Устройство элементного экспресс-анализа волос человека методом лазерно-индуцируемой плазменно-эмиссионной спектроскопии и способ его осуществления
DEVICE FOR ELEMENTAL EXPRESS ANALYSIS OF HUMAN HAIR BY LASER-INDUCED PLASMA-EMISSION SPECTROSCOPY AND ITS IMPLEMENTATION METHOD

Устройство относится к измерительной технике медицинской элементологии, которая применяется для определения элементного состава волос, из каких химических элементов состоят волосы.
Уровень техники
Известно устройство для анализа элементного состава волос [№ RU 0002589960, https://patentscope.wipoJnt/search/ru/detail.isf?docId=RU175211120], включающее пилотный лазер для маркировки мишени, рабочий лазер для создания плазменного факела на поверхности мишени и спектрофотометрическое устройство для проведения спектрального анализа излучения плазменного факела, в котором мишень - анализируемый образец подвергается термическому воздействию с потерей летучих компонентов, выделяющихся при термической деструкции и независимого спектрального анализа этих газов с возбуждением их излучения плазматроном. Недостатками этого устройства являются невозможность его портативной реализации, длительное время проведения анализа, невозможность обеспечения аргоновой атмосферы в точке ввода лазерного луча в образец.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является описанное в патенте [№04108072634, https://patentscope.wipo.int/search/ru/detail.isf?docId=CN219525231&tab=NATIONALBIBLIQ&cidHP10-K8IZWP-96666-11] устройство анализа волос, включающее лазер, луч которого фокусируется для создания плазменного факела на поверхности мишени-образца волос, размещенных в специальной камере, и спектрофотометрическое устройство для проведения спектрального анализа излучения плазмы.
Недостатками этого устройства являются необходимость системы фокусировки, требуется срез волос пациента для анализа и размещение их в специальной камере, что затрудняет портативную его реализацию, увеличивает время проведения анализа, затрудняет обеспечение аргоновой атмосферы в точке ввода лазерного луча в образец.
Раскрытие сущности изобретения
Целью предлагаемого изобретения является сокращение времени пробоподготовки и анализа с возможностью экспресс-измерений во внелабораторных условиях. Поставленная цель достигается применением ручного портативного анализатора, предназначенного для анализа металлов и горных пород методом LIBS, зарегистрированного для анализа металлов [№64624-16, https://fgis.gost.rU/fundmetroloev/registrv/4/items/3783111] и устройства пробоподготовки волос с зажимным механизмом и защитой кожного покрова, устанавливаемого непосредственно на голове пациента.
Способ осуществления измерений элементного анализа волос предлагаемым устройством включает в себя калибровку спектрометра с помощью стандартных образцов, путем построения калибровочной кривой в программном обеспечении прибора, и количественный анализ с выбором полученной калибровки для проведения экспресс-анализа волос человека в аргоновой атмосфере.
Калибровка портативного спектрометрического анализатора Z300 проводилась на выборке измерений, проводимых на лабораторных спектрометрах более высокого класса точности (ICP MS Elan 9000 (PerkinElmer Sciex, США), ICP MS Nexion 300D (PerkinElmer)).
После калибровки по 10 образцам с результатами по содержанию какого-либо одного элемента в составе волос, выполнялось следующее (11-е) измерение и с учетом его результата пересчитывались среднее значение, дисперсия, доверительный интервал с заданной доверительной вероятностью, систематическая и случайная составляющая погрешности измерения, если результаты 11-го измерения удовлетворяли заданным требованиям, калибровка заканчивалась, в противном случае проводилось следующее измерение и пересчитывались соответствующие метрологические характеристики. В реальности было достаточно не более 20 образцов, по которым проводилась калибровка. Через каждые 50 измерений проводилось контрольное измерение на одном из эталонных образцов, и в случае выхода результата за пределы доверительного интервала, проводилась ревизионная калибровка. Причиной необходимости дополнительных калибровок чаще всего оказывалось оседание компонентов мишени из плазменного факела на входном окне анализатора.
Порядок действий для проведения экспресс-анализа:
1) Прядь волос протирается спиртовой салфеткой.
2) Применяется зажим для волос: устанавливается устройство пробоподготовки (с Фиг. 1 по Фиг. 4) с целью удержания волос в стационаром положении для измерения с защитой кожного покрова от сбоя работы лазера в спектрометре. Пучок волос на голове пациента пропускается сверху вниз за зажимным механизмом устройства пробоподготовки, огибает его снизу и, возвращаясь вверх, зажимается центральной пластинкой, так что получается участок этого пучка, который экспонируется для воздействия лазерным лучом в точке X.
3) Выходное окно из пирекс-стекла прижимается к пучку волос так, что луч лазера оказывается сфокусированным в точке X, куда подается аргон из отверстия, расположенного вблизи окна.
4) Нажимается кнопка запуска измерения на спектрометре.
