УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МАГНИТНЫХ МИКРООБЪЕКТОВ

Устройство относится к оптическим устройствам, а именно, к устройствам для оптической диагностики микрообъектов в кюветах, в частности, для флуоресцентной диагностики магнитных микро- и наночастиц.
Известен ряд устройств, в которых используются магнитные частицы в дисперсных средах в качестве меток или носителей конгломератов молекул или микрочастиц химической или биологической природы (далее по тексту - магнитные микрообъекты).
Диапазон их размеров составляет - микро- и нанометры. При этом для идентификации и диагностики указанных микрообъектов, имеющих магнитные свойства входящих в их состав магнитных частиц, используются методы и устройства бесконтактного зондирования дисперсных сред оптическим излучением с последующим анализом информации, содержащейся в отклике этих микрообъектов на воздействие излучения (в том числе, анализ процессов их флуоресценции).
Также в ряде устройств имеется возможность управлять указанными магнитными микрообъектами путем воздействия на них магнитными полями с целью изменения их характеристик в окружающей их дисперсной среде и взаимодействия с этой средой, в том числе: характеристик движения магнитных микрообъектов, изменения их физико-химических свойств, ориентации, агрегации и т.д.
Известны устройства (US Patent 7,459,145 от 02.12.2008 г. и US Patent Application 2008/0305048 от 11.12.2008 г.), в которых исследуются субстраты с пробами, содержащими биологические микрообъекты (участки РНК, химические рецепторы, молекулы белков и т.д.) с присоединенными химически к ним магнитными наночастицами. Исследования магнитных микрообъектов в указанных устройствах проводятся методами оптической флуоресцентной микроскопии, электронной микроскопии, magnetic resonans imaging (MRI), динамического рассеяния света (DLS). Магнитные наночастицы используются в данных устройствах как метки, присоединяемые к определенным молекулам, клеткам или микроорганизмам, дающие сигнал, который идентифицирует их, в том числе, методами магнитно-резонансной спектроскопии. В составе указанных устройств не предусмотрены узлы и элементы, изменяющие характеристики движения магнитных микрообъектов с помощью магнитного поля.
Недостатками аналогов является ограниченность практического применения из-за сложности и высокой стоимости анализа при использовании метода магнитного резонанса, как в обоих аналогах, или ввиду необходимости микроскопной визуализации каждой пробы, как в первом аналоге, невозможность проведения непрерывного аналитического процесса и экспрессного анализа, ввиду большого количества отдельных операций обработки проб и анализа, выполняемых вручную. Кроме того, в составе указанных устройств не предусмотрены узлы и элементы, изменяющие характеристики движения магнитных микрообъектов с помощью магнитного поля, поэтому отсутствует возможность обеспечить их смещение и сепарацию с целью увеличения локальной концентрации в пробе.
Другим аналогом заявляемого устройства является оптическая установка (К.В.Ерин, С.А.Куникин, «Журнал Технической Физики». Т. 77, вып.10, 2007. Стр. 85-88.), на которой исследовались особенности рассеяния лазерного излучения магнитными частицами при воздействии на них импульсного магнитного поля.
Установка состоит из лазера, освещающего узким когерентным пучком света круглую кювету, двух одинаковых электромагнитов, расположенных симметрично относительно кюветы и создающих в ней импульсное магнитное поле, узлов приема и регистрации интенсивности рассеянного излучения под заданным углом рассеяния, и компьютера, обрабатывающего полученные данные об интенсивности рассеянного света.
С помощью импульсного магнитного поля, которое обеспечивается подачей импульсного электрического напряжения на катушки электромагнита, меняется ориентация частиц и их взаимная сцепляемость в жидкой среде в кювете, что приводит к изменению интенсивности рассеянного излучения до некоторого высокого значения. По ходу возвращения частиц к первоначальному состоянию ориентации (и соответственному снижению интенсивности) определяется коэффициент диффузии частиц, а по нему - их размеры. В аналоге исследуются магнитные частицы размером от 1 до 12 мкм в жидкой среде, а исследуемый образец помещается в круглую кювету диаметром 10 мм.
