ДИХРОМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА В ЖИДКОСТЯХ, ГЕЛЯХ И ПЛЕНКАХ

Настоящая полезная модель относится к медицинской технике и биотехнологиям, а более конкретно - к устройствам для определения в анализируемой жидкости биологически активного вещества (далее БАВ), реализующим биосенсорные технологии определения БАВ, и может быть использована в медицинской и клинической биохимии, а также в молекулярной фармакологии при исследовании фармако-кинетики биологически активных соединений, в фармацевтической промышленности и экологии, и наиболее эффективно - в клинической биохимии.
Известны различные устройства, реализующие биосенсорные технологии, основанные на регистрации оптических сигналов биологически активных веществ, проявляющих аномальный круговой дихроизм в анализируемых жидкостях
-7
Известен спектрополяриметр фирмы Jasco Corporation, Япония (Jasco J-710/720 Spectropolarimeter, Instruction Manual), содержащий источник светового излучения, селектор, поляризатор, модулятор поляризации, ячейку с исследуемой пробой, фотодетектор, синхронный усилитель, усилитель постоянного тока, компьютер, в котором регистрируют величину кругового дихроизма (далее КД), пропорциональную концентрации БАВ в пробе. Однако отсутствие режима накопления сигнала, а значит, недостаточная чувствительность определения БАВ (10 моля), большие вес, габариты и энергопотребление, высокая стоимость прибора, отсутствие мобильности приводят к ограничению области применения указанного спектрополяриметра.
Известно устройство для определения биологически активного вещества в анализируемой жидкости (RU, 2107280, С1), содержащее источник светового излучения, селектор, поляризатор, модулятор поляризации, ячейку для размещения исследуемой пробы, содержащей биодатчик на основе холестерической жидкокристаллической дисперсии ДНК (далее ХЖКД ДНК) в контакте с анализируемой жидкостью, фотодетектор, синхронный усилитель, средство обработки сигнала, блок управления. Однако к недостаткам этого устройства можно отнести неустойчивую работу модулятора поляризации фотоэластического типа из-за возможного его смещения, а также влияние электронной схемы возбуждения модулятора на другие системы устройства, что понижает чувствительность регистрации КД, и, соответственно, измерения концентрации БАВ. Кроме того, использованная в указанном устройстве конструкция ячейки для размещения пробы не исключает возможность температурного дрейфа оптических характеристик материала кюветы и, соответственно, сигнала КД пробы. К аналогичному дрейфу приводит и усиление результирующего сигнала КД по постоянному току в тракте синхронного усилителя. При этом наличие в последнем аналогового фильтра низких частот существенно снижает возможности дальнейшей обработки полезного сигнала из-за ограниченного набора постоянных времени фильтра. К недостаткам устройства можно отнести также сложный в изготовлении и настройке электродинамический привод (позиционного типа) поворота дифракционной решетки селектора.
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели дихрограф для определения биологически активного вещества в анализируемой жидкости (DE, 10035709, С2), также служащий для реализации биосенсорного способа определения БАВ в жидкости и содержащий установленные последовательно: источник светового излучения, селектор, поляризатор, модулятор поляризации, ячейку для размещения пробы, содержащей биодатчик на основе ХДКЖ ДНК и анализируемую жидкость, деполяризатор, фотодетектор, цифровую систему регистрации, средство для обработки сигнала, блок управления.
Проходя через исследуемую пробу, проявляющую свойства аномального кругового дихроизма, световой поток становится модулированным по интенсивности, благодаря чему на выходе фотодетектора возникает электрический сигнал, переменная составляющая которого на частоте модуляции поляризации излучения пропорциональна величине сигнала КД. Затем сигнал поступает на вход цифровой системы регистрации и после усиления, фильтрации и преобразования в цифровой код поступает в компьютер. Интерфейсная плата на основе микроконтроллера осуществляет необходимое взаимодействие всех узлов прибора, сбор и предварительную обработку сигнала КД, передачу данных в компьютер, а также тестирование параметров всех систем дихрографа.
Управление работой описанного выше дихрографа осуществляется с помощью программного пакета, осуществляющего различные режимы работы биосенсора и поддерживающего библиотеку методик для определения различных БАВ, благодаря чему пользователь имеет возможность выбрать из меню то вещество, определение концентрации которого требуется в данный момент, после чего программа в режиме диалога «ведет» исследователя через все действия, предписанные методикой, и выдает результат в виде значения концентрации в исследуемом образце выбранного соединения.
