УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Полезная модель относится к лабораторной медицинской технике и может быть использована для исследования физико-химических, оптических свойств, а также оценки динамики протекания биофизических и биохимических процессов в жидких биологических средах.
Протекание биологических процессов связано со многими физическими и химическими явлениями. В частности: изменением механико-динамических свойств, электропроводности, дисперсности среды, поверхностной энергии отдельных клеток и растворов, изменением температуры и оптико-спектральных характеристик пробы. Эти явления могут быть зарегистрированы физическими методами и лежат в основе исследований биологических сред.
Известно устройство, для определения физических свойств, а в частности, поверхностной энергии биологических клеток по изменению краевого угла смачивания капли исследуемой биологической жидкости, выбранный в качестве прототипа [Иммунология. Методы исследования. Под ред. И. Лефковитса, Б. Перниса. Пер. с англ., М. "Мир", 1983, стр. 152-154].
Устройство состоит из отдельных блоков, смонтированных на оптической скамье: фокусируемого источника света, регулируемой по x-y-z-направлениям горизонтальной поверхности, на которой в виде лежачей капли размещается проба исследуемой биологической жидкости, объектива с переменным фокусным расстоянием, призмы для отражения проецируемого луча света на экран из матового стекла для измерений. При этом угол смачивания измеряют по увеличенной проекции профиля капли на матовом экране.
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений, обусловленная тем, что определение краевого угла смачивания
производится визуально, при этом уменьшается объективность и ценность данных. Кроме того, ограничено время исследования за счет испарения исследуемой капельной пробы.
Задачей полезной модели является повышение точности измерений, уменьшение скорости испарения исследуемых проб, расширение числа регистрируемых физических параметров капельных проб биологических жидкостей.
Предлагаемое устройство, как и прототип, содержит горизонтальную поверхность для размещения на ней в виде лежачей капли исследуемой пробы и систему для получения изображения боковой проекции этой капли.
В отличие от прототипа, горизонтальная поверхность для размещения капельных проб выполнена в виде пластинки из гидрофобного, прозрачного материала и помещена в рабочий объем камеры первичного преобразователя, изолированный от воздействия внешней среды, между вертикально соосно расположенными источником и приемником оптического излучения (измерительный оптический канал). Причем, источник оптического излучения расположен под капельной пробой, а приемник оптического излучения - над ней. Источник оптического излучения связан с источником стабильного тока, который подключен к источнику питания, а приемник оптического излучения через усилитель фототока, связанный с источником питания, подключен к регистрирующему устройству. В боковую стенку камеры первичного преобразователя встроен объектив видеокамеры, расположенный на одной горизонтальной оси с лежачей каплей исследуемой пробы и сфокусирован на ней. Видеокамера подключена к персональному компьютеру. В камере первичного преобразователя размещены термодатчик и нагревательный элемент, которые соединены с блоком терморегуляции, подключенным к источнику питания, а так же испаритель воды.
В качестве испарителя воды используется гигроскопичный материал, наклеенный на внутреннюю поверхность камеры первичного
преобразователя, нижний край которого через щель опущен в канал с водой соединенный с внешним сосудом для его заправки.
Использование для получения изображения капли видеокамеры, с передачей информации на компьютер, дает возможность автоматизированной обработки изображения профиля капли, что соответственно повышает точность и объективность измерений. Размещение капельных проб в камере первичного преобразователя с повышенной влажностью и стабилизированной температурой уменьшает их скорость испарения, и способствует увеличению точности и повторяемости показателей, получаемых при исследовании. Кроме того, уменьшение испарения проб позволяет увеличить время наблюдения и соответственно имеется возможность оценивать динамику происходящих в пробах процессов. Введение вертикального измерительного оптического канала, обеспечивает получение дополнительной информации об оптических свойствах исследуемой пробы.
На фиг.1 показана структурная схема устройства для исследования физических свойств биологических жидкостей.
На фиг.2 представлена конструкция камеры первичного преобразователя устройства для оценки физических свойств биологических жидкостей.
