Oblikovanje Spectrophone in sonda - laserski diagnostika v biologiji in medicini

Oblikovanje spectrophone in sonde
Nonresonance spectrophone in sonde. V skladu s takšno nonresonant spectrophone razumeti OA celico, ki nima vidnih akustične resonance lastnosti. Najenostavnejša in najbolj pogosti oblikovanje spectrophone uporablja pri preiskovanju plina valj s prozornim okencem za lasersko sevanje na konceh, in z mikrofonom v stranski steni valja (sl. 5.6a).

povečanje optimizacija občutljivost je mogoče doseči z multiplo celice ali obliki, ki poteka laserski žarek skozi celico. V kolikor je mogoče, težijo k zmanjšanju učinkovitega prečnega prereza celice, saj v skladu z (5,7) in (5,10), OA signala amplituda je obratno sorazmerna s presekom (R2). Da pa bi zmanjšali vpliv stene razmerje polmerov svetlobnega snopa in celice običajno ne sme preseči 0,2.

Sl. 5.6. Spectrophone in sonde uporablja v plinastem študiji (a, b), tekočine (- d), praškov, tanke plasti in tkiva (e - y): 1 - svetlobni žarek 2 - OA detektor, mikrofon ali piezoelektrični pretvornik 3 - okno 4 - analizirati bioobject, 5 - kremen, 6 - lepilni trak
Ker pravega spectrophone občutljivosti glede na stopnjo signalov ozadja določi, gradnja OA celic, sledi pot do največ za zmanjšanje vpliva teh signalov. Eden od načinov - to primerjavo signalov iz dveh identičnih celic, napolnjenih s plini, ki imajo podobne termodinamične parametre in osvetljeni z istim svetlobnega pramena. Morda sta vzporedna in zaporedna razporeditev celic. Na splošno velja, kadar enake količine zbornic dolžin in premerov, v tem zaporedju, je lahko različna, ker po katerem, in (5,10), so uporabne signali iz teh kamer se zelo razlikujejo v amplitudi in ozadju sta enaka in "odštejemo" iz diferencialnega mikrofona.
Dobre rezultate je mogoče doseči z znatnim zmanjšanjem volumna celice z uporabo, na primer pojav popolnega notranjega odboja na meji merilnega prizme - analiziranem plina (ali tekočine). Optimizacija velikosti takih celic lahko zmanjša njen volumen 0,25 L in zagotoviti občutljivost na str.
Pomembna prednost miniaturnih celic je, da deluje pri relativno visokih modulacije frekvenc 0,1-1,3 kHz, ker je čas toplotni sprostitveni celice zmanjša sorazmerno z prereza R2 (5.8). To zagotavlja nizko stopnjo šuma elektronskih vezij a in povečati hitrost celotne naprave kot celote.
V študiji hlapov različnih snovi se lahko uporabljajo preprosto škatlo izdelan iz valjaste kremenovega 1 mm kivete povezani s cevjo kvarčni (dolžine 60 mm, notranji premer 2 mm), odprt konec, ki je zaprt s teflonskim zamaškom, znotraj katerega mikrofon se nahaja (sl. 5.66) . Spreminjanje parni tlak mikrofona se prenaša skozi ozek kanal s premerom 0,2 mm, z luknjo v ohišju. Da bi odpravili parnega vstop v votlino mikrofon blokira povezovalnega kanala teflonsko membrano.
Za snemanje signal v tekočini OA uporabljajo tri glavne vrste spectrophone: gazomikrofonnye, tekoče odprtega in zaprtega tipa. V gazomikrofonnyh celicah kot merilo akustičnega signala amplitude uporabo običajnih mikrofoni, Oddajnik akustični oscilacij z absorpcijo svetlobe v tekočini induciranih plin. Naprava je obdan tekočina spectrophone gazomikrofonnyh podobno napravo. Vendar pa, kot je senzor optoacoustic signala (hidrofonska) ponavadi uporabimo tudi piezoelektrični pretvornik, v neposrednem stiku s tekočino ali povezana prek ujemanja ali zaščitnimi elementi.
Zaradi enostavnosti gradnje precej razširjeno tekočinsko celico, ki na podlagi piezokeramične valja, ki je tudi stranska stena celice in sprejemnik signala OA (sl. 5.6v) z. S takšno celico je doseglo občutljivost praga napravo z absorpcijo = 2,2 li / -5 cm-1. Eden od programov odprte celice je prikazano na sliki. 5.5. Pod določenimi pogoji, na primer na lokacijo pretvornik na zadostni razdalji od okna (spredaj in zadaj), so signali v ozadju bo oslabljen in inverter se morajo registrirati v glavni signal iz tekočine.
