Устройство для измерения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и суспензиях биологических объектов с использованием оптико-волоконного кислородного сенсора
APPARATUS FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF DISSOLVED OXYGEN IN AQUEOUS SOLUTIONS AND SUSPENSIONS OF BIOLOGICAL OBJECTS USING A FIBRE-OPTIC OXYGEN SENSOR

Изобретение относится к области приборов/устройств для непрерывного определения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и биологических суспензиях.
Известен (SU, авторское свидетельство 1193561, опубл. 23.11.1985) датчик растворенного кислорода. Известный датчик содержит корпус, заполненный электролитом, в котором размещены анод, катод и компенсатор давления, выполненный в виде эластичного элемента, подвижно установленного относительно корпуса датчика, закрепленного в его торцовой части накидной гайкой. Газопроницаемая мембрана закреплена на рабочей поверхности катода, выполненного профилированным и с рисками на рабочей поверхности.
Недостатками данного устройства являются усложненность конструкции датчика, содержащей большое число элементов, сложность и высокая трудоемкость изготовления и сборки датчика, низкая надежность в работе.
Известно также (US, патент 7208071, опубл. 24.04.2007) устройство для анализа растворенного кислорода, которое содержит катод и анод, отделенные от исследуемой среды кислородпроницаемой мембраной и погруженные в электролит. Известное устройство обеспечивает низкий фоновый ток при прикладывании потенциала к катоду за счет выбора задаваемого соотношения площади и длины диффузионного канала для остаточного кислорода в электролите на катоде.
Однако известное устройство является достаточно трудоемким и недолговечным, поскольку требует периодического контроля аналитических характеристик устройства и периодической замены мембраны.
Известен (RU, патент 2225437, опубл. 10.03.2004) аппарат для регистрации потребления кислорода митохондриями или клетками, включающий термостатируемую ячейку с выполненной внутри кюветой для размещения в ней исследуемого образца, снабженную пробкой с отверстием для внесения проб и реагентов, датчик потребления кислорода и электронный модуль для передачи сигналов с датчика на компьютер. Термостатируемая ячейка снабжена датчиками, позволяющими регистрировать дополнительно мембранный потенциал, концентрацию ионов кальция и набухание, кювета, выполнена в виде шестигранной призмы, при этом датчики имеют форму усеченного конуса и расположены горизонтально в отверстиях стенки ячейки перпендикулярно граням кюветы.
Недостатком известного аппарата следует признать использование электрохимических датчиков, в частности полярографического электрода (типа Кларка) для измерения концентрации кислорода. Он требует частого обслуживания, потребляет кислород в процессе измерения, восприимчив к электромагнитным наводкам и может отравляться серосодержащими соединениями.
Данный источник информации принят в качестве ближайшего аналога разработанного технического решения.
Техническая проблема, решаемая использованием разработанного устройства, состоит в расширении ассортимента устройств для измерения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и суспензиях биологических объектов и устранении недостатков известных устройств.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в предотвращении диффузии кислорода из атмосферы в объем измеряемого образца, что позволяет повысить точность и аккуратность анализа концентрации и скорости изменения концентрации растворенного кислорода в биологической суспензии, при одновременном и непрерывном механическом перемешивании образца, и обеспечения поддержания заданной температуры, что расширяет область применения кислородного датчика в медико-биологических исследованиях, а также устраняет потребление кислорода в процессе измерения, облегчает эксплуатацию устройства (нет необходимости в периодической замене электролита, в устройстве отсутствует кислородопроницаемая мембрана).
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное устройство для измерения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и суспензиях биологических объектов с использованием оптиковолоконного кислородного сенсора. Разработанное устройство содержит измерительную ячейку, выполненную с возможностью герметичного монтажа радиально ориентированного кислородного датчика, представляющего собой сборку, содержащую, по меньшей мере, один Y-образный оптоволоконный жгут со составным сердечником, составленный из двух физически перемешанных пучков волокон, предназначенных для разделения оптических путей возбуждения и регистрации оптического сигнала, причем против торца первого пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены излучатель возбуждающего излучения и светофильтр, а против торца второго пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены светофильтр фотоприемник, напротив общего торца оптоволоконного жгута расположено приспособление для размещения сменного элемента с нанесенным слоем материала, чувствительного к кислороду, также устройство содержит герметичную крышку с, по меньшей мере, одним центральным отверстием, предназначенным для дренажа избыточного объема и обеспечения постоянного объема реактора для обеспечения ввода реактивов, в ячейку вмонтирована магнитная мешалка.