Недостатками аналога является то, что используется непроточная кювета для анализа разовых порций пробы. Кроме того, кювета и устройство измерения параметров предназначены для работы с крупными частицами (размером от 1 до 12 мкм) и с высокими концентрациями в растворе, так как способ магнитного воздействия на микрочастицы, используемый в прототипе, не эффективен для мелких частиц, размером менее 1 мкм, а тем более, для частиц, в нанометровом диапазоне размеров.
Кроме того, так как в устройстве не создается локального градиента магнитного поля, то осуществляемое воздействие магнитного поля на частицы не позволяет обеспечить их смещение и сепарацию с целью увеличения концентрации в измерительном объеме кюветы.
Прототипом заявляемой полезной модели является установка для определения параметров магнитных микрообъектов в составе устройства для иммуно-магнитной диагностики (Huading Zhang, B.E., Immunomagnetic cell separation: continued development of fundamental model of magnetophoretic mobility and further applications. Dissertation, Ohio State University, 2004). Установка содержит непроточную кювету с прозрачными стенками для оптических измерений, которая заполняется через входной канал с помощью шприца суспензией, содержащей клетки и другие биологические микрообъекты, меченные и/или не меченные магнитными частицами, то есть, магнитные микрообъекты. После заполнения кюветы суспензией входной и выходной каналы кюветы закрываются кранами. При этом кювета помещена между полюсами магнита специальной формы, который обеспечивает высокий градиент магнитного поля, изменяющего траекторию и скорость магнитных микрообъектов. Для оптических измерений, а именно, для определения распределения частиц по размерам, используется Cell Tracking Velocimetry (CTV) - узел с источником света, освещающего измерительный объем кюветы, с микроскопом, видеокамерой и компьютером для измерения треков магнитных микрообъектов.
Недостатками прототипа является то, что в момент измерения параметров кювета используется для анализа неподвижных разовых порций пробы. Другими недостатками являются ограниченность практического применения из-за сложности и высокой стоимости анализа, ввиду необходимости микроскопной визуализации и обработки изображений каждой пробы, невозможность определения других характеристик микрообъектов, кроме распределения по размерам и счетного количества частиц, невозможность проведения непрерывного аналитического процесса и экспрессного анализа, ввиду большого количества отдельных операций обработки неподвижных разовых проб и анализа, выполняемых вручную.
Техническим результатом, достигаемым полезной моделью - устройством для оптической диагностики магнитных микрообъектов, является возможность проведения непрерывного аналитического процесса и экспрессного анализа магнитных микрообъектов в потоке дисперсной среды в реальном времени, путем концентрирования и накопления этих микрообъектов магнитным полем, что позволит повысить чувствительность измерений, то есть, снизить пороговый уровень измеряемых концентраций микрообъектов в пробе на входе в устройство. За счет этого появится возможность снизить трудоемкость, затраты времени и стоимость проведения анализов, снизить стоимость устройства в целом. Использование в заявляемом устройстве методов измерения интегральных оптических характеристик, в частности, измерения флуоресценции микрочастиц нанометровых размеров, позволит расширить функциональные возможности измерения параметров частиц.
