устройство для измерения концентрации кислорода в жидкостях и газах

Формула изобретения

1. Устройство для измерения концентрации кислорода в жидкостях и газах, содержащее оптически связанные импульсный источник излучения, кислородный люминесцентный сенсор и фотоприемное устройство, выход которого через предусилитель электрически связан с блоком измерения интенсивности затухающей длительной люминесценции по крайней мере в двух последовательных интервалах времени, и блок питания импульсного источника излучения, отличающееся тем, что в него введены усилитель переменного тока, схема привязки уровня сигнала, синхронизатор работы блоков устройства, преобразователь напряжение - частота, преобразователь частоты в концентрацию кислорода и устройство отображения, при этом кислородный люминесцентный сенсор выполнен в виде тонкослойного пленочного полимерного материала с люминофором, представляющим собой донорно-акцепторную пару флуоресцеин-металлопорфирин, усилитель переменного тока выполнен с возможностью изменения коэффициента передачи в зависимости от интенсивности затухающей длительной люминесценции, блок измерения интенсивности затухающей люминесценции имеет первый, второй и третий детекторы и первую и вторую схемы сравнения, причем первый детектор выполнен с возможностью измерения амплитуды затухающей длительной люминесценции в первый интервал времени, второй и третий детекторы выполнены с возможностью измерения интенсивности затухающей длительной люминесценции во второй и третий интервалы времени соответственно, схема привязки уровня сигнала выполнена с возможностью фиксации конечного участка сигнала затухающей длительной люминесценции на нулевом уровне, при этом выход предусилителя связан с информационным входом усилителя переменного тока, выход которого связан со входом схемы привязки уровня сигнала, выход которой связан с информационными входами первого, второго и третьего детекторов, выход первого детектора связан с первым входом первой схемы сравнения, второй выход которой связан с источником опорного напряжения, а выход - с управляющим входом усилителя переменного тока, выходы второго и третьего детекторов связаны с первым и вторым входами второй схемы сравнения соответственно, выход которой связан со входом преобразователя напряжение - частота, первый выход которого связан со входом синхронизатора, а второй - со входом преобразователя частоты в концентрацию кислорода, выход которого связан со входом устройства отображения, первый, второй и третий выходы синхронизатора связаны с управляющими входами первого, второго и третьего детекторов соответственно, а четвертый выход связан с управляющим входом блока питания импульсного источника излучения.

2. Устройство для измерения концентрации кислорода в жидкостях и газах по п. 1, отличающееся тем, что кислородный люминесцентный сенсор выполнен в виде тонкослойного пленочного полимерного материала с люминофором, представляющим собой донорно-акцепторную пару флуоресцеинизотиоционат - Pd дейтеропорфирин.

3. Устройство для измерения концентрации кислорода в жидкостях и газах по п. 1, отличающееся тем, что кислородный люминесцентный сенсор выполнен в виде тонкослойного пленочного полимерного материала с люминофором, представляющим собой донорно-акцепторную пару флуоресцеинизотиоционат - Pd копропорфирин.

4. Устройство для измерения концентрации кислорода в жидкостях и газах по п. 1, отличающееся тем, что кислородный люминесцентный сенсор выполнен в виде тонкослойного пленочного полимерного материала с люминофором, представляющим собой донорно-акцепторную пару флуоресцеинизотиоционат - Pd уропорфирин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения концентрации кислорода, и предназначено для проведения измерений во внелабораторных условиях.

Актуальной задачей является измерение концентрации кислорода в широком динамическом диапазоне (от 0,01 об.% до 100 об.%) при экологическом контроле воды и воздуха, при контроле содержания кислорода в емкостях, наполненных газами и жидкостями, в химических и биологических производствах в условиях открытых площадок и в труднодоступных местах. Наилучшим образом задача решается с использованием устройств, работа которых основана на измерении длительной люминесценции (флуоресценции, фосфоресценции) чувствительного к кислороду материала, используемого в качестве датчика.

Известно устройство для анализа роста микроорганизмов в исследуемой среде, работа которого основана на измерении концентрации кислорода в образце (ЕР N 0668497, класс МКИ G 01 N 21/64). Устройство содержит импульсный источник для возбуждения люминесценции кислородного сенсора, фотоприемник и электронную схему обработки сигналов. Работа устройства основана на том, что, согласно уравнению Штерна-Фольмера, время затухания длительной люминесценции обратно пропорционально, а частота следования световых импульсов прямо пропорциональна, концентрации кислорода в исследуемом образце. Регулируя частоту следования световых импульсов и, соответственно, импульсов затухающей люминесценции, добиваются равенства заданных и измеренных величин и по установившемуся значению частоты определяют концентрацию кислорода в счетчике частоты.

