ЯЧЕЙКА ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРООБЪЕКТОВ

ЯЧЕЙКА ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРООБЪЕКТОВ
Полезная модель относится к ультразвуковой технике, в частности к устройствам для ультразвуковых исследований микрообъектов в жидкости и может найти применение в медицине, биологии и нанотехнологиях, для исследования влияния ультразвука на микрообъекты.
Известно ультразвуковое исследование, например, полиэлектролитных микрокапсулы (Ultrasound stimulated release and catalysis using polyelectrolyte multilayer capsules / G. Skirtach, B.G. De Geest, A.A. Mamedov, A.A. Antipov, N.A. Kotov, G.B. Sukhorukov // J. Mater. Chem., 2007, Vol. 17, pp. 1050-1054; Nanocomposite Microcontainers with High Ultrasound Sensitivity / Tatiana A. Kolesnikova, Dmitry A. Gorin, Paulo Fernandes, Stefanie Kessel, Gennady B. Khomutov, Andreas Fery, Dmitry G. Shchukin and Helmuth Mohwald // Adv. Funct. Mater., 20, pp. 1189-1195) или микрочастиц на основе альгината (Nathaniel Huebsch, Ultrasound-triggered disruption and self-healing of reversibly cross-linked hydrogels for drug delivery and enhanced chemotherapy / PNAS. - 2014, Vol. 111, No. 27, pp. 9762)) в жидкости при заданных значениях температуры и плотности потока мощности ультразвука.
В известных реализациях ультразвуковых ячеек (ультразвуковых ванн) для исследования влияния ультразвука на микрообъекты в жидкости отсутствует сочетание визуализации воздействия ультразвука, контроля плотности потока мощности ультразвука и термостатирования жидкости, что влияет на:
1) достоверность получаемых данных о влиянии ультразвука на микрообъекты;
2) функциональные возможности ячеек;
3) сферу их применения.
Кроме того, большинство подобных устройств, работают в режиме кавитации (например, патент RU 2455086(13) С1 «Способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред и расположенных в среде объектов»), что делает невозможным их применение в медицине и биологии, где параметры ультразвука ограничены «докавитационным режимом».
Известно устройство для ультразвуковой обработки объектов в жидкой среде (патент US 005133376 А). Это устройство содержит ультразвуковую ячейку (ванну), внутренний объем которой заполнен жидкой средой, в которой находятся объекты. Основа ячейки изготовлена из упругого материала, который позволяет передавать колебания от ультразвуковых излучателей, закрепленных на внешней поверхности ячейки, жидкой среде.
Недостатками данной ультразвуковой ячейки являются:
1. Отсутствие контроля плотности потока мощности ультразвука во время эксперимента, что влияет на достоверность данных (в том числе воспроизводимость данных) о влиянии ультразвука на микрообъекты в течение цикла и от цикла к циклу, а также, ограничивает применение ячейки в медицине, биологии и нанотехнологиях, где важен контроль плотности потока мощности ультразвука и исследование в «докавитационном режиме».
2. Отсутствие визуализации влияния ультразвука на микрообъекты.
3. Отсутствие системы термостатирования жидкости (включая отсутствие системы контроля температуры), не позволяет исследовать влияние ультразвука на микрообъекты при постоянной температуре жидкости (вследствие воздействия ультразвука жидкость нагревается, поэтому важно контролировать ее температуру и термостатировать жидкость). Это влияет как на достоверность получаемых данных о влиянии ультразвука на микрообъекты, так и ограничивает сферу применения ячейки, в частности при разработке методов высвобождения веществ из микроконтейнеров для целевой доставки препаратов в организме человека (где важны условия максимально приближенные к условиям человеческого организма, например, при температуре от 27°С до 42°С).
Известна также ультразвуковая ячейка для ультразвуковых исследований микроконтейнеров в жидкой среде (Contrast agent-free sonoporation: The use of an ultrasonic standing wave microfluidic system for the delivery of pharmaceutical agents / Carugo D, Ankrett DN, Glynne-Jones P, Capretto L, Boltryk RJ, Zhang X, Townsend PA, Hill M. // Biomicrofluidics. - 2011. Vol. 5(4), pp. 44108-4410815. doi: 10.1063/1.3660352). Ультразвуковая ячейка содержит излучатель ультразвука, акустически контактирующий со стеклянным капилляром прямоугольной формы. Концы капилляра соединены через переходники с системой подачи жидкости, содержащей микрообъекты.
Недостатками такой ультразвуковой ячейки являются:
1. Отсутствие контроля плотности потока мощности ультразвука.
