УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТОК

Полезная модель относится к области люминесцентной локализации нанокристаллических меток в биологии и медицине. Данная полезная модель может быть использована для создания высокоточных и ультрачувствительных приборов, позволяющих локализовать люминесцентные маркеры.
Из существующего уровня техники люминесцентной локализации известна система [1, Minato-ku // European Patent ЕР 2535701], которая относится к регистрирующей аппаратуре для обнаружения флуоресцентных меток в биологических образцах с помощью спектрофлуориметрии. Данное устройство позволяет получить усиленный сигнал флуоресценции от меток, нанесенных на тонкую перфорированную металлическую пленку, за счет явления поверхностного плазмонного резонанса. К недостаткам данного устройства можно отнести необходимость использования источника возбуждения с определенной длинной волны, для возбуждения локализованных поверхностных плазмонов.
Известны также устройства [2, Патент RU 2166201] и [3, Патент RU 02498298], реализуемые с использованием источников и систем регистрации изображения биообъекта при помощи фоточувствительной камеры. Подобные устройства представляют собой оптическую систему микроскопа для наблюдения и регистрации сигнала, и расположенный под определенным углом источник возбуждения флуоресценции. Недостатком данных устройств является низкая чувствительность, которая не позволяет регистрировать сигнал флуоресценции от люминесцентных меток на фоне собственной люминесценции биологических тканей.
Система [4, Frederic A. Bourke // WO 2009124189] представляет устройство для проведения люминесцентной диагностики биологических тканей и жидкостей. Упомянутое устройство использует жидкие люминофоры для проведения спектрофлуориметрических исследований, недостатком которых является короткое время жизни возбужденного состояния, а также необходимость введения больших доз органических молекул в исследуемый биообразец.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является [5, Патент RU 0000125458], принятое в качестве прототипа. Известное устройство предназначено для получения изображения люминесцентных маркеров в биологических тканях. Общими признаками у известного устройства и заявляемого является источник оптического излучения, система ввода-вывода оптического излучения, блок регистрации люминесценции нанокристаллических меток и система обработки сигнала люминесценции нанокристаллических меток
Недостатками известного устройства является низкая чувствительность системы регистрации для детектирования сигнала от вводимых в биологическую среду маркеров. Использование диодного источника света в качестве накачки люминесцентных маркеров приводит к недостаточно избирательному возбуждению введенных люминесцентных маркеров и "полезный" сигнал, может быть, не различим на фоне аутолюминесценции биологической ткани.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение чувствительности определения локализации в биологических тканях областей, содержащих нанокристаллические люминесцентные метки, за счет модификации систем ввода оптического излучения и системы регистрации и обработки получаемого сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном устройстве для лазерно-люминесцентной локализации нанокристаллических меток, содержащим источник оптического излучения, систему ввода-вывода оптического излучения, блок регистрации люминесценции нанокристаллических меток и систему обработки сигнала люминесценции нанокристаллических меток, в соответствии с заявленной полезной моделью, источник оптического излучения выполнен в виде перестраиваемого импульсного лазера в диапазоне 290-1000 нанометров, система ввода вывода выполнена в виде двух волоконно-оптических световодов, блок регистрации сигнала люминесценции нанокристаллических меток, состоящий из колеса фильтров оптического излучения, монохроматора и приемника оптического излучения, а также системы обработки сигнала люминесценции нанокристаллических меток.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что между источником оптического излучения и передающим световодом системы ввода-вывода оптического излучения установлена спектральная призма.
Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, передающий излучение возбуждения и приемный световод системы ввода-вывода оптического излучения расположены друг к другу под углом, который не превышает сорока пяти градусов.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется Фиг. 1.
На Фиг. 1 представлена схема устройства для лазерно-люминесцентной локализации кристаллических меток.
На Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены результаты испытания устройства для лазерно-люминесцентной локализации кристаллических меток.
Как видно из Фиг. 1 заявляемая полезная модель содержит перестраиваемый импульсный лазер (1) в диапазоне 290-1000 нанометров, систему ввода-вывода оптического излучения (2), блок регистрации сигнала люминесценции нанокристаллических меток (3), систему обработки сигнала люминесценции нанокристаллических меток (4), спектральную призму (5), стенд для образца (6) и систему зеркал (7).