Pogosto je potrebna tok celice, v kateri test tekočine opere okno delovne komore. V tem primeru se polje ne samo oddaja sevanje v celici, temveč služi kot sprejemno optični signal, ki se pretvori v električni prek tesnega stika z oknom ene ali več piezoelektričnih pretvornikov. Okno Material mora biti ustrezno akustičnih lastnosti, zato se pogosto uporabljajo safir. Obseg tekočine vzorca bistveno manjša od prostornine delovno komoro in je lahko 1 l, ker take metode, glavni snemanje signala OA vpliv absorpcije v tankem filmu blizu okna.
Najbolj primeren za biološke raziskave taki spectrophone, ki omogočajo hitro spremembo preskusne tekočine in delo s standardnimi kivete. Eden takšnih razporeditev je prikazana na sl. 5,6 g. Kvarčno kiveto s preskusno tekočino tesen na kvarčni cilinder, ki je opremljen s tankim filmom maziva (npr glicerin kapljic). Med kvarčni cilinder in referenčno kovinskem valju pritrjen z vijakom piezoelektrični pretvornik. Da bi zmanjšali ozadja signale od oken, ki se uporabljajo diferencialno povezavo dveh sosednjih celic. Za izboljšanje signala / šum kremenov valj med kiveti in piezoelektrični pretvornik včasih zamenjamo z zrcalom odbojno svetlobo razpršene v tekočini, in osnovnega materiala damo v medij, ki absorbira zvočne vibracije.
Za spektroskopskih študij kondenzirane snovi so primerni za delovanje OA sond, od katerih je eden prikazan na sl. . 5.6 (5 Osrednji element - palica kremenovo steklo (premer: 8 mm, dolžina 20 cm) je palica akustični valovod Z uporabo adhezivno vezana, piezoelektrični pretvornik (premer 12,7 mm, debelina 3 mm), ki je pritrjeno to dielektrično vijak .. del naprave nameščen, v katerem je električni zaslon okno kovine. Gumijasto tesnilo zmanjšuje akustičnega sklopa polje in palico. Bat se spusti v celico s tekočino skozi katere je 3 mm pod spodnjo mejno sonda laserskim žarkom. Takšen Udo sonde en za uporabo v biologiji in medicini. Njegova prednost je, da se impulzi svetlobe in zvoka premaknilo v času, ki je oddajnik akustične nihanj odstrani iz vira vibracij, omogoča hladilne naprave in delo z korozivne tekočine.
V študiji praškov, tankih plasti in biološkimi tkivi je mogoče uporabiti nobene vrste spectrophone. Lahko jih razdelimo v tri skupine.
V prvi skupini so spectrophone, ki uporabljajo bodisi neposredno kontaktne pretvornika ali kremena akustično linijo s testnega objekta preko akustičnega sklopa tanke tekočim filmom (sl. 5.5) ali spono (sl. 5.6e). Spectrophone prikazano na sl. 5.5, primerno za merjenje koeficientov absorpcije v volumetričnih organov ter napravo, kot je prikazano na sl. 5.6e - v praških in tankih plasti. V teh shem, je vpliv slabitev razpršene svetlobe na senzor, ki povzroča signal ozadja zaradi pyroelectric dejansko dosežen, zaradi kompleksne konfiguracije akustične linije. Odpraviti vpliv razpršene svetlobe je lahko zrcalni prekrita sloja namesto akustične linije stika z piezoelektričnega elementa, bodisi z uporabo diferencialne vezje z dvema piezoelektričnih elementov, od katerih je mehansko povezan z dvojnim turbo, vendar je obsevali z difuzne sevanjem z enako intenzivnostjo kot da delavca.
Prikladno za preučevanje spektrov pri nizkih temperaturah je senzor prikazani na sl. 5.6zh. Osnova senzorja je velikost kvarčni 2,5x1,2x0,18 glej blok, ki je vpet med nosilcem in bakra piezoelektrični pretvornik. Majhna velikost senzor omogoča, da ga postavite v kriostatu kot celote. Senzor je bil uporabljen za preučevanje spektre OA praškov, raztopili v glicerolu pri 10 K. je enostaven za izdelavo in se lahko uporabljajo v bioloških raziskavah pri nizkih temperaturah.
