ПРЕЦИЗИОННЫЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ ФЛУОРИМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО СИГНАЛА НАНО- И МИКРООБЪЕКТОВ
PRECISION TWO-CHANNEL SPECTRAL FLUORIMETER TO RECORD AND MEASURE DYNAMICS OF DIFFERENTIAL SIGNAL OF NANO- AND MICRO-OBJECTS

Изобретение относится к приборам для регистрации измерений, спектрофлюорометрии и может быть использовано для измерения концентрации различных веществ в составе специализированных комплексов или систем, устанавливаемых на подвижных носителях.
Практика современных исследований показывает, что при решении ряда задач необходимы прецизионные измерения и оперативная обработка различной гидрофизической информации в реальном масштабе времени на борту носителя аппаратуры при длительной эксплуатации. Основной целью подобных исследований является построение информационных карт, изучение их временной и пространственной изменчивости, тонкой структуры, выявление аномальных гидрофизических зон и др.
Известен способ определения хлорофилла в водной среде (А.с. СССР №1473518, 1987), заключающийся в проведении возбуждения флюоресценции водной среды и измерении сигнала интенсивности флюоресценции, по которой проводят определение. Способ не позволяет учитывать загрязнение стенок кюветы флюориметра.
Известен также флюориметр (US 4293225, 1981), являющийся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому. Флюориметр-прототип содержит источник света, подключенный к источнику возбуждающего напряжения, и фотоприемник с выходом для подключения к системе передачи и регистрации результатов измерений. При этом источник света и фотоприемник расположены в двух отдельных корпусах, а ось источника света и ось фотоприемника расположены перпендикулярно одна относительно другой. Недостатком является низкая точность измерений в потоках жидкостей.
Известен флюориметр (RU 2308708, 2007.10.20), содержащий два источника света, фотоприемники, систему передачи и регистрации результатов измерений. Корпус флюориметра с одной стороны имеет форму цилиндра обтекаемой формы. Фотоприемники снабжены светофильтрами, система передачи и регистрации результатов измерений связана с электронно-вычислительной машиной. Источники света имеют длину волны излучаемого света 520-540 нм и 360-380 нм. Недостатком такого флюориметра является непригодность к работе в условиях, когда необходима высочайшая степень герметизации и точность для регистрации излучения нано- и микрообъектов.
Следует отметить, что практически во всех известных из уровня техники классических аппаратных решениях в силу того, что флуоресцентный сигнал, получаемый с нано- и микрообъектов, весьма мал, то, как правило, для регистрации сверхмалых световых потоков (флуоресцентного сигнала) используют в качестве светорегистрирующего устройства фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Однако для работы ФЭУ необходимо высоковольтное питание - 0,5-2 KV. Кроме того, несмотря на высокую светочувствительность ФЭУ в качестве источника возбуждающего света используют мощные ртутные, ксеноновые или галогеновые лампы, которые обладают целым рядом недостатков:
малым КПД - т.е. необходимая спектральная область возбуждающего света, "вырезаемая" светофильтрами, малоэффективна по сравнению с общей световой мощностью используемого источника;
данные источники света (ИС) не способны работать в импульсном режиме, что приводит к весьма большой световой "нагрузке" на исследуемый объект;
даже при весьма качественном аппаратном обеспечении газоразрядных ИС (прецизионная стабилизации по напряжению и току, обратная термокомпенсация) не позволяют обеспечить постоянную (во времени) световую мощность что, безусловно, влияет на амплитуду регистрируемого сигнала.
Таким образом, классические приборы, предназначенные для измерения флуоресценции малых объектов, требуют постоянного контроля (калибровки) измерительного тракта, юстировки и специального аппаратного обеспечения источника возбуждающего света, содержат высоковольтные электрические цепи, потребляют много электроэнергии.
В отличие от существующих аналогов в заявленном устройстве используется иной подход аппаратного обеспечения измерения флуоресцентного сигнала и возбуждения флуоресценции.
