиндъра (фиг. 5.6а).

увеличаване оптимизация чувствителност може да се постигне чрез множествена клетка или форма чрез преминаване на лазерния лъч през клетката. Доколкото е възможно, са склонни да намали ефективното напречно сечение на клетката, тъй като според (5.7) и (5.10), OA амплитуда на сигнала е обратно пропорционална на напречното сечение (R2). Въпреки това, за да се намали влиянието на стените на съотношението на радиуса на светлинния лъч и клетките по принцип не трябва да надвишават 0,2.

Фиг. 5.6. Spectrophone и сонди, използвани в газообразно проучването (а, Ь), течности (- D), прахове, тънки филми и тъкани (например - и): 1 - светлинния лъч 2 - OA детектор, микрофон или пиезоелектрическия преобразувател 3 - прозорец 4 - анализира bioobject, 5 - кварц, 6 - адхезивна лента
Тъй като истински spectrophone чувствителността определя от нивото на фонови сигнали, изграждането на ОА клетки следва пътя на максимално да се намали влиянието на тези сигнали. Един начин - това сравнение на сигнали от две идентични клетки, пълни с газове с подобни термодинамичните параметри и осветени от същия светлинния лъч. Може би и двете паралелно и сериен подреждане на клетки. По принцип, когато равни обеми от камери на дължини и диаметри, съответно, могат да бъдат различни, тъй като според и (5.10), полезните сигнали от тези камери са много различни по амплитуда и фона са еднакви и "изважда" от диференциален микрофона.
Добри резултати могат да бъдат постигнати чрез значително намаляване на обема на клетката, при използване, например, на явлението пълно вътрешно отражение на границата на измерване призмата - анализирания газ (или течност). Оптимизация на размера на такива клетки може да намали обема си до 0.25 L и да осигури чувствителност на стр.
Важно предимство на миниатюрни клетка е да се работи при относително високи честоти на модулация 0.1-1.3 кХц, тъй като времето за термична релаксация на клетката се намалява пропорционално на неговия напречно сечение R2 (5.8). Това осигурява нисък шум на електронни схеми и да се увеличи скоростта на цялото устройство като цяло.
В проучването на парата на различни вещества може да се използва обикновена кутия, изработена от цилиндрични мм кювети кварц 1, свързани с кварцова тръба (дължина 60 mm, вътрешен диаметър 2 mm), отворен край, който се затваря с Teflon запушалка, вътре в който микрофон се намира (фиг. 5.66) , Промяната на налягането на парите на микрофона се предава през тесен канал с диаметър 0.2 mm, отвора в тръбата. За да се елиминира пара проникване в кухината на микрофона е блокиран от свързващия канал тефлон диафрагмата.
За запис на сигнала в течността на ОА използват три основни типа spectrophone: gazomikrofonnye, течен отворен и затворен тип. В gazomikrofonnyh клетки като мярка за амплитудата на звуков сигнал, използвайки конвенционални микрофони, предавател акустични трептения предизвикани от поглъщане на светлина в течността е газ. Устройството е затворена течност spectrophone gazomikrofonnyh подобно устройство. Въпреки това, както optoacoustic сензор сигнал (хидрофони) обикновено се използва пиезоелектрически преобразувател, в директен контакт с течността или свързан чрез съвпадение или защитни елементи.
Поради простотата на строителство, а широко течна клетка прави въз основа на пиезокерамични цилиндър, който също е страничната стена на клетката, и ОА приемника сигнал (фиг. 5.6v). Използването на такава клетка достигне праг на чувствителност на устройството от абсорбцията на а = 2,2 Li / -5 cm-1. Една от схемите на отворена клетка е показано на фиг. 5.5. При определени условия, например в мястото на сондата на достатъчно разстояние от прозорците (предни и задни), фонови сигнали ще бъдат атенюирани и инвертора трябва да се регистрират в основния сигнал от течността.
