УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАПЕЛЬНЫХ ПРОБ

Полезная модель относится к лабораторной медицинской технике и может быть использована для автоматизированного исследования состава, физико-химических свойств, а также оценки динамики протекания биофизических и биохимических процессов в жидких биологических средах.
Известно устройство для исследования свойств биологических жидкостей, включающее камеру первичного преобразователя с соосно расположенными источником и приемником оптического излучения и видеокамерой, при этом, камера первичного преобразователя снабжена поворотным столом для закрепления и перемещения образцов, а приемник оптического излучения и видеокамера через аналого-цифровой преобразователь связаны с персональным компьютером [патент РФ на полезную модель №84984, МПК G01N 21/00 (2006.01), опубл. 20.07.2009].
Недостатками указанного устройства является ограниченная скорость перемещения кювет с исследуемым образцом, а, следовательно, дискретный характер проведения оптических измерений для каждой пробы в процессе исследования, что делает невозможным проводить сравнительный (дифференциальный) анализ оптических свойств двух (или более) проб в случае исследования быстропротекающих процессов, а также наличие искажений результатов исследования, вызванных механическими вибрациями, возникающими при перемещении кювет с исследуемым образцом.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для оценки физических свойств биологических жидкостей, которое выбрано в качестве прототипа [Патент РФ на полезную модель №47526, МПК G01N 33/00, опубл. 17.02.2005].
Устройство для оценки физических свойств проб биологических жидкостей, содержит горизонтальную поверхность для размещения на ней в виде лежащей капли исследуемой пробы и систему для получения изображения боковой проекции этой капли. Горизонтальная поверхность для размещения капельных проб выполнена в виде пластинки из гидрофобного, прозрачного материала и помещена в изолированный рабочий объем камеры первичного преобразователя между вертикально соосно расположенными источником и приемником оптического излучения. Источник оптического излучения расположен под капельной пробой, а приемник оптического излучения - над ней. Источник оптического излучения связан с источником стабильного тока, который подключен к источнику питания, а приемник оптического излучения через усилитель фототока, связанный с источником питания, подключен к регистрирующему устройству. В боковую стенку камеры первичного преобразователя встроен объектив видеокамеры, расположенный на одной горизонтальной оси с лежащей каплей исследуемой пробы и сфокусированный на ней, причем видеокамера подключена к персональному компьютеру. В камере первичного преобразователя размещены термодатчик и нагревательный элемент, которые соединены с блоком терморегуляции, подключенным к источнику питания, а также испаритель воды.
Недостатком данного устройства является невозможность реализации дифференциальной методики фотометрических исследований (сравнение оптических свойств двух или боле образцов), что требуется при проведении многих лабораторных тестов в медицине, так как в устройстве используется одноканальная оптическая измерительная система.
Задачей полезной модели является одновременное фотометрическое исследование N-ого количества капельных проб жидких сред.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для исследования оптических свойств капельных проб, как и прототип, содержит горизонтальную поверхность для размещения на ней в виде лежащей капли исследуемой пробы. Горизонтальная поверхность выполнена в виде пластинки из гидрофобного, прозрачного материала и помещена в изолированный рабочий объем камеры первичного преобразователя между вертикально соосно расположенными источником и приемником оптического излучения. Источник оптического излучения расположен под капельной пробой, а приемник оптического излучения - над ней. Источник оптического излучения связан с источником стабильного тока, который подключен к источнику питания, а приемник оптического излучения связан с усилителем фототока, который подключен к источнику питания. В камере первичного преобразователя размещены термодатчик и нагревательный элемент, которые соединены с блоком терморегуляции, подключенным к источнику питания, а также испаритель воды.
В отличие от прототипа устройство содержит N источников и приемников оптического излучения, между которыми установлены N горизонтальных поверхностей для размещения капельных проб. Каждый источник оптического излучения связан с источником стабильного тока, а каждый приемник оптического излучения связан со своим усилителем фототока, которые подключены к блоку сопряжения, который связан с персональным компьютером. Все усилители подключены к источнику питания. Блок терморегуляции и кнопочный выключатель подключены к блоку сопряжения.
Применение N независимых фотометрических каналов позволяет реализовать дифференциальную методику фотометрических исследований N-ого количества капельных образцов жидкости. Передача сигналов от приемников излучения через усилители и блок сопряжения в персональный компьютер позволяет автоматизировать проведение фотометрических исследований и обработку данных. Передача сигналов от блока терморегуляции через блок сопряжения в персональный компьютер позволяет контролировать температуру в камере первичного преобразователя и выход устройства на рабочий режим. Использование кнопочного выключателя, позволяет производить автоматический запуск измерений в результате замыкания контактов выключателя при закрытии откидной крышки камеры первичного преобразователя.