Обычно в качестве источника света возбуждения оптоволоконного датчика используется светодиод, излучающий в диапазоне поглощения света кислород-чувствительным компонентом в составе кислород-чувствительной пленки/материала, а качестве приемника света оптоволоконного датчика используется фотодиод, чувствительный в области излучения кислород-чувствительного компонента в составе кислород-чувствительной пленки/материала.
В некоторых вариантах реализации разработанного устройства оно выполнено с возможностью добавления чувствительного к кислороду индикатора в анализируемую пробу, помещенную в измерительную ячейку.
Конструкция разработанного измерительного устройства отличается наличием в теле устройства:
а) измерительной ячейки, обеспечивающей герметичный монтаж кислородного датчика, и герметичную крышку с, предпочтительно, одним центральным отверстием для дренажа избыточного объема, обеспечения постоянного объема реактора и для обеспечения ввода реактивов; эта же крышка обеспечивает одновременно изоляцию содержания измерительной ячейки и предотвращает контакт поверхности водного раствора и/или водной суспензии биологических объектов с атмосферой;
б) конструкция ячейки обеспечивает/ герметичное крепление кислородного датчика, путем монтажа общего конца волоконного жгута, таким образом, который позволяет экспонировать кислород чувствительный элемент в объем водной суспензии, и предотвращает обмен жидкостью и/или газами с окружающей атмосферой;
в) конструкция устройства содержит в себе вмонтированную магнитную мешалку, для механического размешивания содержания реактора в измерительной ячейке магнитным размешивателем, через дно измерительной ячейки.
Устройство работает следующим образом. Для определения кислорода может использоваться металлокомплекс порфирина (или его производного, например октаэтилпорфирина). В этом случае в качестве источника возбуждающего излучения используют светодиод с максимумом испускания 405 нм со светофильтром, отсекающим ультрафиолетовую и длинноволновую компоненты спектра испускания светодиода. Для регистрации излучения можно использовать кремниевый фотодиод широкого спектра поглощения с широкополосным светофильтром, отсекающим в регистрируемом излучении длины волн менее 630 нм. Индикатор иммобилизуют в газопроницаемой матрице (пленке), размещаемой вблизи общего торца волоконного жгута, или непосредственно добавляют к анализируемому раствору. Для измерения концентрации вещества индикатор в пленке или в растворе облучают возбуждающим излучением и регистрируют порождаемую флуоресценцию/фосфоресценцию. Интенсивность регистрируемого сигнала пересчитывают в концентрацию измеряемого вещества по методу градуировочного графика. Вместо интенсивности в качестве аналитического сигнала можно использовать время жизни возбужденного состояния индикаторного красителя. При этом техническое исполнение оптической схемы идентично, меняется только алгоритм работы электронной схемы возбуждения и обработки регистрируемого сигнала.
В конструкции предлагаемого оптоволоконного датчика в качестве источника света возбуждения использован другой светодиод, излучающий в диапазоне поглощения света кислород-чувствительным компонентом в составе кислород-чувствительной пленки (покрытия). В качестве приемника света фосфоресценции предлагается использовать фотодиод, чувствительный в области излучения кислород-чувствительного компонента в составе кислород-чувствительной пленки (покрытия).
Конструкция разработанного устройства позволяет предотвратить диффузию кислорода из атмосферы в объем измеряемого образца, что позволяет повысить точность и аккуратность анализа концентрации и скорости изменения концентрации растворенного кислорода в биологической суспензии, при одновременном и непрерывном механическом перемешивании образца, и обеспечения поддержания заданной температуры, что расширяет область применения кислородного датчика в медико-биологических исследованиях.
Для достижения указанного технического результата разработана конструкция кислородного датчика, который горизонтально и герметично монтируется в тело измерительной ячейки, с выходом кислород-чувствительного торца, покрытого пленкой, содержащей кислородный сенсор, в объем измерительной ячейки, обеспечивая непрерывное определение концентрации растворенного кислорода в биологических водных жидкостях. Согласно разработанной технологии измерения в измерительную ячейку устройства, в который вмонтирован и герметично закреплен датчик, вносят измеряемый образец (водный раствор или биологическая водная суспензия). Для введения в исследуемый раствор используют герметично закрепляемую крышку, в которой предусмотрены отверстия для микрошприцов, позволяющих вводить и выводить из объема суспензии определенный объем жидкости, в том числе делать добавки растворов субстратов, токсикантов и др.
Предлагаемое решение обладает отсутствием реакции на внешние электрические помехи или шумы, вследствие исключения электрохимических реакций из процесса измерения концентрации кислорода.