5) После серии импульсов лазера прядь волос освобождается из зажима и визуальные негативные результаты воздействия лазера на пучок волос оказываются на стороне пучка, прилегающей к коже головы и невидимы снаружи.
Длительность экспресс-анализа одного образца на настроенном спектрометре не превышает 40 секунд.
описывается техническая проблема;
Актуальной задачей в области медицинской элементологии является определение химического состава волос, по которому можно сделать выводы об элементном статусе пациента и сделать необходимые назначения по его нормализации. Например, на предприятии с вредными условиями труда необходим регулярный контроль здоровья сотрудников, который можно осуществлять путем определения элементного состава их волос. В подобных случаях важными параметрами являются время анализа и портативность прибора для использования в цеховых условиях.
Спектрометр, применяемый в нашем способе, весит не более 3 кг, заряда каждой батареи хватает на 3-5 часов интенсивной работы, удобно помещается в одной руке и дистанционно передает данные измерений.
Приспособление пробоподготовки, применяемое в нашем способе, представляет собой зажимное устройство из трех пластинок, средняя из которых выполняет функцию поддержки области пучка волос при контакте с выходным окном лазерного спектрометра, и защиты кожного покрова головы от аварийного режима работы лазера, при котором длительность импульса может выходить за пределы пикосекундного диапазона Перечисленные свойства придают способу статус экспресс-анализа, а устройству для его осуществления портативность и возможность работы в полевых/цеховых условиях.
Дополнительным преимуществом перед аналогами является повышение точности анализа, достигаемое созданием аргоновой атмосферы в точке введения лазерного луча в образец без усложнения конструкции прибора с устройством пробопоготовки.
На оперативность проведения анализа влияет пробоподготовка образца и длительность самого анализа прибором. По нашему способу общее время анализа в среднем не превосходит 40 секунд. Это достигается следующим:
1) волосы фиксируются с помощью зажимного механизма (не происходит срезания волос);
2) выполняется экспресс обработка волос спиртовой салфеткой для удаления загрязнения;
3) анализ производится спектрометром, основанным на методе LIBS (с частотой 10 или 50 Герц для экспресс-анализа).
Достоинством способа является еще и то, что место воздействия лазерного излучения на волосах малозаметно - площадь воздействия лазера составляет не более 0,5 мм × 0,5 мм, таким образом, ни прическа и ни сами волосы не будут радикально испорчены. Однако для тонких волос темного цвета, на которых следы от лазера все же могут быть заметны, предусмотрено такое размещение пучка волос в зажимном механизме пробоподготовки, при котором эти следы остаются после снятия зажима обращенными к коже головы и незаметными извне. Также, центральная пластинка зажимного механизма пробоподготовки выполнена из стали, что предотвращает попадание луча лазера на кожу головы, поскольку анализ с лазерным воздействием на мишень проводится на участке пряди волос, который лежит поверх стальной пластинки.
Устройство (раскрытие сущности)
Устройство состоит из портативного ручного спектрометра, работающего по технологии лазерно-индуцируемой плазменно-эмиссионной спектроскопии и приспособления для пробоподготовки анализируемых волос непосредственно на голове пациента. Каждый из этих компонентов устройства является независимым и известным в своей области применения. Спектрометр зарегистрирован в реестре, как прибор для измерения элементного состава металлов и горных пород, а трехпластинчатый зажим применяется в качестве основы для так называемых заколок для волос. Оба эти компонента соединяются вместе на время измерения, так что участок пучка волос, лежащий поверх средней пластинки приспособления пробоподготовки, находится в контакте с выходным окном спектрометра, и пучок волос находится в фокусе лазерной системы без необходимости систем регулируемой фокусировки.
Именно сочетанное применение этих двух компонентов устройства обеспечивает:
1) возможность оперативного внелабораторного измерения элементного состава волос человека непосредственно на голове пациента;
2) отсутствие необходимости срезать образец волос для элементного анализа;
3) отсутствие необходимости помещения образца в специальную камеру пробоподготовки;
4) отсутствие необходимости автоматической или ручной фокусировки лазерного луча на образце, при размещении его в специальной камере;
5) отсутствие видимых следов лазерного воздействия на волосы после снятия приспособления для пробоподготовки с головы пациента;
6) защиту кожного покрова головы пациента от случайного нештатного режима работы лазера, при котором длительность лазерного импульса более чем на порядок превышает номинальную;
7) защита обеспечивается увеличенной толщиной средней металлической пластинки, которую применяемый в устройстве лазер не сможет пробить при любой реальной длительности импульса;
8) защиту волос пациента от визуальных следов повреждения лазерным лучом за счет специальной укладки пучка волос на центральной пластинке тыльной стороной, обращенной к окну спектрометра и выходу лазерного луча.
Описание чертежей:
Фиг. 1. Устройство зажима для волос.
Фиг. 2. Устройство зажима для волос - вид сбоку.
Фиг. 3. Устройство зажима для волос - с прядью волос.
Фиг. 4. Устройство зажима для волос - с внутренней стороны пряди волос.