способ исследования многокомпонентной жидкости

Формула изобретения

1. Способ исследования многокомпонентной жидкости, по которому предопределенный объем исследуемой жидкости в виде капли при заданных условиях окружающей среды располагают на жесткой подложке, выполненной с возможностью возбуждения в упомянутой капле колебаний сдвига, возбуждают в упомянутой капле исследуемой жидкости колебания сдвига в ультразвуковом диапазоне частот и определяют механический импеданс капли исследуемой жидкости, отличающийся тем, что упомянутую каплю сушат, а упомянутый механический импеданс определяют в процессе высыхания капли и регистрируют полученную в процессе высыхания капли динамику упомянутого механического импеданса, которую используют в качестве информативного параметра, после чего полученную динамику механического импеданса сравнивают с динамикой механического импеданса ранее исследованного эталонного образца.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая жесткая подложка является резонатором.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что упомянутый механический импеданс определяют по напряжению разбаланса мостовой схемы, в состав которой входит упомянутый резонатор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физической химии и может быть использовано для скрининговой оценки качества жидких продуктов, в частности многокомпонентных жидких продуктов, например, для анализа соответствия стандартам различных технических жидкостей, фармацевтических препаратов, пищевых продуктов, биологических жидкостей в фармацевтической, пищевой, химической промышленности, а также в медицинской диагностике.

По патенту РФ №2137126 известен способ исследования биологических жидкостей, основанный на исследовании жидкости, предварительно разбавленной равным объемом водно-спиртовой смеси, на ИК-спектроанализаторе. Основным недостатком способа является нарушение нативной структуры биологической жидкости, в которой заложена существенная информация о ее строении.

Описан феномен дегидратационной самоорганизации биологических жидкостей (Шабалин В.Н., Шатохина С.Н./ Аутогенные ритмы и самоорганизация биологических жидкостей. // БЭБМ, 1996, т. 122, №10, с. 364-371), заключающийся в том, что в процессе высыхания капли многокомпонентной биологической жидкости происходит характерное перераспределение ее компонентов, в результате которого высохшая пленка имеет четкое зональное строение и определенную надмолекулярную структуру, характер которой отражает особенность ее жидкокристаллического строения, обусловленного химическим составом.

На этом принципе основан, например, способ оценки состояния гомеостаза организма, известный по патенту РФ №2007716. Сущность способа заключается в морфологическом исследовании высохшей капли биологической жидкости в поляризованном свете и оценке сформировавшихся нормальных и патологических структур.

На том же принципе основан способ оценки состояния гомеостаза организма по патенту РФ №2127430. По этому способу жидкую биологическую среду, например плазму или сыворотку крови, урину, слезу и т.п., после воздействия на нее внешних или внутренних факторов высушивают и после испарения воды просматривают полученную кристаллограмму в неполяризованном свете. При наличии агрегированных структурных элементов по образованию сложных морфологических форм судят о развитии патологического процесса и оценивают гомеостаз как нарушенный, а при их структурировании, ориентации и исчезновению крупных сложных агрегатов судят об улучшении физического состояния и оценивают гомеостаз как компенсированный.

Недостатком этого способа, так же как и описываемого выше способа по патенту РФ №2007716, является необходимость длительной сушки образцов (от 24 до 48 ч) и, как следствие, большая длительность исследований, а также необходимость в специально обученном персонале для правильной диагностики морфоструктур.

По патенту США №4741200 известен способ, по которому тонкую пьезоэлектрическую пластину, являющуюся первым резонатором, опускают в исследуемую жидкость. Пьезоэлектрическая пластина выполнена с возможностью удержания тонкого слоя исследуемой жидкости на предопределенной площади своей поверхности и с возможностью возбуждения в этой пластине колебаний сдвига. Колебания сдвига, возбуждаемые в пьезоэлектрической пластине, вызывают аналогичные колебания в удерживаемом слое исследуемой жидкости. Это приводит к сдвигу частоты резонанса первого резонатора за счет вносимого электрического импеданса, который в свою очередь определяется механическим импедансом удерживаемого на поверхности пьезоэлектрической пластины слоя исследуемой жидкости. Первый резонатор включен в одно из плеч мостовой схемы, в другое плечо которой включен второй, опорный, резонатор. По напряжению разбаланса мостовой схемы определяют сдвиг частоты резонанса первого резонатора относительно частоты резонанса опорного резонатора. Затем по указанному сдвигу частоты определяют механический импеданс упомянутого удерживаемого слоя исследуемой жидкости, по которому определяют вязкость и плотность исследуемой жидкости.

