Dispositif pour mesurer la réponse de fluorescence d'une matière fluorescente
La présente invention a pour objet un dispositif pour mesurer la réponse de fluorescence d'une matière fluorescente, comprenant une cellule d'échantillon transparente destinée à contenir la matière fluorescente dont on veut mesurer la réponse, une source lumineuse, un premier réseau par réflexion monté pivotant et disposé de manière que la lumière de la source soit réfléchie par le premier réseau sur ladite cellule d'échantillon, un oscilloscope à rayons cathodiques présentant un moyen de déviation horizontale et un moyen de déviation verticale, un dispositif photosensible, un second réseau par réflexion monté pivotant et disposé de manière que la lumière fluorescente émise par ladite cellule d'échantillon, en réponse à l'excitation de cette cellule par la lumière de ladite source,
soit réfléchie sur le dispositif photosensible, et des moyens de connexion reliant le dispositif photosensible à l'un desdits moyens de déviation de l'oscilloscope.
Le dispositif selon l'invention est caractérisé par des moyens pour faire osciller sélectivement lesdits réseaux par réflexion, par des générateurs de tension de balayage associés auxdits réseaux, par des moyens moteurs construits et disposés de manière à faire osciller chaque réseau et à commander simultanément le générateur de tension de balayage qui lui est associé, par des moyens de connexion pour relier sélectivement les générateurs de tension de balayage à l'autre desdits moyens de déviation de l'oscilloscope, et par des moyens de commutation pour court-circuiter la sortie de chaque générateur de tension de balayage à un moment prédéterminé pendant l'oscillation du réseau qui lui est associé.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du dispositif objet de l'invention.
La fig. 1 est un schéma représentant l'agencement optique et les connexions électriques fondamentales d'un dispositif constituant la première forme d'exécution.
La fig. 2 est un schéma montrant l'agencement des éléments optiques du dispositif constituant la seconde forme d'exécution.
En se référant particulièrement à la fig. 1, le numéro de référence 11 désigne une cellule d'échantillon transparente, par exemple, une cellule en quartz fondu ayant une section droite horizontale carrée, ladite cellule étant montée sur un support approprié. Le numéro de référence 12 désigne une source rectiligne de lumière blanche, par exemple une lampe à arc au xénon présentant une fente verticale de forme sensiblement linéaire. Ladite lampe est excitée à partir d'une paire de conducteurs d'alimentation 13, 14 par l'intermédiaire d'une résistance de charge 15 et d'un dispositif d'amor çage 16, comme représenté.
Le numéro de référence 17 désigne un réseau par réflexion qui est monté à pivot sur un support approprié (non représenté) pour osciller autour d'un axe vertical, par exemple sur un arbre vertical 18, ledit réseau 17 étant situé en avant de la lampe à arc 12 et entre cette dernière et la cellule d'échantillon 11, comme on le voit sur la fig. 1, de façon à recevoir un faisceau de lumière blanche 19 à partir de la lampe et à disperser ledit faisceau et à réfléchir ses composantes spectrales en direction d'une face 20 de la cellule 11. Une plaque 21 à fente verticale est prévue devant la face 20 de la cellule, ladite fente ne permettant qu'à une seule ligne du spectre produit par la dispersion sur ledit réseau de réflexion 17 du faisceau de lumière blanche 19 de pénétrer dans la cellule 1 1 à travers la face 20 dans toute position donnée du réseau 17.
Le faisceau portant l'image réfléchie de la composante spectrale est désigné par 22 sur la fig. 1.
Le numéro de référence 23 désigne un dispositif électronique photosensible de tout type approprié, tel qu'une cellule photo électrique, un tube photomultiplicateur, etc. La cellule photoélectrique 23 et la lampe 12 sont placées sur les. côtés opposés de la cellule d'échantillon 11, comme représenté. Un second réseau par réflexion 24 pivote de façon à osciller sur un axe vertical et est fixé par exemple sur un arbre vertical 25 situé en avant de la cellule 1 1 et entre cette dernière et le dispositif photosensible 23. Le réseau 24 est disposé de façon à recevoir un faisceau 26 de lumière fluorescente à partir d'une face 27 de la cellule 11 par l'intermédiaire d'une plaque 28 à fente verticale prévue en avant de ladite face. La face émissive 27 est adjacente à la face d'activation 20 et perpendiculaire à cette dernière.
Le dispositif photosensible 23, par exemple une cellule photoélectrique comme représenté, est situé de façon à recevoir sur sa cathode un faisceau 30 de la composante spectrale réfléchi à partir du réseau 24 à travers une plaque 29 à fente verticale prévue devant la cellule photoélectrique, comme représenté.