Често е необходимо клетки поток, в която тест течност мие прозореца работната камера. В този случай полето не само предава радиация в клетка, но също така служи като приемник на оптичния сигнал, който се превръща в електрически чрез плътен контакт с прозореца на един или повече пиезоелектрични датчици. Window материал трябва да има необходимите акустични свойства, така че често използват сапфир. Обемът на течността на пробата по същество по-малко от обема на работната камера и може да бъде 1 л, тъй като такъв метод, основната запис на сигнали абсорбцията OA влияние в тънък слой в близост до прозорец.
Най-удобният в биологичните изследвания, като spectrophone, които позволяват бърза промяна на изпитвателната течност и и работят със стандартни съдове. Едно такова подреждане е показан на фиг. 5,6 грама. кварцова кювета с тест течност здраво кварц цилиндър, който е снабден с тънък слой лубрикант (например, глицерин капки). Между кварц цилиндъра и референтната метален цилиндър се определя от винт пиезоелектрически преобразувател. За да се намали фонови сигнали от прозорци прилагат диференциално свързване на два съседни клетки. За да се подобри сигнал / шум кварц цилиндъра между кюветата и пиезоелектрически преобразувател понякога се заменят с огледално отразяващи светлината разпръснати в течността, и металната основа е поставен в среда, която поглъща акустични вибрации.
За спектроскопски изследвания на кондензираната материя са удобни при работа на ОА сонди, една от които е показана на фиг. . 5,6 (5 основен елемент - прът на стопен силициев диоксид (диаметър 8 mm, дължина 20 см) е акустична вълна прът С помощта на лепило прикрепен пиезоелектричен датчик (диаметър 12.7 mm, дебелина 3 mm), който е фиксиран Този диелектричен винт .. част на устройството се поставя в, която е електрически екран на металната кутия. гуменото уплътнение намалява акустичен свързващ кутия и пръта. прътът се понижава в клетката с течност, през която се предава на 3 mm под долната гранична сонда лазерния лъч. Такава сонда Udo ен за използване в биологията и медицината. Предимството му е, че импулсите на светлината и звука са изместени във времето, предавателят на акустични трептения се отстранява от източника на вибрации, тя позволява устройството за охлаждане и работа с корозивни течности.
В проучването на прахове, тънки филми и биологични тъкани е възможно да се използва всякакъв вид spectrophone. Те могат да бъдат разделени в три групи.
Първата група включва spectrophone, които използват или директна връзка преобразувател или кварц акустичен съответствие с изпитвания обект чрез акустична свързване на тънък течен филм (фиг. 5.5) или скоба (фиг. 5.6e). Spectrophone показано на фиг. 5.5, подходящ за измерване на абсорбцията на коефициентите в обемни тела и устройство, както е показано на фиг. 5.6e - в прахове и тънки слоеве. В тези схеми, влиянието отслабване на разсеяна светлина към сензора, вкарвайки на фоновия сигнал поради Пироелектрични ефект се постига благодарение на сложна конфигурация акустична линия. Премахване на влиянието на разсеяна светлина може да бъде или огледално покритие слой в мястото на акустичен линията на контакт с пиезоелектричен елемент, или чрез използване на диференциална схема с два пиезоелектрически елементи, един от които е механично свързан с битурбо, но се облъчва с разсеяна радиация на същата интензивност, че на работник.
Удобно за изследване на спектрите при ниски температури е сензорът е показано на фиг. 5.6zh. В основата на сензора е размер на кварц 2,5x1,2x0,18 виж блок, който се захваща между скобата и мед пиезоелектрическия преобразувател. Малък размер на сензора позволява да го поставите в Криостат като цяло. Сензорът е използвана за изследване на спектрите на ОА прахове, разтваря се в глицерол при 10 К. Това е лесно за производство и може да се използва в биологични изследвания при ниски температури.