Однако в указанном дихрографе неоптимальная конструкция источника светового излучения приводит к образованию озона внутри спектрального блока дихрографа в диапазоне УФ излучения вблизи 200 нм. Электродинамический привод (позиционного типа) поворота дифракционной решетки селектора является нетехнологичным. Недостаточно высока стабильность характеристик и устойчивость к внешним воздействиям фотоэластического модулятора поляризации. Наличие паразитного сигнала КД из-за напряжений в окнах оптической кюветы с исследуемой пробой и несовершенство узла фиксации ячейки, а также избыточные шумы в канале регистрации КД приводят к недостаточной надежности и стабильности результатов измерений сигнала КД. Наличие отдельного блока термостатирования ячейки с пробой приводит к громоздкости дихрографа.
-9
В основу создания настоящей полезной модели была положена задача создания дихрометра для определения БАВ в анализируемых жидкостях, гелях и пленках, позволяющего повысить точность и воспроизводимость измерения сигнала КД, и, следовательно, создать условия для более высокой точности определения концентраций БАВ, в том числе ультранизкой концентрации (до ~10 моля), в любых анализируемых жидкостях, в том числе биологических жидкостях, таких, как плазма крови, цельная кровь и других, с использованием биодатчиков любого типа, в том числе, размещенных в жидкости, в геле или пленке.
Поставленная задача была решена созданием технического решения полезной модели дихрометра с вертикальным ходом луча для определения биологически активного вещества в жидкостях, гелях и пленках с помощью биодатчика, содержащего чувствительный элемент, проявляющий круговой дихроизм, содержащий размещенные последовательно оптически соединенные:
- источник широкополосного светового излучения;
- селектор, приспособленный для формирования световых потоков с длинами волн, соответствующих области оптической активности определяемого вещества в анализируемой жидкости и биодатчика, проявляемой в спектре их кругового дихроизма;
- поляризатор, приспособленный для формирования линейно поляризованного светового потока;
- модулятор поляризации, приспособленный для преобразования указанного линейно поляризованного светового потока в циркулярно поляризованный световой поток с периодически изменяющимся направлением вращения вектора поляризации;
- устройство для размещения анализируемой пробы в оптически проницаемой кювете в контакте с биодатчиком;
- фотодетектор, приспособленный для регистрации оптических сигналов кругового дихроизма анализируемой жидкости и биодатчика и преобразования их в пропорциональный электрический сигнал;
- цифровую систему регистрации, приспособленную для накопления, выделения и усиления указанного электрического сигнала и преобразования его в цифровую форму;
- средство обработки полученного электрического сигнала и вычисления концентрации биологически активного вещества и управления, приспособленное для осуществления взаимодействия всех элементов устройства и выработки питающих напряжений,
- содержит спектральную щель, приспособленную для выделения светового узлучения;
и при этом в качестве модулятора поляризации содержит модулятор поляризации фотоэластического типа, имеющий два бруска из кварца, соединенных торцами между собой с помощью клеевого соединения, размещенных на двух опорах в узлах продольных колебаний стоячей волны и зафиксированных штифтами, входящими в углублениях указанных брусков, выполненных в местах расположения узлов продольных колебаний, и при этом один брусок выполнен из кристаллического кварца, а другой брусок выполнен из плавленого кварца,
в котором:
- источник светового излучения содержит ксеноновую лампу, обеспечивающую расширенный в области УФ излучения диапазон длин волн и выполненную с возможностью обеспечения ее оптимального температурного режима с повышенным выходом УФ излучения, при этом указанная ксеноновая лампа в области ее активной зоны снабжена дополнительным наружным корпусом, выполненным из непроницаемого для излучения материала и имеющим оптически прозрачное окно, и размещена с минимальным зазором в указанном дополнительном корпусе лампы, а источник светового излучения содержит устройство воздушного охлаждения наружной поверхности указанного дополнительного корпуса лампы.