Данный технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для оптической диагностики магнитных микрообъектов, в соответствии с прототипом содержит:
- кювету, выполненную из немагнитных материалов, с измерительным объемом внутри кюветы и, по меньшей мере, частью прозрачными стенками для оптических измерений;
- дисперсную среду, содержащую магнитные частицы, соединенные с конгломератами молекул или микрочастицами химических или биологических веществ, которые имеют размеры в диапазоне нанометров и микрометров, то есть, магнитные микрообъекты, и/или при отсутствии магнитных частиц в составе конгломератов молекул или микрочастиц веществ тех же размеров - немагнитные микрообъекты;
- входной и выходной каналы в кювету для, соответственно, подведения, заполнения и отведения из нее дисперсной среды с магнитными и/или немагнитными микрообъектами, обеспеченные или не обеспеченные кранами для возможности уменьшения и перекрытия потока среды;
- побудителем движения дисперсной среды через каналы и кювету;
- систему магнитов, между разноименными полюсами которых, на равном от них расстоянии, расположен измерительный объем кюветы, при этом градиент магнитного поля магнитов воздействует на магнитные микрообъекты среды;
- источник оптического излучения, освещающего через прозрачные стенки кюветы дисперсную среду с магнитными и/или немагнитными микрообъектами в измерительном объеме кюветы;
- узлы приема излучения, испускаемого магнитными и/или немагнитными микрообъектами в дисперсной среде при освещении ее излучением от источника оптического излучения, преобразования принятого излучения в электрический сигнал и/или регистрации этого сигнала;
- возможность включения в состав устройства узла обработки и регистрации информации, полученной от узла преобразования принятого излучения, в виде электрического сигнала.
В отличие от прототипа, заявляемая полезная модель - устройство для оптической диагностики магнитных микрообъектов - имеет следующие существенные признаки.
Система магнитов выполнена в виде пары, по меньшей мере, одинаковых катушек электромагнита, питаемого постоянным и/или переменным током, с установленными и/или не установленными сердечниками из магнитного материала в магнитном поле каждой катушки из пары, с возможностью разделения катушек и/или сердечников, по меньшей мере, на попарно одинаковые, секции, с возможным расположением парных секций катушек, и/или сердечников, и/или направления намотки провода в парных катушках зеркально-симметрично друг к другу относительно центра измерительного объема, в результате чего, распределение магнитных силовых линий электромагнита в измерительном объеме кюветы имеет ту же зеркальную симметрию, что и катушки, а сами магнитные силовые линии в измерительном объеме направлены перпендикулярно к плоскости зеркальной симметрии, при этом распределение магнитных силовых линий в измерительном объеме имеет наибольшую плотность вблизи перпендикуляра к плоскости зеркальной симметрии, проходящего через центр измерительного объема кюветы.
Внутренняя поверхность кюветы имеет или не имеет форму близкую к осевой симметрии с осью симметрии, совпадающей с перпендикуляром к плоскости зеркальной симметрии магнитного поля катушек электромагнита, проходящим через центр измерительного объема кюветы, и имеет или не имеет форму близкую к зеркальной симметрии с плоскостью симметрии, проходящей через центр измерительного объема и совпадающей с плоскостью зеркальной симметрии катушек.
С возможностью при этом покрытия, по меньшей мере, части поверхности стенок кюветы свето-поглощающим или свето-отражающим материалом.
В составе дисперсной среды и/или, по меньшей мере, некоторых магнитных и/или немагнитных микрообъектов содержатся/введены или не содержатся/не введены квантовые точки и/или биологические микрообъекты, обладающие свойствами флуоресценции при облучении их оптическим излучением, а узлы приема и преобразования оптического излучения и обработки информации имеют или не имеют в своем составе блоки, обеспечивающие возможность селекции сигнала, соответствующего излучению флуоресценции, общей и/или указанных микрообъектов, от сигнала, соответствующего остальному рассеянному излучению, в том числе, возможно - флуоресцентный спектрометр, и/или блоки, обеспечивающие возможность анализа параметров излучения, рассеянного микрообъектами.
Каждый из каналов - входной и/или выходной - выполнены с возможностью разветвления, по меньшей мере, на два, соответственно, входных/выходных канала, присоединяемых к кювете, а также, входной и выходной каналы выполнены с возможностью присоединения, по меньшей мере, одного выходного канала к одному входному каналу снаружи кюветы, в том числе, через побудитель движения среды, и обеспечения рециркуляции потока дисперсной среды через каналы и/или кювету, а побудитель движения при этом выполнен, в том числе, в виде, по меньшей мере, одного насоса.
