Дихрометр для определения биологически активного вещества в анализируемой жидкости
Настоящая полезная модель представляет собой дихрометр для определения биологически активного вещества в анализируемой жидкости с помощью биодатчика, содержащего чувствительный элемент, проявляющий круговой дихроизм, содержащий размещенные последовательно: источник широкополосного светового излучения, содержащий ксеноновую лампу, обеспечивающую расширенный в области УФ излучения диапазон длин волн с повышенным выходом УФ излучения; селектор, содержащий шаговый привод поворота дифракционной решетки с микроконтроллером для управления им; спектральный фильтр для поглощения излучения второго порядка отражения дифракционной решетки селектора; поляризатор; спектральную щель, приспособленную для выделения линейно поляризованного светового потока с определенным направлением вектора поляризации; модулятор поляризации; устройство для размещения пробы, содержащей анализируемую жидкость в контакте с биодатчиком, в оптически проницаемой термостатируемой кювете, выполненной с возможностью размещения в разъемном кюветном отделении, состоящем из двух половин, поджатых друг к другу пружиной с регулируемым усилием, и при этом каждая из указанных половин конструктивно объединена с двумя элементами Пельтье, радиатором и термодатчиком и имеет возможность скользящего перемещения относительно корпуса устройства; фотоэлектронный умножитель; цифровую систему регистрации; средство обработки полученного электрического сигнала, вычисления концентрации биологически активного вещества и управления. Дихрометр может быть выполнен в модульном исполнении, и управление работой системы обеспечивается с помощью встроенного или внешнего компьютера через микроконтроллеры модулей. Дихрометр приспособлен для размещения в портативном корпусе.
Настоящая полезная модель относится к медицинской технике и биотехнологиям, а более конкретно - к устройствам для определения в анализируемой жидкости биологически активного вещества (далее БАВ), реализующим биосенсорные технологии определения БАВ, и может быть использована в медицинской и клинической биохимии, а также в молекулярной фармакологии при исследовании фармако-кинетики биологически активных соединений, в фармацевтической промышленности и экологии, и наиболее эффективно - в клинической биохимии.
Известны различные устройства, реализующие биосенсорные технологии, основанные на регистрации оптических сигналов биологически активных веществ, проявляющих аномальный круговой дихроизм в анализируемых жидкостях
Известен спектрополяриметр фирмы Jasco Corporation, Япония (Jasco J-710/720 Spectropolarimeter, Instruction Manual), содержащий источник светового излучения, селектор, поляризатор, модулятор поляризации, ячейку с исследуемой пробой, фотодетектор, синхронный усилитель, усилитель постоянного тока, компьютер, в котором регистрируют величину кругового дихроизма (далее КД), пропорциональную концентрации БАВ в пробе. Однако отсутствие режима накопления сигнала, а значит, недостаточная чувствительность определения БАВ (10-7 моля), большие вес, габариты и энергопотребление, высокая стоимость прибора, отсутствие мобильности приводят к ограничению области применения указанного спектрополяриметра.
Известно устройство для определения биологически активного вещества в анализируемой жидкости (RU, 2107280, С1), содержащее источник светового излучения, селектор, поляризатор, модулятор поляризации, ячейку для размещения исследуемой пробы, содержащей биодатчик на основе холестерической жидкокристаллической дисперсии ДНК (далее ХЖКД ДНК) в контакте с анализируемой жидкостью, фотодетектор, синхронный усилитель, средство обработки сигнала, блок управления. Однако к недостаткам этого устройства можно отнести неустойчивую работу модулятора поляризации фотоэластического типа из-за возможного его смещения, а также влияние электронной схемы возбуждения модулятора на другие системы устройства, что понижает чувствительность регистрации КД, и, соответственно, измерения концентрации БАВ. Кроме того, использованная в указанном устройстве конструкция ячейки для размещения пробы не исключает возможность температурного дрейфа оптических характеристик материала кюветы и, соответственно, сигнала КД пробы. К аналогичному дрейфу приводит и усиление результирующего сигнала КД по постоянному току в тракте синхронного усилителя. При этом наличие в последнем аналогового фильтра низких частот существенно снижает возможности дальнейшей обработки полезного сигнала из-за ограниченного набора постоянных времени фильтра. К недостаткам устройства можно отнести также сложный в изготовлении и настройке электродинамический привод (позиционного типа) поворота дифракционной решетки селектора.
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели дихрограф для определения биологически активного вещества в анализируемой жидкости (DE, 10035709, С2), также служащий для реализации биосенсорного способа определения БАВ в жидкости и содержащий установленные последовательно: источник светового излучения, селектор, поляризатор, модулятор поляризации, ячейку для размещения пробы, содержащей биодатчик на основе ХДКЖ ДНК и анализируемую жидкость, деполяризатор, фотодетектор, цифровую систему регистрации, средство для обработки сигнала, блок управления.
