УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ЖИДКИХ СРЕД ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ МЕТОДОМ

УСТРОЙСТВО для АНАЛИЗА ЖИДКИХ СРЕД ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ МЕТОДОМ
Полезная модель относится к средствам исследования водных сред физическими методами, в частности методами биолюминесценции, и может быть использовано для контроля содержания токсинов в бытовых и индустриальных сточных водах, жидких продуктах различного назначения, а также в биотехнологии и медицине.
Методы биологического тестирования вод являются весьма перспективными при решении вопросов среды обитания не только за счет использования в качестве индикаторов живых биологических объектов (микроорганизмов, водорослей, беспозвоночных, рыб), но и за счет применения современных оптико-физических средств и приборов, позволяющих проводить мониторинг в режиме текущего времени и объективизировать регистрацию (Экологическая химия. Основы и концепции// под ред. Ф.Корте. М.: Мир, 1997)1. При этом различают флуоресцентный метод и метод биолюминесценции, к которому относится настоящее изобретение.
Известны методы тестирования сред по гащению биолюминесценции светящихся бактерий. Для этого в исследуемую жидкую среду и контрольную среду вводят заданное количество суспензии специально подготовленных светящихся бактерий. Далее посредством люминометра регистрируют интенсивность свечения и динамику его изменения во времени, по которым рассчитывают показатель токсичности среды, например, по степени выживаемости бактерий LCso (см. Гиль Т.Д. и др. Метод биотестирования по гащению люминесценции светящихся бактерий// сб. Методы биотестирования вод, Черноголовка, 1988, с. 13-15)2. Люминометр включает темновую камеру для размещения исследуемой среды, оптически сопряженную с фотоприемником и систему регистрации. В качестве фотоприемника обычно используют высокочувствительный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
МПК7:ООШ21/76
имеющей светоотражающие внутренние стенки, ФЭУ, расположенного над кюветой и соединенного с блоком усиления и обработки электрического сигнала, в котором предусмотрено вращение кюветы для увеличения эффективности регистрации (SU 1400358 А1, БАГАЕВ и др. G01N 21/76, оп. 10.01.2000)3.
Известен аппарат для измерения биолюминесценции в жидких средах, содержащий реакционную камеру и систему регистрации, включающую ФЭУ, блок питания, блоки усиления и вывода данных на внешние регистрирующие устройства. Блок питания подключен к элементам схемы регистрации, а сами элементы соединены последовательно (RU 2009466 С1, GO IN 15/02, 15.03.1994) 4 (ближайший аналог).
Однако аппарату 4, как и другим устройствам аналогичного назначения 2,3 свойственны недостатки. При увеличении интенсивности свечения пробы частота импульсов с выхода ФЭУ возрастает. Поскольку интервал между импульсами носит случайный характер, то при увеличении частоты, импульсы начинают сливаться из-за конечной величины их длительности. В результате счетчик регистрирует меньшее число импульсов, чем имеется на самом деле, что приводит к ошибкам в оценке светимости пробы.
Задачей изобретения является создание прибора с расширенным динамическим диапазоном и с линейной характеристикой, обеспечивающими регистрацию в режиме счета фотонов в диапазоне  имп/сек, а также снижение веса и повышение надежности прибора.
Технический результат, состоящий в линеаризации характеристики выходной сигнал - содержание токсинов, повышении помехозащищенности и надежности прибора и снижении его веса достигается тем, что устройство для анализа жидких сред люминесцентным методом содержит реакционную камеру и систему регистрации люминесценции, включающую фотоэлектронный умножитель, подключенный к усилителю и блоку управления и вывода данных на внешние регистрирующие устройства, блок питания фотоэлектронного умножителя.
Система регистрации люминесценции содержит средства для линеаризации выходной характеристики. Блок управления и вывода данных на внешние регистрирующие устройства содержит последовательно подключенные по сигнальным входам компаратор и логическую схему 2-Й, к другому входу которой подключен генератор меандра, выходом подключенную к счетному входу счетчика, выход которого через параллельный порт по шине данных и адреса подключен к микропроцессору, блоку
памяти и последовательному интерфейсу для подключения к персональному компьютеру. К другому входу компаратора подключен блок задания порогового уровня, при этом параллельный порт подключен к управляющему входу счетчика, блоку ввода и панели индикации.