- в качестве селектора содержит селектор на основе монохроматора Черни-Тернера с компенсацией комы, модифицированный путем размещения дифракционной решетки монохроматора на удвоенном фокусном расстоянии от его зеркал, шаговый привод дифракционной решетки и содержит микроконтроллер, обеспечивающий программируемое выполнение шаговым приводом команд управления, включая инициализацию, ускоренное перемещение в заданную позицию, равномерное перемещение в заданном диапазоне;
- содержит спектральный фильтр, приспособленный для поглощения излучения второго порядка отражения указанной дифракционной решетки селектора;
- оптически проницаемая кювета для анализируемой пробы выполнена с возможностью размещения в ней жидкости, геля, пленки;
- устройство для размещения анализируемой пробы выполнено с возможностью размещения кюветы в горизонтальном положении, обеспечивающем прохождение светового потока через кювету снизу вверх;
- поляризатор выполнен в виде прямоугольной призмы полного внутреннего отражения и приспособлен для формирования направленного снизу вверх вертикального светового потока,
- модулятор поляризации размещен так, что рабочие оптические грани кварцевых брусков модулятора горизонтальны, и содержит стабилизатор рабочего тока модулятора;
- спектральная щель установлена за модулятором поляризации;
- фотодетектором служит фотоэлектронный умножитель, обращенный светочувствительной поверхностью к горизонтальной поверхности кюветы в месте выхода из нее светового потока;
и при этом указанный поляризатор, модулятор поляризации и указанная выходная щель конструктивно объединены в один блок, приспособленный для формирования поляризованного по кругу светового потока в виде вертикального пучка с каустикой в месте пропускания через размещенную в указанной кювете анализируемую пробу/
При этом, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы оптические устройства, включая выходное зеркало источника излучения, спектральный фильтр, селектор, поляризатор, и модулятор поляризации, были размещены в одном корпусе, обеспечивающем защиту от внешних воздействий и возможность его вакуумирования или заполнения газообразной средой, не поглощающей УФ излучение.
При этом, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы в качестве указанной газообразной среды герметичный корпус содержал инертный газ, предпочтительно, азот.
Кроме того, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы устройство для размещения анализируемой пробы было приспособлено для размещения в нем кюветы, выполненной в виде микроплаты с лунками, имеющими дно, выполненное из оптически прозрачного материала с минимальным остаточным дихроизмом, и при этом снабжено устройством двухкоординатного перемещения указанной микроплаты в горизонтальной плоскости.
При этом, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы функции указанного средства обработки и управления выполнял компьютер с программным обеспечением, обеспечивающим обработку полученных электрических сигналов, визуальное отображение результатов измерения на экране, сохранение и документирование результатов измерений, выполнение различных действий по обработке экспериментальных результатов, включая сглаживание, накопление, сравнение с другими результатами, калибровку, тестирование и диагностику аппаратной и программной частей дихрометра, а также определение наличия определяемого биологически активного вещества, вычисление его концентрации и управление всеми другими функциональными устройствами дихрометра.
При этом, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы дихрометр был приспособлен для функционирования с внешним компьютером или со встроенным компьютером по интерфейсу USB.
Кроме того, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы дихрометр был выполнен в модульном варианте исполнения и содержал функциональные модули: модуль источника светового излучения, модуль оптического фильтра, модуль поворота дифракционной решетки, модуль модулятора поляризации, модуль фотоумножителя, модуль цифровой системы регистрации, и при этом указанные модули содержали управляющие устройства, обеспечивающие управление указанными модулями в согласованных режимах.
При этом, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы указанные управляющие устройства были выполнены в виде микроконтроллеров, приспособленных для связи между собой и с блоком управления с помощью стандартного интерфейса типа I 2С.
При этом, согласно техническому решению полезной модели, возможно, чтобы модуль цифровой системы регистрации содержал микроконтроллер, обеспечивающий выполнение необходимых операций микроконтроллерами других функциональных модулей, первичную обработку сигнала, передачу его по интерфейсу USB во внешний или встроенный компьютер, прием и передачу команд компьютера другим функциональным модулям.
При этом, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы дихрометр был размещен в портативном корпусе.
В дальнейшем дихрометр с вертикальным ходом луча для определения биологически активного вещества в жидкостях, гелях и пленках с помощью биодатчика, содержащего чувствительный элемент, проявляющий круговой дихроизм, выполненный согласно техническому решению полезной модели, поясняется приведенными примерами его конструктивного выполнения и применения и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 - блок-схема дихрометра согласно техническому решению полезной модели;
Фиг.2 - схема выполнения источника светового излучения с ксеноновой лампой согласно техническому решению полезной модели;
Фиг.3. - схема крепления модулятора поляризации с горизонтальным расположением оптических граней;
Фиг.4. - оптическая схема дихрометра согласно техническому решению полезной модели;
Фиг.5 - схема взаимодействия функциональных модулей дихрометра, выполненного в модульном варианте согласно техническому решению полезной модели;
Однако представленные примеры выполнения и применения дихрометра не ограничивают другие возможности его выполнения и применения, не выходящие за рамки формулы полезной модели.