2. Отсутствие системы термостатирования жидкости (включая систему контроля температуры).
Наиболее близким (прототип) к заявляемой полезной модели является ультразвуковая ячейка для исследования влияния ультразвука на микрообъекты в жидкости (Structural changes and imaging signatures of acoustically sensitive microcapsules under ultrasound / Mallika Sridhar-Keralapura, Shruthi Thirumalai, Maryam Mobed-Miremadi // Ultrasonics - 2013, Vol. 53. pp. 1044-1057, doi: 10.1016 / j. ultras. 2013.02.001). Ультразвуковая ячейка содержит пластиковую ванну с прозрачным дном, в которой находится ультразвуковой излучатель. Ультразвуковая ячейка устанавливается на предметный стол инвертированного микроскопа, что дает возможность визуализировать процесс влияния ультразвука на микрообъекты.
Недостатками этой ячейки являются:
1) Отсутствие термостатирования и контроля температуры жидкости;
2) Отсутствие контроля плотности потока мощности ультразвука.
Задачей технического решения является разработка конструкции ячейки, устраняющей недостатки известных конструкций, описанных выше.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является расширение арсенала средств для ультразвуковых исследований микрообъектов.
Указанный технический результат достигается тем, что ультразвуковая ячейка, содержащая ванну с оптически прозрачным дном и пьезоакустический излучатель, согласно решению, содержит второй пьезоакустический излучатель и два пьезоакустических приемника, при этом пьезоакустические излучатели образуют две смежные перпендикулярные друг другу стенки ванны, а приемники образуют две противоположные смежные стенки ванны, размещенные на оптически прозрачной пластине, являющейся дном ванны и установленной в прямоугольном отверстии центральной части радиатора, выполненного в виде прямоугольной металлической пластины, на противоположной стенкам стороне которой прикреплены два элемента Пельтье, при этом в ванне размещен термодатчик, а электровыводы в виде односторонних плат из текстолита с разводкой прикреплены к оптически прозрачной пластине.
В предложенной конструкции ультразвуковой ячейки предусмотрены датчики для контроля параметров ультразвука, возможна визуализация влияния ультразвука на микрообъекты и решается задача термостатирования жидкости (включая контроль температуры жидкости).
Поставленная задача решается тем, что ультразвуковая ячейка, содержащая ванну с оптически прозрачным дном и пьезоакустический излучатель, согласно решению дополнительно содержит второй пьезоакустический излучатель и два пьезоакустических приемника, при этом излучатели образуют две смежные перпендикуляные стенки ванны, а приемники образуют две противоположные смежные стенки ванны, ячейка содержит радиатор в виде прямоугольной металлической пластины с отверстием в центральной части, прикрепленный к дну ванны, два элемента Пельтье, прикрепленные к радиатору, а также термодатчик, размещенный в ванне.
2
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематическое изображение ультразвуковой ячейки для исследования влияния ультразвука на микрообъекты (в разрезе); на фиг. 2 - схематическое изображение ультразвуковой ячейки для исследования влияния ультразвука на микрообъекты со стороны нагревательных элементов; на фиг. 3 - схематическое изображение ультразвуковой ячейки для исследования влияния ультразвука на микрообъекты со стороны ультразвуковых преобразователей; на фиг. 4 - кадры из видеозаписи влияния высокочастотного ультразвука (1,2 МГц, 0,3 Вт/см) на водную суспензию полиэлектролитных микрокапсул оболочка которых содержит наночастицы оксида цинка.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - радиатор; 2 и 3 - термомодули; 4 - оптически прозрачная, термостойкая пластина; 5 и 6 - ультразвуковые излучатели; 7 и 8 - приемники ультразвука; 9 - жидкость с микрообъектами; 10 - датчик температуры; 11 и 12 - электровыводы.
