ITAN20070019A1

ITAN20070019A1 - Rifrattometro spettrofotometrico

Info

Publication number: ITAN20070019A1
Application number: IT000019A
Authority: IT
Inventors: Riccardo Castagna; Luigino Criante; Daniele Eugenio Lucchetta; Francesco Simoni; Francesco Vita
Original assignee: Riccardo Castagna; Criante Giordano; Daniele Eugenio Lucchetta; Francesco Simoni; Francesco Vita
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2008-10-19
Also published as: US8279427B2; US20100110429A1; WO2008129580A2; WO2008129580A3; JP2010525316A; EP2147294A2

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

avente per TITOLO rifrattometro spettrofotometrico

Campo dell'invenzione.

La presente invenzione riguarda uno strumento per la misura di indice di rifrazione in fluidi o altri materiali come specificato nelle rivendicazioni 1, 9-13, per mezzo di tecnica spettroscopica basata sull'utilizzo di reticoli di diffrazione alla Bragg.

Stato della tecnica.

Un rifrattometro è uno strumento ottico atto a misurare l'indice di rifrazione di una sostanza o una sua qualsiasi altra proprietà, fisica o chimica, in qualche modo correlata all'indice di rifrazione.

I rifrattometri hanno attualmente raggiunto un alto livello di prestazioni e trovano ampio utilizzo in molteplici applicazioni tecniche e scientifiche, sebbene, un secolo e mezzo dopo la loro invenzione, il loro principio di funzionamento sia rimasto sostanzialmente immutato. Difatti, la maggior parte dei rifrattometri commerciali funzionano sulla base del principio della riflessione totale; l'indice di rifrazione viene determinato a partire dalla misura dell'angolo oltre il quale si ha la riflessione totale (angolo critico) all'interfaccia tra il campione e la superficie di un prisma di indice di rifrazione noto e più alto di quello della sostanza in esame. In accordo con la legge di Snell, l'angolo critico di riflessione totale θCall'interfaccia tra campione e prisma è dato dalla relazione sin θc= n/np, in cui npe n sono rispettivamente gli indici di rifrazione del prisma e del campione (necessariamente un liquido). Noto l'indice di rifrazione del prisma, la misura dell'angolo critico permette di determinare l'indice di rifrazione del campione. Questo metodo può essere applicato solo a materiali il cui indice di rifrazione è minore di np. Inoltre, dal momento che l'indice di rifrazione è fortemente dipendente dalla temperatura, il rifrattometro deve essere dotato di un compensatore di temperatura automatico. Nei rifrattometri tradizionali di tipo analogico, meglio noti come rifrattometri di Abbe, il valore dell'indice di rifrazione è letto su una scala graduata, osservando la posizione della linea d'ombra tra un'area illuminata ed una oscura. Il controllo termico è solitamente ottenuto attraverso sottili lamine metalliche che muovono una lente o un prisma in risposta ai cambiamenti di temperatura.

Attualmente i più avanzati rifrattometri digitali usano dispositivi ad effetto Peltier per riscaldare e raffreddare lo strumento e il campione, eliminando la dipendenza da un bagno termico esterno. Sebbene la sensibilità ottenibile sia molto alta (fino a 10<-5>, probabilmente la più alta tra i rifrattometri da laboratorio di tipo commerciale), questo tipo di strumenti sono molto costosi a causa della necessità di accurate misure angolari e di sofisticati microprocessori per il controllo della procedura di misura. Altre limitazioni intrinseche di questi strumenti riguardano la difficoltà di realizzare misure spettroscopiche e di monitorare variazioni di indice di rifrazione in tempo reale, ad esempio mentre le proprietà del campione sono volutamente modificate dall'esterno, per via chimica, ottica, elettrica, etc.

Recentemente molti nuovi tipi di rifrattometri sono stati descritti in brevetti e pubblicazioni scientifiche. Oltre che sulla riflessione totale, questi strumenti sono basati su altre tecniche ottiche, quali l'interferometria, l'ellissometria o la risonanza di plasmoni di superficie.

I metodi interferometrici sfruttano l'interferenza di due fasci luminosi, uno di riferimento e l'altro interagente col mezzo in esame. Queste tecniche sono anche più sensibili della riffattometria a prisma, ma la realizzazione dei dispositivi è intrinsecamente più costosa.