По патенту США №5798452 известен способ исследования жидкости, по которому тонкую пьезоэлектрическую пластину, выполненную с возможностью удержания тонкого слоя жидкости на предопределенной площади своей поверхности и с возможностью возбуждения колебаний сдвига в жидкости, соприкасающейся с пластиной, опускают в исследуемую жидкость. Упомянутая пьезоэлектрическая пластина является резонатором, который входит в состав генератора ультразвуковых частот. Колебания сдвига, возбуждаемые в удерживаемом слое исследуемой жидкости, приводят к сдвигу частоты генератора ультразвуковой частоты за счет вносимого электрического импеданса, который в свою очередь определяется механическим импедансом удерживаемого на поверхности пьезоэлектрической пластины слоя исследуемой жидкости. Измеряя сдвиг частоты упомянутого генератора ультразвуковых частот, определяют механический импеданс упомянутого удерживаемого слоя исследуемой жидкости, по которому определяют вязкость и плотность исследуемой жидкости.

Ближайшим аналогом разработанного способа является способ, реализуемый устройством для измерения вязкоупругих характеристик биологических объектов, описание которого приведено в описании к а.с. SU 1057011 А. По этому способу предопределенный объем исследуемой жидкости в виде капли при заданных условиях окружающей среды располагают на жесткой пьезоэлектрической подложке, выполненной с возможностью возбуждения в упомянутой капле колебаний сдвига, и возбуждают в упомянутой капле исследуемой жидкости колебания сдвига в ультразвуковом диапазоне частот. Колебания сдвига, возбуждаемые в капле исследуемой жидкости, приводят к сдвигу частоты резонатора, которым является пьезоэлектрическая подложка, за счет вносимого электрического импеданса, который в свою очередь определяется механическим импедансом капли исследуемой жидкости. Измеряя сдвиг частоты резонатора, определяют механический импеданс капли исследуемой жидкости, по которому определяют вязкоупругие характеристики исследуемой жидкости.

Этот способ, так же как способы исследования жидкости по патенту США №№4741200, 5798452, позволяет определять в заданный конкретный момент времени механический импеданс исследуемой жидкости, соприкасающейся с поверхностью пьезоэлектрической пластины, а по нему - вязкость и плотность исследуемой жидкости, которые связаны с механическим импедансом известной зависимостью. Однако, как показали исследования, для многокомпонентной жидкости более информативными являются динамические характеристики, в частности динамика того или иного параметра жидкости, чувствительного к состоянию жидкокристаллической структуры многокомпонентной жидкости, определение которой известными способами не предусмотрено.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа исследования многокомпонентной жидкости, обеспечивающего быстрое и эффективное исследование жидкости и позволяющего оценить процесс структурообразования в многокомпонентных жидкостях.

Сущность разработанного способа исследования многокомпонентной жидкости заключается в том, что так же, как и в способе, который является ближайшим аналогом, предопределенный объем исследуемой жидкости в виде капли при заданных условиях окружающей среды располагают на жесткой подложке, выполненной с возможностью возбуждения в упомянутой капле колебаний сдвига, возбуждают в упомянутой капле исследуемой жидкости колебания сдвига в ультразвуковом диапазоне частот и определяют механический импеданс капли исследуемой жидкости.

Новым в разработанном способе является то, что упомянутую каплю исследуемой жидкости сушат. При этом упомянутый механический импеданс определяют в процессе высыхания капли и регистрируют полученную в процессе высыхания капли динамику упомянутого механического импеданса, которую используют в качестве информативного параметра. Полученную динамику механического импеданса сравнивают с динамикой механического импеданса ранее исследованного эталонного образца.

В частном случае упомянутая жесткая подложка является резонатором.

В другом частном случае упомянутый механический импеданс определяют по напряжению разбаланса мостовой схемы, в состав которой входит упомянутый резонатор.

Сущность изобретения можно пояснить следующим образом.