Le dispositif photo sensible 23 est connecté électriquement à l'entrée d'un amplificateur 31 d'un type classique, agencé de façon à engendrer aux bornes de ses conducteurs de sortie 32, 33 une tension de sortie dont l'amplitude varie suivant l'intensité du faisceau 30 de la composante spectrale venant frapper la cellule 23. Les conducteurs 32 et 33 sont connectés respectivement aux plaques de déviation se faisant face, verticalement espacées 34, 35, d'un oscilloscope à rayons cathodiques 36 de sorte que la déviation verticale du faisceau cathodique de l'oscilloscope varie également suivant l'intensité du faisceau 30 de la composante spectrale.
Un voltmètre 37 est connecté aux bornes des conducteurs de sortie 32, 33 de l'amplificateur 31 de façon à pouvoir lire la valeur de la tension de sortie de l'amplificateur à tout instant.
Les réseaux par réflexion 17 et 24 sont de construction classique et sont constitués par un miroir présentant un grand nombre de lignes parallèles ou espacées tracées sur lui. Ils peuvent tre par exemple analogues à ceux du catalogue
No 33-53-08-26 de Bausch & Lomb Optical Co. ,
Rochester, N.Y.
Le réseau 17 est muni d'un bras de manceu- vre 38 qui y est fixé rigidement et qui s'étend vers l'avant à partir du plan du réseau, en observant la fig. 1, l'extrémité du bras venant en contact avec la périphérie d'une came de commande 39 fixée à un arbre vertical 40 qui tourillonne dans un support approprié. Le bras 38 est sollicité contre la périphérie de la came, à savoir dans le sens sinistrorsum en observant la fig. 1, par un ressort 41 relié au bras et à un support fixe 42.
La came 39 est profilée de façon à faire tourner le réseau de réflexion 17 à une vitesse sensiblement uniforme sur un angle suffisant pour réfléchir toutes les composantes spectrales du rayonnement visible et ultraviolet du faisceau 19 dans la fente verticale de la plaque 21 et pour permettre alors au réseau de revenir rapidement à sa position de départ sous l'influence du ressort 41, en réponse à la rotation dans le sens sinistrorsum de l'arbre 40, en observant la fig. 1, à une vitesse uniforme.
L'arbre 40 est accouplé par l'intermédiaire d'un embrayage à friction 43 à l'arbre d'un moteur électrique 44. Ce dernier est muni d'un potentiomètre 45 de réglage de vitesse commandé à la main, connecté aux conducteurs d'alimentation 13, 14 par rintermédiaire des pôles 46, 47 d'un interrupteur bipolaire 48 commandé à la main. Ainsi, une borne 49 du moteur 44 est reliée au conducteur d'alimentation 13 par l'intermédiaire du pôle 47, et l'autre borne 50 du moteur est connectée au curseur 51 du potentiomètre.
Le moteur 44 peut tre de tout type approprié et est de préférence du type à vitesse lente présentant une vitesse nominale de quatre tours environ par minute.
Le balayage horizontal du faisceau de l'oscilloscope est synchronisé avec l'oscillation du réseau 17 par un bras de contact 52 qui est accouplé à l'arbre 18 par l'intermédiaire de roues dentées classiques (non représentées) et qui glisse sur un enroulement 53 de potentiomètre monté concentriquement par rapport audit arbre. Une batterie 54 est connectée aux bornes de l'enroulement du potentiomètre. La borne positive de la batterie est connectée par un conducteur 55 à l'une des plaques de déviation horizontalement espacées 56 de l'oscillos- cope 36. L'autre plaque de déviation horizontale 57 est connectée au conducteur 58, qui est connecté à son tour par l'intermédiaire d'un interrupteur 59 à commande manuelle et d'un conducteur 60 au bras de contact 52.
Lorsque l'interrupteur 59 est fermé, la tension de balayage horizontale appliquée aux bornes des plaques 56, 57 augmente d'une valeur minimum à une valeur maximum simultanément à la rotation dans le sens dextrorsum de la grille 17.
A la fin du balayage horizontal, les plaques 56 et 57 sont court-circuitées par-un commutateur 61 commandé par came, présentant un contact fixe 62 et un bras de contact élastique 63 qui vient en prise avec la périphérie d'un disque de came 64 fixé à l'arbre 40. Le contact 62 est connecté par l'intermédiaire d'un conducteur 65 au conducteur 60. Le bras de contact 63 est connecté par un conducteur 66 au conducteur 55. Le disque de came 64 est muni d'une partie 67 de fermeture du commutateur présentant un plus grand rayon et qui ferme le commutateur 61 à la fin de l'oscillation d'exploration du réseau 17 et élimine ainsi la tension de balayage à partir des plaques 56, 57 jusqu'à ce que le réseau soit revenu dans sa position initiale, après quoi le disque 64 permet au commutateur 61 de s'ouvrir et permet à la tension de balayage d'tre de nouveau appliquée aux plaques 56, 57.
