Устройство для перемещения биочипа относительно объектива микроскопа, снабженного фотокамерой
Полезная модель относится к области медицины, но также может быть использована в области биологии и ветеринарии.
Устройство для перемещения биочипа относительно объектива микроскопа, снабженного фотокамерой, содержит платформу (1), подвижные секции (2) и (3), узел для крепления к микроскопу (1, 45, 47), адаптер (17) для крепления биочипа (18) или приспособления (19), в котором размещен биочип (18), электромоторы (25, 32), приводящие в движение механизм продольного перемещения (9, 12) и механизм поперечного перемещения (4, 5, 6, 10), а также блок (37) управления работой электромоторов. Устройство оснащено блоком (38), управляющим работой установленной на микроскопе фотокамеры, осуществляющей фотографирование участков поверхности биочипа (18), перемещаемого устройством относительно объектива микроскопа. Устройство также имеет дополнительный механизм (7, 40, 41) ручной корректировки положения биочипа (18).
Полезная модель относится к области медицины, но также может быть использована в ветеринарии и биологии.
Известно устройство, предназначенное для перемещения микропрепарата в двух взаимно-перепендикулярных направлениях в плоскости предметного столика микроскопа, взятое за аналог. Данным устройством является препаратоводитель СТ-12 (см., например http://www.laboratorium.dp.ua/item/17), являющийся съемной принадлежностью к микроскопам различных моделей. Основными частями препаратоводителя СТ-12 являются: основание (корпус), механизм продольного перемещения, механизм поперечного перемещения, узел крепления препарата (зажимные лапки), узел крепления устройства к предметному столику микроскопа.
Препаратоводитель СТ-12 может быть использован для перемещения микропрепарата, выполненного на предметном стекле (или иной плоской пластине, имеющей близкие размеры), или предметного стекла (пластины), на котором размещен исследуемый с помощью микроскопа плоский объект. Таким объектом может являться, например, биочип, предназначенный для определения поверхностных антигенов клеток. (Например, биочип, описанный в статье: А.В.Шишкин, И.И.Шмырев, С.А.Кузнецова, Н.Г.Овчинина, А.А.Бутылин, Ф.И.Атауллаханов, А.И.Воробьев «Иммунологические биочипы для параллельного определения поверхностных антигенов и морфологического исследования клеток», журнал «Биологические мембраны» 2008 г., том 25, 
4, с 277-284). При проведении неавтоматизированного считывания результата анализа, с помощью данного препаратоводителя перемещают биочип (размещенный на предметном стекле или исходно изготовленный на нем) по предметному столику микроскопа таким образом, чтобы в поле зрения его объектива оказывались необходимые тестовые участки (пятна биочипа), содержащие связавшиеся клетки. Осуществляют микроскопическое исследование и (или) фотографирование тестовых участков (пятен) биочипа (например, с помощью фотокамеры, установленной на микроскопе), которое обычно осуществляют поочередно в определенной последовательности.
Недостатками устройства, взятого за аналог, являются:
неавтоматизированное перемещение биочипа, требующее визуального контроля (с помощью микроскопа), а также разобщенность процессов перемещения биочипа и фотографирования его тестовых участков (считывания результата анализа). Это приводит к большим затратам времени на проведение данного этапа исследования. Кроме того, с помощью данного устройства нельзя осуществлять работу с биочипами, которые по форме и (или) размерам значительно отличаются от предметного стекла без их размещения на последнем. По этой же причине с помощью данного устройства невозможна или затруднительна работа с биочипами, расположенными в инкубационно-отмывочных кюветах (например, патент RU 91339), проточных камерах (например, патенты RU 86750, RU 88674, RU 92196) или иных подобных приспособлениях (например, патент RU 87424).