Проходя через исследуемую пробу, проявляющую свойства аномального кругового дихроизма, световой поток становится модулированным по интенсивности, благодаря чему на выходе фотодетектора возникает электрический сигнал, переменная составляющая которого на частоте модуляции поляризации излучения пропорциональна величине сигнала КД. Затем сигнал поступает на вход цифровой системы регистрации и после усиления, фильтрации и преобразования в цифровой код поступает в компьютер. Интерфейсная плата на основе микроконтроллера осуществляет необходимое взаимодействие всех узлов прибора, сбор и предварительную обработку сигнала КД, передачу данных в компьютер, а также тестирование параметров всех систем дихрографа.
Управление работой описанного выше дихрографа осуществляется с помощью программного пакета, осуществляющего различные режимы работы биосенсора и поддерживающего библиотеку методик для определения различных БАВ, благодаря чему пользователь имеет возможность выбрать из меню то вещество, определение концентрации которого требуется в данный момент, после чего программа в режиме диалога «ведет» исследователя через все действия, предписанные методикой, и выдает результат в виде значения концентрации в исследуемом образце выбранного соединения.
Однако в этом дихрографе неоптимальная конструкция источника светового излучения приводит к образованию озона внутри спектрального блока дихрографа в диапазоне УФ-излучения вблизи 200 нм. Электродинамический привод (позиционного типа) поворота дифракционной решетки селектора является нетехнологичным. Недостаточно высока стабильность характеристик и устойчивость к внешним воздействиям фотоэластического модулятора поляризации. Наличие паразитного сигнала КД из-за напряжений в окнах оптической кюветы с исследуемой пробой и несовершенства узла фиксации ячейки, а также избыточные шумы в канале регистрации КД приводят к недостаточной надежности и стабильности результатов измерений сигнала КД. Наличие отдельного блока термостатирования ячейки с пробой приводит к громоздкости дихрографа.
В основу создания настоящей полезной модели была положена задача создания дихрометра для определения БАВ в анализируемых жидкостях, позволяющего повысить точность и воспроизводимость измерения сигнала КД, и, следовательно, создать условия для более высокой точности определения концентраций БАВ, в том числе ультранизкой концентрации (до ~10-9 моля), в любых анализируемых жидкостях, в том числе биологических жидкостях, таких, как плазма крови, цельная кровь и других.
Поставленная задача была решена созданием технического решения полезной модели дихрометра для определения биологически активного вещества в анализируемой жидкости с помощью биодатчика, содержащего чувствительный элемент, проявляющий круговой дихроизм, содержащего размещенные последовательно:
- источник широкополосного светового излучения;
- селектор, приспособленный для формирования световых потоков с длинами волн, соответствующих области оптической активности определяемого вещества в анализируемой жидкости и биодатчика, проявляемой в спектре их кругового дихроизма;
- поляризатор, приспособленный для формирования линейно поляризованного светового потока;
- спектральную щель, приспособленную для выделения линейно поляризованного светового потока с определенным направлением вектора поляризации;
- модулятор поляризации, приспособленный для преобразования указанного линейно поляризованного светового потока в циркулярно поляризованный световой поток с периодически изменяющимся направлением вращения вектора поляризации;
- устройство для размещения пробы, содержащей анализируемую жидкость в контакте с биодатчиком, в оптически проницаемой кювете, содержащее блок термостатирования указанной кюветы;
- фотоэлектронный умножитель, приспособленный для регистрации оптических сигналов кругового дихроизма анализируемой жидкости и биодатчика и преобразования их в пропорциональный электрический сигнал;
- цифровую систему регистрации, приспособленную для выделения и усиления указанного электрического сигнала и преобразования его в цифровую форму;
- средство обработки полученного электрического сигнала, вычисления концентрации биологически активного вещества и управления, приспособленное для осуществления взаимодействия всех элементов устройства, и при этом в качестве модулятора поляризации содержащего модулятор поляризации фотоэластического типа, имеющий два бруска из кварца, соединенных торцами между собой с помощью клеевого соединения, размещенных на двух опорах в узлах продольных колебаний и зафиксированных сверху штифтами, входящими в углубления указанных брусков, и при этом один брусок выполнен из кристаллического кварца, а другой брусок выполнен из плавленого кварца, отличающегося тем, что:
- источник светового излучения содержит ксеноновую лампу, обеспечивающую расширенный в области УФ излучения диапазон длин волн, выполненную с возможностью обеспечения ее оптимального температурного режима с повышенным выходом УФ излучения;
- селектор содержит шаговый привод поворота дифракционной решетки и микроконтроллер, обеспечивающий программируемое выполнение шаговым приводом команд управления, включая инициализацию, ускоренное перемещение в заданную позицию, равномерное перемещение в заданном диапазоне;
- содержит спектральный фильтр, приспособленный для поглощения излучения второго порядка отражения указанной дифракционной решетки селектора;
- устройство для размещения указанной пробы содержит термостатируемую оптически проницаемую кювету для размещения пробы, выполненную с разъемным кюветным отделением, состоящим из двух половин, поджатых друг к другу пружиной с регулируемым усилием, и каждая из указанных половин конструктивно объединена с двумя элементами Пельтье, радиатором и термодатчиком и имеет возможность скользящего перемещения относительно корпуса кюветы.