На фиг.1 показана структурная схема устройства.
На фиг.2 представлена конструкция камеры первичного преобразователя устройства содержащего два фотометрических канала.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Устройство для исследования оптических свойств капельных проб (фиг.1) состоит из камеры первичного преобразователя 1 (ПП), содержащей N источников оптического излучения 2 (И), 3 (И), …, 4 (П), кювету с N-м количеством исследуемымых капельных проб жидкости 5, 6, …, 7, размещенными над соответствующими источниками оптического излучения и N приемников оптического излучения 8 (П), 9(П), …, 10 (П), расположенных соосно с источниками оптического излучения над капельными пробами 5, 6, …, 7. В состав камеры первичного преобразователя 1 (ПП) входят так же термодатчик 11 (ТД), нагревательный элемент 12 (НЭ) и кнопочный выключатель 13 (КН). Источник стабильного тока 14 (ИСТ), подключенный к источникам оптического излучения 2 (И), 3 (И), …,4(П); блок терморегуляции 15 (ТР), электрически связанный с термодатчиком 11 (ТД), нагревательным элементом 12 (НЭ) и с аналоговым входом блока сопряжения 16 (БС); усилители фототока 17 (У), 18 (У), …, 19 (У), электрически связанные с приемниками оптического излучения 8 (П), 9 (П), …, 10 (П) и с аналоговыми входами блока сопряжения 16 (БС). Блок сопряжения электрически связан с персональным компьютером 20 (ПК). Источник питания 21 (ИП) электрически подключен к блоку терморегуляции 15 (ТР), источнику стабильного тока 14 (ИСТ) и усилителям фототока 17 (У), 18 (У), …, 19 (У). Кнопочный выключатель 13 (КН) закреплен на боковой стенке камеры первичного преобразователя 1 (ПП) и электрически связан через цифровой вход блока сопряжения 16 (БС) с персональным компьютером 20 (ПК).
На фиг.2 представлена конструкция камеры первичного преобразователя 1 (ПП), который выполнен в виде цельнометаллического корпуса 22 с выфрезерованной внутри полостью (рабочий объем) 23 для помещения кюветы 24. Рабочий объем 23 камеры первичного преобразователя 1 (ПП) изолирован от воздействия внешней среды откидной крышкой 25 с герметизирующей прокладкой.
1
2
1
2
В корпусе камеры первичного преобразователя 1 (ПП) выполнены два сквозных вертикальных канала, в верхней части которых, по отношению к рабочему объему 23 камеры первичного преобразователя 1 (ПП), помещены приемники оптического излучения 8 (П) и 9 (П). В каналах нижней части корпуса камеры первичного преобразователя 1 (ПП) размещены источники оптического излучения 2 (И) и 3 (И).
Кювета 24 представляют собой металлическую пластинку с размерами, позволяющими ее точно фиксировать в рабочем объеме камеры первичного преобразователя 1 (ПП) и имеющую соосные с вертикальными каналами отверстия для размещения вкладышей 26 из прозрачного инертного гидрофобного материала.
На внутренней задней стенке камеры первичного преобразователя 1 (ПП) приклеен гигроскопичный материал 27, нижний край которого опущен через щель в горизонтальный канал 28 с водой, соединенный с внешним сосудом 29 для заправки.
На внешней задней стенке камеры первичного преобразователя 1 (ПП) установлен нагревательный элемент 12 (НЭ). Термодатчик 11 (ТД) расположен в рабочем объеме камеры первичного преобразователя 1 (ПП) вблизи от капельных проб жидкости 5, 6 и закреплен через специальное отверстие в верхней части корпуса камеры первичного преобразователя 1(ПП).
На внешней стороне боковой стенки камеры первичного преобразователя 1 (ПП), в передней ее части, в выфрезерованной полости, размещен кнопочный выключатель 13 (КН), замыкаемый при надавливании на его кнопку откидной крышкой 25. Кнопочный выключатель 13 (КН) имеет возможность регулировки положения для настройки момента его срабатывания при закрытии откидной крышки 25.
1
2
N
В качестве источников оптического излучения 2 (И), 3 (И), …, 4 (И) могут быть использованы светодиоды или лазерные диоды с необходимыми для задач исследования спектральными характеристиками.
Источник стабильного тока 14 (ИСТ) собран на операционном усилителе по одной из общепринятых схем [Гутиников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат, 1988, с.61-84].
1
2
N
1
2
N
В качестве приемников оптического излучения 8 (П), 9 (П), …, 10 (П) могут служить фотодиоды или другие фоторегистрирующие устройства, воспринимаемый спектральный диапазон которых совпадает со спектральными характеристиками источников оптического излучения 2 (И), 3(И), …, 4(И).