На Фиг.1 показана схема дихрометра для определения БАВ в анализируемой жидкости, содержащего последовательно соединенные: источник 1 широкополосного светового излучения; спектральный фильтр 2; селектор 3; поляризатор 4; модулятор 5 поляризации; выходную спектральную щель 6; устройство 7 для горизонтального размещения анализируемой пробы в контакте с биодатчиком в оптически проницаемой кювете; фотоумножитель 8; цифровую систему 9 регистрации; средство 10 обработки сигналов и управления и источник 11 питания фотоумножителя 8.
Как показано на Фиг.2, источник 1 широкополосного светового излучения, согласно техническому решению полезной модели, содержит ксеноновую лампу 12, обеспечивающую расширенный в области УФ излучения диапазон длин волн и выполненную с возможностью обеспечения ее оптимального температурного режима с повышенным выходом УФ излучения.
При этом в качестве указанной лампы 12 используется ксеноновая лампа мощностью 150 ватт, обеспечивающая приемлемую интенсивность света в диапазоне от 185 до 1000 нм, а для ее питания применен источник, обеспечивающий уровень пульсаций светового потока не более 0,05%. Расширение рабочего диапазона в ультрафиолетовую область спектра выдвигает требование уменьшения до допустимого уровня концентрации озона, образуемого под действием УФ излучения лампы, и минимизации потерь для самого излучения, интенсивно поглощаемого образующимся озоном. Оптимальный тепловой режим работы указанной ксеноновой лампы 12 реализуется при выполнении требований инструкции ее эксплуатации: катод 13 вертикально расположенной лампы необходимо закрепить в радиаторе 14 из алюминиевого сплава диаметром 40 мм и толщиной 15 мм и последний прикрепить к какому-либо основанию 15, аналогичный радиатор должен быть установлен на анод 16 без какого-либо дополнительного крепления - в этом случае образующегося при включении лампы 12 конвекционного потока воздуха должно быть достаточно для выхода лампы 12 на оптимальный тепловой режим. Но такая лампа, имеющая тяжелый радиатор на стеклянной колбе, серьезно ужесточает условия транспортировки.
Согласно техническому решению полезной модели, конструкция узла лампы 12 оставляет анод 16 совершенно свободным, при этом он охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором 17 между внешним корпусом 18 и внутренним корпусом 19, в котором размещена прозрачная (кварцевая) часть 20 лампы 12. При такой конструкции поток воздуха практически полностью отделен от кварцевой колбы лампы 12 и, соответственно, от УФ излучения, внутренним корпусом 19, поэтому непрерывного образования озона не происходит. Внутренний корпус 19 лампы 12 не герметичен, но имеющиеся в нем зазоры минимальны, поэтому при выключенной лампе парциальное давление кислорода внутри конструкции выравнивается с внешним давлением. При включении лампы 12 происходит образование незначительного количества озона, ощущаемого по запаху, но после истечения двух минут и при дальнейшей работе лампы количество образующегося озона падает настолько, что его запах абсолютно не ощущается.
Излучение лампы 12 выводится через тубус 21, закрепленный в отверстии внутреннего корпуса 19 и выступающий из отверстия внешнего корпуса 18 и закрытый снаружи кварцевым окном.
При этом зафиксированный на длине волны 200 нм выход излучения в 2 раза превысил уровень УФ излучения, достигаемый с помощью конструкции узла лампы, используемой в дихрографе, выбранном в качестве -прототипа (DE, 10035709, С2). Это позволяет при работе в УФ диапазоне отказаться от использования отдельного блока с мощным вентилятором, соединенным трубой с вытяжной системой помещения, что уменьшает габариты дихрометра и облегчает его обслуживание.
Спектральный фильтр 2 (Фиг.1) вводится при работе в диапазоне длин волн выше 400 нм и приспособлен для поглощения УФ излучения, направляемого дифракционной решеткой селектора 3 в том же направлении во втором порядке отражения, что позволяет снизить уровень фоновой засветки и приводит к повышению чувствительности регистрации сигнала КД в этом диапазоне спектра.
Селектор 3 (Фиг.1) приспособлен для формирования световых потоков с длинами волн, соответствующих области оптической активности определяемого вещества в анализируемой жидкости и биодатчика, проявляемой в спектре их кругового дихроизма.