Втората група включва spectrophone gazomikrofonnye клетка. В момента, най-често срещаният тип spectrophone използва в биологията и медицината. Регулирайте обем на работната камера, налягането на газ, на структурата и честотата на модулация, необходима за оптимизиране на optoacoustic сигнал както в амплитуда и фаза на смени. Spectrophone интересен вариант е показан на фиг. 5.6z. микрофона Диференциалната е монтирана между две идентични клетки. Един от тях, въведена с оптични влакна за осветяване на обекта, а в друг - винта, който ви позволява да промените силата на звука на клетките и да се постигне минимум влиянието на фона на сигнали. Такава детектор е свързан с лепенка за обекта тестове, като човешки повърхност на кожата, растението лист.
Накрая, третата група включва дизайн, при което течността се използват като топлинен конвертор проби на акустични трептения. Един пример на такава клетка е показано на вставката Фиг. 5.5.
Резонанс spectrophone [P. 23, стр 41]. Най-резонансната spectrophone реализира значителен обем съотношение клетка на неговата повърхност, която позволява да се работи с висока степен на надеждност с газовете, която поглъща клетъчните стени. Пространственото разпределение на акустични полета в съответствие с установените видове вибрации позволява да въведете необходимите компоненти (хетерогенност), като тръби за въвеждане и извеждане на газа в тези клетки, на мястото, където постоянната звукови вълни възел, без да го нарушава. Освен това, един от главните посоки на проектиране резонанс ОА клетки е да се премахнат фонови сигнали от прозорци и други структурни елементи. Получаване на същото: акустичен резонатор е необходимо да се инициира този тип трептене, така че областта на локализация прозорци и тези елементи има постоянна вълна възел.
Типичните стойности на коефициента на честотата и качеството на акустични резонатори са съответно равни на / р = 102-101 Hz, Q = = 102-10:&lsquo-. Относително високата честота на трептене намалява амплитудата на ОА на сигнала. Когато това намаление амплитуда не може да бъде напълно компенсира чрез увеличаване на качеството на фактор Q на резонатор (за резонансни клетки във формула (5.10), необходими за заместване на работната честота на резонатора и умножено по параметър Q). От друга страна, което представлява увеличение в честотата подобрява производителността и увеличаване на съотношението сигнал / шум на измервателното устройство. По принцип, всяка от структурите е показано на фиг. 5.6, ще проявяват резонанс свойства в някои chastotah- но тези клетки не са оптимизирани за резонанс свойства и следователно акустичните резонанси, които се случват в системата, като правило, се възпрепятства фактори.
относително ниски честоти на резонанс, способността да контролира параметри са така наречените Хелмхолц резонатори (фиг. 5.6y). Те се използват успешно в изследването на двете физика газообразен и кондензираната материя, включително изследване на биологични тъкани ин виво [P. 46]. Те са особено полезни при изследвания на абсорбция в твърди вещества и течности при ниски температури. В такива случаи, продълговати клетки се използват, т.е.. Е. отделение микрофон, съдържаща при стайна температура, дълъг тесен канал, свързан с работното отделение намира в криостат. Колкото по-дълго преминаването на връзката, толкова по-отчетлив резонанса. Намаляването на температурата на пробата позволява значително (с повече от три порядъка), за да се увеличи чувствителността на метода. Когато тази резонансна честота е $ ~ Txl2y където Т - температура на буфер газ, и фактор на качеството на ~ 1 / T.
Приемниците на акустични сигнали. Като акустичен сигнал приемници най-широко микрофони различни дизайни: цилиндрични, плоски, кондензатора и електретен. На неравностите на честота характеристика и нивото на шума електретен микрофон е малко по-висока, отколкото в кондензатора, но електретен микрофони имат малки размери и не изисква източник на поляризация напрежение. Чувствителността на най-микрофона е 50- 100 тУ / Ра.
Заедно с микрофони за получаване на акустични вибрации директно от течностите и твърдите вещества се използват различни пиезоелектрични трансформатори, чиято чувствителност е 0.01-1 тУ / Ра. Фиг. 5.5 показва схематично един от дизайните на тези конвертори. Той се състои от част от разтопен кварц Т-образна с диаметър 0,63 см и всяко рамо дължина 2.5 см. В долната част на процеса на вертикално отражателно покритие се прилага, който е свързан към пиезокерамични цилиндър. Тази част на приемника е защитен от месинг чаша, която също функционира като електрически екранировка. Кристал единица е направено така, че като добър проводник на звукови вълни, може да се намали ефекта на разсеяната светлина лазер върху работата на пиезоелектрическия преобразувател. OA самостоятелно резонансната честота на детектора е 250 кХц.