При этом, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы функции указанного средства обработки и управления выполнял компьютер с программным обеспечением, обеспечивающим обработку полученных электрических сигналов, определение наличия или отсутствия определяемого вещества и вычисление концентрации биологически активного вещества.
При этом целесообразно, чтобы дихрометр был приспособлен для функционирования с внешним компьютером или со встроенным компьютером по интерфейсу USB.
Кроме того, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы дихрометр был выполнен модульным и содержал функциональные модули: модуль источника светового излучения, модуль оптического фильтра, модуль поворота дифракционной решетки, модуль модулятора поляризации, модуль терморегулятора кюветы, модули двух датчиков температуры кюветы, модуль цифровой системы регистрации, и при этом указанные модули содержали управляющие устройства, обеспечивающие управление функционированием указанных модулей в согласованных режимах.
При этом указанные управляющие устройства могут быть выполнены в виде микроконтроллеров, приспособленных для связи между собой и с блоком управления с помощью стандартного интерфейса типа I2C.
Кроме того, согласно техническому решению полезной модели, модуль цифровой системы регистрации может содержать микроконтроллер, обеспечивающий выполнение необходимых операций микроконтроллерами других функциональных модулей, первичную обработку сигнала, передачу его по интерфейсу USB во внешний или встроенный компьютер, прием и передачу команд компьютера другим функциональным модулям.
При этом, согласно техническому решению полезной модели, целесообразно, чтобы дихрометр был размещен в портативном корпусе.
В дальнейшем дихрометр для определения биологически активного вещества в анализируемой жидкости с помощью биодатчика, содержащего чувствительный элемент, проявляющий круговой дихроизм, выполненный согласно техническому решению полезной модели, поясняется приведенными примерами ее конструктивного выполнения и применения и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 - блок-схема дихрометра согласно техническому решению полезной модели;
Фиг.2 - схема выполнения источника светового излучения с ксеноновой лампой согласно техническому решению полезной модели;
Фиг.3. - устройство для размещения анализируемой пробы в термостатируемой кювете согласно техническому решению полезной модели;
Фиг.4. - схема взаимодействия функциональных модулей дихрометра, выполненного в модульном варианте согласно техническому решению полезной модели;
Фиг.5 - зависимость измеренного с помощью предлагаемого дихрометра сигнала КД, генерируемого жидкокристаллической дисперсией ДНК при образовании комплексов ДНК-митоксантрон, от концентрации митоксантрона.
Однако представленные примеры выполнения и применения дихрометра не ограничивают возможности его выполнения и применения, не выходящие за рамки формулы полезной модели.
На Фиг.1 показана схема дихрометра для определения БАВ в анализируемой жидкости, содержащего последовательно соединенные: источник 1 широкополосного светового излучения; спектральный фильтр 2; селектор 3; поляризатор 4; спектральную щель 5; модулятор 6 поляризации; устройство 7 для размещения анализируемой жидкости в контакте с биодатчиком в оптически проницаемой кювете; фотоэлектронный умножитель 8; цифровую систему 9 регистрации; средство 10 обработки сигналов и управления.
Как показано на Фиг.2, источник 1 широкополосного светового излучения, согласно техническому решению полезной модели, содержит ксеноновую лампу 12, обеспечивающую расширенный в области УФ излучения диапазон длин волн и выполненную с возможностью обеспечения ее оптимального температурного режима с повышенным выходом УФ излучения.