Устройство может характеризоваться тем, что блок питания фотоэлектронного умножителя выполнен по схеме блокинг-генератора и дополнительно снабжен умножителем напряжения, дросселем и компенсационной обмоткой, начало которой подключено через дроссель к плюсовой клемме питания и первому конденсатору, другой отвод которого подключен к земле, а конец - к концу обмотки трансформатора, подключенной к транзистору и второму конденсатору, другой отвод которого подключен к земле. Выходная обмотка трансформатора через умножитель напряжения подключена к клемме подключения к катоду фотоэлектронного умножителя и к одному отводу резистивного делителя напряжения, имеющему отводы для подключения к динодам фотоэлектронного умножителя, при этом другой отвод резистивного делителя связан с землей и корпусом умножителя напряжения.
Устройство может характеризоваться также тем, что блок управления и вывода данных на внешние регистрирующие устройства содержит переключатель режимов работы: ЛЮМИНОМЕТР, КОНТРОЛЬ, ПРОБА, ТОКСИЧНОСТЬ, РЕЖИМ.
Устройство может, кроме того, характеризоваться тем, что средства для линеаризации выходной характеристики содержат введенную в блок памяти таблицу поправочных коэффициентов, вычисленных по результатам тарировки на эталонном источнике излучения.
Анализ показывает, что в представленном виде патентуемое устройство удовлетворяет условию патентоспособности новизна, поскольку в уровне техники не обнаружены средства, характеризующиеся идентичной с патентуемой совокупностью признаков.
Анализ соответствия патентуемого устройства условию изобретательский уровень, показал, что известен регистратор световых сигналов, содержащий ФЭУ, подключенный к блоку развертки и к системе регистрации импульсов (SU 1343249 А1, G01J 1/44, 07.10.87)5. Система регистрации импульсов включает последовательно подключенные усилитель, амплитудный дискриминатор, формирователь импульсов, логический элемент И-НЕ, подключенные к счетчикам, сумматору, и к вычислительному блоку. Однако, устройство 5 имеет иную логику работы, а именно оно рассчитано на измерение разности только двух практически совпадающих импульсов и при этом схемотехнически более сложно. Патентуемое устройство не имеет ограничений на число импульсов. Иными словами, не установлена известность причинноследственной связи отличительные признаки - технический результат, что свидетельствует о наличии изобретательского уровня.
Существо изобретения раскрывается нижеследующим описанием и поясняющими графическими материалами, где:
на фиг. 1 представлена блок-схема устройства;
на фиг. 2 - электрическая схема высоковольтного источника;
на фиг. 3 - характеристика «выходной сигнал - светимость ;
на фиг. 4 показан алгоритм функционирования устройства.
Устройство включает (см. фиг. 1) светоизолированное кюветное отделение 10 для контрольной и измеряемой проб. В оптической связи с кюветным отделением 10 находится регистратор 11 слабых свечений на основе фотоэлектронного умножителя 12, работающего в режиме счета анодных импульсов.
Выход фотоэлектронного умножителя 12 подключен к усилителю 14, выход которого подключен к одному из входов компаратора 16, к другому входу которого подключен блок 17 задания порогового уровня. Выход компаратора 16 подключен к одному из входов логической схемы 18 2-IT, к другому входу которой подключен генератор 19 меандра.
Выход логической схемы 18 2-Й подключен к счетному входу счетчика 20. Выход счетчика 20 подключен по шине (1) к параллельному порту 21, при этом параллельный порт 21 по шине (2) связан с управляющим входом 23 счетчика 20. Параллельный порт 21 по щине (5) данных и адреса связан с шиной данных и адреса микропроцессора 22, по шине (3) с блоком 24 ввода и по шине (4) с панелью 26 индикации. Кроме того, параллельный порт 21 по шине (5) связан с блоком 28 памяти и последовательным интерфейсом 30 (RS232), через который осуществляется подключение к компьютеру 32. Компьютер 32 выполняет функции средства для статистической обработки и вычисления сложных параметров исследуемых сред, оформления протоколов измерений, создания баз данных по токсичности сбросовых вод, фиксации графиков и файлов.
Панели 26 индикации могут быть реализованы на элементах светодиодного или жидкокристаллического типа. Питание фотоэлектронного умножителя (ФЭУ)12 осуществляется от высоковольтного источника 34.