Известно устройство для перемещения микропрепарата относительно объектива микроскопа, взятое за прототип и представляющее собой моторизованный (сканирующий) предметный столик (см. например, сайт http://www.microscope.kz/library/articles/10/1/29), например, Prior H107 (см. например, сайт http://www.labspb.com/prior_H107.html). Основными частями моторизованного (сканирующего) предметного столика являются: платформа, снабженная механизмом продольного перемещения, механизмом поперечного перемещения, узел крепления микропрепарата, электродвигатель (обычно один или два шаговых электродвигателя) и блок, управляющий его работой. Устройство позволяет перемещать микропрепарат относительно объектива микроскопа в одной плоскости по двум взаимно перпендикулярным направлениям. В качестве микропрепарата может выступать биочип, размещенный, например, на предметном стекле. Микроскоп, на который установлен сканирующий предметный столик, может быть дополнительно оснащен фото- или видеокамерой.
Недостатком устройства, взятого за прототип, является разобщенность процессов перемещения биочипа относительно объектива микроскопа и фотографирования его тестовых участков. Это приводит к существенным затратам времени на проведение данного этапа исследования, поскольку не позволяет проводить его полностью в автоматизированном режиме. Кроме того, с помощью данного устройства затруднительна работа с биочипами, расположенными в инкубационно-отмывочных кюветах (например, патент на полезную модель RU 91339), проточных камерах (например, патенты на полезные модели RU 86750, RU 88674, RU 92196) или иных подобных приспособлениях.
Задачей заявленной полезной модели является ускорение процесса считывания результата анализа, проводимого с использованием биочипа, а также повышение универсальности устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что согласно полезной модели устройство для перемещения биочипа относительно объектива микроскопа, снабженного фотокамерой, содержащее платформу с механизмами продольного и поперечного перемещения биочипа, узел крепления биочипа, электромотор и блок, управляющий его работой, снабжено блоком управления работой фотокамеры, сопряженным с блоком, управляющим работой электромотора, а также снабжено дополнительным механизмом ручной корректировки положения биочипа.
Устройство снабжено одним или несколькими съемными адаптерами для размещения биочипа или приспособления, в котором находится биочип.
Устройство снабжено системой терморегуляции.
В качестве блока управления работой электромотора и блока управления работой фотокамеры выступает компьютер.
Использование заявленной полезной модели позволяет осуществлять в автоматическом режиме перемещение биочипа относительно объектива микроскопа для последующего фотографирования его тестовых участков с помощью смонтированной на микроскопе цифровой фотокамеры (или иного устройства, позволяющего осуществлять микрофотографирование), то есть осуществления считывания результата анализа. При этом за счет наличия одного или нескольких съемных адаптеров может осуществляться работа с биочипами разной формы или размеров, либо с различными приспособлениями (например, инкубационно-отмывочными кюветами, проточными камерами, платформами, предметными стеклами), в которых закреплены биочипы. Благодаря этому устройство обладает высокой универсальностью. Устройство может быть смонтировано на большинстве моделей световых микроскопов. Наличие дополнительного приспособления для ручной корректировки положения биочипа облегчает настройку устройства. Сопряжение блока, управляющего работой электромоторов, с блоком, управляющим работой фотокамеры, установленной на микроскоп, позволяет осуществлять фотографирование, как только биочип будет перемещен на заданное расстояние относительно объектива, и в его поле зрения окажется необходимый участок. После этого биочип сразу же перемещается в следующее необходимое положение. Выполнение серии снимков различных участков биочипа в полностью автоматическом режиме приводит к значительному снижению трудоемкости и резко повышает скорость считывания результата анализа. Наличие системы терморегуляции (термостатирования) позволяет проводить исследования при необходимом температурном режиме, что требуется для решения некоторых исследовательских задач.
Полезная модель поясняется чертежом, где
на фиг.1 представлен общий вид устройства (сверху);
на фиг.2 представлен разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 представлен съемный адаптер, в котором закреплена проточная камера с биочипом;
на фиг.4 представлен общий вид в биочипа.