Устройство предназначено для измерения концентрации кислорода в пределах от 0 до 30% только в лабораторных условиях. Кроме того, измерение абсолютных значений интенсивности затухающей люминесценции не позволяет учесть влияние различных физических факторов (температура, влажность воздуха, старение источника излучения и сенсора и т.п.) на чувствительность и точность измерений.

Известно устройство для измерения парциального давления кислорода, pH и других параметров крови, работа которого основана на измерении затухающей люминесценции (ЕР N 0252578, класс МКИ G 01 N 21/64). Устройство содержит источник излучения для возбуждения люминесценции, люминесцентный сенсор и фотоприемник, выход которого связан со входом электронной схемы обработки измеренных сигналов. Работа устройства основана на измерении (интегрировании) интенсивности затухающей люминесценции и составляющей шумов после затухания люминесценции в течение интервалов времени, задаваемых импульсным генератором, вычитании измеренных величин, сравнении разности с заданным значением, преобразовании полученной величины в значение постоянной времени затухания люминесценции и определении концентрации кислорода, например, при использовании уравнения Штерна-Фольмера.

Работа устройства основана на измерении и обработке абсолютных значений величин, что приводит к увеличению погрешностей, обусловленных описанными выше физическими факторами. Кроме того, устройство предназначено для измерения довольно узкого диапазона изменения исследуемых параметров, например, для измерения концентрации кислорода в диапазоне от 5 до 150 мм рт. ст.

Известно устройство для измерения по крайней мере одной характеристики среды в присутствии других характеристик, например, O₂, CO₂ или pH в крови или в газах (патент США N 4968632, класс НКИ 436-136). Устройство содержит источник излучения для возбуждения люминесценции исследуемого образца, датчик с чувствительным люминесцентным слоем, контактирующий с исследуемой средой, несколько фотодетекторов, количество которых равно числу определяемых характеристик. Выходы фотодетекторов через усилители связаны с процессором, который определяет параметры исследуемой среды по величинам интенсивностей люминесценции на различных длинах волн. В качестве источника излучения используют светодиоды, работающие в импульсном режиме. Концентрацию параметров среды определяют по значению постоянной времени затухания длительной люминесценции в соответствии с уравнением Штерна-Фольмера.

Работа устройства основана на способе измерения абсолютных значений интенсивности люминесценции затухания, что приводит к тем же недостаткам, что и у ранее описанных аналогов.

Кроме того, измерение интенсивности длительной люминесценции во время действия светового импульса приводит к усложнению оптической схемы для исключения влияния рассеянного света источника возбуждения на величину измеряемых сигналов, что неприемлемо при создании простого, надежного в эксплуатации, переносного устройства.

