способ определения концентрации кислорода

Формула изобретения

Способ определения концентрации кислорода в окружающей среде, включающий оптическое возбуждение молекул красителя, тушение кислородом триплетных состояний его молекул, отличающийся тем, что возбуждение красителя осуществляют по схеме записи динамических голографических решеток, а о концентрации кислорода в окружающей среде судят по сигналу дифрагированного луча, считывающего голограмму.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физическим методам анализа веществ, а именно к способам количественного определения содержания кислорода в окружающей среде, и может быть использовано в исследованиях или измерительной аппаратуре для определения давления или концентрации кислорода.

Известны оптические способы измерения концентрации О₂ в газовых смесях, основанные на тушении кислородом длительной люминесценции органических соединений (красителей, пигментов) или комплексов (Паркер С. Фотолюминесценция растворов. М.: Мир, 1972, с.472). Эти способы представляют интерес вследствие их высокой чувствительности к содержанию тушителя в окружающей среде. Фактически кислород тушит возбужденные триплетные T₁-состояния молекул рабочего вещества (РВ), излучательная дезактивация которых происходит путем испускания замедленной флуоресценции или фосфоресценции.

Существенным недостатком способов, основанных на регистрации замедленной флуоресценции и фосфоресценции, является слабая интенсивность полезного сигнала, так как вследствие особенностей механизмов послесвечения их выход составляет 10^-2–10^-3.

Известен способ определения содержания кислорода в жидкостях и газах (а.с. СССР №1712839, МКИ G 01 N 21/64, БИ №6, 15.02.92), в котором с целью увеличения интенсивности полезного сигнала регистрируют замедленную флуоресценцию красителей, инициированную возбуждением триплетных молекул красителя в полосе триплет-триплетного поглощения с помощью дополнительного лазера. Данный способ является наиболее близким аналогом и принят за прототип.

Недостатком указанного способа является возможность его использования только в тех случаях, когда измерения проводятся на малых расстояниях от объекта.

Техническим результатом изобретения является расширение возможностей способа определения кислорода за счет обеспечения возможности проводить измерения на значительно больших расстояниях, чем при люминесцентных методиках.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения концентрации кислорода в окружающей среде, включающем оптическое возбуждение молекул красителя, тушение кислородом триплетных состояний его молекул, возбуждение красителя осуществляют по схеме записи динамических голографических решеток, а о концентрации кислорода в окружающей среде судят по сигналу дифракции луча, считывающего голограмму.

Способ осуществляют следующим образом.

Рабочее вещество внедряют в кислородопроницаемую полимерную матрицу. В качестве РВ можно, например, использовать красители, имеющие высокий (0,5-1) выход в триплетное состояние: эритрозин, бенгальский розовый, эозин.

Пленку с красителем помещают в кислородосодержащую среду.

Импульсное возбуждение РВ производят по схеме записи элементарных голографических решеток. Сформированная триплетная голограмма-решетка подвергается тушению кислородом, что сказывается как на времени ее существования, так и на ее эффективности.

Голографическую решетку зондируют лучом непрерывного лазера. Длина волны зондирующего лазера должна попадать в область спектральных изменений РВ при записи.

Дифрагированный луч, регистрируемый в первом порядке дифракции, представляет собой световой импульс, интенсивность которого непосредственно связана с населенностью триплетного состояния РВ и, следовательно, зависит от концентрации тушителя - кислорода.

Регистрация луча дифракции, имеющего малую расходимость, может осуществляться с помощью фотодиода или фотоумножителя, удаленного на большие (десятки и сотни метров) расстояния.

Измеряемыми параметрами сигнала дифракции могут являться его амплитуда, кинетика или интегральная (от времени) величина.

Важной особенностью способа определения концентрации кислорода в окружающей среде является то обстоятельство, что полезная информация содержится в когерентной световой волне от восстанавливающего лазерного источника. Это позволяет применять методы оптической фильтрации сигналов для устранения шумов и тем самым повысить чувствительность метода, а применение спектрально-селективных светофильтров - избавиться от рассеянного света.

Использование схемы записи динамических голографических решеток с применением импульсного лазера позволяет избежать проблем с виброзащитой.

Использование заявляемого способа, по сравнению с прототипом, позволяет проводить измерения концентрации кислорода (или давления воздуха), располагая приемник на значительных расстояниях от объекта измерений без потери чувствительности, и тем самым расширить возможности газоаналитической аппаратуры.