Полезная модель содержит основание (платформу) 1 (фиг.1) на котором располагается подвижная секция 2, с которой соединена подвижная секция 3. Перемещение секции 2 относительно основания 1 обеспечивает механизм поперечного перемещения, в состав которого входит реечная передача, состоящая из шестерней 4 и реек 5. Рейки 5 неподвижно закреплены на основании 1. Одна шестерня 4 закреплена на валу 6, а вторая шестерня 4 закреплена на валу 7. Валы 6 и 7 размещены в отверстиях 8 подвижной секции 2. Валы 6 и 7 представляют собой трубки, внутри которых проходит вал 9 механизма продольного перемещения. При вращении шестерней 4 происходит перемещение секции 2 относительно основания 1 вдоль поперечной оси. Возможность перемещения подвижной секции 2 относительно основания 1 только вдоль поперечной оси обеспечивают планки 10 (неподвижно прикрепленные к секции 2), которые размещены в пазах 11, выполненных в основании 1. При этом образуется соединение типа «ласточкин хвост».
Перемещение секции 3 относительно секции 2 обеспечивает механизм продольного перемещения, в состав которого входят зубчатая пластина 12 и вал 9, представляющий собой цилиндр с резьбой. Зубчатая пластина 12 (фиг.2) крепится к подвижной секции 3. При вращении вала 9 происходит движение секции 3 относительно секции 2 вдоль продольной оси. При этом зубчатая пластина 12 перемещается по пазу 13 секции 2. С подвижной секцией 3 соединена планка 14, имеющая выступы 15. В выступах 15 находятся отверстия с резьбой, в которых размещены прижимающие винты 16. Планка 14 с выступами 15 и винтами 16 образуют узел крепления адаптера 17. Узел крепления адаптера 17 выполнен съемным. Это позволяет заменять его на другой узел крепления, в тех случаях, когда необходимо размещение в устройстве адаптера 17, имеющего другую форму или размеры. Это повышает универсальность устройства. В адапере 17 (фиг.3) крепится биочип 18 (фиг.4) или приспособление 19 (фиг.3) (например, проточная камера (например, патенты на полезную модель RU 86750, 88674, 92196), секция инкубационно-отмывочного контейнера (например, патент на полезную модель RU 87424), платформа для размещения биочипа (например, патент на полезную модель RU 90213), кювета (например, патент на полезную модель RU 91339), предметное стекло или иное приспособление), в котором размещен биочип 18. В зависимости от этого используются разные адаптеры 17, предназначенные для размещения одного или нескольких отдельно взятых биочипов 18 или крепления указанных выше или подобных приспособлений. На фиг.3 представлен адаптер 17, предназначенный для крепления приспособления 19, представляющего собой в данном случае проточную камеру (патент на полезную модель RU 88674) в которой размещен биочип 18. Адаптер 17 снабжен съемными прижимающими планками 20, обеспечивающими фиксацию приспособления 19 по вертикали.
Устройство крепится к предметному столику микроскопа (на чертеже не показан) с помощью винтов, проходящих через отверстия 21 (фиг.1), выполненные в основании 1. В основании 1 и подвижной секции 2 выполнены отверстия 22, 23, необходимые для прохождения света от осветителя микроскопа (на чертеже не показан) для освещения биочипа 18. На валу 6 механизма поперечного перемещения закреплена шестерня 24. Действие механизма поперечного перемещения обеспечивает электромотор 25, на валу 26 которого закреплена шестерня 27, сцепленная с шестерней 28, закрепленной на валу 29. На валу 29 также закреплена шестерня 30, сцепленная с шестерней 24, закрепленной на валу 6.
На валу 9 механизма продольного перемещения закреплена шестерня 31. Вращение шестерни 31 (вместе с валом 9) обеспечивает электромотор 32, на валу 33 которого закреплена шестерня 34, сцепленная с шестерней 31. Электромоторы 25 и 32 соединены с тахометрами 35. Механизм, содержащий детали 24-35, размещен в корпусе 36, который крепится к секции 2.
Возможна также конструкция устройства, содержащего один электромотор и передаточный механизм, переключаемый для передачи вращательного момента либо на механизм продольного перемещения, либо на механизм поперечного перемещения.