Известно устройство для идентификации веществ, которое может быть использовано для измерения in vitro малых количеств веществ, например, для анализа генетической информации (ЕР N 0668498, класс МКИ G 01 N 21/64). Работа устройства основана на усилении измеряемого сигнала за счет использования явления резонансного переноса энергии от молекул флуорофора-донора к молекулам флуорофора-акцептора. Величину энергии переноса определяют по времени жизни затухающей флуоресценции донора и акцептора, которое, в свою очередь, определяют по значениям интенсивностей затухания люминесценции донора и акцептора, измеренных на двух длинах волн в двух дискретных интервалах времени. Чувствительный элемент выполнен в виде твердого носителя с внесенными в него молекулами донора - 5-(2-((iodoacetyl)amino)ethyl)amino)naphthalene-1-sulfonic acid IADANS, и акцептора - tetramethylrhodamin - 5 (and -6) - isothiocyanate - TRITC. Устройство предназначено для детектирования очень малых количеств биологических веществ, например, ДНК или РНК. Вещества, используемые в качестве донорно-акцепторной пары сенсора, не могут быть использованы для измерения концентрации кислорода. Кроме того, устройство сложно по конструкции из-за наличия фотоумножителя, дифракционной решетки для разделения диапазонов длин волн донора и акцептора, системы охлаждения фотоприемного устройства и может быть использовано только в лабораторных условиях.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения концентрации кислорода в жидкостях и газах (патент США 4810655, класс НКИ 436-138). Устройство может быть использовано для измерения концентрации кислорода в кровеносных сосудах и в выдыхаемом воздухе, которую определяют, наблюдая тушение люминесценции (фосфоресценции, флуоресценции) в кислородном сенсоре. Устройство содержит оптически связанные импульсный источник возбуждающего люминесценцию излучения, кислородный люминесцентный сенсор и фотоприемное устройство. Электрический сигнал с выхода фотоприемного устройства через предусилитель поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который накапливает значения интенсивности затухания люминесценции в течение по крайней мере двух последовательных интервалов времени при прохождении определенного количества световых импульсов. Выход АЦП связан со входом микрокомпьютера, в котором по измеренным параметрам осуществляется вычисление концентрации кислорода и вырабатываются команды синхронизации работы блоков устройства. При работе устройства кислородный сенсор приводят в контакт с исследуемой средой, которую облучают импульсной лампой или светодиодом, в АЦП измеряют средние значения интенсивностей затухания люминесценции в двух любых интервалах времени, в электронных блоках компьютера вычисляют отношение измеренных интенсивностей, сравнивают это отношение в схеме сравнения с заданным значением, определенным для известной концентрации кислорода, и по результатам сравнения с использованием уравнения Штерна-Фольмера определяют концентрацию кислорода. За нуль для отсчета интервалов времени принимают время окончания действия светового импульса.

Сенсор выполнен в виде кислородпропускающей матрицы, совмещенной с пластиковой пленкой, содержащей по крайней мере одно люминесцирующее вещество, например, Pt тетра(пентафлуорофенил)порфирин, имеющий поглощение в видимой части спектра, фосфоресценцию примерно 100 мкс и хорошую фотостабильность. Могут быть использованы и другие Pt и Pd металлокомплексы порфиринов.

Устройство предназначено для измерения концентрации кислорода в выдыхаемом воздухе или в кровеносных сосудах, т.е. для измерения физиологических уровней концентраций, и не может быть использовано для измерения концентрации кислорода в диапазоне 0.01-100 об.%.

Кроме того, измерение интенсивности затухающей люминесценции непосредственно после окончания действия светового импульса приводит к ошибкам измерения из-за влияния затухания короткоживущей флуоресценции на сигналы длительной люминесценции.

Задачей является создание устройства для оперативного контроля концентрации кислорода в широком динамическом диапазоне (от 0.01об.% до 100 об. %), простого по конструкции, неэнергоемкого, пригодного для работы во внелабораторных условиях.

Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является высокая чувствительность измерений [O₂]/[] в широком динамическом диапазоне концентраций кислорода с высоким разрешением в области малых концентраций [O₂] за счет улучшения соотношения сигнал/шум.

Задача решается предлагаемым изобретением.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для измерения концентрации кислорода в жидкостях и газах, содержащее оптически связанные импульсный источник излучения, кислородный люминесцентный сенсор и фотоприемное устройство, выход которого через предусилитель электрически связан с блоком измерения интенсивности затухания люминесценции по крайней мере в двух последовательных интервалах времени, и блок питания импульсного источника излучения, введены усилитель переменного тока, выполненный с возможностью изменения коэффициента передачи в зависимости от величины интенсивности затухающей люминесценции, схема привязки уровня сигнала, синхронизатор работы блоков устройства, преобразователь напряжение-частота, преобразователь частоты в концентрацию кислорода и устройство отображения; кислородный люминесцентный сенсор выполнен в виде тонкослойного пленочного полимерного материала с люминофором, представляющим собой донорно-акцепторную пару флуоресцеинметаллопорфирин, блок измерения интенсивности затухания люминесценции имеет первый, второй и третий детекторы и первую и вторую схемы сравнения, причем первый детектор выполнен с возможностью измерения амплитуды затухающей люминесценции в первый интервал времени, второй и третий детекторы выполнены с возможностью измерения интенсивности затухающей люминесценции во второй и третий интервалы времени соответственно, схема привязки уровня сигнала выполнена с возможностью фиксации конечного участка сигнала затухающей люминесценции на нулевом уровне, при этом выход предусилителя связан с информационным входом усилителя переменного тока, выход которого связан со входом схемы привязки уровня сигнала, выход которой связан с информационными входами первого, второго и третьего детекторов, выход первого детектора связан с первым входом первой схемы сравнения, второй вход которой связан с источником опорного напряжения, а выход - с управляющим входом усилителя переменного тока, выходы второго и третьего детекторов связаны с первым и вторым входами второй схемы сравнения соответственно, выход которой связан со входом преобразователя напряжение-частота, первый выход которого связан со входом синхронизатора, а второй - с преобразователем частоты в концентрацию кислорода, выход которого связан со входом устройства отображения, первый, второй и третий выходы синхронизатора связаны с управляющими входами первого, второго и третьего детекторов соответственно, а четвертый выход связан с управляющим входом блока питания импульсного источника излучения.