Согласно техническому решению полезной модели, для селектора 3 выбрана схема монохроматора Черни-Тернера с компенсацией комы Фасти. При этом в селекторе 3 в качестве исполнительного механизма поворота дифракционной решетки, в отличие от нетехнологичного электродинамического привода позиционного типа (DE, 10035709, С2), используется шаговый привод поворота дифракционной решетки (на чертежах не показан), выполненный известным специалистам образом, а указанный монохроматор модифицирован таким образом, что дифракционная решетка удалена на удвоенное фокусное расстояние от его зеркал.
Эта схема позволяет обеспечить простоту конструкции селектора и небольшие габариты при достаточной светосиле и уменьшенном уровне рассеянного света, проходящего через спектральный фильтр 2.
Согласно техническому решению полезной модели, для управления шаговым приводом селектор 3 содержит микроконтроллер, обеспечивающий программируемое выполнение шаговым приводом команд управления: инициализацию, ускоренное перемещение в заданную позицию, равномерное перемещение в заданном диапазоне.
В результате проведенных испытаний в составе указанного монохроматора получены следующие характеристики исполнительного механизма поворота дифракционной решетки с шаговым приводом: разрешение не хуже 0,02 нм, время перестройки на 30 нм - не более 2 секунд. Эти показатели вполне соответствуют требованиям, предъявляемым к селектору 3 полезной модели.
Поляризатор 4 (Фиг.1) приспособлен для формирования линейно поляризованного светового потока, выполнен, например, в виде прямоугольной призмы полного внутреннего отражения из нелинейного кристаллического материала, например дигидрофосфата калия, и установлен после селектора 3. Призма формирует излучение, направленное вертикально вверх.
Модулятор 5 поляризации (Фиг.1) приспособлен для преобразования указанного линейно поляризованного светового потока в циркулярно поляризованный световой поток с периодически изменяющимся направлением вращения вектора поляризации и может быть выполнен в виде известного модулятора поляризации фотоэластического типа (DE, 100 10035709, С2). Однако для обеспечения вертикального светового потока конструкция и крепление модулятора изменены и бруски модулятора размещены так, что его грани, на которые подается напряжение, горизонтальны.
При этом, как показано на Фиг.3, согласно техническому решению полезной модели, модулятор 5 поляризации имеет два бруска 22 и 23 из кварца, соединенные торцами между собой с помощью клеевого соединения 24 и размещенные в оправе, препятствующей сдвигу брусков в горизонтальном направлении, на опорах в виде конусов, установленных внутри оправ и размещенных в узлах стоячей волны продольных колебаний, то есть в местах с нулевым смещением.
При этом брусок 22 выполнен из кристаллического кварца и размещен в оправе 25 на одной опоре в виде конуса 26, а брусок 23 выполнен из плавленого кварца и размещен в оправе 25 на двух опорах в виде конусов 27.
Брусок 22 снабжен штифтом 28 для регулирования степени прижатия бруска 22 к выступу в виде конуса, брусок 23 снабжен штифтом 29 с иголкой 30 для регулирования степени прижатия бруска 23 к выступу в виде конуса и ограничения движение бруска 23 вдоль продольной оси модулятора 5. К граням бруска 22, имеющим напыление, подведены провода с контактами 31. Модулятор 5 приспособлен для прохождения светового потока через брусок 23 в направлении X снизу вверх, и модулятор 5 поляризации расположен таким образом, чтобы оптические грани бруска 23 из плавленого кварца были расположены горизонтально
Дополнительным фактором, обеспечивающим более высокую стабильность характеристик модулятора 5, является также установка стабилизатора рабочего тока модулятора.
Выполнение крепления модулятора 5 указанным образом и стабилизация его тока приводит к высокой стабильности характеристик модулятора 5 поляризации, его устойчивости к внешним механическим воздействиям и уменьшению уровня шумов нулевой «безовой» линии регистрируемого сигнала КД при отсутствии БАВ в анализируемой жидкости.
Спектральная щель 6 (Фиг.1) приспособлена для выделения линейно поляризованного светового потока с определенным направлением вектора поляризации и может быть выполнена любым известным специалисту в этой области образом.
Согласно техническому решению полезной модели, призменный поляризатор 4, модулятор 5 поляризации и спектральная выходная щель 6 объединены конструктивно в один блок, приспособленный для формирования поляризованного по кругу светового потока в виде вертикального пучка с каустикой в месте пропускания через размещенную в дихрометре анализируемую пробу.