При этом в качестве указанной лампы 12 используется ксеноновая лампа мощностью 150 ватт, обеспечивающая приемлемую интенсивность света в диапазоне от 185 до 1000 нм, а для ее питания применен источник, обеспечивающий уровень пульсаций светового потока не более 0,05%. Расширение рабочего диапазона в ультрафиолетовую область спектра выдвигает требование уменьшения до допустимого уровня концентрации озона, образуемого под действием УФ-излучения лампы, и минимизации потерь для самого излучения, интенсивно поглощаемого образующимся озоном. Оптимальный тепловой режим работы указанной ксеноновой лампы 12 реализуется при выполнении требований инструкции ее эксплуатации: катод 13 вертикально расположенной лампы необходимо закрепить в радиаторе 14 из алюминиевого сплава диаметром 40 мм и толщиной 15 мм и последний прикрепить к какому-либо основанию 15, аналогичный радиатор должен быть установлен на анод 16 без какого-либо дополнительного крепления - в этом случае образующегося при включении лампы 12 конвекционного потока воздуха должно быть достаточно для выхода лампы 12 на оптимальный тепловой режим. Но такая лампа, имеющая тяжелый радиатор на стеклянной колбе, серьезно ужесточает условия транспортировки.
Согласно техническому решению полезной модели, конструкция узла лампы 12 оставляет анод 16 совершенно свободным, при этом он охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором 17 между внешним корпусом 18 и внутренним корпусом 19, в котором размещена прозрачная (кварцевая) часть 20 лампы 12. При такой конструкции поток воздуха практически полностью отделен от кварцевой колбы лампы 12 и, соответственно, от УФ излучения, внутренним корпусом 19, поэтому непрерывного образования озона не происходит. Внутренний корпус 19 лампы 12 не герметичен, но имеющиеся в нем зазоры минимальны, поэтому при выключенной лампе парциальное давление кислорода внутри конструкции выравнивается с атмосферным. При включении лампы 12 происходит образование незначительного количества озона, ощущаемого по запаху, но после истечения двух минут и при дальнейшей работе лампы количество образующегося озона падает настолько, что его запах абсолютно не ощущается.
Излучение лампы 12 выводится через тубус 21, закрепленный в отверстии внутреннего корпуса 19 и выходящий через отверстие внешнего корпуса 18 и закрытый снаружи кварцевым окном. При этом зафиксированный на длине волны 200 нм выход излучения примерно в 2 раза превысил уровень УФ излучения, достигаемый с помощью конструкции узла лампы, используемой в дихрографе, выбранном в качестве прототипа (DE, 10035709, С2). Это позволяет при работе в УФ диапазоне отказаться от использования отдельного блока с мощным вентилятором, соединенным трубой с вытяжной системой помещения, что уменьшает габариты аналитической системы и облегчает ее обслуживание.
Спектральный фильтр 2 (Фиг.1) вводится при работе в диапазоне длин волн выше 400 нм и приспособлен для поглощения УФ излучения, направляемого дифракционной решеткой селектора 3 в том же направлении во втором порядке отражения, что позволяет снизить уровень фоновой засветки и приводит к повышению чувствительности регистрации сигнала КД в этом диапазоне спектра.
Селектор 3 (Фиг.1) приспособлен для формирования световых потоков с длинами волн, соответствующими области оптической активности определяемого вещества в анализируемой жидкости и биодатчика, проявляемой в спектре их кругового дихроизма. Согласно техническому решению полезной модели, для селектора 3 выбрана схема монохроматора Черни-Тернера с компенсацией комы Фасти. В качестве исполнительного механизма поворота дифракционной решетки взамен малотехнологичного электродинамического привода позиционного типа (DE, 10035709, С2) используется шаговый привод поворота дифракционной решетки (на чертежах не показан), выполненный известным специалистам образом. Согласно техническому решению полезной модели, для управления шаговым приводом селектор 3 содержит микроконтроллер, обеспечивающий программируемое выполнение шаговым приводом команд управления: инициализацию, ускоренное перемещение в заданную позицию, равномерное перемещение в заданном диапазоне.
В результате проведенных испытаний полезной модели получены следующие характеристики исполнительного механизма поворота дифракционной решетки с шаговым приводом: разрешение не хуже 0,02 нм, время перестройки на 30 нм - не более 2 секунд. Эти показатели вполне соответствуют требованиям, предъявляемым к селектору 3 полезной модели.
Поляризатор 4 (Фиг.1) приспособлен для формирования линейно поляризованного светового потока, выполнен, например, в виде призмы из нелинейного кристаллического материала, и установлен после селектора 3.
Спектральная щель 5 (Фиг.1) приспособлена для выделения линейно поляризованного светового потока с определенным направлением вектора поляризации и может быть выполнена любым известным специалисту в этой области образом.