На фиг. 2 представлена электрическая схема высоковольтного источника 34. В источнике 34 для получения высокого напряжения используется импульс обратного хода в схеме стандартного блокинг-генератора, что позволяет сократить габариты источника в целом.
Трансформатор 300 содержит обмотки 301, 302, 303 и сердечник 304. Начало обмотки 302 подключено к базе транзистора 306, а конец - к резистору 307 и выходу блока 308 обратной связи, корпус которого подключен к земле. Начало обмотки 301 подключено к эмиттеру транзистора 306, коллектор которого подключен к земле. Конец обмотки 301 через конденсатор 309 подключен к земле, а также связан с концом обмотки 310, начало которой через дроссель 312 подключено к клемме 314 (+ипит). Клемма 314 подключена через конденсатор 316 к земле.
Начало обмотки 303 через конденсатор 318 и резистор 320 подключено к земле и управляющему входу 322 блока 308 обратной связи. Конец обмотки 303 через умножитель 324 напряжения подключен к клемме 326 для подключения к катоду ФЭУ 12 и к одному отводу резистивного делителя 328 напряжения, имеющему отводы 330 для подключения к динодам ФЭУ. Другой отвод резистивного делителя 328 связан с землей и по шине 325 с корпусом умножителя 324 напряжения.
Известно (см., например, Гусев В.В. и др. Основы импульсной и цифровой техники, М. Сов.радио, 1975, с. 247) 5, что напряжение обратного хода в стандартном блокинг-генераторе определяется нагрузкой и энергией, запасенной в обмотке 301. Энергия, в свою очередь, зависит от величины тока в обмотке 301 и индуктивности обмотки 301. Максимальное значение тока в конце прямого хода (когда транзистор 306 открыт) достигается в момент начала насыщения сердечника 304 трансформатора 300. При этом, чем больше сечение магнитопровода (сердечника 304), тем позднее наступает насыщение сердечника. При наличии постоянной составляющей тока в обмотке 301 насыщение сердечника 304 наступает раньше. Компенсационная обмотка 310 имеет такое же число витков, что и обмотка 303, но ток в ней течет встречно. Дроссель 312, вследствие своей большой индуктивности, исключает влияние компенсационной обмотки 310 на функционирование блокинг-генератора, а конденсаторы 309 и 316 предотвращают возникновение пульсаций по цепи питания. В результате использования
такой схемы в цикле формирования импульса обратного хода насыщение сердечника 304 наступает значительно позже. Это позволяет уменьшить сечение сердечника в 2 раза при той же мощности источника питания. Несмотря на того, что вводится дополнительный элемент (дроссель 312), размеры блока 34 высоковольтного питания значительно снижаются.
На резисторе 320 и конденсаторе 318 выделяется напряжение Uoc, пропорциональное току через резистивный делитель 328. Блок обратной связи, реагируя на это напряжение Uoc и регулируя ток базы транзистора 306 поддерживает Uoc постоянным . Блок 34 обеспечивает напряжение питания ФЭУ около 1000 В с высокой стабильностью 0,1%.
Устройство работает следующим образом.
Объекты исследований (пробы воды или водных вытяжек, подготовленные с введением необходимых тест-объектов - люминесцентных бактерий в соответствии с рекомендациями 1) помещают в кюветное отделение 10. Вследствие изменения биолюминесценции пропорционально содержанию токсинов в пробах, сигнал с регистратора 11 слабых свечений также изменяется, что фиксируется ФЭУ 12.
Сигнал с ФЭУ 12 в виде импульсов отрицательной полярности поступает на вход усилителя 14, а после усиления - на информационный вход компаратора 16. Компаратор 16 формирует импульсы со стандартными уровнями, устанавливаемыми устройством 17 порогового уровня.
Эти импульсы поступают на счетный вход счетчика 20. Одновременно на второй вход логической схемы 18 2-Й подается импульсный сигнал, период следования которого равен ожидаемой длительности (0,5 - 2 мксек) одиночного импульса с выхода компаратора 16. В результате этого сливающиеся импульсы (что характерно при высокой светимости испытуемого объекта), разделяются во времени, и счетчик 20 регистрирует истинное число импульсов, чем обеспечивается линейность выходной характеристики.