Ультразвуковая ячейка (фиг. 1) содержит радиатор 1 представляющий собой металлическую пластину (например, из меди или латуни). В центральной части радиатора, выполнено прямоугольное отверстие, предназначенное для освещения области исследования. С одной стороны (фиг. 2), на радиаторе 1 размещены элементы Пельтье 2 и 3 посредством применения пайки или механического соединения с применением термопасты для улучшения теплопроводности между элементами Пельтье и радиатором. На другой стороне радиатора 1 (фиг. 3) сделана выборка, в которой размещена оптически прозрачная пластина 4, являющаяся дном ванны, изготовленная из термостойкого материала с хорошими диэлектрическими свойствами (например, минеральное стекло). На пластине 4 взаимопараллельно размещены пьезокерамические преобразователи 5, 6, 7, 8, которые образуют стенки ванны для жидкости с микрообъектами 9 (см. фиг. 3). Пьезокерамические преобразователи 5 и 6 используются для излучения ультразвука, а преобразователи 7 и 8 для приема. Размещение излучателя напротив приемника позволяет просто и надежно контролировать плотность потока мощности ультразвука. Для герметизации зазоров между пьезокерамическими преобразователями и их крепления к пластине 4 используется клей. В ванне для исследуемых образцов размещен термодатчик 10 (например, платиновое термосопротивление). Также, на пластине 4 находятся электровыводы 11 и 12, каждый из которых представляет собой одностороннюю плату из текстолита с разводкой под выводы с двух пьезокерамических преобразователей. Электровыводы крепятся к пластине 4 посредством применения клея.
В качестве жидкости может применяться, например, вода, физраствор, гель для ультразвукового исследования и др.
Для наблюдения воздействия ультразвука на микрочастицы ячейка помещается на стол микроскопа. Микроскоп снабжен видеокамерой, что позволяет фиксировать влияние ультразвука на микрообъекты.
Существенные признаки заявляемой полезной модели:
1. Первым отличительным признаком является то, что ячейка содержит два перпендикулярно расположенных излучателя ультразвука и два приемника, расположенных друг напротив друга, что позволяет увеличить и контролировать плотности потока мощности ультразвука во время проведения исследований в том числе, часть потока мощности, поглощенную микрообъектами в жидкости.
2. Вторым существенным признаком полезной модели является то, что в предложенной конструкции ультразвуковой ячейки предусмотрены радиатор, элементы Пельтье и датчик температуры. Наличие этих элементов в предлагаемой конструкции ячейки позволяет термостатировать жидкость с микрообъектами.
Ультразвуковая ячейка работает следующим образом. Ультразвуковая ячейка помещается на стол микроскопа так, чтобы в прямоугольное отверстие радиатора, со стороны термомодулей, попадал свет прошедший конденсор микроскопа. В ванну, образованную ультразвуковыми излучателями и приемниками, помещают жидкость с микрообъектами. Жидкость термостатируется. Объектив микроскопа погружают в жидкость и фокусируют изображение микрообъектов. Затем включается видеокамера, включаются генератор ультразвуковых импульсов и осциллограф, контролирующий параметры ультразвука (частоту и амплитуду). Электрический сигнал от генератора ультразвуковых импульсов подается на ультразвуковые излучатели 5 и 6, которые возбуждают акустические волны в жидкости в направлении ультразвуковых приемников 7 и 8, соответственно. За счет такого расположения излучателей амплитуды ультразвуковых волн (А) в жидкости складываются (эффект суперпозиции волн) так, что в каждой точке жидкости амплитуда волн увеличивается в . По измеренной осциллографом амплитуде ультразвука определяется плотность потока мощности ультразвука и часть потока мощности ультразвука поглощенной микрообъектами.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата. Ультразвуковая ячейка содержит медный радиатор, представляющий собой параллелепипед длиной 60 мм, шириной 40 мм и толщиной 5 мм. В центре радиатора выполнено отверстие прямоугольной формы (длиной 24 мм и шириной 20 мм). К одной из поверхностей радиатора присоедини элементы Пельтье. На противоположной поверхности радиатора сделана выборка под покровное стекло (размер покровного стекла: длина 48 мм, ширина 24 мм и толщина 0,18 мм). На покровном стекле в виде прямоугольника размещены четыре пьезокерамических преобразователя (рабочая частота 1,2 МГц), которые образуют ванну для жидкости с микрообъектами. Пьезокерамические преобразователе герметично соединены клеем. В ванне для исследуемых образцов размещен термодатчик (платиновое термосопротивление Pt100), который связан с блоком контроля температуры и термостатирования. Также, на стекле находятся две текстолитовые платы с медными контактами для подключения генератора и осциллографа.
На фиг. 4 представлены кадры из видеозаписи влияния ультразвука на полиэлектролитные микрокапсулы оболочка которых содержит наночастицы оксида цинка (слева - изображение микрокапсул без ультразвука, справа - изображение микрокапсул находящиеся под воздействием ультразвука). На этом изображении видна множественная деструкция микрокапсул. В качестве жидкости использовалась вода.
Предлагаемое решение позволяет расширить функциональные возможности и области применения ячейки, обеспечивая возможность проводить исследования не только при комнатной температуре, но и при определенной температуре, например, при температуре человеческого организма, что особенно важно при исследовании процессов связанных с медициной или биологией.