190178. lajstromszámú szabadalom • Optikai elrendezés ultragyenge fény intenzitásának és spektrumainak mérésére szolgáló berendezés hatásfokának növelésére
1 . 190 178 2 A találmány tárgya optikai elrendezés ultra gyenge fény intenzitásának és spektrumának mérésére szolgáló berendezés hatásfokának növelésére. Napjainkban közismert jelenségnek nevezhetjük a lumineszcenciát, mely egyes anyagok azon tulajdonságát jelenti, hogy energiaközlés hatására molekulái elektrongerjesztett állapotba kerülnek és az ezen folyamat során felvett energia egy részét meghatározott energiájú fénykvantumok formájában sugározzák ki. Gerjesztésre bármilyen energiafajta felhasználható (termikus, elektromos, ionizációs stb.) és a fénykibocsájtásra képes anyag bármilyen halmazállapotú lehet. A jelenség alkalmazásának a hétköznapi életben is nagy szerepe van, mert ezen az elven működik pl. a fénycsővilágítás, a televízió képernyője, sőt a radioaktív sugárzás mérésére szolgáló ún. szcintillációs méréstechnika is. A kemilumineszcenciára ugyanez a definíció érvényes, de azzal a megszorítással, hogy a fénykibocsátásra képes molekula kémiai átalakulása során képződik abban a pillanatban és a folyamatban felszabaduló kémiai energia közvetlenül elektrongerjesztett állapotban hozza létre. Ez a megszorítás a fény intenzitására vonatkozóan súlyos következménnyel jár. Míg a bevezetőben említett példákban a fénycső vagy a TV-képernyő fénye szabad szemmel jól észlelhető, a kemrlumineszcencia fénye a legtöbb esetben olyan gyenge, hogy csak különleges érzékelőkkel (fotoelektronsokszorozó) mutatható ki, bár ide sorolható a biokémiai folyamatok segítségével világító szentjánosbogár, vagy a világító halak fénye is). Ennek oka, hogy a kémiai történéskor szabaddá váló energia az anyagi környezetben szétoszolva csak igen kis valószinűséggel hoz létre a fénykibocsájtásra alkalmas elektrongerjesztett állapotú molekulákat és ezek az elektrongerjesztett molekulák is csak igen kis valószínűséggel jutnak vissza alapállapotukba sugárzásos átmenet útján. Ezért a fénykisugárzás hatásfoka, ami e két valószínűség szorzata, igen kicsiny szám: 10“8-10“". A kemilumineszcenciára alkalmazott megszorítás azt is tartalmazza, hogy a kémiai folyamatban energiának kell felszabadulni. Mivel ez csak az ún. exotherm reakciókban valósul meg, nem meglepő, hogy kemilumineszcencia fény megjelenése általában oxidációs folyamatokkal kapcsolatos. Ha figyelembe vesszük azt, hogy az oxigén földünkön szinte mindenütt jelen van és az oxidációs folyamatok mind biológiai, mind ipari szempontból alapvető jelentőségűek (bár az élettelen világban károsak is lehetnek, pl. korrózió), akkor nyilvánvaló, hogy a kemilumineszcencia jelenségének tanulmányozása mind a tudomány, mind a technika továbbfejlődésének szempontjából igen fontos. A kemilumineszcencia mérésének lehetséges alkalmazási területei: a) minőségellenőrzés az élelmiszeriparban b) minőségellenőrzés a kőolajiparban és kőolajipari termékek vizsgálatában (stabilizátorok, inhibitorok hatásosságának vizsgálata) c) orvosi diagnosztika d) műanyagok kémiájában az oxidativ degradáció, ill. annak csökkentését célzó eljárások és adalékanyagok vizsgálata e) tudományos kutatás A kemilumineszcencia mérésének önmagában ismert méréstechnikája az utóbbi 20 évben nagy fejlődésen ment keresztül. A fejlődés hajtóereje elsősorban az volt, hogy a fénykibocsájtó kémiai folyamat kinetikájának vizsgálata nem adott elegendő információt a fénykibocsájtó molekula azonosításához. Felmerült annak a szükségessége, hogy ennek az önmagában véve is igen gyenge fénynek a spektrumát kell tanulmányozni, mert a spektrumból megállapítható a fénykibocsájtó molekula gerjesztési energia szintje, amely a molekulatípusokra jellemző. A kemilumineszcencia spektrométerek kifejlesztéséhez az optikai spektroszkópia elemeit felhasználva olyan berendezések készültek, amelyekben a fényforrásként szolgáló reakcióedény (mérőcella) és a fotoelektronsokszorozó fotokatódja közt levő fényútba prizmát, optikai rácsot, vagy cserélhető interferenciaszűrőket helyeztek el. Ez azzal a következménnyel járt, hogy az amúgy is gyenge fényintenzitás jelentősen csökkent, mivel csak a prizma, rács vagy interferencia szűrő által átengedett kis hullámhossz tartományba eső fény jutott el a detektorba. Ez az ultragyenge fényintenzitás által keltett elektromos jel már alig különbözik a mérőberendezés saját zajától, melyet elsősorban a fotoelektronsokszorozó önmagában ismert azon tulajdonsága okoz, hogy fotokatódjából ún. termikus emisszióval akkor is kilépnek és sokszorozódnak elektronok, ha semmiféle fényt nem kap a berendezés. Ez a zaj ugyan a fotokatód - 20 - 60 °C-ra hűtésével, ismert módon erősen csökkenthető, de teljesen meg nem szüntethető. A mérőberendezések érzékenységének növelésére, azaz a jel/zaj viszony javítására a mérés természetéből fakadóan a legcélszerűbb a hasznos jelek mennyiségének növelése a zaj egyidejű csökkentése mellett. A hasznos jelek mennyiségének növelése több módon valósítható meg: egyik mód az, hogy csökkentjük a fényforrásként szolgáló mérőcella és a fotoelektronsokszorozó-cső fotokatódja közti távolságot (szélsőséges esetben 0-ra). Ekkor azonban nem marad akkora fényút, hogy a spektrális méréshez szükséges optikai elemeket közbeiktathassuk. A másik mód az, hogy a tükrök, vagy átlátszó műanyagból egy darabban készült speciális alakú fényvezetők segítségével a fotonokat minél nagyobb térszögből igyekszünk összegyűjteni. Ez a módszer azért előnyös, mert egyrészt figyelembe veszi a kemilumineszcenciás fény önmagában ismert „egy fotonos” tulajdonságát, mely szerint egy megfelelő módon lejátszódó kémiai történésben csak egy foton keletkezik és ez a tér bármely irányában elhagyhatja a mérőcellát; másrészt lehetőséget ad a spektrumfelvételhez szükséges optikai elemek közbeiktatására. A zaj csökkentésére (a fotokatód hűtését már eleve figyelembe véve) a fotoelektromos méréstechnikából önmagában ismert „szinkronizált egyenkénti fotonszámlálás” technikája a legalkalmasabb, mert mind a mérés érzékenységét, mind a stabilitását növeli. A kemilumineszcencia mérésére a forgalomban I 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