Работает устройство для лазерно-люминесцентной локализации нанокристаллических меток следующим образом. Излучение от перестраиваемого импульсного лазера в диапазоне 290-1000 нанометров (1) служит в качестве источника излучения накачки для возбуждения люминесценции нанокристаллических меток, помещенных на стенд для образца (6). Призма (5) необходима для эффективного пространственного выделения из спектра лазерного источника луча с нужной длиной волны. Призма ориентирована так, что проходя через нее неиспользуемое спектральное излучение перестраиваемого импульсного лазера, не попадает на апертуры зеркал (7). Система ввода-вывода оптического излучения (2), состоящая из двух оптических световодов, причем передающий излучение возбуждения и приемный световод расположены друг к другу под углом, который не превышает сорока пяти градусов. За счет этого в образце создается общий для двух световодов «световой» объем, что позволяет локализовать излучение люминесценции нанокристаллических меток. Данные световоды служат для ввода возбуждающего излучения от перестраиваемого импульсного лазера на образец, содержащий нанокристаллические люминесцентные метки и помещенный на стенд (6) и сбора сигнала люминесценции от нанокристаллических меток, а затем передачи сигнала люминесценции в блок регистрации сигнала. Система регистрации оптического излучения (3), состоящая из колеса спектральных фильтров, монохроматора и фотоэлектронного умножителя, регистрирует спектральную зависимость сигнала люминесценции от нанокристаллических меток, введенных в образец, а система обработки сигнала люминесценции (4) позволяет определять локализацию нанокристаллических меток в образце.
Тестовые режимы работы заявляемого устройства для лазерно-люминесцентной локализации нанокристаллических меток приведены в конкретных примерах ее апробации с симуляцией ткани биологического объекта. Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.
Пример 1. Симуляция биологической человеческой ткани (интралипид) с введенными нанокристаллическими люминесцентными метками двух типов (алюмоиттриевый гранат допированный неодимом (первый тип) и алюмоиттриевый гранат допированный европием (второй тип)), была помещена на стенд для образцов. Освещение производилось импульсным лазером с различными длинами волн излучения 393 нм и 588 нм, попадающих в полосу поглощения данных меток. Излучение от источника попадало на образец через систему ввода-вывода оптического излучения (угол между передающим и приемным световодами двадцать градусов). Сигнал люминесценции от нанокристаллических меток детектировался блоком регистрации излучения. Пример изображения люминесцирующих меток представлен на Фиг. 2. На графике Фиг. 2а приведен зарегистрированный сигнал от меток первого типа, на Фиг. 2б от меток второго типа
Пример 2. Симуляция биологической человеческой ткани (интралипид) с введенными нанокристаллическими люминесцентными метками ассоциированного гибрида на основе нанокристаллических наночастиц (ванадат иттрия допированный европием) и металлических наночастиц (Au-Ag). Освещение производилось перестраиваем импульсным лазером с длиной волны излучения 300 нм, попадающей в полосу поглощения данных нанометок. Проводились испытания локализации нанокристаллических меток на различной глубине в интралипиде. Излучение от источника попадало на образец через волоконно-оптический жгут (угол между передающим и приемным световодом тридцать градусов). Сигнал люминесценции от нанокристаллических меток детектировался блоком регистрации излучения. Пример изображения локализации люминесцентных меток при регистрации сигнала с различной глубины представлен на Фиг. 3. График Фиг. 3а показывает сигнал от нанокристаллических люминесцентных меток на глубине введения в образец 1 мм, Фиг. 3б на глубине введения в образец 2 мм, Фиг. 3в на глубине введения в образец 3 мм.
По результатам испытаний заявленное устройство демонстрирует высокое качество сигнала с высокой информативностью и позволяет определить область локализации введенных меток.
Заявленное устройство имеет более высокие возможности по сравнению с аналогами для локализации нанокристаллических меток, что существенно повышает ее целесообразность для создания целого комплекса аппаратов высокоточных и ультрачувствительных приборов широкого применения. Кроме того, существует возможность применения заявленной полезной модели для разделения специфичных областей в случае использования нанокристаллических люминесцентных меток разного состава, обладающих различным спектром люминесценции.
Список использованных источников информации
1. Minato-ku // European Patent ЕР 2535701
2. Патент RU 2166201
3. Патент RU 02498298
4. Frederic A. Bourke // WO 2009124189
5. Патент RU 0000125458 (прототип)