При этом имеется возможность присоединения входных каналов к кювете, по меньшей мере, с одной стороны или с двух сторон в местах пересечения стенок кюветы с перпендикуляром к плоскости зеркальной симметрии катушек, проходящим через центр измерительного объема кюветы, и с возможностью совпадения направления оси входных каналов в этих местах с указанным перпендикуляром.
И имеется возможность присоединения выходных каналов к кювете, по меньшей мере, с двух сторон в местах пересечения стенок кюветы с плоскостью зеркальной симметрии катушек, причем, места присоединения выходных каналов расположены с возможностью осевой симметрии относительно перпендикуляра к этой плоскости, проходящего через центр измерительного объема, и с возможностью направления оси выходных каналов в этих местах к центру измерительного объема.
Также имеется возможность присоединения, по меньшей мере, одного выходного канала к кювете в месте пересечения стенок кюветы с перпендикуляром к плоскости зеркальной симметрии катушек, проходящим через центр измерительного объема кюветы, и с возможностью совпадения направления оси этого канала в этом месте с указанным перпендикуляром, а также, с возможным расположением торца этого выходного канала ближе к центру измерительного объема, чем стенка кюветы в месте присоединения этого канала.
При этом, по меньшей мере, в одной паре катушек или секций катушек электромагнита, расположенных зеркально-симметрично, намотка провода выполнена в виде, по меньшей мере, одного слоя плоской одинаково направленной спирали, с возможностью расположения зеркально-симметрично в магнитном поле каждой секции катушек из этой пары соответствующей секции сердечника, выполненной в виде круглого диска, причем, центры спиральной намотки секций катушек и дисков сердечников находятся на перпендикуляре к плоскости зеркальной симметрии, проходящем через центр измерительного объема кюветы.
Источник оптического излучения выполнен в виде, по меньшей мере, одного источника лазерного и/или светодиодного излучения с узкой шириной спектра длин волн, с возможностью излучения в ультрафиолетовой области спектра и/или с возможностью использования средств, в том числе, оптических фильтров, для формирования требуемых спектральных характеристик оптического излучения от источника.
По меньшей мере, один насос, обеспечивающий движение дисперсной среды по каналам устройства, в том числе, и тот, который обеспечивает ее рециркуляцию, выполнен в виде перистальтического насоса, механизмы которого не имеют непосредственного контакта с перекачиваемой средой, при этом, по меньшей мере, на участке действия перистальтического насоса, стенки входного и/или выходного каналов могут быть эластичными.
Поток дисперсной среды с магнитными микрообъектами, двигающийся в измерительном объеме кюветы от входных каналов вдоль перпендикуляра к плоскости зеркальной симметрии, в центральной части этого объема изменяет свое направление в сторону боковых стенок кюветы вдоль плоскости зеркальной симметрии всей конструкции и удаляется наружу через выходные каналы. Силы градиента магнитного поля, сформированного катушками электромагнита, заставляют магнитные микрообъекты смещаться к центру измерительного объема, что приводит к их накоплению и концентрированию в этом месте.
Вариант устройства с присоединением выходного канала к кювете вблизи центра ее измерительного объема, при соответствующем подборе скоростей потока дисперсной среды, позволяет отделять концентрированную часть этого потока от неконцентрированной и удалять из кюветы. То есть, появляется дополнительное преимущество устройства - сепарация магнитных микрообъектов от других немагнитных в потоке дисперсной среды.
Концентрированно и накапливание магнитных микрообъектов, в составе которых имеются магнитные частицы, соединенные с конгломерами молекул или микрочастицами химических или биологических веществ, в измерительном объеме кюветы позволяет повысить чувствительность измерений, то есть, снизить пороговый уровень измеряемых концентраций микрообъектов в пробе на входе в устройство.
