способ и устройство для измерения размера частиц в суспензиях

Формула изобретения

1. Способ для измерения размера частиц в суспензиях, при котором создают поток исследуемых частиц, просвечивают этот поток лучом когерентного света в направлении, перпендикулярном направлению потока исследуемых частиц, преобразуют свет, прошедший через поток исследуемых частиц, в электрический сигнал и по результатам измерений различных составляющих этого сигнала определяют размеры исследуемых частиц, отличающийся тем, что дополнительно модулируют луч когерентного света до пересечения им потока исследуемых частиц в суспензии, а после преобразования светового потока в электрический сигнал выделяют низкочастотную и высокочастотную области его спектра, измеряют спектральные плотности мощности электрического сигнала в указанных областях спектра, а размеры исследуемых частиц определяют по отношению измеренных значений спектральных мощностей электрического сигнала в вышеуказанных областях его спектра.

2. Устройство для измерения размера частиц в суспензиях, содержащее проточную камеру с блоком формирования потока исследуемых частиц, источник когерентного света, луч которого перпендикулярен потоку исследуемых частиц в проточной камере, фотоприемник, преобразующий луч когерентного света, прошедший проточную камеру, в электрический сигнал, и определитель размера исследуемых частиц, отличающееся тем, что между источником когерентного света и проточной камерой введен модулятор когерентного светового потока, а определитель размера исследуемых частиц содержит делитель и две параллельные цепи, первая из которых состоит из последовательно включенных фильтра нижних частот и первого измерителя спектральной плотности сигнала, а вторая - из последовательно включенных фильтра высоких частот и второго измерителя спектральной плотности сигнала, при этом входы вышеуказанных фильтров подключены к выходу фотоприемника, а выходы первого и второго измерителей спектральной плотности сигнала соединены соответственно, с первым и вторым входами делителя.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что определитель размера исследуемых частиц выполнен в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу фотоприемника, и персонального компьютера.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что модулятор когерентного светового потока выполнен в виде сменного пространственного модулятора интенсивности света, распределение прозрачности которого вдоль направления оси проточной камеры описывается периодической функцией с периодом, равным нескольким диаметрам исследуемой частицы.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что период функции, описывающей распределение прозрачности сменного пространственного модулятора вдоль направления оси проточной камеры лежит в диапазоне 5-20 мкм.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что модулятор когерентного светового потока выполнен в виде дифракционной решетки.

7. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что модулятор когерентного светового потока выполнен в виде голограммы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения размера мелких полупрозрачных частиц в различных суспензиях. В частности, оно может быть использовано в медицине при гематологическом анализе для определения размеров клеток и других элементов крови.

Известны методы измерения размера мелких частиц в суспензиях, в частности размера клеток крови, основанные на просвечивании суспензии, например пробы крови, помещенной в специальный прозрачный контейнер, преобразовании светового потока в электрический сигнал и анализе характеристик этого сигнала, связанных с размером исследуемых частиц.

Так, в способе и устройстве для его реализации по патенту US 4735504 от 05.04.1988, G 01 N 15/02 пропускают поток суспензии через сформированный с помощью оптики луч света, направляют световой поток, прошедший через суспензию, на поверхность фотоприемника, преобразуют падающий световой поток в электрический сигнал, по характеристикам которого определяют размеры частиц сферической формы, например красных кровяных телец, используя для этого картину первичного углового рассеивания света на частицах суспензии.

Измерения осуществляются с помощью пары пространственно разнесенных фотоприемников. Измеряются максимумы амплитуд сигналов в двух смежных угловых интервалах, выбранных в зависимости от ожидаемых размеров частиц, после чего измеренные значения максимумов сигналов сравниваются с амплитудами соответствующей пары эталонных сигналов, полученных при просвечивании частиц заранее известного размера. По результатам указанного сравнения определяют размеры исследуемых частиц.

Недостатками, присущими данному способу и реализующим его устройствам, являются низкая точность измерения размеров частиц вследствие влияния на результаты измерений априори неизвестных размера и формы клеток, а также связанные с этим ограничения на виды частиц, размеры которых могут быть определены таким способом.

