БЕЗЛИНЗОВЫЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ОСМОМЕТР
LENS-FREE HOLOGRAPHIC OSMOMETER

Изобретение относится к области исследований физических и химических свойств вещества, а именно к способам и устройствам для измерения осмотического давления в жидких и частично упорядоченных средах [G01N13/04, G01L11/02, G03H1/00].
Из предшествующего уровня техники известны осмометры с оптоволокном и решеткой (плоской диафрагмой) [CN 2938032 Y, опубл.: 26.06.2006], [CN 201016745 Y, опубл.: 21.12.2006], содержащие передающий давление трансдьюсер и сенсорный элемент, контейнер с мембраной, направляющий штуцер (соединенный с контейнером и, соответственно, мембраной), манометрическую оптоволоконно-решеточную сборку или функционализированную решетку, причём один конец тракта закреплен на направляющем штуцере. Подобную конструкцию и те же принципы преобразования сигнала имеют все так называемые  «Брэгговские осмометры» или «осмометры с распределенным брэгговским отражателем (волоконной брэгговской решеткой)» в которых мембрана является сенсором давления, жидкость действует на мембрану, вызывая её деформацию, при вызываемом деформацией сжатии или растяжении решетки, в соответствии с законом Брэгга (условием Вульфа-Брэгга), изменяется длина волны излучения, поскольку меняется период решетки. Аналогичное происходит в случаях теплового изменения длины структуры, сдвигающего спектр отражения на решетке [CN101603873A, опубл.: 14.07.2009]. Технические различия осмометров этого типа заключаются в геометрии, схемах крепления деталей и типах уплотнения [CN104931190B, опубл.: 30.04.2009), но физические основы детектирования и преобразования осмотического давления в оптический сигнал для всех конструкций таких устройств идентичны.
Недостатки подобных технических решений заключаются в том, что использование волоконной брэгговской решетки может давать информацию о давлении и температуре, но не приводит к получению иных характеристик фазовых переходов в среде, и соответственно, не характеризует структуру фаз и кинетику превращений, не являясь позиционно-чувствительным методом.
Известны также оптические осмометры с оптоволоконным зондом и простой диафрагмой, освещаемой фокусируемым из оптоволоконного зонда светом, часть которого возвращается через данный зонд на оптический детектор. При прохождении реакции в камере, в которой находится диафрагма и в которую вводится оптоволоконный зонд, давление изменяется, что действует на диафрагму и модулирует световой поток, попадающий на детектор, пропорционально изменению давления, а изменение давления интерпретируется в математическом обеспечении метрологического процесса как мера концентрации анализируемого вещества в жидкости. Этот принцип оптической осмометрии, как правило, рассматривается как прототип оптических осмометров с оптоволоконной брэгговской решеткой [CN101603873A, 14.07.2009], поэтому обладает теми же недостатками, а именно не приводит к получению многих характеристик фазовых переходов в среде, не характеризует структуру фаз или кинетику превращений; не является позиционно-чувствительным методом. Этот метод также плохо работает для неньютоновских жидкостей, вязкость которых зависит от градиента скорости, особенно на скоростных режимах измерений, сопровождающихся реакционно-диффузионными процессами в осмометрируемой системе.
Известен также оптический осмометрический прибор для офтальмологических (лакримологических) исследований, основанный на принципах SPR (поверхностного плазмонного резонанса), предусматривающий забор пробы на кератоконъюнктивит (синдром сухого глаза) микропипеткой или иным зондом, после чего образец пробы с поверхности глаза наносится на чувствительную поверхность призмы, входящей в оптическую систему регистрации поверхностного плазмонного резонанса, данные с которой используются для компьютерно-опосредованного измерения осмолярности слезы [US20050159657A1, опубл.: 08.01.2004].
Исследования с использованием данного прибора также не являются позиционно-чувствительными (картирующими образец). Кроме того, недостатками такого типа приборов являются необходимость частой замены призмы (поверхностей), обусловленная связыванием жидкого аналита с металлом напыленного слоя призмы, обусловливающим сигналы поверхностного плазмонного резонанса, измерение свойств не нативного образца, а продуктов его сорбционного взаимодействия с активной поверхностью (металлом), отсутствие возможности объёмной характеризации образца, связанное с характером сорбционного взаимодействия, затрагивающим только поверхностный слой пробы; сравнительно узкая биохимическая специфичность метода, связанная с разработкой баз данных SPR для не исчерпывающего потребности практики числа аналитов и их неполной совместимости, связанной с спецификой различных методов измерения, в частности – отличиями конфигураций Отто и Кречмана.