Устройство также оснащено пьезоэлектрическими датчиками (на чертеже не показаны), которые проводами (на чертеже не показаны) соединены с блоком 37, управляющим работой электромоторов 25 и 32.
Перемещение секций 2 и 3 вдоль соответствующих осей на заданные расстояния осуществляется за счет работы электромоторов 25 и 32. Количество оборотов и последовательность включения в работу электромоторов 25 и 32 задает блок управления 37. Блок 37 управления работой электромоторов сопряжен с блоком 38 управления фотокамерой (или иным подобным приспособлением, позволяющим осуществить микрофотографирование участков поверхности биочипа 18). Блок управления 38 соединен с фотокамерой (на чертеже не показана) кабелем 39. Когда биочип 18 перемещается в заданное положение, подается сигнал на фотокамеру для выполнения фотографирования.
Блок 37 управления работой электромоторов способен экстренно блокировать их работу в случае, если вращение валов встречает значительное сопротивление (например, при достижении секциями 2 и 3 крайних положений или наличия препятствия их перемещению).
Помимо автоматизированного перемещения биочипа 18 в заданные положения предусмотрена возможность неавтоматизированного перемещения, которое может быть необходимо для корректировки исходного положения биочипа 18 перед началом считывания результата. Для этой цели возможно вращение валов 7 и 9 вручную с помощью рукояток 40 и 41. Рукоятка 40 закреплена на валу 7, а рукоятка 41 на валу 9. Устройство оснащено координатными шкалами с нониусами (на чертеже не показаны), облегчающими ручную настройку.
Вращение рукояток 40 и 41 допустимо только при выключенных электромоторах 25 и 32. Для предотвращения случайного поворота рукояток 40 и 41 во время работы электромоторов 25 и 32 используется защитный колпачок 42, который крепится к секции 2. Возможность включения электромоторов 25 и 32 только при завинченном колпачке 42 обеспечивает контактный датчик 43, который проводами 44 соединен с управляющим блоком 37. Устройство для перемещения биочипа может быть установлено на предметном столике микроскопа (на чертеже не показан) только в том случае, если он не имеет несъемных выступающих деталей. В иных случаях возможна установка устройства вместо предметного столика. Для этого устройство оснащено съемной планкой 45 (фиг.2), которая крепится к основанию 1 болтами 46. Планка 45 имеет разъем 47 для соединения с типовым узлом крепления, исходно предназначенным для крепления предметного столика к корпусу микроскопа. Поскольку у разных моделей микроскопов данные узлы крепления отличаются, устройство может комплектоваться разными вариантами крепежных планок 45. В тех случаях, когда микроскоп жестко закреплен на рабочем столе, устройство может крепиться не к корпусу микроскопа, а устанавливаться на рабочем столе. Для этого оно снабжено съемной подставкой (на чертеже не показана), которая крепится вместо планки 45.
Электромоторы 25 и 32 соединяются с блоком 37 (управляющим их работой) проводами 48. Тахометры 35 соединяются с блоком 37 проводами, которые на чертеже не показаны.
Устройство оснащено системой терморегуляции (термостатирования), содержащей приспособления 49 (фиг.3), изменяющие температуру, термодатчик 50 и блок управления терморегуляцией 51 (фиг.1). Приспособления 49 (фиг.3) установлены на съемных адаптерах 17, но могут быть размещены и в других частях устройства. В данном случае, приспособления 49 являются элементами Пельтье, способными обеспечивать как нагревание, так и охлаждение, но возможно использование и других приспособлений, способных изменять температуру. Термодатчик 50, установленн на приспособлении 19, в котором размещен биочип 18, но возможно его размещение и в других местах, например на адаптере 17 устройства. Приспособления 49, изменяющие температуру, и термодатчик 50 соединены с блоком 51 управления терморегуляцией проводами, которые на чертеже не показаны.
Адаптеры 17 (или иные части устройства), в которых установлены приспособления 49, изменяющие температуру, изготовлены из металла или иных материалов, обладающих высокой теплопроводностью.