Технический результат достигается также тем, что люминофор представляет собой донорно-акцепторную пару флуоресцеинизотиоционат-производное Pd комплекса дейтеропорфирина, или уропорфирина, или копропорфирина.

Авторам не известно из источников информации техническое решение, имеющее совокупность признаков, подобную всей совокупности признаков в заявляемой формуле изобретения, и дающее при использовании указанный выше технический результат. Следовательно, заявляемое изобретение отвечает критерию новизны.

От прототипа предлагаемое изобретение отличается наличием новых материалов, элементов и связей между элементами. Новыми элементами являются усилитель переменного тока с регулируемым в зависимости от измеряемого сигнала коэффициентом передачи, синхронизатор импульсов, управляющий работой блоков устройства также в зависимости от величины измеряемого сигнала. Кроме того, в предлагаемом устройстве по-новому выполнен кислородный люминесцентный сенсор, что приводит к увеличению полезного сигнала. За счет увеличения полезного сигнала, регулирования частоты следования световых импульсов и коэффициента передачи усилителя переменного тока в зависимости от величины сигнала затухающей люминесценции возможно расширение диапазона измеряемых концентраций при высокой чувствительности во всем динамическом диапазоне и высоком разрешении при измерении малых концентраций, т.е. при использовании изобретения будет достигнут новый технический результат.

Увеличение чувствительности при использовании низкоэнергоемких источника и приемника излучения люминесценции, разделение во времени сигналов короткоживущей и долгоживущей люминесценции при измерении затухающей люминесценции без усложнения оптической схемы фотоприемного устройства позволяют создать малогабаритное, переносное, неэнергоемкое устройство, пригодное для работы во внелабораторных условиях. Следовательно, предлагаемое устройство отвечает критерию уровня техники.

Предлагаемое устройство может быть изготовлено из элементов и материалов, выпускаемых отечественной промышленностью. Небольшие габариты, простота конструкции, низкая энергоемкость и невысокая стоимость при широком диапазоне измеряемых концентраций кислорода позволяют использовать устройство в различных областях техники. Следовательно, предлагаемое изобретение отвечает критерию промышленной применимости.

На фиг. 1 показана структурная схема варианта выполнения заявляемого устройства.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы: световые импульсы 17 возбуждающего люминесценцию излучения; импульс 18 управления работой первого детектора; импульс 19 управления работой второго детектора; импульс 20 управления работой третьего детектора; изменение интенсивности 21 затухающей длительной люминесценции во времени; сигнал 22 с выхода усилителя переменного тока; сигнал 23 с выхода схемы привязки нулевого уровня.

На фиг. 3 показаны: спектр 24 возбуждения фосфоресценции Pd дейтеропорфирина; спектр 25 излучения светодиода L53MBC; спектр 26 возбуждения донорно-акцепторной пары флуоресцеинизотиоционат - Pd дейтеропорфирин; спектр 27 фосфоресценции пары флуоресцеинизотиоционат - Pd дейтеропорфирин; спектр 28 фосфоресценция Pd дейтеропорфирина при прямом возбуждении светодиодом.

На фиг. 4 показана зависимость изменения уровня сигнала фосфоресценции акцептора от концентрации кислорода в смеси азот-кислород.

На фиг. 5 показана химическая формула Pd дейтеропорфирина, Pd копропорфирина, Pd уропорфирина.