Устройство (фиг.1) состоит из камеры первичного преобразователя 1 (ПП), включающей вертикально соосно расположенные источник оптического излучения 2 (ИИ) и приемник оптического излучения 3 (ПИ), между которыми размещена кювета с исследуемой капельной пробой жидкости 4 (ПР). В состав камеры первичного преобразователя 1 (ПП) входят так же термодатчик 5 (ТД) и нагревательный элемент 6 (НЭ). В боковую стенку камеры первичного преобразователя 1(ПП) встроен объектив видеокамеры 7 (ВК), сфокусированный на капельной пробе 4 (ПР). Видеокамера 7 (ВК) электрически связана с платой ввода видеоизображения персонального компьютера 8 (ПК). Кроме того, устройство включает:
источник стабильного тока 9 (ИСТ), подключенный к источнику оптического излучения 2 (ИИ); блок терморегуляции 10 (ТР), электрически связанный с термодатчиком 5 (ТД) и нагревательным элементом 6 (НЭ); усилитель фототока 11 (УС), электрически связанный с приемником оптического излучения 3 (ПИ) и регистрирующим устройством 12 (РУ). Источник питания 13 (ИП) электрически подключен к блоку терморегуляции 10 (ТР), источнику стабильного тока 9 (ИСТ) и усилителю фототока 11 (УС).
На фиг.2 представлена конструкция камеры первичного преобразователя 1 (ПП), который выполнен в виде цельнометаллического корпуса 14 с выфрезерованной внутри полостью (рабочий объем) 15 для помещения кюветы 16. Рабочий объем 15 камеры первичного преобразователя 1 (ПП) изолирован от воздействия внешней среды откидной крышкой 17с герметизирующей прокладкой.
В корпусе камеры первичного преобразователя 1 (ПП) выполнен сквозной вертикальный канал, в верхней части которого, по отношению к рабочему объему 15 камеры первичного преобразователя 1 (ПП), на подвижном плунжере 18, с возможность вертикального перемещения в канале, помещен приемник оптического излучения 3 (ПИ). В канале нижней части корпуса камеры первичного преобразователя 1 (ПП) размещен, закрепленный на планшайбе 19 источник оптического излучения 2 (ИИ). Планшайба 19 удерживается тремя подпружиненными винтами 20, так же выполняющими функцию юстировки источника оптического излучения 2 (ИИ).
Выше источника оптического излучения 2 (ИИ) в горизонтальном пазу камеры первичного преобразователя 1 (ПП), расположен вращающийся на оси 21 диск 22, имеющий по своему периметру высверленные диафрагмирующие отверстия 23 диаметром от 1 мм до 5 мм. Диск 22 от самопроизвольного вращения в определенных положениях удерживается пружинным фиксатором 24.
Кювета 16 представляет собой металлическую пластинку с размерами, позволяющими ее точно фиксировать в рабочем объеме камеры первичного преобразователя 1 (ПП) и имеющую соосное с вертикальным каналом отверстие для размещения одноразовых вкладышей 25 из прозрачного инертного гидрофобного материала.
На внутренней задней стенке камеры первичного преобразователя 1 (ПП) приклеен гигроскопичный материал 26, нижний край которого опущен через щель в горизонтальный канал 27 с водой, соединенный с внешним сосудом 28 для заправки.
На внешней задней стенке камеры первичного преобразователя 1 (ПП) установлен нагревательный элемент 6 (НЭ). Термодатчик 5 (ТД) расположен в рабочем объеме камеры первичного преобразователя 1 (ПП) недалеко от капельной пробы жидкости 4 (ПР) и закреплен через специальное отверстие в верхней части корпуса камеры первичного преобразователя 1 (ПП).
В боковых стенках камеры выполнены: закрытое прозрачным стеклом 29 окно для наблюдения формы капли с помощью видеокамеры и окно из матового стекла 30 для освещения объекта при съемке.