Прилагане на други видове универсални пиезоелектрични датчици ОА произведени под формата на болт завинтва в страничната стена на затворените клетки в контакт с или стандарт кювета (кварц битурбо, Фиг. 5.6e) с скобата [P. 43], и изработен като паралелепипед, по лицата на които бомбардирани електроди (едно от лицата на детектора е прикрепен към пробата). Горният резонанс и приемници се използват за получаване на продължителността на импулса на сигнала от една микросекунда до 80 не. Използването на тънки (9 mm) поливинилиденфлуорид пиезоелектрични филми може да подобри производителността на "4 не е [9].
В сравнение с конвенционалните микрофони и пиезоелектрични датчици, лазерни и оптични приемници optoacoustic сигнали имат редица предимства: липса на физически вибрации, е възможно да се намали шумът на електронни устройства чрез превключване при високи честоти (следователно скоростта), както и способността да се работи с корозивна среда при висока температури в присъствието на значителни електрически и магнитни полета [P. 23, РА 41, РА 43].
Като "приемник" на акустична вълна може, например, да се използва тест лазерен лъч се отклонява поради промяна на индекса на пречупване (концентрацията на частиците) в течение 1P на акустична вълна. 43]. Отклонението на лазерния лъч се записва от позиция чувствителни фотодетектора на. Чрез промяна на разстоянието между лазерни лъчи труд и сонда и контрол на продължителността на импулса на възбуждане, могат да се разграничат звуковия сигнал и измерва скоростта на звука в различни среди.
Динамична система за топломер. Един важен клас диагностични проблеми в биологията и медицината е анализът на подвижните газови и течни потоци, като например газ и течна хроматография, изследването на кръвния поток, за сметка на единични biochastits (биомолекули, клетки), и така нататък. Естеството на потока варира

където&rdquo- = AV * г - «поток" на коефициента на дифузия, и - експериментално определеното съотношение ((3-4) - 10 ~ а)

Фиг. 5.7. Примери на динамични калориметрични системи [10]
(5.12) `
Времето за почивка вместо teplozoy
определя от съотношението [10]

о * - скорост на срязване, г - диаметър на потока. ? За типични условия а = 7,7- 10-3ur (V - скорост на потока, г - радиусът).
Някои примери на динамични калориметрични системи са показани схематично на фиг. 5.7, където 1 - поток 2 - вълнуваща лазерен лъч. За измервания динамични поток могат да се използват традиционните схеми (фиг. 5.6а, б). Избор на оптимално съотношение между скоростта на потока на честотните обхвати светлина модулация и разстоянието между възбуждане и регистрация позволява на веригата от Фиг. 5.7b да достигне прага на чувствителност на абсорбция при 10&ldquo-7 см-1. Диференциална pyrodetector 3 в тази схема елиминира влиянието на разсеяна радиация.
Схемата на фиг. 5.75 обещаващи за използване в капилярната течна хроматография. Тук са 3 - пиезоелектричен датчик. Друга схема (фиг. 5.7v) е предназначена за откриване на единични частици, които, когато се удря му движение към здраво фокусиране на скок на лазерен лъч значително увеличаване на амплитудата на ОА на сигнала (<? — микрофон или пьзодатчик). Схема рис. 5.7г реализует бесконтактный дефлекционный метод. Эта схема имеет высокое пространственное разрешение, высокую чувствительность и возможность одновременного измерения скорости потока, концентрации поглощающих частиц и температуры среды. Она обладает значительным динамическим диапазоном (0,1—100 см/с) и возможностью определения профиля скоростей в сечении потока. Здесь 3 — позиционно-чувствительный фотоприемник, 4 — пробный лазерный пучок.