L'ellissometria è una tecnica ottica per l'analisi delle proprietà ottiche di film sottili. In pratica l'analisi del cambiamento dello stato di polarizzazione della luce riflessa dal campione, fornisce informazioni circa lo spessore e la funzione dielettrica di complesse strutture multistrato. La sensibilità tipicamente raggiungibile è estremamente alta; comunque gli ellissometri sono strumenti estremamente costosi e richiedono l'utilizzo di un software avanzato. Poiché tali software sfruttano complesse procedure di fit, l'accuratezza dei risultati ottenuti dipende fortemente dalla scelta del modello utilizzato per descrivere il campione analizzato.

La tecnica delle risonanza di plasmoni di superficie (SPR) sfrutta l'eccitazione di onde elettromagnetiche superficiali, che si propagano all'interfaccia tra un metallo e un dielettrico. In questa situazione, per un ristretto intervallo di angoli di incidenza, la luce incidente sul metallo non viene riflessa, ma si propaga lungo l'interfaccia metallo-dielettrico. La misura di questo intervallo angolare permette di determinare l'indice di rifrazione del mezzo dielettrico. Sfortunatamente le tecniche SPR hanno anche dei limiti intrinseci. Infatti affinché le risonanze plasmoniche possano esistere, la parte reale della funzione dielettrica del metallo deve essere negativa e di modulo maggiore di quella del dielettrico: tale condizione non è facilmente realizzabile per tutte le lunghezze d'onda. Inoltre solo un numero limitato di metalli, quali l'oro o l'argento, sono adatti per l'utilizzo della SPR in ambienti che potrebbero corrodere o distruggere il mezzo di generazione dei plasmoni di superficie. In fine, la sensibilità superficiale tipica della SPR rende la tecnica inadatta in molte applicazioni analitiche, laddove la determinazione delle proprietà di volume di un materiale potrebbe essere resa inattendibile dalla presenza di analiti con reattività alle superfici.

A differenza di tutte le tecniche sopra menzionate, la tecnica descritta nel presente brevetto è estremamente semplice, economica e versatile. In particolare, il suo principale vantaggio risiede nella possibilità di trasformare un qualsiasi spettrometro commerciale in un rifrattometro preciso e di facile utilizzo, semplicemente utilizzando una speciale cuvetta contenente un reticolo di diffrazione alla Bragg. Un accessorio di questo tipo, oltre ad essere estremamente economico, permette di realizzare misure in tempo reale in un qualsiasi tipo di fluido (purché sufficiente trasparente), anche in condizioni di flusso. Inoltre, a causa della sua struttura "aperta", il nostro dispositivo si presta bene alla misura della variazione di indice di rifrazione in campioni sottoposti a modificazioni esterne. Questa possibilità, peculiare del nostro tipo di dispositivo, è ad esempio molto interessante per lo studio e il monitoraggio di reazioni chimiche, biologiche, elettro- o foto-indotte, etc. In fine sottolineiamo che il principio alla base del dispositivo qui descritto è intrinsecamente adatto alla misura dell'indice di rifrazione in un vasto intervallo di frequenze, dall'ultavioletto alle microonde, semplicemente adottando l'opportuno reticolo di diffrazione. All'interno di ciascun intervallo spettrale, misure d'indice a diverse lunghezze d'onda possono facilmente essere ottenute permettendo al reticolo di ruotare all'interno della cuvetta.

Sommario dell'invenzione.

Descriviamo qui un dispositivo ottico e un metodo per la misura dell'indice di rifrazione di fluidi, o altri materiali simili come specificato nelle rivendicazioni 1, 9-13. Tale dispositivo consiste dei seguenti elementi:

1) una vaschetta, contenente la sostanza in analisi, avente una coppia di facce (finestra di ingresso e finestra di uscita) parallele e trasparenti nell'intervallo di lunghezze d'onda di interesse;

2) un reticolo di diffrazione alla Bragg, montato all'interno di detta vaschetta e orientato obliquamente rispetto alle finestre di ingresso e uscita;

3) i mezzi di calcolo necessari alla determinazione dell'indice di rifrazione della sostanza in esame a partire dallo spettro di trasmissione misurato dallo spettrometro di cui al punto 5. Tali elementi sono da utilizzare in combinazione con:

4) una sorgente di radiazione ad ampio spettro, operante nell'intervallo di lunghezze d'onda di interesse;

5) uno spettrometro per raccogliere ed analizzare lo spettro della radiazione fuoriuscente dalla vaschetta.