Ещё одной разновидностью осмометров, совместимой с оптической техникой на этапе регистрации, является пленочный осмометр на чипе. Измерение осмолярности пробы осуществляется на чипе путем осаждения аликвоты образца на подложку, введения жидкости в зону образца субстрата, измерением энергетических свойств образца на чипе  [US7017394B2, опубл.: 06.08.2002]. Возможно совмещение электроимпедансных, криоскопических и оптических (в том числе – флуоресцентных) измерений одной дозы образца (<20 мкл) в чипе в синхронизированном режиме. Недостатками данного типа осмометров являются невозможность позиционно-чувствительных измерений в объёме пробы, невозможность установления колокализации импедансных, термических и оптико-флуоресцентных параметров в пространстве пробы, невозможность использования проточных методов анализа.
Наиболее близкими по технической сущности являются криоскопические осмометры с оптическим контролем, включающие видеомикроскоп с ПЗС-камерой и источником контрового освещения, выполненным в виде светодиода, между которыми располагается измерительная ячейка, фиксируемая в узле нагрева-охлаждения. Данная конфигурация позволяет визуализировать фазовые переходы (из жидкого в твердое состояние) и вводить их оптические (морфометрические) характеристики (дескрипторы) в память ПЭВМ, где с помощью специализированного программного обеспечения детектируется точка фазового перехода, что используется для определения точки плавления, которая, в свою очередь, используется для определения осмоляльности в ОСМОМЕТРЕ НАНОЛИТРОВОМ [US 20060245466 A1, опубл.: 27.04.2005].
Основной технической проблемой прототипа является низкая точность определения точки плавления (точки фазового перехода), обусловленная необходимостью ввода в схему криоскопического осмометра оптической схемы с объективом, на котором может конденсироваться влага из ячейки, невозможностью визуализации распределения фаз в трёхмерном формате в объёме ячейки, необходимостью фокусирования микроскопа для просмотра каждой отдельной структуры или уровня расположения поверхности образца, что влияет на качество обрабатываемого изображения.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в повышении метрологического качества и резольвометрических характеристик оптической безлинзовой регистрации свойств вещества при изменении их температуры.
Указанный технический результат достигается за счет того, что безлинзовый голографический осмометр, содержащий емкость для криоскопа для размещения внутрь нее образца, блок охлаждения и термоциклирования с датчиком температуры, источник излучения и блок управления блоком охлаждения и термоциклирования и источником излучения, отличается тем, что под прозрачной емкостью с образцом смонтирована позиционно-чувствительная матрица таким образом, чтобы свет от источника излучения, смонтированного над емкостью и проходящего через упомянутую емкость падал на позиционно-чувствительную матрицу и обеспечивал голографическую проекцию структуры кристаллизуемого образца на позиционно-чувствительную матрицу в режиме безлинзовой микроскопии, блок охлаждения и термоциклирования смонтирован вокруг емкости с возможностью обеспечения через боковые стенки емкости необходимого термоцикла для образца, помещенного в емкость, а источник излучения подвижно смонтирован на гониометрической шкале с возможностью подвижного позиционирования источника излучения по отношению к образцу в емкости, при этом ориентация геометрической шкалы не препятствует формированию в плоскости проекции пучка от источника излучения голограммы при различных по последовательности точек регистрации режимах перемещения источника излучения и сканирования образца.
В частности, блок охлаждения и термоциклирования выполнен в виде твердотельного элемента, например, элемента Пельтье.
В частности, блок охлаждения и термоциклирования выполнен в виде элемента, основанного на принципах лазерного нагрева и охлаждения твердых тел.
В частности, блок охлаждения и термоциклирования выполнен в виде жидкостного охладителя, например, микрофлюидного элемента.
В частности, источник излучения для регистрации объёмных характеристик кристаллизующегося и плавящегося в ходе термоциклирования компонента в составе образца выполнен в виде полупроводникового лазерного источника перестраиваемой мощности, обеспечивающего локальный лазерный нагрев.
В частности, источник излучения выполнен в виде одиночного лазера либо матрицы нескольких лазеров с различной длиной волны, обеспечивающих голографирование образца для нескольких спектральных диапазонов, соответствующих спектрам компонент образца.
В частности, источник излучения выполнен в виде одиночного светодиода или матрицы светодиодов с высокой коллимацией и острой диаграммой направленности при одной или нескольких длинах волн.
