Установка для измерения относительной концентрации микроорганизмов
Полезная модель относится к средствам оптического измерения относительной концентрации микроорганизмов. Установка для измерения относительной концентрации микроорганизмов, состоит из генератора 1 синусоидального сигнала низкой частоты, нескольких измерительных ячеек 2 (возможно - 12 ячеек). Каждая ячейка 2 состоит из платы смещения 3 входного сигнала, преобразователя фототока 4, системы термостабилизации 5, которая управляет нагревательным элементом 6, стеклянной пробирки 7, расположенной на пути распространения излучения от светоизлучающего диода 8 к фотодиоду 9, входа 10, на который подается синусоидальный сигнал низкой частоты с генератора 1. Выход 11 платы смещения 3 входного сигнала и выход 12 преобразователя фототока 4 соединяют ячейку 2 с АЦП (на схеме не изображен). Через выход 11 платы смещения 3 входного сигнала осуществляют контроль напряжения на светоизлучающем диоде 8. Напряжение на выходе 12 преобразователя фототока 4 зависит от концентрации микроорганизмов в питательном растворе в стеклянной пробирке 7, помещенной в измерительную ячейку 2. Техническим результатом является повышение достоверности получаемых данных путем увеличения частоты сбора данных в течение длительного времени. 4 ил.
Полезная модель относится к средствам оптического измерения относительной концентрации микроорганизмов.
Известны такие электронные фотометры, как FG-K23040-KW (http://www.kittiwake.com) и HI83749 (www.hannainst.com). Их преимуществом является портативность, недостатком - отсутствие возможности термостабилизации и проведения измерений в течение длительного времени, высокая стоимость.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) была выбрана установка, с помощью которой измеряют скорость роста дрожжей (FRITZ KEILMANN, DIETRICH ВОНМЕ, AND LANNIANTI SANTO. 1980. Multichannel Photometer-Nephelometer. APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Sept. 1980, p.458-461 Vol.40, No.3). Она состояла из гелий-неонового лазера, системы зеркал, восьми фотодатчиков и специальных стеклянных кювет, размещенных на пути распространения луча лазера между соответствующими зеркалами и фотодатчиками. Работает установка следующим образом. Луч лазера при помощи зеркал распределяется на восемь измерительных каналов, один из которых предназначен для измерения мощности лазера, два - для измерения рассеивания света, три - для измерения коэффициента пропускания света, два - для одновременного измерения рассевания света и коэффициента пропускания на одном образце. Измерение коэффициента пропускания производят при помощи пропускания луча лазера через образец (специальная стеклянная кювета с питательным раствором и дрожжами) и последующего измерения интенсивности узкого пучка прошедшего света посредством фотодатчика. Измерение рассеивания света производят при помощи пропускания луча света через образец и фокусирования рассеянного света при помощи специальной линзы на фотодатчике. Используя полученные данные, по приведенным в статье формулам, рассчитывают концентрацию дрожжей. К недостаткам известной установки относится использование дорогостоящего лазера, сложность оптической системы.
Технической задачей является разработка более дешевого автоматизированного устройства для измерения относительной концентрации микроорганизмов в питательной среде, с одновременным повышением достоверности получаемых данных путем увеличения частоты сбора данных в течение длительного времени.
Установка для измерения относительной концентрации микроорганизмов содержит генератор синусоидального сигнала низкой частоты, соединенный через вход платы смещения входного сигнала с измерительными ячейками, которых более одной. Каждая ячейка состоит из платы смещения входного сигнала, соединенной со светоизлучающим диодом, используемым в качестве источника излучения, преобразователя фототока, системы термостабилизации, управляющей нагревательным элементом, стеклянной пробирки, размещаемой на пути распространения излучения от светоизлучающего диода к фотодиоду, соединенному с преобразователем фототока. Через выход платы смещения входного сигнала осуществляют контроль напряжения на светоизлучающем диоде. Напряжение на выходе преобразователя фототока зависит от концентрации микроорганизмов в питательном растворе в стеклянной пробирке, помещенной в измерительную ячейку. Выходы платы смещения входного сигнала и преобразователя фототока связаны с аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
В отличие от прототипа заявляемая установка в качестве источника излучения содержит светоизлучающий диод, соединенный с платой смещения входного сигнала, что позволяет отказаться от использования системы линз и зеркал, конструктивно упростить заявляемую установку и снизить ее стоимость. Предлагаемая установка позволяет наблюдать рост микроорганизмов длительное время (более 36 часов).