В разработанном способе реализовано определение механического импеданса капли исследуемой жидкости, имеющей предопределенный объем, в конкретной реализации, 5 мкл, в заданные моменты времени в процессе высыхания этой капли. Исследуемая капля расположена на поверхности кварцевого резонатора ультразвуковых частот, выполненного с возможностью возбуждения в упомянутой капле колебаний сдвига. Полученную динамику механического импеданса капли используют в качестве информативного параметра. Выбранный информативный параметр весьма чувствителен к наличию и образованию структур в жидкости, в частности, многокомпонентной. Поэтому сравнение полученной динамики механического импеданса с динамикой механического импеданса ранее исследованного эталонного образца жидкости позволяет оценить процесс структурообразования в исследуемой жидкости и судить, таким образом, о качестве жидких продуктов, в частности пищевых, оценить эффективность лечения различными медицинскими препаратами в случае, когда исследуемой жидкостью является биологическая жидкость и т.д. Определение механического импеданса реализовано по напряжению разбаланса мостовой схемы, в состав которой входит упомянутый пьезоэлектрический резонатор. Это позволяет обеспечить высокую точность измерений. Изобретение может быть реализовано с помощью стандартных средств и не требует для своей реализации дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала.

Фиг.1 иллюстрирует чувствительный элемент разработанного устройства для исследования многокомпонентной жидкости.

На фиг.2 приведена структурная схема устройства, реализующего разработанный способ исследования многокомпонентной жидкости.

Фиг.3 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли солевого раствора при высыхании капли.

Фиг.4 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли пива при высыхании капли пива до и после разбавления пива водопроводной водой.

Фиг.5 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли виноградного вина при высыхании капли вина до и после разбавления вина водой и этиловым спиртом.

Фиг.6 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли урины здорового человека при высыхании капли урины до и после добавления альбумина в разных концентрациях.

Фиг.7 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли слюны здорового человека и больного вирусным гепатитом, полученные при высыхании соответствующих капель.

Фиг.8 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли сыворотки крови больного ожоговой болезнью при высыхании капли сыворотки крови больного до и после экстракорпоральной очистки способом гепаринкриопреципитации.

Чувствительный элемент разработанного устройства по фиг.1 содержит жесткую подложку 2, выполненную с возможностью возбуждения колебаний сдвига в соприкасающейся с ней капле 1. В конкретной реализации подложка 2 является резонатором 3 и представляет собой тонкую кварцевую пластину 4, длина которой много больше ее ширины и высоты. На широкие верхнюю и нижнюю поверхности кварцевой пластины 4 нанесены электроды 5. В конкретной реализации кварцевая пластина 4 включает часть 6, верхняя и нижняя поверхности которой свободны от электродов 5, при этом капля 1 размещена на части 6. К электродам 5 подсоединены проводники 7.

Устройство по фиг.2 содержит резонатор 3, включенный с помощью проводников 7 в одно из плеч 8 мостовой схемы 9. В другое плечо 10 мостовой схемы 9 включен компенсирующий конденсатор 11. Емкость компенсирующего конденсатора 11 равна емкости, образованной электродами 5 резонатора 3. К одной из диагоналей 13 мостовой схемы 9, которая в частном случае может быть выполнена симметричной, подключен задающий генератор 12. К другой диагонали 15 мостовой схемы 9 подключен измеритель 14 напряжения разбаланса мостовой схемы 9, который включает последовательно соединенные усилитель 16, амплитудный детектор 17, интегратор 18 и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 19.

Способ исследования многокомпонентной жидкости с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг.2, и с помощью чувствительного элемента, изображенного на фиг.1, реализуется следующим образом.

Каплю 1 (фиг.1) исследуемой жидкости предопределенного объема, например, в объеме 5 мкл, при заданных условиях окружающей среды, т. е. при заданных температуре, давлении и влажности, располагают на жесткой подложке 2.

Возбуждают в упомянутом объеме исследуемой жидкости колебания сдвига в ультразвуковом диапазоне частот с помощью задающего генератора 12 и резонатора 3. Для этого задающий генератор 12 формирует синусоидальное напряжение ультразвуковой частоты. Это напряжение создает соответствующее электрическое поле между электродами 5 резонатора 3, в результате чего в кварцевой пластине 4, выполняющей функцию жесткой подложки 2, возникают колебания сжатия-растяжения в направлении, перпендикулярном направлению возбуждающего электрического поля. Эти колебания вызывают колебания сдвига в капле 1, расположенной на подложке 2.