Il metodo di misura segue il seguente schema:

a) un fascio di luce è emesso dalla sorgente di cui al punto 4 e incide perpendicolarmente sulla finestra di ingresso della vaschetta di cui al punto 1;

b) il fascio si propaga attraverso il mezzo contenuto nella vaschetta, quindi attraverso il reticolo di cui al punto 2 e quindi ancora attraverso il mezzo in analisi, prima di uscire dalla vaschetta attraverso la finestra di uscita;

c) il fascio uscente è raccolto e analizzato dallo spettrometro di cui al punto 5;

d) lo spettrometro fornisce una misura della lunghezza d'onda diffratta dal reticolo, nota la quale è possibile calcolare l'indice di rifrazione del mezzo contenuto nella vaschetta.

Descrizione dettagliata dell'invenzione.

I. Principio di funzionamento.

Con riferimento alla FIG.l, il principio di funzionamento del nostro dispositivo può essere descritto come segue:

1. Una vaschetta a forma di parallelepipedo 1, tipicamente di vetro o quarzo, è usato per contenere il fluido in esame 2 (nel caso di gas la vaschetta sarà opportunamente sigillata). Due pareti di detta vaschetta, parallele l'una rispetto all'altra e trasparenti nell 'intervallo di lunghezze d'onda di interesse, agiscono come finestre per la luce in ingresso e in uscita dalla vaschetta.

2. Un reticolo di diffrazione alla Bragg 3, tipicamente un reticolo di fase, è posto in detta vaschetta, orientato obliquamente rispetto alle finestre di ingresso e di uscita e in contatto su entrambi i lati col fluido in esame.

3. Un fascio collimato, emesso dalla sorgente di radiazione ad ampio spettro 4, tipicamente una lampada, incide sulla vaschetta perpendicolarmente alla finestra d'ingresso, quindi si propaga nel fluido in esame senza subire dispersione.

4. Alla prima interfaccia tra fluido e reticolo il fascio è ritratto in accordo alla legge di Snell

n sin θίn= n0sin θ , (1)

in cui n0è l'indice di rifrazione medio del reticolo, n l'indice di rifrazione del fluido in esame, θine θ sono gli angoli di propagazione del fascio rispettivamente nel fluido e nel reticolo, entrambi misurati rispetto alla normale alla superficie del reticolo (vedi riquadro in FIG. 1).

5. Per un dato angolo θ di propagazione del fascio all'interno del reticolo una particolare lunghezza d'onda λ è diffratta lateralmente, in accordo con la legge di Bragg

λ = 2Λn0cos (θ - φ ) , (2)

in cui Λ è il passo del reticolo e φ l'angolo di inclinazione dei piani reticolari, cioè l'angolo tra i piani reticolari e la superficie esterna del reticolo (vedi riquadro in FIG. 1). Al contrario, tutte le lunghezze d'onda che non soddisfano l'Eq. 2 non subiscono diffrazione, attraversano il reticolo senza essere deviate, quindi nuovamente il fluido circostante, per uscire dalla vaschetta attraverso la finestra d'uscita.

6. Detto fascio, uscente dalla vaschetta e contenente tutte le lunghezze d'onda non diffratte dal reticolo, è raccolto e analizzato dallo spettrometro 5 operante nell 'intervallo di lunghezze d'onda di interesse. Per quanto descritto al punto precedente, lo spettro di trasmissione acquisito dallo spettrometro mostrerà un minimo in corrispondenza della lunghezza d'onda di Bragg diffratta dal reticolo. Dalla misura di tale valore, combinando le leggi di Snell e di Bragg (Eq. 1 e 2), è possibile calcolare l'indice di rifrazione del fluido in analisi.

II Sensibilità del dispositivo.

Mentre la maggior parte dei rifrattometri tradizionali determinano l'indice di rifrazione attraverso misure angolari, il presente dispositivo trasduce variazioni di θ dipendenti dall'indice di rifrazione n in variazioni della lunghezza d'onda diffratta λ facilmente misurabili con alta sensibilità con spettrometri di tipo commerciale.