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Усилители фототока 17 (У) и 18 (У), …, 19 (У) выполнены на операционных усилителях по схеме преобразования ток-напряжение, где фотодиоды, используемые в качестве приемников оптического излучения 8 (П), 9 (П), …, 10 (П) включены в фотогальваническом режиме. Усилители фототока 17 (У) и 18 (У), …, 19 (У) имеют возможность подстройки коэффициента усиления. В качестве термодатчика 11 (ТД) используется терморезистор, включенный в одно из плеч мостового измерительного преобразователя блока терморегуляции 15 (ТР), выполненного на операционном усилителе. Нагревательный элемент 12 (НЭ), проволочного типа, мощностью до 15 Вт, закреплен на задней стенке корпуса камеры первичного преобразователя 1 (ПП). Могут быть использованы и другие типы нагревателей.
В качестве блока сопряжения 16 (БС) используется блок сбора данных USB-6008 фирмы National Instruments, имеющий 8 аналоговых и 8 цифровых входов, содержащий 12-и разрядный АЦП и электрическую связь с персональным компьютером 20 (ПК) через USB порт. Могут применяться и другие типы блоков сопряжения, имеющие необходимое число аналоговых и цифровых каналов и обеспечивающие достаточную скорость оцифровки и передачи данных.
Регистрирующим устройством является персональный компьютер 20 (ПК). Могут быть использованы и другие типы регистрирующих устройств, позволяющие одновременно получать данные от двух и более датчиков, производить обработку, полученных данных, и выводить результаты исследования в понятной для пользователя форме. Персональный компьютер 20 (ПК) типа IBM PC, должен иметь соответствующее программное обеспечение для сбора и обработки данных. Источник питания 21 (ИП) выполнен по традиционной схеме с сетевым трансформатором и выходным стабилизированным напряжением ±15 В.
При работе, в рабочий объем 23 камеры первичного преобразователя 1 (ПП) при открытой крышке 25 на кювете 24 вводится точно дозированные капельные пробы исследуемой жидкости 5 и 6, которые наносят с помощью пипеточного дозатора на поверхность прозрачных, гидрофобных вкладышей 26 расположенных в отверстиях кюветы 24.
В результате испарения дистиллированной воды с поверхности гигроскопичного материала 27, в рабочем объеме камеры первичного преобразователя 1 (ПП) создается атмосфера насыщенного пара, что устраняет высыхание исследуемых капельных проб 5 и 6.
1
2
За счет работы блока терморегуляции 15 (ТР), управляемого сигналом термодатчика 11 (ТД), в камере первичного преобразователя 1 (ПП) поддерживается необходимая температура. Сигнал об уровне температуры в камере первичного преобразователя 1 (ПП) с блока терморегуляции 15 (ТР) поступает на аналоговый вход блока сопряжения 16 (БС) и через USB порт блока сопряжения 16 (БС) передается в персональный компьютер 20 (ПК). При достижении заданного уровня температуры в камере преобразователя 1 (ПП), управляющая программа запущенная на персональном компьютере 20 (ПК) дает разрешение на считывание информации с аналоговых входов блока сопряжения 16 (БС) связанных с усилителями фототока 17 (У)и 18 (У).
При закрытии крышки 25 происходит замыкание кнопочного выключателя 13, подача сигнала на цифровой вход блока сопряжения 16 (БС), передача сигнала в персональный компьютер 20 (ПК) и запуск процесса измерения оптических свойств капельных проб 5 и 6.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Первичная информация об оптических свойствах капельных проб 5 и 6 получается при их просвечивании световыми потоками от источников оптического излучения 2 (И) и 3 (И). Прошедшие через капельные пробы 5 и 6 световые потоки попадают на приемники оптического излучения 8 (П) и 9 (П). В связи с малой прозрачностью некоторых жидкостей, электрические сигналы с приемников оптического излучения 8 (П) и 9 (П), как правило, имеют небольшую величину и необходимо предварительное усиление, выполняемое соответствующими усилителями фототока 17 (У), 18 (У). В зависимости от оптической плотности жидкости выбирают коэффициент усиления усилителей фототока 17 (У) и 18 (У). Далее усиленные электрические сигналы подаются аналоговые входы блока сопряжения 16 (БС), который производит их оцифровку и передает на персональный компьютер 20 (ПК), с которого снимаются показания, на основании которых судят об оптических свойствах капельных проб 5 и 6 и их изменениях в результате протекания каких либо процессов в капельных пробах 5 и 6.
Устройство позволяет реализовать дифференциальную методику исследования оптических свойств проб жидкостей, сформированных в виде капель, и получать графики динамики изменения оптических свойств в ходе протекания различных биологических и физико-химических процессов, а также автоматизировать проведение фотометрических исследований и обработку данных.