Использование в заявляемом устройстве лазерных или светодиодных источников света с узким спектром длин волн для оптического зондирования дисперсной среды, а также, узлов для измерения интегральных оптических характеристик отклика частиц на облучение, в частности, узлов измерения и обработки спектров флуоресценции микрочастиц нанометровых размеров, позволяют расширить функциональные возможности измерения параметров частиц, а именно: точнее их идентифицировать, получать новые качественные и количественные характеристики микрообъектов. Непрерывная или периодическая подача исследуемого материала пробы в измерительный объем, одновременное его зондирование оптическим излучением, обработка информации о рассеянном частицами излучении в текущем времени - все это обеспечит непрерывную и экспресс-диагностику идентифицируемых микрообъектов. За счет этого увеличится информативность анализов, появится возможность снизить трудоемкость, затраты времени и стоимость проведения анализов, и снизить стоимость устройства в целом.
На фиг.1 показано схематическое изображение преимущественного варианта реализации устройства для оптической диагностики магнитных микрообъектов, с изображением внутренней части кюветы для оптических измерений (узлы источника оптического излучения, приема и преобразования оптического излучения, обработки и регистрации полученной информации - не показаны).
На фиг.2 показан вид плоской спиральной намотки одной из парных катушек (или секции парных катушек), расположенных зеркально-симметрично друг к другу относительно центра кюветы.
В заявляемом устройстве кювета 1 для оптических измерений выполнена из немагнитных материалов, с измерительным объемом 2 в центральной части кюветы и прозрачными окнами для оптических измерений (на схеме не отмечены). Верхняя и нижняя половины внутренней поверхности кюветы 1 имеют зеркальную симметрию, причем, плоскость симметрии (на фиг.1 проецируется в линию 3) проходит через центр измерительного объема 2, эта же внутренняя поверхность кюветы 1 имеет осевую симметрию относительно перпендикуляра 4 к плоскости зеркальной симметрии, проходящего через центр измерительного объема 2 кюветы, и выполнена в виде, например, тела вращения вокруг указанного перпендикуляра 4. Кроме того, внутренняя поверхность кюветы 1 сглажена так, чтобы до минимума уменьшить возможные неоднородности линий тока дисперсной среды, особенно в месте стыка входных или выходных каналов с внутренней стенкой кюветы.
Два входных канала 5 для ввода в кювету дисперсной среды 6 (содержащей магнитные микрообъекты, в том числе, магнитные частицы, соединенные с конгломератами молекул или микрочастицами химических или биологических веществ, которые имеют размеры в диапазоне нанометров и микрометров) присоединены к кювете 1 сверху и снизу в месте пересечения стенок кюветы с перпендикуляром 4 так, чтобы линии тока среды 6 на входе в кювету были параллельны этому перпендикуляру 4. В данном примере магнитные микрообъекты представляют собой связанные комплексы из исследуемого биологического микрообъекта, наноразмерных ферромагнитных частиц и квантовой точки, например, селенида цинка диаметром в 20 нм, обладающие флуоресценцией определенного спектрального состава, позволяющего диагностировать эти биологические микрообъекты. По меньшей мере, два (или четыре) выходных канала 7 для вывода из кюветы дисперсной среды 6 присоединены к кювете 1 по ее боковой поверхности в месте пересечения стенок кюветы с плоскостью зеркальной симметрии, причем места присоединения выходных каналов 7 расположены с осевой симметрией к оси, проходящей через центр измерительного объема 2, а линии тока среды 6 на выходе из кюветы в каналы 7 направлены от центра измерительного объема 2.
Система катушек электромагнита, питаемого постоянным и/или переменным током, выполнена в виде пары одной (или двух) секций 8 катушек, с намоткой провода, выполненной в виде, хотя бы одного слоя плоской одинаково направленной спирали (смотри фиг.2), причем в магнитном поле каждой секции 8 установлено по одинаковому магнитному сердечнику в виде плоского круглого диска 9. При этом парные секции 8 катушек и диски 9 сердечников расположены с той же симметрией друг к другу в паре, что и симметрия внутренней поверхности кюветы 1, а центры спиральной намотки секций 8 катушек и дисков 9 сердечников находятся на перпендикуляре к плоскости зеркальной симметрии, проходящем через центр измерительного объема 2 кюветы 1. Ближе к кювете находится первая пара секций 8 катушек, дальше - пара дисков 9 и далее в том же порядке. На фиг.1 показано только по одной паре секций 8 катушек и дисков 9 сердечников. Создаваемое катушками магнитное поле имеет ту же симметрию, что и поверхность кюветы 1, с наибольшим градиентом вблизи центра измерительного объема 2, уменьшающимся к боковым стенкам кюветы 1.