La sensibilità raggiungibile può essere valutata come segue. La combinazione delle leggi di Snell e di Bragg (Eq. 1 e 2) fornisce la curva di risposta dello strumento, cioè la l'andamento della lunghezza d'onda λ diffratta dal reticolo di Bragg in funzione dell'indice di rifrazione n del fluido in esame:

(3)

Differenziando rispetto a n, si ottiene la sensibilità S del dispositivo:

(4)

che può anche essere interpretata come il prodotto di

(5) (6)

la prima ottenuta differenziando la legge di Bragg, la seconda differenziando la legge di Snell. Scegliendo opportunamente i parametri del reticolo Λ, θίne φ, (n0è generalmente fissato dalla scelta del materiale del reticolo) è possibile massimizzare la sensibilità del dispositivo nell'intervallo di lunghezze d'onda di interesse.

In base all'Eq. 6, S2dipende unicamente da il suo tipico andamento è mostrato in Fig. 2 per n0= 1.49 e differenti valori di n. Poiché S2cresce monotonicamente con θin, è conveniente scegliere per l'angolo di incidenza il valore più grande possibile; valori ragionevoli sono intorno ai 50 ÷ 60 deg, corrispondenti a S2~ 0.7 ÷ 1.0 rad.

Secondo l'Eq. 5, S1 cresce invece linearmente con Λ; per un dato Λ, S1 è comunque massimo quando l'argomento del seno tende a π/2, cioè quando φ-θ = π/2 , in cui

è l'angolo di propagazione del fascio nel reticolo in accordo con l' Eq. 1.

Da un punto di vista fisico questo significa che S1 è massimo quando la direzione di propagazione del fascio nel reticolo è all'incirca parallela ai piani reticolari. In questa situazione si ha S1= 2n0Λ = 3Λ (normalmente n0~ 1.5 ), che, moltiplicato per un valore di 0.8 ÷ 0.9 per S2, risulta in una sensibilità complessiva S ~ 2.5Λ.

Nella scelta dei parametri del reticolo occorre anche considerare l'intervallo di lavoro del dispositivo. Come caso tipico si può considerare la misura di indice di rifrazione nell'intervallo 1.3 ÷ 1.4 per mezzo di uno spettrometro operante nel visibile tra 400 e 700 nm. Imponendo che la lunghezza d'onda di Bragg λccorrisponda all'indice di rifrazione nc, si ottiene la seguente condizione per i parametri Λ, θίne φ:

(7)

in cui indica l'angolo di propagazione del fascio all'interno del reticolo

per n = nc.

Fissato θίnintorno a 50 ÷ 60 deg e scelto Λ in base alla sensitività desiderata, la precedente relazione fornisce il valore dell'angolo di inclinazione dei piani reticolari φ necessario per lavorare nell'intervallo di lunghezze d'onda desiderato. Si noti incidentalmente che, per Λ sufficientemente grande, il primo membro dell'Eq. 7 tende a zero, per cui φ-θctende a π/2. In questo caso la condizione di massimo per S1 è automaticamente soddisfatta con buona approssimazione.

In FIG. 3 una linea continua mostra una tipica curva di risposta del dispositivo, calcolata assumendo i seguenti parametri: Λ = 2 μm, θin= 50 deg, n0= 1.49, φ = -51.3 deg, quest'ultimo valore scelto in modo da avere λc= 550 nm per nc= 1.35. Nella stessa figura la sensibilità S è rappresentata come una linea tratteggiata; essa è pressoché costante nell'intervallo di indici di rifrazione considerato, come conseguenza dell'andamento quasi lineare della curva di risposta. Tale caratteristica è chiaramente assai utile nell'utilizzo del dispositivo.

Quanto detto fin qui è riassunto nel grafico di FIG. 4, in cui tipici valori della sensibilità S sono mostrati al variare dei parametri Λ e θίn, con φ scelto punto per punto in modo da soddisfare l'Eq. 7 per λc= 550 nm e nc= 1.35.