В качестве источника оптического излучения 2 (ИИ) может быть использован светодиод или лазерный диод, с необходимыми для задач исследования спектральными характеристиками. Источник стабильного тока 9 (ИСТ) собран на операционном усилителе по одной из общепринятых схем [Гутиников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, с.61-84]. Приемником оптического излучения 3 (ПИ) может служить фотодиод или другое фоторегистрирующее устройство, воспринимаемый спектральный диапазон которого совпадает со спектральными характеристиками источника оптического излучения 2 (ИИ). Усилитель фототока 11 (УС) выполнен на операционном усилителе по схеме преобразования ток - напряжение, где фотодиод, используемый в качестве приемника оптического излучения 3 (ПИ), включен в фотогальваническом режиме. Усилитель фототока 11 (УС)
имеет возможность подстройки коэффициента усиления. В качестве термодатчика 5 (ТД) используется терморезистор, включенный в одно из плеч мостового измерительного преобразователя блока терморегуляции 10 (ТР), выполненного на операционном усилителе. Нагревательный элемент 6 (НЭ), проволочного типа, мощностью до 15 Вт, закреплен на задней стенке корпуса камеры первичного преобразователя 1 (ПП). Могут быть использованы и другие типы нагревателей. Регистрирующим устройством 12 (РУ) может быть цифровой вольтметр или любое другое устройство измерения и обработки, электрических медленно меняющихся сигналов. Источник питания 13 (ЮТ) выполнен по традиционной схеме с сетевым трансформатором и выходным стабилизированным напряжением±15 В. Персональный компьютер 8 (ПК) типа IBM PC, должен иметь плату ввода видеоизображения и соответствующее программное обеспечение.
При работе, в камеру первичного преобразователя 1 (ПП) при открытой крышке 17 на кювете 16 вводится точно дозированная капельная проба исследуемой биологической жидкости 4 (ПР), которую наносят с помощью пипеточного дозатора на поверхность прозрачного, гидрофобного вкладыша 25 расположенного в отверстии кюветы 16.
За счет работы блока терморегуляции 10 (ТР), управляемого сигналом термодатчика 5 (ТД), в камере первичного преобразователя 1 (ПП) поддерживается необходимая температура. В результате испарения дистиллированной воды с поверхности гигроскопичного материала 26, в рабочем объеме камеры первичного преобразователя 1 (ПП) создается атмосфера насыщенного пара, что устраняет высыхание исследуемой капельной пробой 4 (ПР).
Путем перемещения по вертикали плунжера 18, с размещенным на нем приемником оптического излучения 3 (ПИ), устанавливают последний на необходимом расстоянии от капельной пробы 4 (ПР). Вращением диска 22 с диафрагмирующими отверстиями 23, устанавливается необходимый диаметр потока зондирующего светового излучения от источника оптического
излучения 2 (ИИ). Пружинным фиксатором 24 осуществляется точная фиксация диска 22 в положении соответствующем выбранной диафрагме.
Первичная информация об оптических свойствах капельной пробы 1 (ПР) биологической жидкости получается при ее просвечивании световым потоком от источника оптического излучения 2 (ИИ). Прошедший через капельную пробу 4 (ПР) световой поток попадает на приемник оптического излучения 3 (ПИ). В связи с малой прозрачностью многих биологических жидкостей, электрические сигналы с приемника оптического излучения 3 (ПИ), как правило, имеют небольшую величину и необходимо предварительное усиление, выполняемое соответствующим усилителем фототока 11 (УС). В зависимости от оптической плотности биологической жидкости выбирают коэффициент усиления усилителя фототока 11 (УС). Далее усиленный электрический сигнал подается на регистрирующее устройство 12 (РУ), с которого снимаются показания, на основании которых судят об оптических свойствах капельной пробы 4 (ПР) и их изменении в результате протекания каких либо процессов в капельной пробе 4 (ПР).
Информация о геометрии капельной пробы 4 (ПР) регистрируется видеокамерой 7 (ВК) и передается через плату ввода видеоизображения в персональный компьютер 8 (ПК), где производится ее наблюдение, а так же дальнейшая обработка и сохранение. На основе полученного оцифрованного изображения проекции капельной пробы 4 (ПР) исследуемой жидкости, возможен автоматический анализ ее геометрических параметров, в том числе и угла смачивания.
Устройство позволяет исследовать оптические свойства проб и динамику протекания различных биологических и физико-химических процессов связанных с агрегации и седиментацией биологических клеток и других дисперсных частиц в жидких оптически прозрачных средах, а также ассоциировать их с изменением геометрии капли-пробы, которая фиксируется с помощью горизонтального видеоканала.