Определяют механический импеданс упомянутого объема исследуемой жидкости с помощью мостовой схемы 9 и измерителя 14 следующим образом. Сдвиговые колебания в капле 1 вызывают изменение электрической проводимости резонатора 3 за счет вносимого электрического импеданса, который в свою очередь определяется механическим импедансом капли 1 исследуемой жидкости. Изменение электрической проводимости резонатора 3 вызывает соответствующее изменение напряжения разбаланса мостовой схемы 9. Конкретные параметры мостовой схемы 9 и рабочая частота резонатора 3 определяются типом используемого кварца и выбраны так, что напряжение разбаланса пропорционально механическому импедансу капли 1 исследуемой жидкости, в частности амплитуда напряжения разбаланса обратно пропорциональна модулю механического импеданса капли 1 исследуемой жидкости. Напряжение разбаланса поступает на измеритель 14, где усиливается усилителем 16, детектируется амплитудным детектором 17, интегрируется интегратором 18 и через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 19 поступает в компьютер (на чертеже не показан).

Затем каплю 1 сушат и определяют механический импеданс капли 1 исследуемой жидкости в заданные моменты времени в процессе высыхания капли в соответствии с описанной выше процедурой. При этом регистрируют динамику механического импеданса капли 1 исследуемой жидкости в процессе высыхания капли 1, которую используют в качестве информативного параметра. После этого полученную динамику механического импеданса исследуемой жидкости сравнивают с динамикой механического импеданса ранее исследованного эталонного образца.

На фиг.3-8 в качестве примеров показана динамика модуля механического импеданса капель различных исследованных жидкостей, где значения модуля механического импеданса приведены к значениям вязкости этих жидкостей (в условных единицах).

Фиг.3 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли исследуемого солевого раствора, имеющей объем 5 мкл, в процессе высыхания капли: кривая 21 иллюстрирует соответствующую зависимость для 0,9%-ного раствора NaCl (физиологический раствор); кривая 22 - зависимость, полученную для капли, взятой из раствора А непосредственно после растворения в упомянутом физиологическом растворе некоторого количества кристаллической соли NaCl; кривая 23 - зависимость, полученную для капли, взятой из того же раствора А спустя сутки после растворения кристаллической соли NaCl. Сравнение зависимостей 21-23 позволяет выявить двухфазность жидкокристаллической структуры раствора сразу после растворения в нем кристаллической соли и установление новой единой структуры через сутки.

Фиг.4 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли, имеющей объем 5 мкл, в процессе высыхания капли исследуемого пива "Толстяк-забористое" до и после разбавления пива водопроводной водой: кривая 24 иллюстрирует соответствующую зависимость для натурального продукта, не разбавленного водой; кривые 25-28 иллюстрируют соответствующие зависимости для пива, разбавленного водой в соотношении соответственно 4:1, 3:1,2:1 и 1:1. Кривые 24-28 демонстрируют существенные отличия динамики модуля механического импеданса капли для разбавленного водой и неразбавленного продукта, а также различие динамики при разной степени разбавления.

Фиг.5 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли, имеющей объем 5 мкл, в процессе высыхания капли натурального сухого красного виноградного вина "Коллекция мастеров" до и после разбавления вина водопроводной водой: кривая 29 иллюстрирует соответствующую зависимость для натурального продукта, не разбавленного водой; кривые 30, 31 иллюстрируют соответствующие зависимости для указанного вина, разбавленного в соотношении 4:1 соответственно водой и этиловым спиртом непосредственно после разбавления. Кривые 29-31 демонстрируют существенные отличия полученных зависимостей для разбавленного водой и этиловым спиртом и неразбавленного продукта.

Кривые 32-34 на фиг.6 иллюстрируют динамику модуля механического импеданса капли, имеющей объем 5 мкл, в процессе высыхания капли исследуемой урины до (кривая 32) и после (кривые 33, 34) добавления сухого альбумина в разных концентрациях, при этом кривая 34 соответствует удвоенной, по сравнению с кривой 33, концентрации альбумина. Видна различная динамика испарения капель исследуемой урины.

Фиг.7 иллюстрирует динамику модуля механического импеданса капли, имеющей объем 5 мкл, в процессе высыхания капли слюны здорового человека (кривая 36) и человека, больного вирусным гепатитом В (кривая 35). Видно, что динамика, представленная кривыми 35, 36, существенно разнится.

Кривые 37, 38 на фиг.8 иллюстрируют динамику модуля механического импеданса капли, имеющей объем 5 мкл, в процессе высыхания капли сыворотки крови больного ожоговой болезнью до (кривая 37) и после (кривая 38) экстракорпоральной очистки способом гепаринкриопреципитации. Кривые 37, 38 свидетельствуют об изменении состава сыворотки крови в процессе лечения.