Более универсальными являются способ и реализующая его аппаратура по патенту US 3879129 от 22.04.1975, G 01 N 15/02; G 01 N 21/06. Согласно этому способу облучают суспензию, помещенную в проточную камеру, пучком света, преобразуют прошедший через суспензию световой поток в электрический сигнал, выделяют в нем постоянную и переменную составляющие и определяют с их помощью размеры и концентрацию частиц с помощью регрессионного анализа.

Недостатками данного технического решения, выбранного в качестве прототипа, являются невысокая точность измерений и низкая чувствительность аппаратуры, реализующей указанный способ.

Заявленное изобретение направлено на устранение указанных недостатков, а именно на улучшение точности измерений размеров частиц в различных суспензиях и повышение чувствительности измерительной аппаратуры при возможности измерений размеров различных видов клеток и частиц в различного рода суспензиях.

Указанная задача решается благодаря тому, что в известном способе измерения размеров частиц, при котором создают поток исследуемых частиц, просвечивают этот поток лучом когерентного света в направлении, перпендикулярном направлению потока исследуемых частиц, преобразуют свет, прошедший через поток исследуемых частиц, в электрический сигнал и по результатам измерений различных составляющих этого сигнала определяют размеры исследуемых частиц, дополнительно модулируют луч когерентного света до пересечения им потока исследуемых частиц в суспензии, а после преобразования светового потока в электрический сигнал выделяют низкочастотную и высокочастотную области его спектра, измеряют спектральные плотности мощности электрического сигнала в указанных областях спектра, а размеры исследуемых частиц определяют по отношению измеренных значений спектральных мощностей электрического сигнала в вышеуказанных областях его спектра.

Заявленный способ реализуется с помощью устройства для измерения размера частиц в суспензиях, содержащего проточную камеру с блоком формирования потока исследуемых частиц, источник когерентного света, луч которого перпендикулярен направлению потока исследуемых частиц в проточной камере, фотоприемник, преобразующий луч когерентного света, прошедший проточную камеру, в электрический сигнал и определитель размера исследуемых частиц, в котором между источником когерентного света и проточной камерой введен модулятор когерентного светового потока, а определитель размера исследуемых частиц содержит делитель и две параллельные цепи, первая из которых состоит из последовательно включенных фильтра нижних частот и первого измерителя спектральной плотности сигнала, а вторая - из последовательно включенных фильтра высоких частот и второго измерителя спектральной плотности сигнала, при этом входы вышеуказанных фильтров подключены к выходу фотоприемника, а выходы первого и второго измерителей спектральной плотности сигнала соединены, соответственно, с первым и вторым входами делителя.

Решению поставленной задачи способствуют следующие частные признаки изобретения.

Определитель размера исследуемых частиц может быть выполнен в виде последовательно соединенных блока аналогово-цифрового преобразования, вход которого подключен к выходу фотоприемника, и персонального компьютера.

Модулятор когерентного светового потока может быть выполнен в виде сменного пространственного модулятора интенсивности света, распределение прозрачности которого вдоль направления оси проточной камеры описывается периодической функцией с периодом, равным нескольким диаметрам исследуемой частицы.

Период функции, описывающей распределение прозрачности сменного пространственного модулятора вдоль направления оси проточной камеры, выбирается в диапазоне от 5 до 20 мкм.

Модулятор когерентного светового потока может быть выполнен в виде дифракционной решетки.

Модулятор когерентного светового потока может быть выполнен в виде голограммы.

Схема устройства для реализации заявленного способа показана на фиг.1.

На фиг.2 представлен вариант реализации определителя размера исследуемых частиц на базе персонального компьютера.

На фиг.3 представлено распределение интенсивности светового потока вдоль направления оси проточной камеры относительно точки пересечения указанной оси с осью светового луча.

На фиг.4 изображен спектр мощности электрического сигнала на выходе фотоприсмника.