В частности, гониометрическая шкала может быть выполнена в форме транспортира, при этом движение производится вокруг оси, лежащей в зоне проекции на плоскости позиционно-чувствительной матрицы.
В частности, гониометрическая шкала выполнена в виде многоосной системы, обеспечивающей проекцию структур образца на позиционно-чувствительную матрицу с центром симметрии в плоскости расположения упомянутой матрицы.
В частности, градация гониометрической шкалы отличается от линейной.
На фигуре показано схематичное изображение безлинзового голографического осмометра, реализующего способ измерения осмотического давления, на котором показано: 1 – емкость криоскопа, 2 – блок охлаждения и термоциклирования образца, 3 – регулятор температуры, 4 – позиционно-чувствительная матрица, 5 – источник излучения, 6 – гониометрическая шкала, 7 – блок управления, 8 – температурный датчик, 9 – угловые позиции источника света.
Осуществление изобретения.
Безлинзовый голографический осмометр для измерения измерения осмотического давления, содержит прозрачную емкость криоскопа 1, блок охлаждения и термоциклирования 2, регулятор температуры 3, позиционно-чувствительную матрицу 4, по крайней мере, один источник излучения 5, смонтированный на гониометрической шкале 6, блок управления 7 и, по крайне мере, один температурный датчик 8.
Блок охлаждения и термоциклирования 2 смонтирован вокруг боковых стенок емкости криоскопа 1 и выполнен, в виде твердотельного элемента, например, элемента Пельтье. В одном из вариантов реализации блок охлаждения и термоциклирования 2 выполнен в виде элемента, основанного на принципах лазерного нагрева и охлаждения твердых тел. В другом варианте реализации блок охлаждения и термоциклирования 2 выполнен в виде жидкостного охладителя, например, микрофлюидного элемента.
Позиционно-чувствительная матрица 4, выполненная в виде КМОП-матрицы, ПЗС-матрицы, болометрической матрицы, сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора и т.д., смонтирована под емкостью криоскопа 1 таким образом, чтобы свет от источника излучения 5, смонтированного над позиционно-чувствительной матрицей 4, проходящий через упомянутую емкость 1, падал на позиционно-чувствительную матрицу 4.
Источник излучения 5 выполнен в виде одиночного лазера либо матрицы нескольких лазеров с различной длиной волны, обеспечивающих голографирование образца для нескольких спектральных диапазонов, соответствующих спектрам компонент образца. В другом варианте реализации источник излучения 5 выполнен в виде одиночного светодиода или матрицы светодиодов с высокой коллимацией и, соответственно, острой диаграммой направленности при одной или нескольких длинах волн.
Источник излучения 5 подвижно смонтирован на гониометрической шкале 6, смонтированной над поверхностью позиционно-чувствительной матрицы 4.
Гониометрическая шкала 6 выполнена с возможностью подвижного позиционирования  источника излучения 5 по отношению к образцу в емкости криостата 1 и может быть выполнена в форме транспортира, при этом движение производится вокруг оси, лежащей в зоне проекции на плоскости позиционно-чувствительной матрицы 4. В другом варианте реализации гониометрическая шкала 6 выполнена в виде любой многоосной системы, обеспечивающей проекцию структур образца на позиционно-чувствительную матрицу 4 с центром симметрии в плоскости расположения упомянутой матрицы 4. Гониометрическая шкала 6 может иметь любую ориентацию, не препятствующую формированию в плоскости проекции пучка от источника излучения 5 как осевой, так и внеосевой голограммы при различных по последовательности точек регистрации режимах перемещения источника излучения 5 и сканирования образца.
Позиционно-чувствительная матрица 4 подключена к блоку управления 7, выполненному с возможностью сбора и обработки данных с позиционно-чувствительной матрицы 4, в частности, для восстановления голографических картин структуры образца по последовательным файлам сканирования источником излучения 5 в отличных друг от друга угловых позициях источника света 9, а также формирования управляющих сигналов на регулятор температуры 3 в зависимости от изменения структуры образца, кристаллизируемого и термоциклируемого в емкости криоскопа 1 под контролем температурного датчика 8, выполненного например, в виде пленочного термосенсора, смонтированного в емкости криоскопа 1. Температурный датчик 8, регулятор температуры 3 и блок охлаждения и термоциклирования 2 также подключены к блоку управления 7.
Измерение осмотического давления безлинзовым голографическим осмометром осуществляют следующим образом.