Для возбуждения флуоресценции используется узкополосная светодиодная матрица с высокой мощностью. Высокая светочувствительность измерительного блока обеспечивается за счет высокоэффективного спектрального сопряжения измерительного тракта и возбуждения флуоресценции, а также благодаря оригинальному схемотехническому алгоритму измерения светового сигнала.
Благодаря вышеописанным аппаратным подходам электронные схемы прибора не содержат высоковольтных электрических цепей.
Техническим результатом заявленного изобретения является создание прибора, который обладает высокой светочувствительностью, более эффективным (по сравнению с аналогами) приведенным спектральным разрешением (выход флуоресценции - точностью измерения параметра (определяемого по флуоресцентному сигналу)), слабым фотодеструктивным влиянием на исследуемый объект (по сравнению с аналогами - интегральная доза облучения исследуемого объекта меньше на 5-6 порядков), низким энергопотреблением, малыми габаритными размерами, высокой надежностью.
Кроме того, устройство оснащается электронными платами сенсорной электроники, регистрирующей температуру и гравитационные нагрузки синхронно с основными измерениями.
Технический результат обеспечивается тем, что прецизионный двухканальный спектральный флуориметр для регистрации и измерения динамики дифференциального флуоресцентного сигнала нано- и микрообъектов включает гермокорпус с верхней и нижней крышками и герметичной кюветой, аккумуляторы, помещенные в гермокорпус аккумуляторного отсека с верхней и нижней крышками, измерительную камеру с крышкой, регулируемые центрующими шайбами селективные фотодиоды в комбинации с интерференционными светофильтрами с герметичными иллюминаторами, узкополосную светодиодную матрицу со световой мощностью не менее 300 mVt с фокусирующей линзой и герметичным иллюминатором, измерительно-регистрирующий блок со светочувствительностью в токовом эквиваленте не менее 10 рА и систему обработки данных, при этом спектральное разрешение измерительного оптического тракта характеризуется шириной полпропускания 10 nm и спектральным максимумом флуоресцентного сигнала +2 nm от номинала, спектральные характеристики измерительного света характеризуются спектральным максимумом измерительного света +5 nm от номинала и шириной полунасыщения 20 nm, а электронная схема преобразования, усиления и регистрации оптических сигналов на печатных платах 5 класса точности обеспечивает многокаскадное усиление сигнала не менее 1×1012 и оцифровку сигнала не менее 9,5 эффективных бит посредством 4 каналов с точностью не хуже 3 mV.
Дополнительно прецизионный двухканальный спектральный флуориметр характеризуется тем, что для возбуждения флуоресценции используется светодиодная матрица +5 nm от номинала,
соединения флуориметра выполнены резьбовыми, а разъемы герметичными,
снабжен межблочной крепежной муфтой,
при работе в автономном режиме в качестве источника питания содержит гальванические батареи или аккумуляторы типоразмеров LR6 или АА,
использует энергопотребление от внешнего источника 6-9 V DC 1,5-2 А,
повышенная степень герметизации дополнительно обеспечивается уплотнительными гермокольцами и антивибрационными дисками,
дополнительно оснащен электронными платами сенсорной электроники, регистрирующей температуру и гравитационные нагрузки синхронно с основными измерениями.
Изобретение иллюстрируют фиг.1, на которой показана печатная плата контроллера заявленного устройства, и фиг.2 - конструктивная блок-схема прибора.
На фиг.2 показаны:
1. Верхняя крышка гермокорпуса.
2. Гермокорпус.
3. Измерительная камера.
4. Фотодиод, центрующая шайба.
5. Печатные платы.
6. Резьбовые соединения.
7. Крышка измерительной камеры.
8. Герметичные разъемы.
9. Герметичная кювета.
10. Герметичный иллюминатор фотодиода.
11. Интерференционный фильтр.
12. Герметичный иллюминатор светодиодной матрицы.
13. Фокусирующая линза.
14. Светодиодная матрица.
15. Межблочная крепежная муфта.
16. Верхняя крышка аккумуляторного отсека.
17. Гермокорпус аккумуляторного отсека.
18. Аккумуляторы.
19. Уплотнительные антивибрационные диски.
20. Нижняя крышка аккумуляторного отсека.
21. Нижняя крышка гермокорпуса.
