АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР БИОПАТОГЕНОВ В ВОЗДУХЕ
AUTOMATIC ANALYZER OF BIOPATHOGENS IN AIR

Область техники, к которой относится изобретение
.
Изобретение относится к области исследований или анализа воздуха на наличие в нем биопатогенов, для защиты человека или животных от вредного воздействия бактерий, вирусов, генетических векторов и объектов нанотехнологий.
В данном описании использованы следующие термины
АКДБ - Автоматический анализатор биопатогенов
НК – нуклеиновые кислоты
ИА – иммунологический анализатор
ПЦР-диагностика (полимеразная цепная реакция) — высокоточный метод диагностики многочисленных инфекций, который основывается на исследовании генетического материала человека (ДНК и РНК)
АСП  - автоматический сигнализатор специальных примесей.
Уровень техники.
Из уровня техники известен способ без пробоотборного мониторинга воздуха, включающий зондирование пространства импульсным когерентным излучением в УФ-области и регистрацию спектрального хода интенсивности флуоресценции белоксодержащих веществ. При этом дополнительно осуществляют селективную оценку нормированных величин интенсивностей флуоресценции белоксодержащих веществ и помеховых примесей на различных длинах волн возбуждения в пределах спектрального хода флуоресценции по отношению к интенсивности на длине волны 284 нм.
Также из уровня техники известен автоматический сигнализатор специальных примесей (АСП), предназначенный для непрерывного контроля атмосферного воздуха с целью обнаружения в нем аэрозолей специальных примесей (бактерий, риккетсий, вирусов).
В состав АСП входят: датчик; преобразователь напряжения 13 В в 26 В (блок питания) или электрический кабель; звуковой сигнализатор; КИС зимний и летний; ЗИП; документация (http://www.mil.by/print.php?ELEMENT_ID=7857&clear_cache=Y).
Кроме того, из уровня техники известен автоматический сигнализатор (АСБ-1) включает корпус, который представляет собой полую сферу, выполненную из алюминия, полированную внутри. С одной стороны сферы выполнено отверстие, которое соединено посредством магистрали с насосом. В центре сферы установлен ультрафиолетовый фотодиод, дающий УФ с длиной волны 260 нм. Также внутри сферы установлен фотоэлектронный умножитель для приема ультрафиолетовых лучей (ФЭУ), отгороженный от фотодиода перегородкой, непроницаемой для УФ-лучей. ФЭУ соединен с блоком обработки сигнала и сигнализирующим устройством обнаружения ДНК-содержащих биопримесей по поглощению УФ-лучей в анализируемом воздухе. В свою очередь, блок обработки сигнала соединен с сигнализирующим устройством обнаружения биопримесей с ДНК в анализируемом воздухе (RU 2672787 C1 19.11.18).
Кроме того из уровня техники известна система для быстрого детектирования присутствия инфекционного агента в биологическом образце, содержащая: a. один реагент биодатчика, включающий в себя по меньшей мере одно антитело, специфичное для предопределенного инфекционного агента, и биолюминесцентный агент, b. одноразовый утилизируемый тестовый картридж, причем упомянутый утилизируемый тестовый картридж включает в себя: (i) резервуарную карту, причем упомянутая резервуарная карта дополнительно включает в себя реагент биодатчика; (ii) основание тестового картриджа, выполненное с возможностью принимать резервуарную карту, и при этом основание тестового картриджа дополнительно включает в себя: (a) одну реакционную камеру, имеющую центральную ось, причем упомянутая одна реакционная камера имеет форму вращающегося полуэллипса; (b) входной канал, соединенный с реакционной камерой, расположенный над реакционной камерой под углом 15-60 градусов над горизонталью и смещенный от центральной оси реакционной камеры, и (с) основание тестового картриджа выполнено с возможностью принимать биологический образец через входной канал, и при этом реакционная камера выполнена с возможностью гомогенно смешивать биологический образец с реагентом биодатчика с минимизированием повреждения для живых клеток, генно-инженерных В-лимфоцитов и минимизированием любого образования пузырьков в смешанном реагенте биодатчика и биологическом образце, и с. блок тестирования, выполненный с возможностью принимать одноразовый утилизируемый тестовый картридж, причем блок тестирования включает в себя датчик для детектирования детектируемого светового сигнала, испускаемого реагентом биодатчика после вступления в реакцию с биологическим образцом, обозначать присутствие инфекционного агента в биологическом образце, и при этом датчик выполнен с возможностью детектирования специфичного инфекционного агента в биологическом образце в реальном времени (RU 2600812 C2 27.102016).