Счетчик 20 подсчитывает количество импульсов за определенный, короткий, интервал времени, задаваемый микропроцессором 22, после чего обнуляется по сигналу управления, подаваемому на его управляющий вход 23. Интервал измерений At в режиме «ЛЮМИНОМЕТР составляет 1 сек, в режиме «КОНТРОЛЬ - 10 сек. В течение этого интервала счетчик 20 включается многократно на At, общее количество
импульсов подсчитывается микропроцессором 22, в процессе чего вычисляется общая сумма импульсов за временной интервал At. В начале каждого интервала At счетчик 20 обнуляется.
Далее, после подсчета количества импульсов в полученный результат из блока 28 памяти вводятся поправочные коэффициенты для линеаризации амплитудной характеристики выходной сигнал - светимость, которая однозначно связана с характеристикой светимость - содержание токсинов.
Принцип введения поправочных коэффициентов поясняется на фиг. 3, где показаны идеальная (линейная) и реальная характеристики «выходной сигнал - светимость. Видно, что реальная характеристика (показана пунктиром) значительно нелинейна, поэтому определение поправочных коэффициентов и последующая линеаризации является резервом повышения достоверности регистрации.
В процессе калибровки устройства от эталонного источника весь интервал возможных значений числа импульсов (в реализованном случае  имп/сек) разбивают на п диапазонов. В точках калибровки (на фигуре это; 10, 20, 30, 50, 75, 100 и т.д., единиц светимости, отн.ед.) определяют значения Un, соответствующие началу пго участка, значения Ьп, показывающие отклонение реальной характеристики от идеальной в точках калибровки, а также значения Кп, показывающие отклонение наклона реальной характеристики от 45° для п-го участка. Упомянутые поправочные коэффициенты (Un , bn, Kn) и соответствующие им номера интервалов заносят в блок 28 памяти. Эти коэффициенты учитываются в дальнейшем в процессе линеаризации характеристик выходного сигнала.
Необходимо отметить, что точность коррекции зависит от числа хранящихся коэффициентов, т.е. от числа участков, которыми представляется вся характеристика. Установлено, что для практических целей достаточно .
Поправочные коэффициенты устанавливаются индивидуально для каждого прибора экспериментальным путем с использованием калиброванного источника света и заносятся в программу микроконтроллера в виде таблицы, хранящейся в блоке 28 памяти. Приведенный алгоритм позволяет не только линеаризовать выходную характеристику, но и стандартизировать чувствительность устройства в целом, несмотря на разброс в параметрах используемых ФЭУ.
С началом работы (п. 1.0) производится эмуляция портов, таймера, установка признаков режимов ПК (периодичность контроля), констант t, q, z, с; проводится установка . Проводится контроль функционирования блока 28 памяти и выдача сообщения на индикатор 26 при отказе (п. 2.0).
На шаге (п.3.0) программы задается режим ЛЮМИНОМЕТР. Проводится выдача измеренного значения числа импульсов на индикатор 26 через параллельный порт 21.
Далее, на следующем шаге (п.4.0) определяется, нажата ли какая-либо из кнопок блока 24 ввода, а также каково состояние признака периодического контроля (ПК). При отрицательном результате и  программа возврашается к шагу (п.3.0). При отрицательном результате и , то режим «ЛЮМИНОМЕТР выключается. Проводится подсчет общего количества импульсов 1о за N циклов (п. 4.11). Далее проводится коррекция значения IQ с учетом корректирующих коэффициентов, содержащихся в блоке 28 памяти (п. 5.12).
Сначала определяется номер п интервала значений, в который попало значение 1о путем сравнения 1о с рядом значений Un из блока 28 памяти. Затем проводится считывание из блока 28 памяти коэффициентов Un, bn, Kn для найденного значения п.
После этого вычисляется скорректированное значение Io по формуле:
К„(1„ -и„) + (Ь„ + и„)(1)
и проводится выдача скорректированного значения Io в последовательный интерфейс 30 и через параллельный порт 21 на индикатор 26. Кроме того, проводится установка признаков режимов и коэффициентов ,  (п.4.13).
При положительном результате шага п. 4.0 («ДА) программа переходит на следующий шаг (п. 5.0), на котором проводится анализ вида нажатой кнопки.
В соответствии с выбранной схемой патентуемого устройства предусматривается, что может быть активирована только одна кнопка из 5-ти имеющихся: ЛЮМИНОМЕТР, КОНТРОЛЬ, ПРОБА, ТОКСИЧНОСТЬ, РЕЖИМ.