Модулятор 6 поляризации (Фиг.1) приспособлен для преобразования указанного линейно поляризованного светового потока в циркулярно поляризованный световой поток с периодически изменяющимся направлением вращения вектора поляризации и может быть выполнен в виде известного модулятора поляризации фотоэластического типа (DE, 100 10035709, С2), имеющего два бруска из кварца, соединенных торцами между собой с помощью клеевого соединения, размещенных на двух опорах в узлах продольных колебаний и зафиксированных сверху штифтами, входящими в углубления указанных брусков, и при этом один брусок выполнен из кристаллического кварца, а другой брусок выполнен из плавленого кварца (на чертежах не показаны).
Согласно техническому решению полезной модели, устройство 7 для размещения анализируемой пробы (Фиг.3), содержащей анализируемую жидкость в контакте с биодатчиком, содержит оптически проницаемую кювету 22, приспособленную для размещения в ней пробы, например, в пробирке, и последующего размещения кюветы 22 в кюветном отделении, имеющем сквозное световое окно 23 и выполненном разъемным из двух половин 24 и 25, поджатых друг к другу пружиной 26 с регулируемым усилием. При этом каждая из указанных половин 24 и 25 конструктивно объединена с блоком термостатирования указанной кюветы 22, содержащим два элемента 27 Пельтье, радиатор 28 и термодатчик 29, и имеет возможность скользящего перемещения в общем корпусе 30 устройства 7, например, на калиброванных шариках 30а, что обеспечивает плотное регулируемое по силе соприкосновение стенок кюветного отделения с гранями кюветы 22.
Регулирование степени прижатия кюветы 22 к кюветному отделению с обеспечением их теплового контакта и, соответственно, теплопередачи, улучшенная динамика термостатирования кюветы 22 и уменьшение градиента установившейся в ней температуры, а также обеспечение силы давления, снимающей напряжения в материале стенок кюветы, позволяют получить лучшую, в 5 раз по сравнению с известными устройствами для размещения проб, точность измерений и воспроизводимость сигнала КД.
При этом в качестве термодатчиков 29 использованы микросхемы, имеющие стандартный цифровой интерфейс I2C и обеспечивающие измерение температуры объекта с разрешением 0,033°С. Для повышения линейности термодатчики 29 калибруют в нескольких точках рабочего диапазона, например, 4°С,
, 95°С, с помощью калибратора температуры.
Кроме того, применение широтно-импульсного регулятора (на чертеже не показан) для регулирования мощности, подводимой к элементам Пельтье, позволило существенно повысить эффективность блоков термостатирования кюветы 22, уменьшить габариты, и за счет этого отказаться от размещения устройства 7 в отдельном блоке.
Перечисленные меры обеспечили разность между показаниями термодатчика 29 и погруженной в кювету 22 термопары не более 0,5°С. Точность поддержания температуры на каждой ее ступени составила величину 0,5°С, время выхода на заданную температуру с такой точностью - не более 10 минут во всем диапазоне рабочих температур, что существенно расширяет аналитические и исследовательские возможности применения дихрометра согласно техническому решению полезной модели.
Фотоэлектронный умножитель 8 (далее ФЭУ) (Фиг.1) является измерительным элементом регистрации, определяющим чувствительность, стабильность и линейность измерений КД, при этом конструкция ФЭУ обеспечивает его надежное экранирование от внешних электромагнитных полей и паразитной световой засветки, а также возможность регулирования его источника 31 питания. Фоточувствительная поверхность ФЭУ обращена к прошедшему через кювету 22 световому потоку, и ФЭУ преобразует оптический сигнал КД, генерируемый указанной пробой, в пропорциональный ему электрический сигнал.
ФЭУ 8 имеет выход 32, на котором регистрирует переменную составляющую, пропорциональную 
А - величине сигнала, порожденного аномальным круговым дихроизмом анализируемой пробы, а на выходе 33 регистрирует постоянную составляющую, пропорциональную А - величине сигнала, характеризующей поглощение биологически активного вещества пробы, при этом частота переменной составляющей равна частоте модуляции поляризации излучения. В фотоумножителе 8 постоянная составляющая поддерживается на постоянном уровне путем регулирования напряжения питания фотоумножителя 8, для чего сигнал постоянной составляющей с выхода 33 заводится на вход 34 источника 31 питания, а напряжение питания с выхода 35 источника 31 питания подается на вход 36 фотоумножителя 8, то есть осуществляется режим стабилизации постоянной составляющей с помощью отрицательной обратной связи с одновременным измерением переменной составляющей, что эквивалентно измерению их отношения, а значит, измерению сигнала КД исследуемой пробы. Выход 32 фотоумножителя 8 соединен со входом цифровой системы 9 регистрации.
Цифровая система 9 регистрации (Фиг.1) приспособлена для выделения и усиления указанного электрического сигнала и преобразования его в цифровую форму и, согласно техническому решению полезной модели, может быть выполнена известным специалистам образом.