Устройство, показанное на фиг. 1, содержит импульсный источник излучения 1, кислородный люминесцентный сенсор 2, фотоприемное устройство 3, выход которого через предусилитель 4 связан с информационным входом усилителя 5 переменного тока, выход которого связан со входом схемы 6 привязки уровня сигнала; блок 7 измерения интенсивности затухания люминесценции, в который входят первый 8, второй 9 и третий 10 детекторы, информационные выходы которых связаны с выходом схемы 6 привязки уровня сигнала; выход детектора 8 связан с первым входом первой схемы 11 сравнения, второй вход которой связан с источником опорного напряжения, а выход - с управляющим входом усилителя 5 переменного тока; выходы детекторов 9 и 10 связаны с первым и вторым входами второй схемы 12 сравнения соответственно, выход которой связан со входом преобразователя 13 напряжение-частота, первый вход которого связан со входом синхронизатора 14, первый, второй и третий выходы синхронизатора 14 связаны с управляющими входами детекторов 8, 9 и 10 соответственно, а четвертый выход - с управляющим входом блока 15 питания импульсного источника излучения, второй выход преобразователя 13 связан со входом преобразователя 16 частоты в концентрацию кислорода, выход которого связан со входом устройства отображения 17.

Кислородный люминесцентный сенсор 2 выполнен в виде тонкослойного пленочного полимерного материала с люминофором, представляющим собой донорно-акцепторную пару флуоресцеин-металлопорфирин, например, флуоресцеинизотиоционат - производное Pd комплекса дейтеропорфирина.

Первый детектор 8 выполнен с возможностью измерения амплитуды затухающей длительной люминесценции в первый интервал времени.

Второй 9 и третий 10 детекторы выполнены с возможностью измерения интенсивности затухающей длительной люминесценции во второй и третий последовательные интервалы времени соответственно.

Усилитель 5 переменного тока выполнен с возможностью изменения коэффициента передачи в зависимости от величины интенсивности затухания длительной люминесценции.

Устройство отображения 17 предназначено для визуального отображения концентрации кислорода.

Устройство работает следующим образом.

Кислородный люминесцентный сенсор 2 приводят в контакт с исследуемой средой, в которой необходимо измерить концентрацию кислорода. Последовательность импульсов управления с четвертого выхода синхронизатора 14 поступает на вход блока питания 15, в котором формируется сигнал управления импульсным источником излучения 1, синхронный с импульсами 17 (фиг. 2). Последовательность световых импульсов, синхронных с импульсами 17, возбуждает люминесценцию чувствительного слоя кислородного люминесцентного сенсора 2. Интенсивность люминесценции сенсора 2 пропорциональна мощности светового потока возбуждения и имеет две составляющие: короткоживущую флуоресценцию (10^-9 с) и длительную люминесценцию с большими временами затухания (0,01-1,2 10^-3 с). Зависимость интенсивности длительной люминесценции и постоянной времени ее затухания описывается уравнением Штерна-Фольмера

I₀/I = ₀/ = 1+K_q[O₂], (1)

где I₀ - интенсивность длительной люминесценции при концентрации кислорода, равной нулю;

I - интенсивность длительной люминесценции при измеряемой концентрации кислорода;

₀ - постоянная времени затухания длительной люминесценции при концентрации кислорода, равной нулю;

- постоянная времени затухания длительной люминесценции при измеряемой концентрации кислорода;

K_g - константа тушения кислорода, зависит от материала сенсора [М^-1];

[O₂] - измеряемая концентрация кислорода [М].

Зависимость интенсивности длительной люминесценции во времени описывается следующим выражением



где t - текущее значение времени после окончания светового импульса;

I_макс - значение интенсивности длительной люминесценции при t = 0.

Световой поток люминесценции 21 (фиг. 2) регистрируется фотоприемным устройством 3, электрический сигнал с выхода которого поступает на вход предусилителя 4, с выхода которого сигнал поступает на информационный вход усилителя 5 переменного тока, коэффициент передачи которого может изменяться в пределах от 5 до 1000. При регистрации малых значений интенсивности, при больших концентрациях кислорода, инструментальные ошибки тракта измерения (дрейф смещений, ошибки детектирования и т.д.) становятся соизмеримыми с уровнями полезных сигналов, а для диапазона концентраций от 0,01 об.% до 100 об. % при константе тушения 5 10⁵ М^-1 (10^-1 об.%) могут превышать значения амплитуд полезных сигналов, хотя соотношение сигнал/шум, определяющее случайные ошибки измерения, при этом остается равным примерно 50 при времени накопления около 1 секунды. Для оптимизации процесса измерений интенсивности затухающей люминесценции коэффициент передачи усилителя 5 переменного тока регулируют посредством сигнала обратной связи, подаваемого с выхода первой схемы 11 сравнения на управляющий вход усилителя 5.