Data una certa sensibilità S, la massima risoluzione dello strumento, cioè la variazione d'indice di rifrazione δη corrispondente alla minima variazione misurabile della lunghezza d’onda di Bragg δλ, è data da

(8) in cui il valore di δλ è stabilito dalla risoluzione spettrale dello spettrometro e dalla larghezza del picco di diffrazione del reticolo. Gli spettrometri commerciali tipicamente raggiungono risoluzioni dell'ordine di 0.1 nm. Comunque la tipica larghezza a mezza altezza di un reticolo di diffrazione alla Bragg è solitamente un ordine di grandezza più grande. In realtà, a parità di altri parametri, la risoluzione spettrale di un reticolo di diffrazione alla Bragg dipende dal numero di periodi attraversati dalla luce nella sua propagazione attraverso il reticolo; in altre parole δλ è tanto più piccolo quanto più piccolo è il passo del reticolo Λ e quanto più grande è lo spessore del reticolo d. Questa osservazione indica un limite superiore nella scelta del passo del reticolo. Sono disponibili reticoli di volume alla Bragg di tipo commerciale caratterizzati da una risoluzione spettrale δλ < 1 nm e un passo Λ di pochi micron. Considerando dunque δλ = 1 nm e una sensibilità S = 4000 nm, raggiungibile considerando Λ = 2000 nm, si ottiene una risoluzione dello strumento δn = 2.5x 10<-4>.

In fine, è opportuno considerare l'intervallo di misura Δn del presente dispositivo corrispondente a un dato intervallo di lavoro Δλ dello spettrometro. Dal momento che la curva di risposta del dispositivo è pressoché lineare (sensibilità costante), si ha in buona approssimazione che

(9)

in cui Δλ è, per i comuni spettrometro, dell'ordine di qualche centinaia di nanometri.

Ili Verifica sperimentale di funzionamento tramite prototipo.

Un primo prototipo del dispositivo è stato realizzato e testato sperimentalmente, utilizzando quale elemento diffrattivo un reticolo olografico di cristallo liquido disperso in polimero (H-PDLC, holographic-polymer dispersed liquid crystal). Gli H-PDLC sono reticoli olografici alla Bragg consistenti in una sequenza periodica di piani di polimero e cristallo iquido racchiusi tra due vetri. Il reticolo usato nel nostro prototipo era caratterizzato dai seguenti parametri nominali: n0~ 1.57, Λ ~ 1μm, φ ~ 60 deg; il reticolo è stato montato obliquamente in una vaschetta di vetro (un parallelepipedo di dimensioni LxWxH = 2.5x1.5x1. 5 cm) a formare un angolo θin~ 50 deg con le finestre della vaschetta.

Per verificare il funzionamento del dispositivo, sono state misurate la posizione del picco di diffrazione di Bragg corrispondente a una serie di sostanze liquide di indice noto. Quale sorgente si è utilizzata una lampada alogena; quale spettrometro il modello ad alta risoluzione HR4000 della Ocean Optics (risoluzione ~0.13nm). I risultati, presentati graficamente in FIG.

5, sono riportati nella seguente tabella:

Sostanza n λ (nm)

Metanolo 1.328 569.6 ± 0.9

Acqua 1.334 582.4 ± 0.5 Metanolo:Etanolo (50:50) 1.344 605.3 ± 0.4 Metanolo:Etanolo (25:75) 1.352 622.2 ± 1.6

Acetone 1.359 636.2 ± 1.8

Etanolo 1.360 640.3 ± 0.3

Isopropanolo 1.377 674.12 ± 0.15

Per ciascuna sostanza i valori riportati delle lunghezze d'onda diffratte A sono le medie di cinque misure ripetute, con la deviazione standard ad indicarne l'incertezza; l'indice di rifrazione n di ogni sostanza è stato invece estratto dalla letteratura.

Alcune considerazioni possono essere fatte:

1) la curva di risposta è praticamente lineare; un fit lineare attraverso i punti sperimentali (curva continua in FIG. 5) fornisce un coefficiente angolare (sensibilità) di 2121 ± 8 nm, in buon accordo col valore aspettato sulla base dei parametri nominali del reticolo {S ~ 2000). Stabilita la curva di risposta lineare del dispositivo per mezzo di un processo di calibrazione, il valore dell'indice di rifrazione può essere ottenuto dal valore misurato della lunghezza d'onda diffratta attraverso semplici operazioni aritmetiche, prescindendo dalla conoscenza dei parametri del reticolo, spesso difficili da determinare con estrema precisione..

2) Usando per il reticolo i parametri sopra menzionati, l'Eq. 3 fornisce la curva di risposta teorica, rappresentata in FIG. 5 da una linea tratteggiata. L'accordo con i dati sperimentali è molto buono, considerando che minimi cambiamenti nei parametri del reticolo portano a grandi variazioni della curva di risposta.