Блоки 37, 38, 51 вместе образуют систему управления работой устройства. Она может быть сопряжена с компьютером (на чертеже не показан), с помощью которого задается алгоритм работы. Вместе с тем, предусмотрена возможность работы устройства независимо от компьютера. В этом случае алгоритм работы устройства задают с помощью панели управления (на чертеже не показана).
Возможно исполнение устройства, при котором функцию системы управления вместо блоков 37, 38, 51 полностью выполняет компьютер.
Возможно исполнение устройства, при котором механизмы продольного и поперечного перемещения оснащены противолюфтовыми приспособлениями (на чертеже не показаны).
Биочип 18 (фиг.4) представляет собой прозрачную подложку 52, на которой в строго определенных местах расположены тестовые участки 53 («пятна» биочипа), содержащие иммобилизованные антитела, а также фоновые участки 54, не содержащие иммобилизованных антител. Антитела, иммобилизованные в тестовых участках 53, специфичны к поверхностным антигенам клеток. Принцип работы подобных биочипов основан на специфическом связывании (в области тестовых участков) клеток, имеющих определяемые антигены. На том этапе анализа, выполняемого с помощью биочипа 18, где может потребоваться использование заявленного устройства, в области тестовых участков 53 находятся связавшиеся клетки.
Помимо биочипов 18 описанной конструкции, устройство может быть использовано для работы с биочипами других типов.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Устройство закрепляют на предметном столике микроскопа. В тех случаях, когда конструкция микроскопа не позволяет сделать этого, предметный столик снимают, а к узлу его крепления прикрепляют планку 45. Винтами 46 к планке 45 крепят устройство для перемещения биочипа. Винтами 16 закрепляют адаптер 17 и размещают в нем биочип 18 или приспособление 19 с находящимся в нем биочипом 18. Снимают предохранительный колпачок 42 с корректировочного приспособления и, вращая рукоятки 40 и 41, перемещают биочип 18 в исходную позицию. В большинстве случаев этой позицией будет являться такое положение биочипа 18, когда участок, с которого начинается считывание, располагается в поле зрения объектива микроскопа. Возвращают в исходное положение предохранительный колпачок 42. Осуществляют фокусировку микроскопа. Установленную на микроскопе цифровую фотокамеру соединяют кабелем 39 с блоком 38, управляющим ее работой. Включают электропитание устройства. В случае если устройство используют независимо от компьютера, алгоритм его работы задают с помощью панели управления. Если устройство используют совместно с компьютером, алгоритм работы задают через компьютер.
В процессе работы устройства в автоматическом режиме осуществляет последовательное перемещение биочипа 18 в заданные положения. При этом в поле зрения объектива микроскопа попадают необходимые участки его поверхности. При перемещении биочипа 18 в заданную позицию, система управления подает сигнал на фотокамеру для осуществления съемки. Затем система управления дает сигнал для возобновления работы электромотора 25 и (или) 32 для перемещения биочипа 18 в следующую позицию.
В зависимости от режима работы устройства, полученные снимки сохраняются в памяти цифровой фотокамеры, либо сразу же сохраняются в памяти компьютера для последующей обработки. После того, как все необходимые участки биочипа будут сфотографированы, если это необходимо, процесс может быть повторен при использовании объектива с другим увеличением или при использовании необходимого светофильтра.
1. Устройство для перемещения биочипа относительно объектива микроскопа, снабженного фотокамерой, содержащее платформу с механизмами продольного и поперечного перемещения биочипа, узел крепления биочипа, электромотор и блок, управляющий его работой, отличающееся тем, что снабжено блоком управления работой фотокамеры, сопряженным с блоком, управляющим работой электромотора, а также снабжено дополнительным механизмом ручной корректировки положения биочипа.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что снабжено одним или несколькими съемными адаптерами для размещения биочипа или приспособления, в котором находится биочип.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что снабжено системой терморегуляции.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока управления работой электромотора и блока управления работой фотокамеры выступает компьютер.