На фиг.1 представлена схема заявляемой установки; на фиг.2 - график зависимости относительной концентрации хлебных дрожжей в питательном растворе от времени в каждой из шести ячеек (номер кривой соответствует номеру ячейки); на фиг.3 - часть зависимости, представленной на фиг.2, во временном интервале от 500 секунд до 700 секунд; на фиг.4 - график зависимости относительной концентрации дрожжей от времени при одинаковых мощности СВЧ-излучения, времени экспозиции, напряженности поля подмагничивания и различных частотных диапазонах СВЧ-излучения: 1 - контрольный образец (СВЧ-излучение и поле подмагничивания отсутствуют), 2 - 3,9 ГГц - 4,0 ГГц, 3 - 4,0 ГГц - 4,1 ГГц, 4 - 4,1 ГГц - 4,2 ГГц, 5 - 4,2 ГГц - 4,3 ГГц, 6 - СВЧ-излучение отсутствует.
Установка для измерения относительной концентрации микроорганизмов, состоит из генератора 1 синусоидального сигнала низкой частоты, нескольких измерительных ячеек 2 (на рисунке показано три ячейки, возможно - 12 ячеек). Каждая ячейка 2 состоит из платы смещения 3 входного сигнала, преобразователя фототока 4, системы термостабилизации 5, которая управляет нагревательным элементом 6, стеклянной пробирки 7, светоизлучающего диода 8, фотодиода 9, входа 10, на который подается синусоидальный сигнал с генератора 1 синусоидального сигнала низкой частоты.
Выход 11 платы смещения 3 входного сигнала и выход 12 преобразователя фототока 4 соединяют ячейку 2 с АЦП (на схеме не изображен).
Работает установка следующим образом.
Синусоидальный сигнал с генератора 1 поступает в ячейку 2 на вход 10 платы смещения 3 входного сигнала, которая добавляет к сигналу с генератора 1 постоянную составляющую. Постоянная составляющая необходима для того, чтобы светоизлучающий диод 8, на который подается напряжение, непрерывно светился с переменной яркостью. Свет от светоизлучающего диода 8 проходит через пробирку 7 с питательным раствором с микроорганизмами и попадает на фотодиод 9. Ток фотодиода 9 преобразуется в напряжение с помощью преобразователя фототока 4. Контроль напряжения на светоизлучающем диоде 8 осуществляют через выход 11, соединенный с АЦП, при помощи которого аналоговый сигнал с выхода 11 преобразовывается в цифровой сигнал. Напряжение на выходе 12 преобразователя фототока 4 зависит от концентрации микроорганизмов в растворе. Аналоговый сигнал с выхода 12 поступает на АЦП и преобразовывается в цифровой сигнал. Температура питательного раствора поддерживается постоянной на заданном уровне с помощью нагревателя 6, управляемого системой термостабилизации 5.
С помощью специальной процедуры калибровки можно установить зависимость напряжения на выходе 12 преобразователя фототока 4 зависит от концентрации микроорганизмов в растворе.
Калибровку осуществляют для установления однозначной зависимости между напряжением на выходе 12 преобразователя фототока 4 и относительной концентрацией микроорганизмов в питательном растворе в пробирке 7. Для этого поступают следующим образом:
1. В пробирку 7 наливается V0 мл питательного раствора с микроорганизмами. При этом концентрация микроорганизмов в растворе должна быть заведомо выше уровня, который будет достигнут в процессе последующих измерений.
2. Пробирка 7 с питательным раствором и микроорганизмами помещается в измерительную ячейку 2.
3. Текущей концентрации микроорганизмов в питательном растворе ставится в соответствие некоторое произвольное число С0, являющееся относительной концентрацией микроорганизмов в питательном растворе в данный момент. Этой относительной концентрации соответствует текущее напряжение U0 на выходе 12 преобразователя фототока 4.
4. В пробирку 7 с питательным раствором и микроорганизмами доливается некоторый объем 
V питательного раствора. Относительная концентрация микроорганизмов C1 становится равной V0 /(V0+V)*С0. Ей соответствует текущее напряжение U1 на выходе 12 преобразователя фототока 4.
5. Действия, описанные в пункте 4 повторяется необходимое (10 или более, в зависимости от необходимого диапазона измерения относительной концентрации) число раз. При этом на каждом шаге i относительная концентрация Сi вычисляется по формуле Сi=V0/(V 0+i*V)*С0, где V0 - исходный объем питательного раствора с микроорганизмами, V - объем питательного раствора, доливаемый в пробирку на каждом шаге, С0 - начальная относительная концентрация микроорганизмов в питательном растворе. Каждому значению относительной концентрации Сi ставится в соответствие напряжение Ui, измеряемое на выходе 12 преобразователя фототока 4.