Согласно техническому решению полезной модели, функции указанного средства 10 обработки полученного электрического сигнала и вычисления концентрации биологически активного вещества и указанного в прототипе блока управления (DE, 100 10035709, С2) может выполнять внешний или встроенный компьютер с программным обеспечением, обеспечивающим обработку полученных электрических сигналов, вывод о наличии или отсутствии определяемого БАВ, вычисление концентрации БАВ и управление всеми другими функциональными устройствами.
Согласно техническому решению полезной модели в дихрометре реализован принцип модульности, обеспечивающий гибкость при разработке аппаратной части, упрощающий процесс сборки и наладки готовых приборов. При этом дихрометр содержит следующие функциональные модули (Фиг.4):
- модуль 37 источника 1 светового излучения,
- модуль 38 оптического фильтра 2,
- модуль 39 поворота дифракционной решетки,
- модуль 40 модулятора 6 поляризации,
- модуль 41 терморегулятора кюветы 22,
- модули 42 двух датчиков температуры кюветы,
- модуль 43 цифровой системы 9 регистрации,
и при этом указанные модули 37-43 содержат управляющие устройства, обеспечивающие управление функционированием указанных модулей в согласованных режимах. Такими управляющими устройствами могут быть микроконтроллеры, размещенные в указанных функциональных модулях и приспособленные для связи между собой с помощью стандартного интерфейса типа 12С. Управление работой дихрометра может быть осуществлено с помощью внешнего или встроенного компьютера 44, при этом модуль 43 цифровой системы 9 регистрации содержит микроконтроллер, обеспечивающий выполнение необходимых операций микроконтроллерами других функциональных модулей, первичную обработку сигнала, передачу его по интерфейсу USB в указанный компьютер, прием и передачу команд компьютера 44 другим функциональным модулям.
На Фиг.4 показана структурная схема взаимодействия указанных функциональных модулей в дихрометре. Выполнение необходимых операций функциональными модулями осуществляется на основе команд микроконтроллеров. Прием и передача команд от компьютера микроконтроллерам функциональных модулей осуществляется через микроконтроллер модуля 43 цифровой системы 9 регистрации. Связь между модулями осуществляется посредством стандартного цифрового интерфейса типа 12С. Схемотехническое решение предоставляет возможность использования для управления дихрометром как внешнего, так и встроенного компьютера по интерфейсу USB.
Компьютер 44 производит включение и управляет работой ксеноновой лампы 12, спектрального фильтра 2, шаговым приводом поворота дифракционной решетки, модулятором 6 круговой поляризации, датчиками и терморегулятором температуры кюветы 22 на основе элементов Пельтье, источником 31 питания фотоумножителя 8, цифровой системой 9 регистрации.
Дихрометр работает следующим образом:
Пробирку с анализируемой жидкостью и размещенным в этой жидкости биодатчиком помещают в кювету 22 (Фиг.3), затем кювету 22 размещают в кюветном отделении, закрывают крышку кюветного отделения и включают источник питания дихрометра.
Источник 1 светового излучения (Фиг.1) излучает широкополосный световой поток, попадающий на вход селектора 3, на выходе которого излучается узкополосный световой поток, имеющий одну известную длину волны. При необходимости работы в диапазоне длин волн выше 400 нм в световой поток вводится спектральный фильтр 2, который поглощает УФ излучение, направляемое дифракционной решеткой, являющейся дисперсионным элементом селектора 3, в том же направлении во втором порядке отражения.
Узкополосный световой поток проходит через поляризатор 4 и делится на два расходящихся луча с взаимно ортогональными линейными поляризациями, одна из которых выделяется щелью 5 и попадает на оптический вход модулятора 6 поляризации. Пройдя модулятор 6, световой поток становится циркулярно поляризованным с периодически изменяющимся направлением вращения вектора поляризации, вращающегося в плоскости, ортогональной световому потоку.
Пройдя в устройстве 7 через кювету 22 с исследуемой пробой, содержащей биодатчик, проявляющий свойство аномального кругового дихроизма, световой поток становится модулированным по интенсивности.
Под действием модулированного по интенсивности света на выходах фотоумножителя 8 возникает электрический сигнал, причем на выходе 32 регистрируется переменная составляющая, пропорциональная А - величине сигнала, порожденного аномальным круговым дихроизмом пробы, а на выходе 33 - постоянная составляющая, пропорциональная А - величине сигнала, характеризующей поглощение биологически активного вещества, содержащегося в анализируемой жидкости, при этом частота переменной составляющей равна частоте модуляции поляризации излучения.
