ПЛАНШЕТНЫЙ МИКРОКОЛОРИМЕТР

Настоящая полезная модель относится к области калориметрии и, в частности, к автоматизированным колориметрам, предназначенным для измерения степени поглощения света заданной длины волны в жидких пробах, и может быть использована в биологии, медицине, пищевой промышленности и многих других областях.
В настоящее время большинство аналитических методик для определения концентрации каких-либо веществ основаны на измерении оптических характеристик цветных растворов, получаемых в процессе специальной реакции, индивидуальной для каждого вида исследования. Такие приборы называют фотометрами, спектрофотометрами или колориметрами. Сейчас такие измерения проводят в так называемых разовых иммунологических планшетах (микроплейтах). Измерительные устройства, работающие на этом принципе, называют сканирующими или планшетными микроколориметрами, или ридерами.
Любая современная аналитическая лаборатория: химическая, биохимическая, фармакологическая, клиническая; лаборатории, связанные с мониторингом окружающей среды, всевозможные СЭС, МЧС и т.п., обязательно имеют в своем составе один или несколько приборов такого типа.
Известные измерительные устройства - микроколориметры (ридеры) состоят из источника светового излучения (лампы накаливания или ртутной лампы), полосового светофильтра, вырезающего только заданное световое излучение в узкой (10-20 нм) области оптического спектра, системы фокусировки света и коллектора (система призм, зеркал, световодов и т.п.), разделяющего луч света на 8 или 12 отдельных световых пучков, направляемых на лунки планшета, в которые дозировано помещают пробы исследуемого реагента таким образом, чтобы эти пучки проходили сквозь исследуемую жидкость лишь лунок одного ряда (состоящего из 8-ми или 12-ти лунок) 96-ти луночного планшета (или отдельных полосок с лунками - т.н. стрипов, на 8 или 12 лунок каждая), а, пройдя сквозь пробу, фокусировались бы на соответствующих (8 или 12) отдельных фотоприемниках (как правило, фотодиодах).
Далее аналоговый сигнал с этих фотоприемников оцифровывается, и в виде значений оптической плотности раствора, отображается на соответствующем носителе информации (электронное табло устройства, принтер, экран монитора компьютера и т.п.).
Основную наиболее дорогую и громоздкую часть такого ридера составляет механизм, перемещающий планшет в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно луча света, последовательно проходящего через каждую лунку планшета; при этом каждая лунка с исследуемым раствором последовательно устанавливается точно под лучом света с заданной длиной волны, который, проходя через цветной раствор в лунке, ослабляет свою интенсивность и попадает на один или несколько приемников света, посредством которых и регистрируют величину этого ослабления, пересчитывая его потом в концентрацию исследуемого вещества.
Этот механизм осуществляет возвратно-поступательное движение 96-ти луночного планшета таким образом, чтобы планшет пошагово (за 8 или 12 шагов) перемещался относительно линейки оптопар - 8 или 12 лучей света от источника света и соответствующих им 8 или 12 светоприемников, что позволяет измерять оптическую плотность всех образцов во всех 96-ти лунках планшета.
Эти приборы достаточно универсальны и позволяют производить разные анализы, используя лучи света разной области спектра (напр., 400 нм, 450 нм, 560 нм, 600 нм.). Стоимость таких приборов колеблется от пяти до нескольких десятков тысяч долларов.
Их высокая цена в основном складывается из себестоимости двух основных узлов обязательных для всех приборов такого типа:
- узел сложной и прецизионной механики (направляющие, сервоприводы, датчики положения и т.п., требующие для своего производства прецизионного высокотехнологичного оборудования);
- узел, также чрезвычайно дорогостоящий, - оптика (осветители на галогенных или ртутных лампах, зеркала, линзы, световоды, прецизионные светофильтры и т.п.).
Наиболее близким к настоящей полезной модели является колориметр «THERMOmax microplate reader», США, содержащий источник света - галогенную лампу накаливания, автоматический коммутатор, состоящий из 4-х светофильтров и оптической системы, фокусирующей свет заданной длины волны на входном конце тонкого световода. Этот свет, прошедший через второй световод, поступает далее на световой коммутатор, в котором выходной конец этого световода при помощи механического узла карусельного типа последовательно совмещается с входными концами 96-ти других световодов, выходные концы которых установлены сверху и по центру над всеми 96-тью лунками иммунологического планшета. Снизу, под каждым из этих световодов находится индивидуальный для каждой лунки планшета светоприемник - фотодиод (т.е. сформировано
96-ть оптопар «световод-фотодиод»). Таким образом, луч света последовательно проходит через каждую из лунок планшета, а значение оптической плотности раствора в каждой из этих лунок посредством 96-ти светоприемников преобразуется в электрический сигнал, далее оцифровывается и, как результат измерения, выводится на экран монитора (или принтера) персонального компьютера, подключенного к устройству. Планшет при помощи специального механического узла может выезжать наружу из измерительной камеры или въезжать внутрь ее, таким образом, что сверху планшета над каждой лункой расположен конец одного из 96-ти световодов, а под дном каждой лунки установлен фотодиод (их тоже 96 шт.)