Если активирована кнопка ЛЮМИНОМЕТР (п. 5.1), то программа возвращается к шагу (п. 3.0).
Если активирована кнопка КОНТРОЛЬ (п. 5.2), то производится выдача синхроимпульсов N раз (по умолчанию ) для запуска режима ЛЮМИНОМЕТР, вследствие чего режим «ЛЮМИНОМЕТР выключается.
Далее программа работает аналогично шагам п. 4.11 - 4.13. Проводится подсчет общего количества импульсов 1о за N циклов (п.5.21). Далее проводится коррекция значения 1о с  корректирующих коэффициентов, содержащихся в блоке 28 памяти (п. 5.22).
Сначала определяется номер п интервала значений, в который попало значение 1о путем сравнения 1о с рядом значений Un из блока 28 памяти. Затем проводится считывание из блока 28 памяти коэффициентов Un , bn, Kn для найденного значения п.
После этого вычисляется скорректированное значение Io по формуле (1) и проводится выдача скорректированного значения Io в последовательный интерфейс 30 и через параллельный порт 21 на индикатор 26. Кроме того, проводится установка признаков режимов, коэффициентов ,  (п.5.23).
Если активирована кнопка ПРОБА (п. 5.3), то производится выдача синхроимпульсов для режима ЛЮМИНОМЕТР N раз (по умолчанию ). Проводится подсчет общего количества In импульсов за N циклов (п.5.31). Далее проводится коррекция значения In с учетом корректирующих коэффициентов, содержащихся в блоке 28 (п. 5.32) по формуле:
In К„(1п -и„) + (Ьп + и„)(2)
и выдача скорректированного значения In в последовательный интерфейс 30 и через параллельный порт 21 на индикатор 26. Проводится установка коэффициентов ,  (п.5.33).
Если активирована кнопка ТОКСРИНОСТЬ (п.5.4), то проводится анализ значения признака режима q (п. 5.41). При  (п.5.42) проводится вычисление токсичности nt по формуле:
П, (f о - InXio  100 , где: t - номер отсчега П.(3)
Затем проводят увеличение номера отсчета t на 1 (если t  3, то ). Затем осуществляется выдача значения nt на индикатор 26 и в последовательный интерфейс 30 (п.5.43) и операция инвертирования признака q, установка коэффициентов ,  (п.5.44).
При  (п. 5.45) проводят вычисление гамма-функции Г по формуле:
r(I -lnXlV,(4)
гс&1 Id
Если активирована кнопка РЕЖИМ (п.6.0) проводится анализ предыдущих состояний и анализ признаков режимов: t, z, с (п. 6.1).
На шаге п. 6.11 программы при ,  проводится вьиисление усредненной токсичности Пер по формуле: Пер  (П1 +П2 +Пз): 3. Затем производится выдача значения Пер на индикатор 26 и в последовательный интерфейс (п.6.12) и установка , ,(n.6.13).
На шаге п. 6.2 программы при  проводится увеличение числа N в 2 раза (при ,  то ) и вьщача значения N на индикатор 26.
На шаге п. 6.3 программы при значениях признаков режимов , ,  и при , проводится переход на режим ПЕРИОДИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ и возврат программы на шаг 4.11.
В результате испытаний патентуемого изобретения в люминометрах серии «БИОТОКС установлено, что в результате коррекции выходная характеристика прибора приближается к линейной с высокой точностью (не хуже 1,0 % в диапазоне до 10000 ед. по показаниям прибора LKB (Финляндия)), а сам люминометр характеризуется повышенной помехозашишенностью, надежностью и меньшим весом.
Промышленная применимость. В качестве фотоэлектронного умножителя может быть использован прибор типа ФЭУ 86, усилитель может быть реализован, например, на микросхеме типа К574УД1 А. В качестве микропроцессора может быть использован микроконтроллер типа Z80 фирмы Zilog или другой аналогичный с параметрами: тактовая частота  4 МГц, число разрядов шины данных  8, число разрядов адресной шины  16.
Блок памяти 28 может быть реализован на микросхемах типа 2764 или аналогичных. В качестве компьютера 32 может быть использован любой ШМ совместимый компьютер с СОМ портом (интерфейсом RS232).