V drugi skupini so spectrophone gazomikrofonnye celice. Trenutno je najbolj pogosta vrsta spectrophone uporablja v biologiji in medicini. Glasnost delovno komoro, plinski tlak, njeno sestavo in pogostost modulacijskega potrebno za optimalno optoacoustic signala tako v amplitudi in faznega zamika. Spectrophone zanimiva varianta je prikazana na sl. 5.6z. Diferencialni Mikrofon je nameščen med dvema enakima celicami. Eden od njih, ki jih je optičnih vlaken uvedla za osvetlitev predmeta, in drugi - vijak, ki vam omogoča, da spremenite obseg celic in doseči minimalno vpliva signalov ozadja. Takšen detektor je pritrjena z lepilnim trakom na testni objekt, kot je človek površino kože, pločevine rastlin.
Tretja skupina obsega modele, v kateri je tekočina, ki se uporabljajo kot toplotni vzorci pretvornik akustičnih nihanj. Primer takega celici je prikazan na vložka Sl. 5.5.
Resonance spectrophone [P. 23, str 41]. Resonančna spectrophone spoznal bistveno volumsko razmerje celic na površini, ki omogoča delo z veliko zanesljivostjo s plini, ki absorbira celične stene. Prostorska razporeditev zvočnih polj v skladu z določenimi vrstami vibracij omogoča, da vnesete potrebne sestavine (heterogenost), kot so cevi za vhod in izhod plina v teh celicah lokaciji, kjer stoji akustični val vozlišče ne da bi ga popačene. Poleg tega je eden od glavnih smeri oblikovanja resonanca OA celic je, da se odpravi v ozadju signale iz oken in drugih strukturnih elementov. Prejemanje isti: akustični resonator, ki so potrebni za začetek te vrste nihanja, tako da je regija lokalizacijo oken in teh elementov je imel stalni vala vozlišče a.
Značilne vrednosti frekvence in faktor kakovosti akustičnih resonatorjev so vsakokrat enaki / p = 102-101 Hz, Q = = 102-10:&lsquo-. Razmeroma visoka frekvenca nihanja zmanjša amplitudo OA signala. Ko to zmanjšanje amplitudo ni mogoče v celoti nadomestiti s povečanjem faktor kakovosti Q resonatorja (za resonančnih celic v formuli (5.10) treba nadomestiti delovno frekvenco resonatorja in pomnoženo s parametrom Q). Po drugi strani pa povečanje pogostosti izboljša zmogljivost in poveča razmerje signala / šuma merilne naprave. Načeloma koli objekti so prikazani na sl. 5.6, genetskim resonančnih lastnosti v določenem chastotah- vendar te celice niso optimizirana za svoje resonančne lastnosti, zato akustične resonance, ki se pojavljajo v sistemu, kot je praviloma ovira faktorje.
Resonančne frekvence relativno nizka, sposobnost nadzora parametri so ti Helmholtzova resonatorji (sl. 5.6y). So uspešno uporabljena v študiji tako plinastih in fiziki kondenzirane snovi, vključno preučevanje bioloških tkiv in vivo [P. 46]. Še zlasti so uporabni pri študije Absorpcijski del trdnih snovi in ​​tekočin pri nizkih temperaturah. V takšnih primerih se uporablja podolgovate celice, npr. E. Mikrofon predelek vseboval pri sobni temperaturi, dolgi ozek kanal povezan z delovnim predelu, ki se nahaja v kriostatu. Daljši povezava prehod, bolj prepoznavna resonanco. Z zmanjšanjem temperature vzorca omogoča bistveno (za več kot tri rede velikosti) poveča občutljivost metode. Pri tem resonančno frekvenco f $ ~ Txl2y kjer T - temperatura vmesnega plina, in faktor kakovosti ~ 1 / T.
Sprejemniki zvočnih signalov. Kot zvočnim signalom sprejemnikov najbolj mikrofonov različnih modelov: valjasta ravno, kondenzatorjem in električnim. Neenakomerna frekvenčno karakteristiko in raven električnim hrupa mikrofon je nekoliko višja kot v kondenzatorju, vendar z električnim mikrofoni so majhne dimenzije in ne zahteva vira polarizacijo napetosti. Občutljivost najboljši mikrofon je 50- 100 mV / Pa.