3) L'incertezza su λ rappresentata le barre d'errore, cioè il valore della deviazione standard su cinque misure ripetute, è dell'ordine di 1 nm, che corrisponde a un incertezza su n di circa 5X 10<-4>. Questa incertezza, che definisce la precisione del dispositivo, è il risultato di molteplici fattori, quali piccoli disallineamenti dell'apparato durante le misure, instabilità meccaniche, il formarsi di impurezze nella vaschetta, rumore ottico, la risoluzione del reticolo e quella dello spettrometro, etc. La maggior parte di questi effetti negativi possono essere fortemente ridotti dall'uso di un dispositivo più raffinato.

IV Caratteristiche del dispositivo e suoi principali vantaggi.

1. Versatilità. Le componenti di base del dispositivo, cioè la vaschetta e il reticolo, sono estremamente economici. Per questa ragione il presente strumento si presta ad essere proposto quale accessorio economico e di facile utilizzo per trasformare un qualsiasi spettrometro commerciale in un rifrattometro di alta sensibilità.

2. Materiali misurabili. Il presente dispositivo è stato pensato per la misura di indice di rifrazione in fluidi, in questi includendo liquidi, gas, emulsioni, sospensioni, gel, etc., come specificato nelle rivendicazioni 1, 9-13. Più in generale, misure di indice di rifrazione possono essere eseguite su un qualsiasi materiale, anche solido, a patto che:

- sia sufficientemente trasparente nell'intervallo di lunghezze d'onda di interesse;

- riempia la vaschetta in maniera omogenea.

3. Intervallo spettrale. Il tipico intervallo di lunghezze d'onda per il presente dispositivo è nel vicino UV-visibile-vicino IR, in modo tale da poter essere usato con la maggior parte degli spettrometro commerciali. Comunque, l'intervallo spettrale di lavoro del dispositivo può essere facilmente spostato/scalato a patto che:

- la sorgente di luce e lo spettrometro siano scelti propriamente;

- la vaschetta, il reticolo e il materiale in analisi siano sufficientemente trasparenti nell'intervallo spettrale prescelto;

- i parametri del reticolo (passo e angolo di inclinazione) siano scelti in modo da dare diffrazione alla Bragg nell 'intervallo desiderato.

4. Misure di dispersione. Con il reticolo in posizione fissa nella vaschetta, il dispositivo fornisce il valore dell'indice di rifrazione della sostanza in esame alla lunghezza d'onda diffratta. Permettendo al reticolo di ruotare, manualmente o elettronicamente, è invece possibile misurare l'indice di rifrazione a differenti lunghezze d'onda.

5. Misure in tempo reale. Il presente dispositivo permette di monitorare variazioni temporali dell'indice di rifrazione. Questa tecnica permette di seguire in tempo reale l'evoluzione delle proprietà fisiche, chimiche o biologiche di un campione, eventualmente soggetto ad influenze di tipo elettrico, ottico, termico, etc. appositamente indotte dall'esterno.

Breve descrizione dei disegni allegati

Il principio di funzionamento e le caratteristiche principali della presente invenzione possono essere meglio comprese facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

FIG. 1 è uno schema del dispositivo oggetto della presente invenzione, comprendente un riquadro con una rappresentazione dettagliata del reticolo di diffrazione;

FIG. 2 è il grafico di S2, definito dall'Eq. 6, in funzione dell'angolo di incidenza θίn, per n0= 1.49 e differenti valori di n ;

FIG. 3 è il grafico di una tipica curva di risposta del dispositivo (linea continua) e della relativa sensibilità (linea tratteggiata).

FIG. 4 è il grafico della tipica dipendenza della sensibilità S dal passo Λ del reticolo e dall'angolo di incidenza θίn, con φ scelto punto per punto in modo da soddisfare l'Eq. 7 per λc= 550 nm e nc= 1.35.

FIG. 5 è il grafico relativo alla verifica sperimentale del funzionamento di un prototipo di dispositivo: dati sperimentali (punti), fit lineare (linea continua) e modello teorico (linea tratteggiata).