В прозрачную емкость криоскопа 1 безлинзового голографического осмометра, расположенную над плоскостью проекции позиционно-чувствительной матрицы 4, после калибровки последней по пустой емкости криоскопа 1, вносят образец вещества. После внесения пробы вещества в блоке управления 7 задают для регулятора температуры 3 температурные режимы, по которым блоком для охлаждения и термоциклирования 2 охлаждают или термоциклируют образец.
По результатам процессов охлаждения и термоциклирования образца с помощью температурного датчика 8 фиксируют температуры замерзания аналитов в режиме криоскопии и данные об осмоляльности в режиме осмометрии, причём температуру замерзания образца детектируют блоком управления 7 по формированию кристаллов в емкости криоскопа 1, визуализируемых в различных режимах сканирования и голографической проекции образца на плоскости позиционно-чувствительной матрицы 4 источником излучения 5, движущимся по гониометрической шкале 6 или матрицей источников излучения 5 того же типа в нескольких дискретно-стационарных позициях 8.
Для реализации режимов криоскопии или режимов осмометрии по Пфефферу для взаимной валидации коэффициента Вант-Гоффа морфометрируют изменения объёма мембранных чувствительных элементов (оболочек) в криоскопе 1 по морфометрии предварительно загруженных в упомянутую емкость 1 мембранных оболочек, эквивалентных полупроницаемым пленкам или мембранам в осмометрии по Пфефферу и осмотически-активной среды. Позиционно-чувствительная матрица 4 в этом случае работает как безлинзовый микроскоп, причём положение и конфигурация мембранных оболочек независимы от положения источника излучения 5, но находятся в пределах поля зрения безлинзового микроскопа.
Данный принцип регистрации позволяет детектировать характеристики фазовых переходов, сопутствующих осмотическим (осмометрируемым) изменениям в образце и вводить их комплексные (как оптические, так и неоптические) морфометрические характеристики (дескрипторы) в память блока управления 7, где, с использованием известных дескрипторов детектируют точки фазового перехода и характер указанного перехода. Например, для большинства фазовых переходов II рода может быть интересен переход через точку Кюри, в частности – при облучении источником когерентного излучения, особо – при скачкообразном изменении свойств электрической и магнитной симметрии в сегнетоэлектриках и ферромагнетиках, у антиферромагнетиков также может быть интересен переход через точку Нееля, т.е. антиферромагнитную точку Кюри, что используют для идентификации дополнительных параметров точки фазового перехода (точки плавления), которую, в свою очередь, используют при определения осмоляльности. При этом, за счет использования тонких пленок, не препятствующих голографическим режимам в заданной полосе частот (длин волн), данные измерения могут быть локализованы на единой позиционно-чувствительной матрице гибкой конфигурации без внедрения электродов и иных дополнительных датчиков, препятствующих визуализации образца.
Технический результат - повышение метрологического качества и резольвометрических характеристик оптической безлинзовой регистрации свойств образца вещества при изменении его температуры, достигается за счет картирования множества свойств образца в процессе детектирования температуры образца путем визуализации в объёмном формате образца, помещенного в емкость криоскопа 1 за счет безлинзовой голографической проекции образца на плоскости позиционно-чувствительной матрицы 4 проходящим через объем образца, в том числе и через тонкопленочные элементы, помещенные в указанный объем, когерентным или частично когерентным источником излучения 5, движущимся по гониометрической шкале 6 или матрицей источников излучения 5 того же типа в нескольких угловых позициях источника света 9, при этом точность измерений ограничена лишь разрешающей способностью позиционно-чувствительной матрицы 4. При этом, если говорить о возможностях картирования множества свойств образца в процессе детектирования температуры образца путем визуализации в объёмном формате образца, то, очевидно, что изменяется не только резольвометрическая характеристика изображения (сепарабельно по каждому из свойств (каналов), но и общее метрологическое качество и возможность кросс-калибровки (кросс-валидации) измерений.
Испытания безлинзового голографического осмометра автором изобретения позволили не только визуализировать структуры кристаллизующегося образца или мембранных оболочек с позиционной и угловой чувствительностью в голографической визуализации без использования оптического тракта, но и сопоставить результаты измерений в криоскопическом и Пфефферовском осмометрическом режимах, а также установить колокализацию и корреляцию различных переменных в фазовой структуре исследуемой среды при различных эффективных концентрациях растворенного вещества и температурах замерзания растворов, что подтверждает достижение технического результата.