Poleg mikrofoni za sprejem akustičnih vibracij neposredno iz tekočine in trdne snovi, ki se uporabljajo različne piezoelektričnih transformatorje katerih občutljivost je 0,01-1 mV / Pa. Sl. 5.5 shematsko prikazuje eno od oblik teh pretvornikov. Sestoji iz kosa taljenega kvarca v obliki črke T s premerom 0,63 cm in vsako dolžino krakov 2,5 cm. V se uporablja spodnji del navpične odsevni procesu oblaganja, ki je vezan na piezokeramične valja. Ta del sprejemnika je zaščiten z medeninasto skodelice, ki deluje tudi kot električni ščit. Crystal enota je narejena tako, da bi lahko kot dober prevodnik zvočne valove, se zmanjša učinek razpršene laserske svetlobe na delu piezoelektrični pretvornik. OA samostojno resonančna frekvenca detektorja je 250 kHz.
Uporabi druge vrste univerzalne detektorjev OA piezoelektričnih izdelane v obliki sornika privita v stranski steni zaprtih celic v stik z ali standardnim kiveto (kvarčno dvojno turbo, sl. 5.6e) s sponko [P. 43], in ki kot paralelepipeda, na ploskvah katerih nanešeno elektrode (ena od ploskev detektorja je pritrjena na vzorec). Zgoraj resonanca in sprejemnikov se uporabljajo za sprejem trajanje impulza signala od 1 mikrosekunde do 80 ni. Uporaba tanka (9 mm) polivinilidenfluorida piezoelektričnih filmov lahko izboljša zmogljivost za "4 ni [9].
V primerjavi z običajnimi mikrofonov in piezoelektrični pretvorniki, laserskih in optičnih sprejemnikov optoacoustic signali imajo številne prednosti: odsotnost nihanj, možno zmanjšati hrup elektronsko opremo s preklopom pri visokih frekvencah (torej hitrosti), kot tudi sposobnost za delo z korozivnih okoljih na visoki temperature v prisotnosti bistvenih električna in magnetna polja [P. 23, PA 41, PA 43].
Kot "prejel" zvočnega valovanja lahko, na primer, za uporabo preskusne laserskega žarka odstopa zaradi spremembe na lomni količnik (koncentracija delcev) je v prehodu 1P akustičnega vala. 43]. Odklon laserskega žarka se zabeleži položaju občutljiv fotodetektor. S spreminjanjem razdalje med laserske žarke, delovnih in sonda in nadzor trajanja dražljaja impulz, se lahko razlikuje zvočni signal in izmerjeno hitrost zvoka v različnih okoljih.
Dynamic kalorimeter sistem. Pomemben razred diagnostičnega v biologiji in medicini je analiza gibajočih plinov in tekočinskih tokov, kot sta plin in tekočinska kromatografija, proučevanje krvnega pretoka, račun enojnih biochastits (biomolekul, celice), in tako naprej. Vrsta toka spreminja

kjer je&rdquo- = av * d - "pretakanje" koeficienta difuzije in - eksperimentalno določimo razmerje ((3-4) - 10 ~ a)

Sl. 5.7. Primeri dinamičnih kolorimetričnimi sistemov [10]
(5.12) `
Čas za sprostitev namesto teplozoy
opredeljujejo razmerja [10]

V * - strižna hitrost, d - premer toka. ? Pri običajnih razmerah = 7,7- 10-3ur (proti - hitrost pretoka, r - polmer).
Nekateri primeri dinamičnih kolorimetričnimi sistemov so shematično prikazane na sl. 5.7, pri čemer 1 - tok 2 - zanimivo laserski žarek. Za izvajanje meritev dinamični tok mogoče uporabiti tradicionalne sheme (sl. 5.6a, b). Izbira optimalnega razmerja med pretokom frekvenčnih pasov svetlobe modulacije in razdalje med vzbujanja in registracijo omogoča vezje s sl. 5.7b da doseže prag občutljivosti absorpcije pri 10&ldquo-7 cm-1. Razlika pyrodetector 3 v tem vezju odpravlja vpliv razpršenega sevanja.
Shema sliki. 5,75 obetavna za uporabo v kapilarne tekočinske kromatografije. Tukaj je 3 - piezoelektrični pretvornik. Druga shema (slika. 5.7v) je namenjen za odkrivanje posameznih delcev, ki, ko je udaril svojo pobudo za tesen fokusiranje skoka laserskega žarka močno poveča amplitudo OA signala (<? — 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.