На Фиг.4 показана оптическая схема дихрометра согласно техническому решению полезной модели, в котором горизонтально сформированный неполяризованный световой поток поступает от источника 1 широкополосного излучения (на чертеже не показан) проходит через монохроматор селектора, содержащий зеркала 32, 33 и дифракционную решетку 34 в призму 35 поляризатора 4, в которой поляризуется и расщепляется на два луча с ортогональными поляризациями, а затем через модулятор 5 поляризации и выходную спектральную щель 6, пропускающую только один луч с круговой поляризацией, в виде рабочего луча попадает вертикально снизу вверх в горизонтально размещенную в устройстве 7 анализируемую пробу 36 в оптически проницаемой кювете. Затем световой луч, преобразованный в пробе, поступает на вход фотоумножителя 8.
Согласно техническому решению полезной модели, оптические устройства, включая выходное зеркало источника 1 излучения, спектральный фильтр 2, селектор 3, поляризатор 4, и модулятор 5 поляризации, размещены в одном корпусе, обеспечивающем их защиту от внешних воздействий с возможностью его вакуумирования или заполнения газообразной средой, не поглощающей УФ излучение, например, инертного газа, предпочтительно, азота.
Согласно техническому решению полезной модели, устройство 7 для размещения анализируемой жидкости, геля, пленки (на чертеже не показано) приспособлено для размещения оптически проницаемой кюветы в горизонтальном положении. Устройство 7 может быть выполнено любым известным специалистам в области оптических устройств способом. При этом кювета может быть выполнена в виде микроплаты с лунками, имеющими дно из оптически прозрачного материала с минимальным остаточным дихроизмом. При этом устройство 7 может быть снабжено устройством двухкоординатного перемещения указанной микроплаты в горизонтальной плоскости.
Фотоэлектронный умножитель 8 (далее ФЭУ) (Фиг.1) является измерительным элементом регистрации, определяющим чувствительность, стабильность и линейность измерений КД, при этом конструкция ФЭУ обеспечивает его надежное экранирование от внешних электромагнитных полей и паразитной световой засветки, а также возможность регулирования его источника 11 питания. Фоточувствительная поверхность ФЭУ обращена к прошедшему снизу вверх через кювету световому потоку, и ФЭУ преобразует оптический сигнал КД, генерируемый указанной пробой, в пропорциональный ему электрический сигнал.
ФЭУ 8 (Фиг.1) имеет выход 37, на котором регистрирует переменную составляющую, пропорциональную ΔА - величине сигнала, порожденного аномальным круговым дихроизмом анализируемой пробы, а на выходе 38 регистрирует постоянную составляющую, пропорциональную А - величине сигнала, характеризующей поглощение биологически активного вещества пробы, при этом частота переменной составляющей равна частоте модуляции поляризации излучения. В ФЭУ 8 постоянная составляющая поддерживается на постоянном уровне путем регулирования напряжения питания ФЭУ 8, для чего сигнал постоянной составляющей с выхода 38 заводится на вход 39 источника 11 питания, а напряжение питания с выхода 40 источника 11 питания подается на вход 41 ФЭУ 8, то есть осуществляется режим стабилизации постоянной составляющей с помощью отрицательной обратной связи с одновременным измерением переменной составляющей, что эквивалентно измерению их отношения, а значит, измерению сигнала КД исследуемой пробы. Выход 37 ФЭУ 8 соединен со входом цифровой системы 9 регистрации.
Цифровая система 9 регистрации (Фиг.1) приспособлена для выделения и усиления указанного электрического сигнала и преобразования его в цифровую форму и, согласно техническому решению полезной модели, может быть выполнена известным специалистам образом.
Согласно техническому решению полезной модели, функции указанного средства 10 обработки полученного электрического сигнала и вычисления концентрации биологически активного вещества и управления может выполнять внешний или встроенный компьютер с программным обеспечением, обеспечивающим обработку полученных электрических сигналов, исследование наличии или отсутствии определяемого БАВ, вычисление концентрации БАВ и управление всеми другими функциональными устройствами.