Однако известные ранее устройства для выявления патогенов в воздухе имеют следующие недостатки: необходимость перевозки образца в лабораторию на этапе получения первичного сигнала о наличии опасности и проведение анализ взятой пробы на месте, кроме того длительное время проведения анализа 4 и более часов (в зависимости от режима эксплуатации).
Осуществление изобретения.
Заявленный анализатор представляет автоматизированный инструмент, который собирает аэрозольные частицы, переводит их в жидкость и выполняет анализ отобранной пробы двумя независимыми методами: с помощью мультиплексного иммунологического анализа и ПЦР в режиме реального времени на одноразовом чипе. Анализ аэрозоля может проходить с интервалом в 2 часа в течение 7 дней непрерывной автоматической работы или по триггеру, оценивающему состав аэрозольных частиц в непрерывном режиме. Число одновременно детектируемых мишеней составляет более 80.
Задачей настоящего анализатора является повышение точности определения биопатогенов в воздухе,  быстрое выявление биопатогенов воздухе, за 2 час более 80 детектируемых мишеней, работа в полностью автоматическом режиме от обнаружения биопатогенов до сигнализации о распространении в окружающей среде патогенов.
Технический  результат настоящего изобретения заключается в повышении точности и ускорении определения биопатогенов воздухе, за 2 часа до 8 детектируемых мишеней, в полностью автоматическом беспрерывном режиме работы.
Кроме того контроль безопасности аэрозоля является чрезвычайно актуальной задачей на текущем этапе развития общества. Жизнь в современных мегаполисах и теснота экономических связей между странами дает патогеном с аэрозольным механизмом передачи колоссальные возможности для инициации пандемий. Решением проблемы могли бы стать системы автономного контроля безопасности аэрозоля в общественных местах, которые могут выявлять возбудителей инфекционных заболеваний до момента массового заражения людей. Ранняя информация о распространении в окружающей среде патогенов, с учетом латентного периода, может сократить время реакции системы здравоохранения на несколько суток, а в случае своевременного принятия мер - решительно уменьшить число людей, подвергшихся заражению.
Раскрытие изобретения.
Указанный технический результат реализуется за счет следующей конструкции  автоматического  анализатора биопатогенов в воздухе. Предложенный анализатор представляет собой комплекс оборудования, размещенный в едином металлическом корпусе рамной конструкции (фиг. 1). Компоновка прибора выполнена в виде двух отсеков. В верхнем отсеке (2) находятся все узлы и подсистемы, непосредственно контактирующие с биологическими образцами и реагентами – от устройства сбора аэрозоля до ПЦР - и иммунологического анализаторов. В этом отсеке поддерживается контролируемый температурно-влажностный режим. В нижнем отсеке (3) расположено все вспомогательное оборудование и управляющая электроника: источники и распределители питания, резервные аккумуляторные батареи, холодильная установка, управляющий компьютер и блоки автоматики. Холодильная установка обеспечивает охлаждение оборотной воды до температуры +4’C; эта вода, в частности, используется для охлаждения реагентов, чтобы обеспечить автономность прибора на протяжении 7 дней. Система пробоподготовки автоматического анализатора биопатогенов в воздухе построена по закрытой схеме.
Управление прибором осуществляется компьютером на основе микропроцессора Intel Xeon, операционной системы Linux и специализированного программного обеспечения. Разработанный программный комплекс автоматического анализатора биопатогенов в воздухе использует адаптированный для сенсорных экранов интерфейс и включает в себя несколько переключаемых экранов – вкладки отображения состоянии прибора, результатов анализов, расписания запусков, отображения графиков ПЦР в реальном времени и логов проводимых прибором операций.
3
Состав оборудования и принципы его работы иллюстрирует фиг 2, который представляет собой упрощенную функциональную схему прибора. Процесс анализа воздуха начинается со сбора аэрозольной пробы и ее перевода в жидкую фазу. За сбор окружающего прибор воздуха отвечает импактор (1)  – прибор, создающий поток всасываемого воздуха до 4 м в минуту и способный концентрировать аэрозольные частицы в диапазоне от 0.3 до 10 мкм приблизительно в 10 раз. Обогащенный такими частицами воздух подается в коллектор аэрозоля (5), построенный по принципу водяного циклона. Сбор пробы происходит в течение 4-5 минут, после чего, необходимый объем (около 5мл.) жидкости передается на следующие стадии обработки.