Claims

RIVENDICAZIONI In riferimento alla presente invenzione, rivendichiamo quanto segue: 1. Un dispositivo per la misura dell'indice di rifrazione di fluidi per mezzo di una tecnica spettroscopica basata sull'utilizzo di reticoli di diffrazione alla Bragg consistente in: a. una vaschetta contenente la sostanza da analizzare, avente due facce parallele (finestra di ingresso e di uscita) e trasparenti nell'intervallo di lunghezze d'onda prescelto; b. un reticolo di diffrazione alla Bragg, posto in detta vaschetta ed orientato obliquamente rispetto alle finestre di ingresso e uscita della vaschetta; c. una sorgente di luce ad ampio spettro che emetta un fascio collimato, incidente normalmente sulla finestra di ingresso della vaschetta; d. uno spettrometro che raccolga la radiazione proveniente dalla finestra d'uscita di detta vaschetta e ne analizzi lo spettro; e. i mezzi di calcolo per ricavare l'indice di rifrazione della sostanza in analisi a partire dallo spettro di trasmissione acquisito da detto spettrometro.
2. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, nei soli punti a, b ed e, da usarsi come accessorio per convertire un generico spettrometro commerciale in un rifrattometro.
3. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui la vaschetta è una cuvetta specificamente disegnata per l'utilizzo con uno specifico spettrometro commerciale.
4. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, da usarsi per la misura di proprietà fisiche, chimiche o biologiche della sostanza in analisi direttamente connesse all'indice di rifrazione.
5. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, da usarsi per la misura in tempo reale di variazioni di indice di rifrazione, eventualmente indotte appositamente dall'esterno agendo sulla sostanza in esame per via chimica, elettrica, termica, ottica, etc.
6. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, da usarsi per la misura dell'indice di rifrazione, o di ogni altra proprietà fisica, chimica o biologica connessa, in fluidi in condizione di flusso attraverso la vaschetta.
7. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui detta radiazione è polarizzata linearmente (elettro-transversa o magneto-transversa) o circolarmente.
8. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui detta sorgente di radiazione e tutte le altre componenti ottiche (vaschetta, reticolo e spettrometro) sono scelte per operare in un particolare intervallo spettrale (ultravioletto, visibile, infrarosso o microonde).
9. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui il fluido analizzato, liquido o gassoso, è una miscela di fluidi, un'emulsione, una sospensione, un gel, etc. (nel caso di gas la vaschetta sarà adeguatamente sigillata).
10. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui il mezzo sotto indagine è una polvere o altra sostanza solida che possa riempire omogeneamente detta vaschetta e che sia sufficientemente trasparente nell'intervallo di lunghezze d'onda di interesse.
11. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui il mezzo sotto indagine è un solido trasparente sagomato nella forma di due prismi retti uguali.
12. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui il mezzo sotto indagine è un sistema biologico, per esempio sospensioni cellulari, tessuti omogeneizzati, secrezioni, nutrienti, etc.
13. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui il mezzo sotto indagine è parzialmente assorbente o diffondente.
14. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui la vaschetta e il materiale in essa contenuto sono controllati in temperatura, ad esempio attraverso l'uso di una cella di Peltier.
15. Il dispositivo di cui alla rivendicazione 1, in cui il reticolo di diffrazione contenuto nella vaschetta può essere ruotato, manualmente o elettronicamente, al fine di variare l'angolo di incidenza del fascio luminoso sul reticolo. In questo modo è possibile: a. misurare l'indice di rifrazione di una data sostanza a differenti lunghezze d'onda; b. modificare l'intervallo di lunghezze d'onda misurabile con un dato reticolo; c. variare le sensibilità.
16. Un metodo per la misura dell'indice di rifrazione di fluidi con il dispositivo di cui alle rivendicazione 1, consistente nei seguenti passi: a. il fascio di radiazione collimata emessa dalla sorgente ad ampio spettro incide normalmente sulla finestra di ingresso della vaschetta; b. il fascio entra nella vaschetta, si propaga attraverso il mezzo in esame, quindi attraverso il reticolo ed infine ancora attraverso il mezzo, prima di lasciare la vaschetta attraverso la finestra di uscita; c. il fascio uscente dalla vaschetta è raccolto dallo spettrometro che ne fa un analisi spettrale; d. la presenza del reticolo, disposto obliquamente rispetto alla direzione di propagazione del fascio luminoso, produce un minimo nello spettro di trasmissione acquisito dallo spettrometro, in accordo alla legge di Bragg; e. l'indice di rifrazione del mezzo in analisi è calcolato a partire dalla misura della lunghezza d'onda corrispondente a detto minimo nello spettro di trasmissione.