Кроме того, черным цветом указаны уплотнительные гермокольца и антивибрационные диски, шайбы, прокладки.
Заявленное устройство представляет собой прецизионный малогабаритный, автономный, двухканальный флуориметр с программируемым алгоритмом работы и предназначено для регистрации (измерения) динамики дифференциального флуоресцентного сигнала нано- и микрообъектов органической и неорганической природы (суспензированные клеточные органеллы, клетки человека и животных, одноклеточные водоросли, бактерии, флуоресцирующие коллоидные растворы различной природы) в малых объемах. А также температуры и гравитационных нагрузок (положение в пространстве, ускорение) как основных физических факторов, влияющих на анализируемый объект.
Прибор разработан для проведения продолжительных программируемых автономных экспериментов в условиях космического полета на пилотируемых (ТПК «Союз ТМА», PC MKC) космических кораблях и станциях, а также биологических спутниках.
Прибор также может быть успешно использован (согласно назначению) в исследовательских экспедициях, в которых обслуживание научной аппаратуры (НА) должно быть минимальным, а габаритные размеры и масса (НА), а также надежность и безопасность НА являются важным критерием научной аппаратуры для успешного решения поставленных исследовательских задач и безопасности людей в экспедиционных условиях, содержащих определенный риск для человека.
В лабораторных условиях флуориметр может быть применен в исследованиях, требующих продолжительных систематических измерений того или иного параметра (определяется методикой) в автономном режиме.
Если автономный режим прибора не используется, тогда флуориметр может быть использован как стационарная научно-исследовательская аппаратура (специальный режим).
Для удобства прибор может быть назван, например, ФЛЮОР-К.
Основные технические характеристики:
Питание прибора:
в автономном режиме от гальванических батарей или аккумуляторов типоразмера (LR6, АА). От внешнего источника 6-9 V DC 1,5-2 А.
Энергопотребление:
автономный режим (цикл ожидания) - не более 100 mVt;
в измерительном цикле не более 1 Vt (не более 5 ms);
Оптические характеристики измерительного блока:
Светочувствительность (в токовом эквиваленте):
не менее 10 рА;
Спектральное разрешение измерительного, оптического тракта:
спектральный максимум флуоресцентного сигнала - плюс-минус 2 nm (от номинала);
ширина полпропускания - 10 nm.
Спектральные характеристики измерительного света (возбуждение флуоресценции):
спектральный максимум измерительного света - плюс-минус 5 nm (от номинала);
ширина полунасыщения - 20 nm.
Электронная схема преобразования, усиления и регистрации оптических сигналов:
усиление сигнала - многокаскадное - не менее 1×1012 (преобразование тока в напряжение);
оцифровка сигнала не менее 9,5 эффективных бит (4 канала, с точностью не хуже 3 mV).
Измерение температуры:
минус 50°С - 150°С (специальное использование);
0°С 80°С (штатный режим);
ошибка измерений (нелинейность - по всему диапазону) - плюс-минус 2°С.
g - граммы (анализ - положения в пространстве, измерение ускорения в пространстве (удар - (векторное определение)):
положение в пространстве - 3D;
ускорение в пространстве - 3D;
максимальный предел измерений по каждой оси - плюс-минус 3,2 g;
минимальная чувствительность по каждой оси - 300 mg;
угловая межосевая нелинейность - 350 микрограмм.
Объем энергонезависимой памяти для хранения данных:
не менее 8 Mb.
Интерфейсы обмена данными с компьютерами:
RS-232, USB1, USB2.
Примечание 1. Для подключения прибора к компьютеру необходим специальный шнур-адаптер.
Программное обеспечение (ПО) прибора:
Совместимо с OS WINDOWS (98SE - VISTA).
Основные физико-технические характеристики.
Гермоконтуры блока питания:
2 вложенных контура по отношению к внешнему пространству;
2 разделенных контура по отношению к кюветному отделению;
1 по отношению к управляющей и измерительной электронике.
Гермоконтуры измерительного блока:
3 вложенных контура (внутренний обеспечивается герметичной кюветой), отделяющих биоматериал от внешнего пространства;
2 вложенных контура, отделяющих кюветное отделение от внешнего пространства;
2 вложенных контура, отделяющих управляющую и измерительную электронику от внешнего пространства.