Ainsi qu'il est évident, la tension périodique appliquée aux bornes des plaques de déviation horizontales 56, 57 a une forme de dent de scie et est synchronisée avec le balayage du réseau 17. La tension en dent de scie est produite par le générateur de balayage en dent de scie comprenant le bras de contact 52, l'enroulement 53 du potentiomètre, la batterie 54, la came 64, des contacts de court-circuitage 62, 63, l'arbre 18, le bras 38, la came 39 et le moteur 44.
Sur le disque de came 64 est inscrite une échelle de longueurs d'ondes, et on prévoit un repère fixe 68 au voisinage de la périphérie du disque, l'échelle de longueurs d'ondes indiquant la longueur d'onde du faisceau monochromatique 22 dans les différentes positions angulaires du réseau 17.
L'embrayage à friction 43 est suffisamment souple pour permettre de faire tourner l'arbre 40 à la main au moyen du disque de came 64 lorsque le moteur 44 est désexcité, par exemple lorsque l'interrupteur 48 est ouvert de façon à pouvoir régler manuellement le réseau 17 dans toute position, par exemple dans une position fournissant une longueur d'onde constante voulue du faisceau 22, comme indiqué par la valeur de l'échelle sur le disque 64 au voisinage du repère 68.
De la description ci-dessus, il ressort que le réseau 17 et les éléments qui lui sont associés constituent un moyen permettant de disperser les composantes spectrales du faisceau 19, tout en les réfléchissant vers la face 20 de la cellule 11 à travers la fente de la plaque 21, de façon que la cellule puisse tre excitée soit en étant explorée successivement par toutes les composantes spectrales de la lumière blanche lorsque le moteur 44 est excité, soit par une composante spectrale monochromatique choisie lorsque le moteur 44 est désexcité, et que le disque de came 64 est réglé à la main pour fournir ladite composante spectrale voulue de la façon décrite ci-dessus.
Le réseau 24 est muni d'un moyen de commande analogue à celui associé au réseau 17, à savoir un moteur r de commande 44'accouplé par l'intermé- diaire d'un embrayage à friction 43' à un arbre de commande 40' auquel est fixée une came 39' de commande du réseau dont la périphérie vient en contact glissant avec l'extrémité d'un bras 38' fixé rigidement à l'arbre 25 de pivotement du réseau 24. La came 39' est analogue à la came 39 et commande le réseau 24 de la mme façon que le réseau 17 est commandé.
Un ressort de traction 41' est monté entre le bras 38' et un support fixe 42', sollicitant le bras 38' contre la périphérie de la came 40', en sollicitant le réseau 24 en direction de sa position de départ, et la came 39 est profilée de façon à ramener le réseau 24, par une oscillation
dans le sens sinistrorsum, rapidement dans sa posi
tion initiale à la fin de l'oscillation d'exploration
du réseau faite dans le sens dextrorsum, en obser
vant la fig. 1.
Le balayage horizontal du faisceau de l'oscillos
cope est synohronisé avec le mouvement d'explora
tion du réseau 24 par un potentiomètre 53' de
balayage agencé concentriquement par rapport à
l'arbre 25 et venant en contact glissant avec un
bras de contact 52' accouplé à l'arbre 25 par l'in
termédiaire d'un engrenage classique (non repré
senté). Une batterie 54' est connectée aux bornes de
l'enroulement du potentiomètre 53'. Un bras 62'
est connecté par -un conducteur 60' par l'intermé
diaire d'un interrupteur 59' commandé à la main
à la plaque de déviation horizontale 57 de l'oscil-
loscope.
La borne positive de la batterie 54' est con
nectée par l'intermédiaire d'un conducteur 55' à la
plaque de déviation 56.
Les conducteurs 55' et 60' sont court-circuités à
la fin de l'oscillation d'exploration du réseau 24 par
un commutateur de court-circuitage 61' compre-
nant un contact fixe 62' et un bras de contact élas
tique 63' qui vient en prise avec la périphérie d'un
disque de came 64' profilé de façon à déplacer le
bras de contact 63' pour l'amener en prise avec le
contact 62' à la fin de l'oscillation d'exploration et
à maintenir son contact de court-circuitage jusqu'à
ce que le réseau 24 soit ramené dans sa position de
départ. Le contact 62' est connecté au conducteur 60'
par un conducteur 65'.