С выхода 32 фотоумножителя 8 сигнал поступает на один из входов цифровой системы 9 регистрации, на второй вход которой подается опорный сигнал с частотой модуляции поляризации от средства 10 обработки сигнала, вычисления концентрации определяемого БАВ и управления функциональными модулями дихрометра полезной модели.
В цифровой системе 9 регистрации сигнал усиливается, фильтруется, преобразуется в цифровой код и подается в средство 10 обработки, в котором он обрабатывается и выводится в виде значения концентрации исследуемого биологически активного вещества в пробе. Средство 10, например, внешний или встроенный компьютер 44, через цифровую систему 9 регистрации осуществляет также необходимое взаимодействие всех элементов дихрометра, реализует требуемый алгоритм обработки, устанавливает необходимые питающие напряжения для источника 1 светового излучения, для включения спектрального фильтра 2 и для управления шаговым приводом поворота дифракционной решетки селектора 3, вырабатывает напряжение с частотой модуляции для работы модулятора 6 поляризации, вырабатывает необходимые питающие напряжения для элементов Пельтье в устройстве 7 для размещения кюветы с пробой и устанавливает алгоритм стабилизации и изменения температуры кюветы, устанавливает необходимые напряжения питания источника 31 питания фотоумножителя 8, формирует опорный сигнал для функционирования цифровой системы 9 регистрации. Способ обработки цифровой формы полученного сигнала зависит от используемого для этой цели программного обеспечения, заложенного в средстве 10 обработки.
Для сравнения аналитических возможностей дихрометра согласно техническому решению полезной модели и известного дихрографа, выбранного за прототип (DE, 10035709, С2), были проведены следующие измерения:
1. Измерения уровней светового УФ излучения на длине волны 200 нм ксеноновой лампы на входе в селектор 3:
(а) в случае использования источника светового излучения дихрографа-прототипа;
(б) в случае использования источника 1 широкополосного светового излучения согласно техническому решению полезной модели, содержащего ксеноновую лампу;
Результаты измерений показали, что зафиксированный на длине волны 200 нм выход излучения для случая (б) примерно в 2 раза превысил уровень УФ излучения, достигаемый с помощью случая (а).
2. Измерения зависимости «базовой линии» дихрометра от длины волны согласно техническому решению полезной модели для двух случаев:
(а) при использовании термостатируемой кюветы дихрографа-прототипа и
(б) при использовании термостатируемой кюветы 22 согласно техническому решению полезной модели.
Результаты измерений показали, что дрейф и нестабильность «базовой линии» для случая (а), обусловленные паразитными сигналами КД из-за напряжений в материале стенок кюветы, в 4,1 раза больше аналогичных характеристик, полученных для случая (б).
3. Измерения калибровочной кривой для противоопухолевого препарата митоксантрона (MX), то есть определение зависимости сигнала КД, генерируемого жидкокристаллической дисперсией ДНК биодатчика на длине волны 680 нм при образовании комплекса ДНК-МХ, от концентрации MX (СДНК ~ 5 мкг/мл; СПЕГ=170 мг/мл; 0,3 М NaCl+10-2 М - фосфатный буфер; рН ~ 7,0; L=1 см).
Представленная на Фиг.5 аналитическая калибровочная кривая, полученная при помощи дихрометра полезной модели (кривая 2) позволяет определять MX в широкой области концентраций, в том числе в области концентраций до 10-9 моля с более высокой (в 2-3 раза) точностью и воспроизводимостью по сравнению с аналитической калибровочной кривой, полученной с помощью дихрографа-прототипа (кривая 1).
Таким образом, дихрометр согласно техническому решению начтоящей полезной модели позволяет точнее, с лучшей воспроизводимостью и более высокой чувствительностью (до 10-9 М) определять величину КД, а значит, наличие и концентрацию БАВ в пробе, в частности, MX, например, в крови больных, терапия которых связана с применением противоопухолевых соединений.
Расширение рабочего диапазона устройства в УФ область спектра за счет повышения уровня УФ излучения позволяет расширить перечень определяемых при помощи дихрометра полезной модели биологически активных и фармакологических соединений.
Кроме того, дихрометр согласно техническому решению полезной модели, благодаря более совершенным конструкциям источника светового излучения при работе в УФ диапазоне и устройства для размещения анализируемых проб в термостатируемой кювете, имеет значительно лучшие технические характеристики и меньшие габариты, что облегчает его обслуживание.
Специалистам в области оптических измерительных устройств должно быть понятно, что в дихрометр согласно техническому решению полезной модели могут быть внесены усовершенствования и модификации, не выходящие за рамки настоящей полезной модели.