Сигнал 22 (фиг. 2) с выхода усилителя 5 переменного тока поступает на вход схемы 6 привязки нулевого уровня сигнала, которая автоматически смещает кривую напряжения таким образом, что конечный участок кривой 23 затухания люминесценции (фиг. 2) оказывается на нулевом уровне. Усиленный до определенных значений амплитуд длительной люминесценции и привязанный к нулевому уровню сигнал с выхода схемы 6 поступает в блок 7 измерения интенсивности затухания люминесценции на информационные входы первого 8, второго 9 и третьего 10 детекторов. Детекторы однотипны по схемотехнической реализации и совмещают в себе функции схемы выборки-хранения и фильтра нижних частот. Детектор 8 измеряет сигнал, соответствующий амплитудному значению затухающей длительной люминесценции. Сигнал с выхода детектора 8 поступает на первый вход схемы 11 сравнения, второй вход которой связан с источником опорного напряжения U_оп, оба сигнала сравниваются. Усиленный сигнал рассогласования с выхода схемы 11 сравнения подается на управляющий вход усилителя 5 переменного тока и изменяет его коэффициент передачи таким образом, чтобы значение выходного напряжения детектора 8 и, соответственно, амплитуда длительной составляющей люминесценции на выходе схемы 6 были бы в первом приближении постоянными.

Импульс управления 18 (фиг. 2), поступающий с первого выхода синхронизатора 14 на управляющий вход детектора 8, имеет фиксированную длительность, величина которой меньше минимальной величины постоянной времени затухания длительной люминесценции.

Выходное напряжение детектора 9 соответствует среднему значению интенсивности затухания люминесценции за время действия управляющего импульса 19 (фиг. 2), поступающего на управляемый вход детектора 9 со второго выхода синхронизатора 14. Выходное напряжение детектора 10 соответствует среднему значению интенсивности затухания длительной люминесценции за время действия следующего управляющего импульса 20 (фиг. 2), поступающего на управляемый вход детектора 10 с третьего выхода синхронизатора 14. Выходные напряжения этих детекторов в заданном соотношении (например, e¹) сравниваются в схеме 12 сравнения, усиленный сигнал рассогласования с выхода которой поступает на управляющий вход преобразователя 13 напряжение-частота. Отклонение отношения сигналов в ту или другую сторону от заданного значения вызывает увеличение или уменьшение частоты на выходе преобразователя 13. Частота следования импульсов с первого выхода преобразователя 13 управляет работой синхронизатора 14.

Длительности импульсов 17 управления, и соответственно световых импульсов (фиг. 2), поступающих на управляющий вход блока питания 15, длительности импульсов 19 управления, поступающих на управляющий вход детектора 9 (фиг. 2), и длительности импульсов 20 управления, поступающих на управляющий вход детектора 10, равны по величине и обратно пропорциональны частоте следования импульсов с выхода преобразователя 13.

Измерение интенсивности затухающей длительной люминесценции начинается через некоторый промежуток времени (время задержки) после окончания действия светового импульса. Это позволяет исключить влияние короткоживущей люминесценции на результаты измерений без усложнения оптической схемы. Время задержки t₁ до начала работы детектора 8 (импульс 18, фиг. 2) определяется переходными процессами в усилителях 4 и 5 и должно быть меньше минимального значения постоянной времени затухания длительной люминесценции _мин.

Время задержки t₂ до начала работы детектора 9 (импульс 19 фиг. 2) обратно пропорционально частоте следования импульсов с выхода преобразователя 13, но должно быть меньше времени переходного процесса в усилителях 4 и 5 и не больше половины длительности управляющего импульса 19,

Начало работы детектора 10 совпадает с окончанием работы детектора 9 (управляющий импульс 20, фиг. 2).