Согласно техническому решению полезной модели, в дихрометре реализован принцип модульности, обеспечивающий гибкость при разработке аппаратной части, упрощающий процесс сборки и наладки готовых приборов. При этом дихрометр содержит следующие функциональные модули:
- модуль 42 источника 1 светового излучения,
- модуль 43 оптического фильтра 2,
- модуль 44 модулятора 5 поляризации,
- модуль 45 ФЭУ 8,
- модуль 46 поворота дифракционной решетки
- модуль 47 цифровой системы 9 регистрации,
и при этом указанные модули 42=47 содержат управляющие устройства, обеспечивающие управление функционированием указанных модулей в согласованных режимах. Такими управляющими устройствами могут быть микроконтроллеры, размещенные в указанных функциональных модулях и приспособленные для связи между собой с помощью стандартного интерфейса типа 12С. Управление работой дихрометра может быть осуществлено с помощью внешнего или встроенного компьютера 48, при этом модуль 47 цифровой системы 9 регистрации содержит микроконтроллер, обеспечивающий выполнение необходимых операций микроконтроллерами других функциональных модулей, первичную обработку сигнала, передачу его по интерфейсу USB в указанный компьютер, прием и передачу команд компьютера 48 другим функциональным модулям.
На Фиг.5 показана структурная схема взаимодействия указанных функциональных модулей в дихрометре. Выполнение необходимых операций функциональными модулями осуществляется на основе команд микроконтроллеров. Прием и передача команд от компьютера 48 микроконтроллерам функциональных модулей осуществляется через микроконтроллер модуля 47 цифровой системы 9 регистрации. Связь между модулями осуществляется посредством стандартного цифрового интерфейса типа I2C. Схемотехническое решение предоставляет возможность использования для управления дихромером как внешнего, так и встроенного компьютера по интерфейсу USB.
Компьютер 48 приспособлен для включения дихрометра и управляет работой ксеноновой лампы 12, спектрального фильтра 2, шаговым приводом поворота дифракционной решетки селектора 3, модулятором 5 поляризации, источником 11 питания фотоумножителя 8, цифровой системой 9 регистрации.
Программное обеспечение компьютера 48 приспособлено для управления режимами работы дихрометра, визуального отображения результатов измерения на экране, сохранения и документирования результатов измерений, выполнения различных действий по обработке экспериментальных результатов, включая сглаживание, накопление, сравнение с другими результатами. Калибровка аппаратной части прибора осуществляется также с помощью программного обеспечения.
Калибровка селектора 3 производится с использованием калибровочной ртутной лампы. Калибровка амплитуды модуляции модулятора 5 поляризации по длинам волн осуществляется с помощью двух образцов проб с известной аномальной оптической активностью, проявляющих круговой дихроизм, на разных длинах волн. Калибровка образцов БАВ по оптической плотности производится с использованием образцов с известной (стандартной) величиной сигнала кругового дихроизма, например, при помощи растворов камфорсульфоновой кислоты разной концентрации.
Дихрометр работает следующим образом:
Анализируемую жидкость с размещенным в этой жидкости биодатчиком помещают в кювету, затем кювету размещают в устройстве 7 и включают дихрометр.
Источник 1 светового излучения (Фиг.1) излучает широкополосный световой поток, попадающий на вход селектора 3, на выходе которого излучается узкополосный световой поток, имеющий одну известную длину волны. При необходимости работы в диапазоне длин волн выше 400 нм в световой поток вводится спектральный фильтр 2, который поглощает УФ излучение, направляемое дифракционной решеткой, являющейся дисперсионным элементом селектора 3, в том же направлении во втором порядке отражения.
Затем узкополосный световой поток (Фиг.4) последовательно проходит через поляризатор 4, в котором поляризуется и расщепляется на два луча с ортогональными поляризациями, через модулятор 5 поляризации, в котором становится циркулярно поляризованным с периодически изменяющимся направлением вращения вектора поляризации, вращающегося в плоскости, ортогональной световому потоку, через выходную спектральную щель 6, пропускающую только один луч с круговой поляризацией, и в виде рабочего луча попадает вертикально снизу вверх в горизонтально размещенную в устройстве 7 анализируемую пробу 35 (Фиг.4) в оптически проницаемой кювете.
Пройдя в устройстве 7 через кювету с исследуемой пробой, содержащей биодатчик, проявляющий свойство аномального кругового дихроизма, световой поток становится модулированным по интенсивности.
Под действием модулированного по интенсивности света на выходах ФЭУ 8 возникает электрический сигнал, причем на выходе 37 (Фиг.1) регистрируется переменная составляющая, пропорциональная ΔА - величине сигнала, порожденного аномальным круговым дихроизмом пробы, а на выходе 38 - постоянная составляющая, пропорциональная А - величине сигнала, характеризующей поглощение биологически активного вещества, содержащегося в анализируемой пробе, при этом частота переменной составляющей равна частоте модуляции поляризации излучения.