6. В результате совершенных действий, указанных в пунктах 1-5 имеем ряд пар чисел (Ci, Ui ), которые и определяют зависимость относительной концентрации микроорганизмов в питательном растворе от напряжения на выходе 12 преобразователя фототока 4.
7. Пары чисел (C i, Ui), определяющие зависимость относительной концентрации микроорганизмов в питательном растворе от напряжения на выходе 12 преобразователя фототока 4 заносятся в базу данных программы, получающую данные от АЦП и вычисляющую относительную концентрацию по специальному алгоритму.
Пример конкретного выполнения
Эксперимент проводили на установке, содержащей 6 ячеек 2. Использовались результаты ранее выполненной калибровки. В стеклянную пробирку 7 каждой из ячеек 2 наливали 5 мл 3-х процентного раствора сахара. Затем в каждую стеклянную пробирку 7 насыпали сухие хлебные дрожжи при помощи мерной емкости объемом 15 куб. мм. Температура стабилизирована на уровне 36°С с погрешностью не более 0,3°С при помощи системы термостабилизации 5, управляющей нагревательным элементом 6. Для работы установки необходимо, чтобы длина волны излучения светодиода 8 находилась в диапазоне от 280 нм до 700 нм (видимый свет). Процедура калибровки позволяет компенсировать возможную неоднородность спектра поглощения исследуемого питательного раствора с микроорганизмами, что делает возможным
использование светоизлучающих диодов с любой длиной волны излучения из указанного диапазона. В данном примере длина волны излучения светодиода 8 равна 620 нм. Измерения начинали через 5 минут после растворения дрожжей в питательном растворе. Амплитуда сигнала на генераторе 1 была установлена на уровне 100 мВ, частота - 1 кГц. Сигнал с генератора 1 поступает на вход 10 ячейки 2, с него на плату смещения 3 входного сигнала, которая подает на светоизлучающий диод 8 синусоидальный сигнал с постоянной составляющей в 2,3 В и амплитудой переменной составляющей в 100 мВ. Свет от светоизлучающего диода 8 проходит через пробирку 7 с питательным раствором с микроорганизмами и попадает на фотодиод 9 (ФД 256). Ток фотодиода 9 преобразуется в напряжение с помощью преобразователя фототока 4 с коэффициентом преобразования 30 В/мкА. Сигнал с выхода 11 платы смещения 3 входного сигнала и выхода 12 преобразователя фототока 4 поступает на АЦП, оцифровывается, обрабатывается и записывается при помощи специального программного обеспечения. В эксперименте использовалось 6 измерительных ячеек 2. Эксперимент длился 5,5 часов. Измерения относительной концентрации дрожжей производились 1 раз в секунду. На фиг.2 представлен полученный график зависимости относительной концентрации дрожжей от времени. Полученные результаты показывают, что погрешность измерений на каждой измерительной ячейке 2 не превышает 2%.
На графике 2 видно, что результаты измерения относительной концентрации микроорганизмов на разных ячейках хорошо согласуются между собой, что свидетельствует о достоверности результатов измерения при помощи заявляемой установки. Графики на фиг.3 показывают, что измерения проводят с интервалом в 1 секунду. Кривые, представленные на графике 4, свидетельствуют о возможности проведения длительных наблюдений за концентрацией микроорганизмов в течение суток и более.
Представленные графические данные подтверждают достижение технического результата, а именно: возможность наблюдения динамики роста микроорганизмов в течение длительного времени с малым интервалом времени между измерениями, что повышает достоверность получаемых данных.
Установка для измерения относительной концентрации микроорганизмов, содержащая источник излучения, стеклянные пробирки, размещаемые на пути распространения излучения, фотодатчики, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит генератор синусоидального сигнала низкой частоты, соединенный через вход платы смещения входного сигнала с измерительными ячейками, которых более одной, связанными с аналого-цифровым преобразователем через выход платы смещения входного сигнала и выход преобразователя фототока, при этом каждая из ячеек состоит из платы смещения входного сигнала, соединенной со светоизлучающим диодом, используемым в качестве источника излучения, преобразователя фототока, системы термостабилизации, управляющей нагревательным элементом, стеклянной пробирки, размещаемой на пути распространения излучения от светоизлучающего диода к фотодиоду, соединенному с преобразователем фототока.