Источником зондирующего оптического излучения 10 является лазер или светодиод с узкой шириной спектра длин волн в ультрафиолетовой области спектра. Излучение 10 от источника и излучение 11 флюоресценции частиц передается через прозрачные окна кюветы 1 и коллимирующую систему 12 на узлы приема, преобразования и обработки сигнала (на фиг.1 не показаны). Для диагностики магнитных и немагнитных микрообъектов используются стандартный спектрофлуориметр и персональный компьютер, содержащий специальные программы обработки спектральной информации.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Подготовленная дисперсная среда 6 с диагностируемыми микрообъектами с помощью побудителя движения поступает через кран 13 по входным каналам 5 в кювету 1, заполняет ее и, при необходимости, по выходным каналам 7 через кран 14 удаляется из устройства. При закрытых кранах 13 и 14 и включении перистальтического насоса 15, когда поток среды 6 из выходных каналов 7 через входные каналы 5 снова поступает в кювету 1, обеспечивается режим рециркуляции дисперсной среды в измерительном объеме 2 кюветы. При этом в области наибольшего градиента магнитного поля электромагнита происходит сепарация магнитных микрообъектов от немагнитных: магнитные микрообъекты под действием градиента поля смещаются к центру измерительного объема 2, а немагнитные и вся остальная среда 6 по линиям тока удаляются из кюветы по выходным каналам 7 с возможностью повторного возвращения в кювету по схеме рециркуляции. Регулируя подачу среды кранами 13 и 14 и насосом 15, можно обеспечить работу устройства с необходимыми параметрами движения среды 6 одновременно в двух режимах подачи среды в кювету с целью оптимального концентрирования магнитных микрообъектов в измерительном объеме 2 кюветы 1.
Спектрофлуориметр позволяет проводить идентификацию и диагностику флуоресцирующих определяемых микрообъектов с учетом интегральных по коллективу частиц характеристик их спектра флуоресценции и/или рассеяния излучения, в том числе, по составленным заранее базам данных параметров их излучения. За счет концентрирования магнитных микрообъектов, в составе которых имеются флуоресцирующие биологические и/или не биологические частицы, интенсивность излучения флуоресценции диагностируемых микрочастиц значительно увеличивается (по оценкам в 10-50 раз), что позволяет резко повысить чувствительность и качество диагностики и обеспечить экспресс-диагностику микрообъектов в реальном времени.
В качестве варианта исполнения устройства имеется возможность дополнительного присоединения одного выходного канала к кювете 1 вместо нижнего входного канала с расположением его торца ближе к центру измерительного объема. Такая конструкция позволяет эффективно удалять из кюветы дисперсную среду с накопленными концентрированными магнитными микрообъектами отдельно от общего потока дисперсной среды 6.
Кроме того, после проведения цикла измерений или, по меньшей мере, одного разового измерения параметров магнитных микрообъектов необходимо обеспечить очистку и антисептическую обработку, по меньшей мере, внутренних стенок кюветы и каналов от остаточных загрязнений микрообъектами, участвующими в предыдущих измерениях. Это необходимо по двум причинам. Первое, очистка обеспечит снижение фоновых и паразитных сигналов, ухудшающих чувствительность последующих измерений, и второе, антисептика необходима для обеспечения безопасности людей и соблюдения санитарных норм при проведении измерений токсичных, заразных или опасных микрообъектов.
Заявляемая полезная модель может обеспечить повышение качества диагностики биологических и других микрообъектов и снижение затрат на подобные устройства в медицине, в пищевой промышленности, сельском хозяйстве и в других отраслях народного хозяйства.