Рабочие диапазоны внешнего давления, температурных, вибрационных, ударных нагрузок и требований к безопасности используемых материалов при безотказной работе прибора:
соответствуют ГОСТ НА-99, П 32958-106 и П 32928-103.
Габаритные размеры прибора ⌀75×170 мм, масса прибора - 2,5 кг.
Аппаратное решение заявленного изобретения.
Как уже упоминалось в разделе Уровень техники, классические аппаратные решения требуют постоянного контроля измерительного тракта, юстировки и специального аппаратного обеспечения источника возбуждающего света, содержат высоковольтные электрические цепи, потребляют много электроэнергии.
В отличие от существующих аналогов в приборе ФЛЮОР-К используется принципиально иной подход аппаратного обеспечения измерения флуоресцентного сигнала и возбуждения флуоресценции:
для возбуждения флуоресценции используется узкополосная (плюс-минус 5 nm (от номинала)) светодиодная матрица с высокой световой мощностью (не менее 300 mVt);
для измерения флуоресцентных сигналов используются селективные фотодиоды в комбинации с соответствующими интерференционными светофильтрами;
высокая светочувствительность измерительного блока обеспечивается за счет высокоэффективного спектрального сопряжения измерительного тракта и возбуждения флуоресценции, а также благодаря оригинальному схемотехническому алгоритму измерения светового сигнала.
Благодаря вышеописанным аппаратным подходам электронные схемы прибора не содержат высоковольтных электрических цепей.
Таким образом, заявленное изобретение обладает высокой светочувствительностью, более эффективным (по сравнению с аналогами) приведенным спектральным разрешением (выход флуоресценции - точностью измерения параметра (определяемого по флуоресцентному сигналу)), слабым фотодеструктивным влиянием на исследуемый объект (по сравнению с аналогами - интегральная доза облучения исследуемого объекта меньше на 5-6 порядков), низким энергопотреблением, малыми габаритными размерами, высокой надежностью.
Кроме того, прибор ФЛЮОР-К оснащается электронными платами сенсорной электроники, регистрирующей температуру и гравитационные нагрузки синхронно с основными измерениями.
Принципы разработки.
При разработке прибора ФЛЮОР-К соблюдались следующие принципы-требования:
6.1. Требования к конструкции прибора, конструктивным элементам.
Все конструктивные материалы, которые использовались для изготовления прибора, обладают малым весом, высокой механической надежностью и не содержат каких-либо токсических веществ согласно пункту 4 данного изложения.
Метрическая точность изготовления каждого механического элемента прибора не хуже чем 200 микрон от номинала.
Изготавливаемые оптические элементы прибора поверяются специальными тестами (оптический тракт - при помощи лазерной корректировки, механическая надежность - комплексными испытаниями прибора).
6.2. Требования к печатным платам электроники.
Схемотехническая разработка печатных плат проводилась с
максимально выгодным (оптимальным):
сопряжением аналоговых и электронных узлов прибора;
схемотехническим сочетанием аппаратных возможностей устройства и алгоритмических режимов работы прибора (микропроцессорное программное обеспечение).
Как уже отмечалось, существенным является использование печатных плат прибора с 5 классом точности. Максимальное отклонение номинала комплектующих не больше 1%.
Алгоритмические решения и программно-математическое обеспечение.
Программно-математическое обеспечение (ПМО) прибора обеспечивает надежную реализацию сложных экспериментальных схем, алгоритмическая разработка (пользователем) которых позволяет использовать все технические и физические возможности прибора. Высокая адаптивность экспериментов обеспечивается прецизионной согласованностью алгоритмов работы программы микропроцессора прибора и ("верхней программы - пользовательской") программы, устанавливаемой на ПК.
Особенностью данного ПМО является не только возможность разработки схемы проведения конкретного эксперимента, но и возможность активации дополнительных алгоритмов контроля (надежности) пользовательского алгоритма, которые реализуются автономно микропроцессорным программным обеспечением прибора.