С выхода 37 ФЭУ 8 сигнал поступает на один из входов цифровой системы 9 регистрации, на второй вход которой подается опорный сигнал с частотой модуляции поляризации от средства 10 обработки сигнала, вычисления концентрации определяемого БАВ и управления функциональными модулями дихрометра полезной модели.
В цифровой системе 9 регистрации сигнал усиливается, фильтруется, преобразуется в цифровой код и подается в средство 10 обработки, в котором он обрабатывается и выводится в виде значения концентрации исследуемого биологически активного вещества в пробе. Средство 10, например, внешний или встроенный компьютер 48 (Фиг.5), через цифровую систему 9 регистрации осуществляет также необходимое взаимодействие всех элементов дихрометра, реализует требуемый алгоритм обработки, устанавливает необходимые питающие напряжения для источника 1 светового излучения, для включения спектрального фильтра 2 и для управления шаговым приводом поворота дифракционной решетки 34 селектора 3 (Фиг.4), вырабатывает напряжение с частотой модуляции для работы модулятора 5 поляризации, устанавливает необходимые напряжения питания источника 11 питания фотоумножителя 8, формирует опорный сигнал для функционирования цифровой системы 9 регистрации. Способ обработки цифровой формы полученного сигнала зависит от используемого для этой цели программного обеспечения, заложенного в средстве 10 обработки.
Для сравнения аналитических возможностей дихрометра согласно техническому решению полезной модели и известного дихрографа, выбранного за прототип (DE, 10035709, С2), были проведены следующие измерения:
1. Измерения уровней светового УФ излучения ксеноновой лампы 12 после прокачки азотом и без такой прокачки.
Результаты наблюдений показали, что в дихрометре согласно полезной модели наблюдается значительное увеличение интенсивности излучения в области длин волн 185-195 нм.
2. Измерения величины нулевой («базовой») линии регистрируемого фото детектором сигнала КД в отсутствии пробы с БАВ.
В дихрометре согласно полезной модели величина шума в области 220 нм находится на приемлемом уровне (ΔА=60 опт. ед.). Дихрограф-прототип на работу в этой области не рассчитан.
Таким образом, использование дихрометра согласно техническому решению полезной модели позволяет точнее и с лучшей воспроизводимостью определять величину КД, а значит, и концентрацию различных БАВ, включая противоопухолевые препараты, антибиотики, белки и другие вещества, в различных жидкостях, гелях и пленках, в том числе в биологических жидкостях, например, в крови пациентов, что важно для диагностики и лечения заболеваний в практике онкологии, терапии, гинекологии, при медико-экологическом скрининге.
-9
Кроме того, благодаря снижению уровня возмущений и помех при регистрации сигнала КД с помощью дихрометра полезной модели, достигается более высокая чувствительность определения БАВ (до 10 М/л) и появляется возможность значительно расширить класс определяемых биологически активных веществ.
Кроме того, выполнение дихрометра согласно техническому решению настоящей полезной модели позволяет значительно уменьшить габариты и вес.
-9
Таким образом, дихрометр согласно техническому решению настоящей полезной модели позволяет точнее, с лучшей воспроизводимостью и более высокой чувствительностью (до 10 М/л) определять величину КД, а значит, наличие и концентрацию БАВ, в частности, MX, например, в крови больных, терапия которых связана с применением противоопухолевых соединений.
Расширение рабочего диапазона устройства в УФ область спектра за счет повышения уровня УФ излучения позволяет расширить перечень определяемых при помощи дихрометра полезной модели биологически активных и фармакологических соединений.
Кроме того, дихрометр согласно техническому решению полезной модели, благодаря более совершенным конструкциям источника светового излучения при работе в УФ диапазоне имеет значительно лучшие технические характеристики и меньшие габариты, что облегчает его обслуживание.
Специалистам в области оптических измерительных устройств должно быть понятно, что в дихрометр согласно техническому решению полезной модели могут быть внесены усовершенствования и модификации, не выходящие за рамки настоящей полезной модели.
Дихрометр согласно техническому решению полезной модели может быть использован в медицинской и клинической биохимии, а также в молекулярной фармакологии, при исследовании фармако-кинетики биологически активных соединений, в фармацевтической промышленности и экологии. Наиболее эффективно его использование в клинической биохимии. Устройство может быть выполнено с помощью известных технологических приемов из известных материалов и комплектующих узлов.