Запуск анализа осуществляется либо по заранее составленному расписанию, либо по превышению концентрации аэрозольных частиц в диапазоне 0.3-10 мкм в окружающем воздухе. Для этого в составе прибора имеется неспецифический оптический анализатор аэрозолей, работающий независимо от остальных подсистем комплекса. Он осуществляет постоянный мониторинг воздуха по 6 размерным диапазонам частиц в пределах 0.3-10 мкм. При превышении сигнала выше определенного порогового значения, ПО прибора дает команду на запуск специфического анализа.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 изображает общий внешний вид автоматического анализатора биопатогенов в воздухе, согласно изобретению,
- фигура 2 изображает функциональную схему автоматического анализатора биопатогенов в воздухе, согласно изобретению.
Система пробоподготовки автоматического анализатора биопатогенов в воздухе построена по закрытой схеме, которая включает импактор (1), коллектор аэрозоля (5), ультразвуковой гомогенизатор (6), первый клапан ротационого типа (К1), блок выделения НК (8), содержащий:  резервуар с реагентами для выделения НК (8а), третий ротационный клапан (К3), реактор выделения НК (8b), блок пробоподготовки ИА (9), включающий: резервуар с микросферами, антителами и красителями (9а), второй ротационный клапан (К2) и реактор ИА (9b); резервуар, содержащий промывочные жидкости (7) такие как: буфер, или спирт 70%, или гипохлорит, или щелочь; иммунологический анализатор (10); резервуар с реагентами ПЦР (12);  ПЦР анализатор (13); архив проб (11); резервуар для охлаждаемой оборотной водой (14); резервуар жидкости предназначенной для слива (15). При этом при необходимости выполняю или и/или осущеситвляют воздействие и/или .
Для движения жидкостей в автоматическом анализаторе биопатогенов в воздухе предусмотрены автоматические шприцевые насосы. Рабочей жидкостью во всех насосах является дистиллированная вода. Для управления потоками жидкостей используются клапаны ротационного типа (на рис.2 – К1-К3), изготовленные из химически инертных материалов, допускающих промывку щелочным раствором, раствором гипохлорита натрия и этиловым спиртом. Гидравлические соединения выполнены трубками из фторполимера ЭТФЭ (сополимер этилен-тетрафторэтилен), также допускающих промывку перечисленными выше растворами. Промывка всей системы пробоподготовки выполняется после каждого забора пробы и каждого анализа, согласно протоколу работы прибора.
Осуществление изобретения.
Автоматический анализатор биопатогенов в воздухе работает следующим образом.
Этап 1. Сразу после сбора, проба попадает в ультразвуковой гомогенизатор (6), где она обрабатывается воздействием ультразвука с целью разрушения клеточных стенок биологических объектов и высвобождения нуклеиновых кислот и антигенов, пригодных для дальнейшего анализа, в раствор. Для предотвращения излишнего нагрева пробы при озвучивании был специально спроектирован реактор, охлаждаемый оборотной водой. Емкость этого реактора также выполняет роль отстойника, на дно которого из раствора оседают крупные частицы небиологического происхождения, такие как песок, пыль, частицы металлов и т.д. После забора жидкости из верхней отсека (2), осевшие частицы удаляются в ходе последующей промывки.
Этап 2. После обработки ультразвуком, раствор пробы при помощи клапана К1 (фиг. 2) разделяется на три потока: пробоподготовка иммунологического анализа, пробоподготовка ПЦР-анализа и передача в архив (11). Последний представляет из себя набор охлаждаемых емкостей, в которые по очереди помещается 1 мл пробы при каждом измерении. В случае если анализ в дальнейшем не обнаружил патогенных агентов в пробе, емкости промываются и используются повторно. При положительном результате анализа, проба из архива (11) может быть дополнительно проверена независимыми методами.