Период следования управляющих импульсов 17, 18, 19 и 20 с выхода синхронизатора обратно пропорционален частоте следования импульсов f на выходе преобразователя 13 и принимается равным 5...6 длительностям импульсов 17, 19 и 20. При увеличении частоты следования f период следования и длительности импульсов управления 17, 19 и 20 уменьшаются и наоборот. Таким образом, в установившемся режиме отношение выходных напряжений детекторов 9 и 10 будет равно заданному значению (в пределах ошибки обратной связи), а частота следования импульсов обратно пропорциональна постоянной времени затухания длительной люминесценции:



где где ₀ - постоянная времени затухания длительной люминесценции при концентрации кислорода, равной нулю;

- постоянная времени затухания длительной люминесценции при измеряемой концентрации кислорода;

f - частота следования импульсов;

K₁ - коэффициент пропорциональности;

K_q - константа тушения длительной люминесценции;

[O₂] - измеряемая концентрация кислорода.

После преобразования выражения (3) получают следующее выражение для определения концентрации кислорода:



Со второго выхода преобразователя 13 последовательность импульсов с частотой f поступает на вход преобразователя 16 частоты в концентрацию кислорода, в котором производится линеаризация зависимости (4) по частоте и компенсация систематических ошибок сенсора и элементов устройства. С выхода преобразователя 16 сигнал поступает на вход устройства 17 отображения для визуализации измеренных значений концентрации кислорода.

В качестве люминесцентного сенсора, чувствительного к кислороду, используют тонкослойные (3-10 микрон) пленочные полимерные материалы с люминофором, представляющим собой донорно-акцепторную пару флуоресцеин-металлопорфирин.

Для возбуждения донорно-акцепторной пары используют светодиод L53MBC с максимумом излучения в области 450-470 нм, спектр 25 излучения которого показан на фиг. 3. Кривая 26 - спектр возбуждения донорно-акцепторной пары при облучении светодиодом. Как видно из кривых на фиг. 3, интенсивность 27 фосфоресценции для донорно-акцепторной пары флуоресцеинизотиоционат - Pd дейтеропорфирин в 5...6 раз превышает интенсивность 28 фосфоресценции Pd дейтеропорфирина при прямом возбуждении светодиодом.

Флуорофром-донор представляет собой люминофор, флуоресценция которого имеет короткое время затухания (не более 10^-8) и не чувствительна к кислороду. При этом спектр 26 возбуждения донорно-акцепторной пары максимально приближен к спектру 25 излучения источника света. Флуорохром-акцептор имеет максимум поглощения в области эмиссии люминесценции донора. Акцептор обладает длительной люминесценцией (типа замедленной флуоресценции и фосфоресценции) с кинетикой затухания в среде, освобожденной от кислорода, около 1,2 10^-3 с. Длительная люминесценция акцептора селективна к тушащему эффекту кислорода.

Существует два способа получения конъюгатов донорно-акцепторной пары. Первый способ включает прямое ковалентное связывание изотиоционатной группы флуоресцеина с аминогруппой металлопорфирина. Второй способ включает связывание акцептора и донора через спейсеры - низкомолекулярные соединения, содержащие не менее двух аминогрупп (полилизин, полипептиды и т.п.). Спейсеры должны иметь длину, не превышающую ферсторовский радиус взаимодействия пары донор-акцептор (порядка 50-100 А). В этом случае наиболее эффективно обеспечивается передача энергии возбуждения с диполя донора на диполь акцептора по индуктивно-резонансному механизму. Эффективность переноса имеет сильную зависимость от расстояния между донором и акцептором (R⁶). Использование донорно-акцепторной пары обеспечивает более эффективное использование энергии источника света за счет спектрального совпадения области возбуждения донора и области излучения источника света и переноса энергии возбуждения с молекул донора на кислородчувствительные молекулы акцептора. При этом уровень полезного сигнала увеличивается более чем в 5...6 раз по сравнению с сигналом при прямом возбуждении фосфоресценции металлопорфирина (кривые 27 и 28 на фиг. 3) и, соответственно, расширяется диапазон уровней сигналов фосфоресценции акцептора при изменении концентрации кислорода от 100 об.% до 0,01 об.%. На фиг. 4 представлена зависимость уровня сигнала фосфоресценции донорно-акцепторной пары ФИТЦ-Pd копропорфирин от концентрации кислорода в смеси азот-кислород.

В качестве акцепторов предлагается использовать Pd порфирины, содержащие карбоксильные группы (Pd копропорфирин, Pd уропорфирин), и Pd порфирины, содержащие аминогруппы - производные Pd дейтеропорфирина.

Способы получения конъюгатов соединений ФИТЦ с молекулами, содержащими амино- и карбоксильные группы, хорошо известны (см., например, Rigges Y.J.L. et al. Amer.J.Pathol. 34, 1081, 1958. De Haas R.R. et al. J.Histochem. and Cytochem. 45,1279-1292,1997).