Дихрометр согласно техническому решению полезной модели может быть использован в медицинской и клинической биохимии, а также в молекулярной фармакологии, при исследовании фармако-кинетики биологически активных соединений, в фармацевтической промышленности и экологии. Наиболее эффективно его использование в клинической биохимии. Устройство может быть выполнено с помощью известных технологических приемов из известных материалов и комплектующих узлов.
1. Дихрометр для определения биологически активного вещества в анализируемой жидкости с помощью биодатчика, содержащего чувствительный элемент, проявляющий круговой дихроизм, содержащий размещенные последовательно:
источник широкополосного светового излучения;
селектор, приспособленный для формирования световых потоков с длинами волн, соответствующих области оптической активности определяемого вещества в анализируемой жидкости и биодатчика, проявляемой в спектре их кругового дихроизма;
поляризатор, приспособленный для формирования линейно поляризованного светового потока;
спектральную щель, приспособленную для выделения линейно поляризованного светового потока с определенным направлением вектора поляризации;
модулятор поляризации, приспособленный для преобразования указанного линейно поляризованного светового потока в циркулярно поляризованный световой поток с периодически изменяющимся направлением вращения вектора поляризации;
устройство для размещения пробы, содержащей анализируемую жидкость в контакте с биодатчиком, в оптически проницаемой кювете, содержащее блок термостатирования указанной кюветы;
фотоэлектронный умножитель, приспособленный для регистрации оптических сигналов кругового дихроизма анализируемой жидкости и биодатчика и преобразования их в пропорциональный электрический сигнал;
цифровую систему регистрации, приспособленную для выделения и усиления указанного электрического сигнала и преобразования его в цифровую форму;
средство обработки полученного электрического сигнала и вычисления концентрации биологически активного вещества;
и при этом в качестве модулятора поляризации содержит модулятор поляризации фотоэластического типа, имеющий два бруска из кварца, соединенных торцами между собой с помощью клеевого соединения, размещенных на двух опорах в узлах продольных колебаний и зафиксированных сверху штифтами, входящими в углубления указанных брусков, и при этом один брусок выполнен из кристаллического кварца, а другой брусок выполнен из плавленого кварца, отличающийся тем, что:
источник светового излучения содержит ксеноновую лампу, обеспечивающую расширенный в области УФ излучения диапазон длин волн, и при этом выполненную с возможностью обеспечения ее оптимального температурного режима с повышенным выходом УФ излучения;
селектор содержит шаговый привод поворота дифракционной решетки и микроконтроллер, обеспечивающий программируемое выполнение шаговым приводом команд управления, включая инициализацию, ускоренное перемещение в заданную позицию, равномерное перемещение в заданном диапазоне;
содержит спектральный фильтр, приспособленный для поглощения излучения второго порядка отражения указанной дифракционной решетки селектора;
устройство для размещения указанной пробы содержит термостатируемую оптически проницаемую кювету для размещения пробы, приспособленную для размещения в разъемном кюветном отделении, состоящем из двух половин, поджатых друг к другу пружиной с регулируемым усилием, и каждая из указанных половин конструктивно объединена с двумя элементами Пельтье, радиатором и термодатчиком и имеет возможность скользящего перемещения относительно корпуса устройства.
2. Дихрометр по п.1, отличающийся тем, что функции указанного средства обработки и указанного блока управления выполняет компьютер с программным обеспечением, обеспечивающим обработку полученных электрических сигналов, определение наличия или отсутствия определяемого вещества и вычисление концентрации биологически активного вещества и управление всей системой.
3. Дихрометр по п.1, отличающийся тем, что приспособлен для функционирования с внешним компьютером или со встроенным компьютером по интерфейсу USB.
4. Дихрометр по п.1, отличающийся тем, что выполнен модульным, содержит функциональные модули: модуль источника светового излучения, модуль оптического фильтра, модуль поворота дифракционной решетки, модуль модулятора поляризации, модуль терморегулятора кюветы, модули двух датчиков температуры кюветы, модуль цифровой системы регистрации, и при этом указанные модули содержат управляющие устройства, обеспечивающие управление указанными модулями в согласованных режимах.
5. Дихрометр по п.4, отличающийся тем, что указанные управляющие устройства выполнены в виде микроконтроллеров, приспособленных для связи между собой и с блоком управления с помощью стандартного интерфейса типа 12C.
6. Дихрометр по п.4, отличающийся тем, что модуль цифровой системы регистрации содержит микроконтроллер, обеспечивающий выполнение необходимых операций микроконтроллерами других функциональных модулей, первичную обработку сигнала, передачу его по интерфейсу USB во внешний или встроенный компьютер, прием и передачу команд компьютера другим функциональным модулям.
7. Дихрометр по п.1, отличающийся тем, что приспособлен для размещения в портативном корпусе.