Le bras 63' du commutateur
est connecté au conducteur 55' par un conduc
teur 66'.
La tension périodique engendrée aux bornes des
conducteurs 55', 60' est en forme de dent de scie
analogue à la tension en dent de scie engendrée - aux bornes des conducteurs 60, 55 par l'excitation
du moteur 44, comme précédemment décrit, la ten
sion en dent de scie aux bornes des conducteurs 55',
60' étant synchronisée avec le balayage du
réseau 24. Ainsi, les éléments 52', 53', 54', 64', 62',
63', 25, 8', 39' et 44' constituent un générateur de
balayage en dent de scie synchronisé avec le
balayage du réseau 24.
Le disque de came 64' est muni d'une échelle de
longueurs d'ondes analogues à celle du disque 64 et
d'un repère fixe 68' pour lire échelle.
Le moteur 44' est analogue au moteur 44 et est
réglé quant à sa vitesse par un potentiomètre 45'
connecté aux conducteurs d'alimentation 13 et 14
par l'intermédiaire des pôles 46' et 47' d'un interrup
teur bipolaire 48' à commande manuelle. Une
borne 49' du moteur est connectée au conducteur
d'alimentation 13 par l'intermédiaire du pôle 47' du
commutateur, et l'autre borne 50' du moteur est
connectée au curseur 51' du potentiomètre 45'.
De la description ci-dessus, il ressort que le
réseau 24 et ses éléments associés constituent un moyen permettant de disperser les composantes
spectrales du faisceau de fluorescence 26 tout en les réfléchissant vers la cathode du dispositif photosensible 23 à travers la fente de la plaque 29 de façon que le dispositif photosensible puisse tre excité soit en étant exploré successivement par les composantes spectrales de la lumière de fluorescence à partir de la cellule d'échantillon 11 lorsque le moteur 44' est excité, soit par une composante spectrale mono chromatique choisie de la lumière de fluorescence lorsque le moteur 44' est dés excité et que le disque de came 64' est réglé à la main pour fournir ladite composante spectrale voulue.
L'oscilloscope 36 est de préférence d'un type présentant un écran d'observation à matière luminescente à persistance prolongée, bien que si l'on utilise des vitesses d'exploration rapides pour les réseaux 17, 24, l'écran de l'oscilloscope puisse tre d'un type à persistance moins prolongée.
Au cours de l'utilisation de l'appareil, si les propriétés fluorescentes de l'échantillon contenu dans la cellule 1 1 sont inconnues, on procède selon les stades suivants pour déterminer des longueurs d'ondes à la fois d'excitation et de fluorescence:
1. On règle le dispositif jusqu'à ce qu'on observe une certaine fluorescence (l'amplificateur 31 et l'oscilloscope sont réglés pour une grande sensibilité; les interrupteurs 59' et 48' sont fermés, et la longueur d'onde d'excitation est modifiée manuellement par des déplacements de faible amplitude du disque 64).
2. Lorsqu'une longueur d'onde d'excitation est localisée, on arrte l'exploration de la fluorescence (en ouvrant l'interrupteur 48'), et on règle manuellement le disque 64' des longueurs d'ondes de fluorescence à une valeur fournissant une fluorescence maximum (donnant une lecture de tension maximum sur le voltmètre 37).
3. On déplace alors de nouveau le disque 64 des longueurs d'ondes d'excitation jusqu'à ce qu'on observe une nouvelle valeur maximum de fluorescence sur le voltmètre 37, et on règle le disque 64 sur cette longueur d'onde d'excitation.
4. On ferme l'interrupteur 48', en commençant l'exploration de fluorescence de façon que le nouveau spectre de fluorescence soit représenté sur l'écran de l'oscilloscope.
5. Si l'on connaît une longueur d'onde d'excitation (crte d'absorption) de l'échantillon, on règle le disque 64 de longueur d'onde d'excitation sur cette valeur. On commence l'exploration de fluorescence en fermant l'interrupteur 48', et on règle la sensibilité du dispositif de façon à obtenir la représentation voulue du spectre de fluorescence.
6. De façon analogue, si l'on connait la longueur d'onde de fluorescence, on règle le disque 64' des longueurs d'ondes de fluorescence sur cette valeur, et on déplace à la main le disque 64 des longueurs d'ondes d'excitation jusqu'à ce qu'on obtienne une indication maximum de la fluorescence (sur le voltmètre 37), et on règle le disque 64 sur cette valeur. En fermant l'interrupteur 48', on commence l'exploration de la fluorescence et le spectre de fluorescence est représenté sur l'écran de l'oscilloscope.