Выполнение композиции донорно-акцепторной пары и приготовление пленочного сенсорного элемента показано в примерах 1-3.

Пример 1. Флуоресцеинизотиоционат (Sigma, USA, cat. NF4274) в виде водного 0,1 M фосфатного буфера раствора с pH в концентрации 1 мг/мл смешивают с равным объемом (1 мл) производного Pd комплекса дейтеропорфирина, содержащего свободные аминогруппы (фиг. 5) в концентрации 1 мг/мл в водном растворе с 10% ДМФА. Смесь инкубируют в течение двух часов и затем гельфильтрацией на сефадексе отделяют от непрореагировавших компонентов конъюгат, представляющий собой донорно-акцепторную пару. Конъюгат высушивают и хранят в виде сухого порошка до приготовления сенсорного элемента. Последний готовят разведением в хлороформе конъюгата и полимерного материала. Концентрацию конъюгата и полимерного материала подбирают таким образом, чтобы при нанесении на оптически прозрачный материал (кварц, полиамидная пленка и т.п.) в виде раствора, после его испарения образовалась пленка толщиной 3-10 микрон с оптической плотностью в области поглощения флуоресцеина (470-490 нм) не менее единицы. На фиг. 3 представлен спектр 27 фосфоресценции донорно-акцепторной пары - конъюгата, выполненного в виде пленочного сенсорного элемента. В качестве полимерной основы использован полистирол.

Пример 2. Получение пленочных сенсоров на основе конъюгатов, содержащих флуоресцеинизотиоционат и Pd порфирин, связанных спейсером, содержащим аминогруппы. В качестве спейсера используют полилизин (Sigma, USA, cat. NL9151).

В качестве акцептора готовят раствор Pd копропорфирина 111, содержащего карбоксильные группы. На первом этапе получают конъюгат металлопорфирина и полилизина, содержащего свободные аминогруппы. Этот конъюгат получают карбодиимидным способом (R.R. de Haas, P.M. Rob van Gijlvik, van der Tol. - J. Histchemistry Platinum porphyrins as phosphorescent label for timeresolved microscopy. 1997, 1279-1292).

Синтез конъюгата с полилизином осуществляют при pH 5,5. На втором этапе поднимают pH раствора до 9,3 и в реакционную смесь добавляют флуоресцеинизотиоционат. Раствор флуоресцеинизотиоционата готовят аналогично примеру 1. После двухчасовой инкубации отделяют конъюгат донорно-акцепторной пары от других компонентов реакционной смеси. Пленочные сенсоры из смеси конъюгата и полимерного материала в органическом растворителе готовят аналогично примеру 1.

Пример 3. Пленочный сенсор готовят аналогично примеру 2 на основе полимера - полиметилметакрилата, растворенного вместе с конъюгатом люминофора в дихлорэтане. В качестве акцептора используют Pd уропорфирин.

В таблице представлены спектрально-люминесцентные характеристики донорно-акцепторных пар в виде пленочных сенсоров в полистироле в сравнении с аналогичными металлопорфиринами.

Донорно-акцепторная пара, используемая в качестве кислородчувствительного материала, позволяет расширить диапазон измеряемых концентраций кислорода в сторону больших концентраций за счет увеличения сигнала затухающей длительной люминесценции при использовании маломощного источника излучения.

При больших интенсивностях длительной люминесценции затухания, полученных за счет донорно-акцепторной пары, введением усилителя с коэффициентом передачи, зависящим от измеряемого сигнала, добиваются высокого разрешения в области сигналов от малых концентраций кислорода. Кроме того, возможность регулирования частоты следования световых импульсов и, в том числе, импульсов управления детектированием люминесценции в зависимости от измеряемого сигнала, позволяет оптимизировать процесс измерения и увеличить чувствительность за счет уменьшения систематических ошибок.

Следовательно, вся совокупность признаков позволяет расширить диапазон измеряемых концентраций кислорода при высокой чувствительности измерений, а использование маломощного источника световых импульсов без усложнения оптической и электронной схем позволяет создать простое по конструкции, неэнергоемкое, переносное устройство, пригодное для работы во внелабораторных условиях.

Изобретение найдет применение для экспрессного измерения концентрации кислорода в различных областях техники.