Недостатком прототипа является его громоздкость, сложность всей конструкции и, в частности, коммутатора для коммутации светофильтров и коммутатора для коммутации световых лучей, а также наличие в конструкции сложных прецизионных и в тоже время недостаточно надежных механических узлов. Кроме того, устройство обладает низким быстродействием, так как последовательный обсчет каналов осуществляется за счет инерционного механического перемещения (96 шагов на один цикл измерения) деталей коммутатора.
Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции, уменьшение ее габаритов и повышения быстродействия устройства.
Данная техническая задача решается путем использования в предлагаемом планшетном микроколориметре, содержащем источники света, светоприемники, и планшет с ячейками для проб исследуемого реагента, в качестве источников света программно-управляемых излучателей с заданной длиной волны светового излучения, например, светодиодов.
При этом, светодиоды могут иметь различную длину волны светового излучения, а в качестве светоприемников может быть использован общий светочувствительный элемент, например, элемент солнечной батареи.
Планшет микроколориметра может быть снабжен повторяющим его конфигурацию вкладышем, выполненным из непрозрачного материала. При этом, вкладыш может быть выполнен из теплопроводящего материала и снабжен электронным термостатом.
На представленных чертежах схематично изображено предлагаемое устройство:
на фиг.1 - планшетный микроколориметр с общим светочувствительным элементом,
на фиг.2 - узел с 96 светоприемниками.
Предлагаемое устройство содержит источники света, представляющие собой укрепленные на плате 1 96 миниатюрных светодиодов 2, излучающих в узком и точно заданном диапазоне длин волн; светоприемники, представляющие собой общий светочувствительный элемент 3 в виде элемента солнечной батареи, как показано на фиг.1 или - 96 фотодиодов 4, укрепленных на плате 5, как это показано на фиг.2.
Между источниками света и светоприемниками размещен планшет 6 с 96 ячейками 7 для проб исследуемого реагента. Планшет снабжен повторяющим его конфигурацию вкладышем 8, выполненным из непрозрачного материала. Вкладыш 8 может быть подключен к электронному термостату 9.
Устройство снабжено модулятором импульсов тока 10, электронным коммутатором 11 и подсоединено к персональному компьютеру 12.
Устройство работает следующим образом. Планшет 6, во всех или в части ячеек 7 которого помещены пробы, оптическую плотность которых необходимо измерить, помещается в устройство. Сформированный светодиодами 2 узкий пучок света, кратковременно возникающий за счет последовательной подачи модулированных в модуляторе 10 импульсов тока на каждый из 96-ти светодиодов, последовательно падает на пробы. Далее, проходя сквозь тестируемую жидкость пробы, ослабленный за счет поглощения в жидкости свет попадает на один общий для всех ячеек 7 планшета 6, светочувствительный элемент 3 в виде элемента солнечной батареи (фиг.1) или на 96 светоприемников 4 (фиг.2), индивидуальных для каждой из 96-ти ячеек планшета, например, фотодиодов. Электронный коммутатор 11 формирует электрические сигналы для управления свето и/или фотодиодами, а электрический сигнал со светоприемника 3 или светоприемников 4 оцифровывается и поступает на персональный компьютер 12, программа которого автоматически осуществляет все манипуляции необходимые для работы данного устройства.
Для тестирования оптических свойств проб с использованием разных длин волн светового излучения можно использовать светодиоды 2 с различной длиной волны максимума излучения.
В каждый момент времени в процессе измерения светит только один светодиод 2, и, тем не менее, не весь свет от него проходит исключительно через измеряемую пробу. Если светоприемник общий для всех ячеек планшета, то часть света через прозрачные стенки соседних ячеек может также попадать на светоприемник. Это искажает результаты измерений, снижая их точность. Повысить точность измерения можно, используя для работы
планшеты или стрипы, выполненные из тонкостенного материала (напр. фирмы «COSTAR»). Такая конструкция планшета позволяет снабдить его специальным вкладышем 8, повторяющим его конфигурацию и выполненным из непрозрачного материала. При этом, каждая ячейка 7 планшета 6 оказывается окруженной с боков непрозрачным материалом, что практически сводит на нет возможность засветок через соседние ячейки.
При некоторых видах анализа или тестирования требуется поддержание температуры тестируемой пробы на заданном уровне во время измерения. Для этого, как, например, в прототипе, термостатируют воздух во всем объеме измерительной камеры, осуществляя при этом еще и его циркуляцию специальным вентилятором, что усложняет конструкцию всего устройства и делает сам процесс термостатирования инерционным. Для решения этой задачи вкладыш 8 предлагаемого устройства выполнен из теплопроводного материала, например, из меди или латуни, и подключен к термостату 9.
Преимущества предлагаемого устройства состоят в следующем:
- резко возрастает скорость обработки всех проб, размещенных в планшете;
- резко возрастает надежность всего устройства;
- возрастает точность измерения, так как нестабильное свечение лампы накаливания, а тем более, ртутной лампы сменено сверхнадежным и очень стабильным во времени свечением светодиода;
- себестоимость такого устройства снижена в десятки раз.