Этап 3. Пробоподготовка иммунологического анализа (ИА) включает в себя инкубацию пробы с магнитными микросферами, биотинилированными антителами флуоресцентными метками (коньюгаты стрептовидин-фикоэритрин, SAPE), а также, соответствующие промывки. Эти операции выполняются в реакторе ИА, представляющем собой емкость из полипропилена объемом 1,5 мл в которой, поддерживается необходимая температура (как правило, 37-38’C; эта вода, в частности, используется для охлаждения реагентов, чтобы C). При помощи электромеханического привода, к данной емкости может подводиться кольцевой постоянный магнит, удерживающий магнитные частицы во время промывок. Реактор установлен на валу орбитальной мешалки, способной приводить его в движение на скоростях до 1500 об/мин. Все режимы работы реактора задаются управляющим компьютером в соответствии с протоколом анализа. Реагенты для пробоподготовки ИА (магнитные микросферы, антитела, SAPE) хранятся при 4’C; на охлаждаемой платформе, также установленной на валу орбитальной мешалки. Перед использованием реагентов, платформа приводится в движение с частотой 800 об/мин для получения однородной суспензии микросфер.
После выполнения всех операций пробоподготовки, суспензия из реактора направляется в иммунологический анализатор. Все манипуляции с жидкостями при пробоподготовке ИА выполняются шприцевым насосом и клапаном К2.
Этап 4. Пробоподготовка ПЦР-анализа состоит в выделении и очистке нуклеиновых кислот (НК) из раствора пробы. Принцип выделения НК основан на использовании магнитных частиц. Выделение НК происходит в реакторе, конструкция которого аналогична реактору пробоподготовки ИА. За движение и распределение жидкостей отвечает шприцевой насос и клапан К3 (фиг. 2). Раствор с выделенными НК подается в блок ПЦР для дальнейшего анализа.
Следует отметить, что операции пробоподготовки ИА и ПЦР выполняются параллельно, что позволяет сократить полное время анализа пробы двумя методами.
Детальная настройка протоколов осуществляется с помощью включенного в состав программного комплекса редактора протоколов. Для связи с оборудованием используются последовательные интерфейсы RS-485 и Ethernet. Управляющая консоль (4) размещена на внутренней части двери верхнего отсека (2) и доступна только инженерам, обслуживающим прибор. На наружных панелях находятся только светодиодные индикаторы, сигнализирующие об основных режимах работы. Прибор питается от однофазной электрической сети 220В и, в случае перебоев в подаче электроэнергии, способен завершить начатый анализ, питаясь от аккумуляторных батарей.
Таким образом, за счет того, что корпус имеет рамную конструкцию, разделен на два отсека: в верхнем отсеке расположены узлы и подсистемы, контактирующие с биологическими образцами и реагентами – от устройства сбора аэрозоля до ПЦР - и иммунологического анализаторов, в этом отсеке поддерживается контролируемый температурно-влажностный режим; в нижнем отсеке расположено вспомогательное оборудование и управляющая электроника: источники и распределители питания, резервные аккумуляторные батареи, холодильная установка, управляющий компьютер и блоки автоматики,  при этом система пробоподготовки автоматического анализатора биопатогенов в воздухе построена по закрытой схеме, которая включает импактор, коллектор аэрозоля, ультразвуковой гомогенизатор, первый клапан ротационого типа, блок выделения НК, содержащий:  резервуар с реагентами для выделения НК, третий ротационный клапан, реактор выделения НК, блок пробоподготовки иммунологического анализатора (ИА), резервуар с микросферами, антителами и красителями, второй ротационный клапан и реактор ИА; резервуар, содержащий промывочные жидкости;  ИА; резервуар с реагентами ПЦР;  ПЦР анализатор; архив проб; резервуар для охлаждаемой оборотной водой; резервуар жидкости предназначенной для слива, при этом движение жидкостей в автоматическом анализаторе биопатогенов в воздухе осуществляют автоматические шприцевые насосы, управляющая консоль размещена на внутренней части двери верхнего отсека и обеспечивалось выполнение достигаемого технического результата – повышение точности и ускорение определения биопатогенов воздухе, за 2 часа до 80 детектируемых мишеней, в полностью автоматическом беспрерывном режиме работы.
Промышленная применимость.
Автоматический анализатор биопатогенов в воздухе может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления на практике следует из того, что для каждого признака, включённого в формулу изобретения на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения и критерию «полнота раскрытия» для изобретения.
Автоматический анализатор биопатогенов в воздухе может быть использован в общественных местах, которые могут выявлять возбудителей инфекционных заболеваний до момента массового заражения людей. Ранняя информация о распространении в окружающей среде патогенов, с учетом латентного периода, может сократить время реакции системы здравоохранения на несколько суток, а в случае своевременного принятия мер - решительно уменьшить число людей, подвергшихся заражению.