На фиг.5 представлена зависимость отношения спектральной плотности мощности электрического сигнала в низкочастотной области Р_L к спектральной плотности мощности этого сигнала в высокочастотной области Р_h от среднего размера (объема) исследуемой частицы V, выраженного в мкм³.

На фиг. 1 использованы следующие обозначения: 1 - проточная камера; 2 - блок формирования потока исследуемых частиц; 3 - источник когерентного света; 4 - модулятор когерентного светового потока; 5 - фотоприемник; 6 - определитель размера исследуемых частиц; 7 - фильтр нижних частот; 8 - фильтр высоких частот; 9, 9" - измерители спектральной плотности мощности сигнала; 10 - делитель.

На фиг. 2 использованы следующие обозначения: 11 - блок аналогово-цифрового преобразования (блок АЦП); 12- персональный компьютер.

Представленная на фиг.1 схема работает следующим образом.

Суспензия с исследуемыми частицами, например проба крови помещается в проточную камеру 1. Блок 2 формирования потока исследуемых частиц обеспечивает движение суспензии в направлении оси проточной камеры 1. Источник когерентного света 3, например полупроводниковый лазер, создает световой поток с устойчивой амплитудно-фазовой характеристикой во времени и пространстве.

Этот световой поток проходит через модулятор 4. Распределение интенсивности светового потока вдоль оси проточной камеры описывается функцией, показанной на фиг.3. При перемещении исследуемых частиц вдоль фронта падающей волны с распределением интенсивности, показанным на фиг.3, световой поток модулируется за счет рассеяния и/или поглощения света частицами суспензии, например, клетками крови.

Для светового потока исследуемые частицы являются полупрозрачными, а поглощение света прямо пропорционально толщине частицы в данной точке.

При этом на выходе фотоприемника 5 фиксируются флуктуации электрического сигнала, спектр мощности которых зависит от размера (объема) исследуемых частиц. Характерная спектральная картина сигнала на выходе фотоприемника 5 показана на фиг. 4. Как видно из чертежа, низкочастотная и высокочастотная части спектра хорошо локализованы и могут быть легко выделены с помощью фильтра нижних частот 8 и фильтра высоких частот 9 соответственно.

Отношение спектральной плотности P_L мощности сигнала в низкочастотной области спектра на выходе измерителя спектральной плотности 9 к спектральной плотности Р_h в высокочастотной области спектра на выходе аналогичного измерителя 9" зависит только от размера (объема) исследуемых частиц и не зависит от параметров используемой аппаратуры. Это позволяет построить устойчивую градуировочную характеристику рассматриваемого устройства (см. фиг. 5), практически не зависящую от оптических свойств суспензии и параметров аппаратуры, чем и определяются высокие точностные параметры и чувствительность устройств, реализующих заявленный способ.

Вышеуказанные преобразования, позволяющие с высокой точностью определить размер различных типов частиц в суспензиях, могут быть реализованы и в цифровом виде. Для этого сигнал с выхода фотоприсмника 5 подвергают аналогово-цифровому преобразованию в блоке АЦП 11, а затем обрабатывают в персональном компьютере 12. Тип компьютера и вид конкретного алгоритма обработки для получения конечного результата не существенны для данного изобретения.

Модулятор 4 может быть выполнен в различных вариантах. Поскольку оптимальным для измерений является период пространственной функции, равный нескольким диаметрам исследуемой частицы, то в процессе измерений целесообразно использовать сменные модуляторы, "подобранные" под различные типы частиц.

Так, например, при гематологическом анализе период модуляции должен находиться в диапазоне 5-20 мкм.

Возможно исполнение модулятора в виде дифракционной решетки, а также в виде голограммы.

В любом из этих вариантов совокупность общих с прототипом и отличительных признаков представленного технического решения позволяют решить поставленную задачу. Заявляемые способ и устройство обеспечивают высокую точность измерений для частиц любой формы и пространственной ориентации относительно светового потока. Соответственно, данное техническое решение может быть классифицировано как изобретение.