On peut utiliser l'appareil pour obtenir un spectre d'excitation , à savoir une courbe représentant la relation existant entre la longueur d'onde d'excitation et l'intensité de fluorescence reçue à la longueur d'onde de fluorescence maximum. Lorsqu'un échantillon est excité à une longueur d'onde correspondant à une crte d'excitation, la hauteur de la crte de fluorescence maximum du spectre de fluorescence est la mme que celle de la crte correspondante du spectre d'excitation. La longueur d'onde correspondant à la crte la plus haute du spectre de fluorescence est la longueur d'onde de fluorescence maximum obtenue lorsque l'échantillon est excité par la lumière de la longueur d'onde fournissant la fluorescence maximum.
Pour obtenir un spectre d'excitation, on règle le disque 64' des longueurs d'ondes de fluorescence sur la valeur qui correspond à la fluorescence maximum; on ferme l'interrupteur 59 pour relier les plaques de déviation horizontales de l'oscilloscope au système d'exploration d'excitation et on commence l'exploration de l'excitation en fermant l'interrupteur 48. On ouvre les interrupteurs 59' et 48' de façon que le réseau 24 reste immobile.
Dès qu'on a trouvé une crte de fluorescence pour un composé en cours d'essai, cette crte sert ensuite d'indication pour un essai quantitatif. On doit interrompre l'exploration de fluorescence et la régler à la longueur d'onde fournissant la fluorescence maximum. De façon générale, pour des solutions diluées, la hauteur de la crte de fluorescence est une fonction linéaire de la concentration.
La fig. 2 représente schématiquement un agencement préféré des éléments d'un dispositif destiné à mesurer la réponse de fluorescence d'une matière fluorescente. Le numéro de référence 70 désigne schématiquement un support formé par une première partie 71 de boîtier contenant les composantes monochromatiques d'excitation et une seconde partie 72 du boîtier contenant les composantes monochromatiques de fluorescence. La lampe 12 est montée dans un boîtier 73 qui communique par un passage 74 avec l'intérieur de la partie 71 du boîtier. La lumière provenant de la lampe 12 est réfléchie à partir d'un premier miroir concave 75 monté de façon fixe dans la partie 71 du boîtier vers le réseau par réflexion 17, qui est monté dans la partie 71 du boîtier pour osciller sur un axe vertical.
Les composantes spectrales qui sont dispersées et réfléchies à partir du réseau 17 vers un second miroir concave fixe 76 monté dans la partie 71 du boîtier et sont réfléchies à partir du miroir 76 par l'intermédiaire d'un obturateur 77 de cellule dans un boîtier de cellule 78 dans lequel est montée la cellule transparente 1 1 de l'échantillon, et à travers un ensemble de fente généralement analogue à la plaque fendue 21 de la fig. 1. L'ensemble à fente comprend une paire de plaques 79 à fentes espacées et alignées, les plaques étant situées devant l'une des faces de la cellule 1 1 comme représenté.
La paroi du boîtier 78 de la cellule faisant face à l'obturateur 77 de cellule est munie d'un collecteur de lumière 80 destiné à recevoir et à supprimer la lumière à partir du faisceau 22 qui passe à travers la cellule d'échantillon.
La lumière fluorescente provenant de la cellule 11, représentée sous forme du faisceau 26, traverse une série de plaques 81 à fentes espacées et alignées, définissant un ensemble à fente généralement analogue à la plaque fendue 28 de la fig. 1, dans la seconde partie 72 du boîtier, et est réfléchie à partir d'un miroir concave fixe 82 monté dans cette dernière vers le réseau de réflexion 24. Ce dernier est monté dans la partie 72 de boîtier pour osciller sur un axe vertical. Les composantes spectrales de la lumière fluorescente sont réfléchies à partir du réseau 24 sous forme d'un faisceau 30, et sont réfléchies à partir d'un miroir concave fixe 83 par l'intermédiaire d'un obturateur 84 de photomultiplicateur dans le boîtier 85 du photomultiplicateur fixé à la partie 72 du boîtier.
Le faisceau 30 traverse une plaque à fente 29 pour arriver à un tube photomultiplicateur 23' qui correspond à la cellule photoélectrique 23 de la fig. 1.
Les moyens de commande pour les réseaux de réflexion 17 et 24 et les éléments électriques associés à l'appareil sont les mmes que sur la fig. 1.