устройство для анализа хеми- и биолюминесценции жидких сред

Формула изобретения

1. Устройство для анализа хеми- и биолюминесценции жидких сред, содержащее кюветную камеру для пробы и фотоприемное отделение с фотоэлектронным умножителем, подключенным через усилитель-формирователь к блоку управления, интерфейс для подключения к персональному компьютеру, высоковольтный источник для фотоэлектронного умножителя и блок питания,

отличающееся тем, что

кюветная камера и фотоприемное отделение термо-, светоизолированы и герметично отделены друг от друга прозрачным окном, имеют независимые средства нагрева и термостатирования кюветы и охлаждения фотоэлектронного умножителя, причем кюветная камера дополнительно содержит капельницу и мешалку пробы с приводом и штоком, средства нагрева и термостатирования кюветы включают держатель из теплопроводного материала с полостью для размещения кюветы, установленные в теле держателя первый термодатчик и нагреватель, подключенный к первому выходному каскаду, капельница установлена в теле упомянутого корпуса, а ее капленаправляющий наконечник открыт в кювету,

средства охлаждения фотоэлектронного умножителя выполнены в виде обоймы из теплопроводного материала, установленной с тепловым контактом вокруг зоны, примыкающей к рабочей зоне фотокатода умножителя, и связанной с холодным спаем термоэлектрического холодильника, горячий спай холодильника сообщен с радиатором охлаждения, в теле упомянутой обоймы установлен второй термодатчик, а токовая шина питания холодильника подключена ко второму выходному каскаду,

при этом входы обоих выходных каскадов, подключенных к блоку питания, соединены с управляющими выходами блока управления, к входам которого подключены упомянутые термодатчики.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления включает микроконтроллер с запоминающим устройством и связанные с ним органы управления и индикации режимов работы, при этом

первый и второй сигнальные входы микроконтроллера являются коммутируемыми входами аналого-цифрового преобразователя для подключения термодатчиков, третий - входом счетчика анодных импульсов фотоэлектронного умножителя, первый и второй управляющие выходы микроконтроллера являются выходами встроенных ШИМ-контроллеров, выполненных с возможностью выработки периодического импульсного сигнала с регулируемой скважностью в зависимости от сигнала с термодатчиков для питания нагревателя и холодильника, причем микроконтроллер связан шиной обмена данными и управления с интерфейсом.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что капельница и привод мешалки пробы подключены к блоку питания.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прозрачное окно выполнено в виде вакуумированного стеклопакета.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит переключатель режимов работы: «ЛЮМИНОМЕТР», «СБРОС», «КОНТРОЛЬ», «ПРОБА», «ТОКСИЧНОСТЬ», «РЕЖИМ», «ОХЛАЖДЕНИЕ ФЭУ», «НАГРЕВ ПРОБЫ».

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам для исследования состояния жидких сред методами биолюминесценции и может быть использовано для контроля содержания токсинов в бытовых и индустриальных сточных водах, жидких продуктах различного назначения, а также в биотехнологии и медицине.

Известно, что исследования характеристик биологических жидкостей, в том числе крови, методами хеми- и биолюминесценции позволяет расширить диагностические возможности и повысить точность, что требует применения соответствующих анализаторов (см., например, цитируемые источники в RU 2366953 С2, Дерябин, Каримов, 10.09.2009).

Известно устройство для измерения хеми- и биолюминесценции жидкости, состоящее из темновой камеры с термостатируемой кюветой, имеющей светоотражающие внутренние стенки, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), расположенного над кюветой и соединенного с блоком усиления и обработки электрического сигнала, в котором предусмотрено вращение кюветы для увеличения эффективности регистрации (SU 1400258 А1, БАГАЕВ и др. G01N 21/76, опубл. 10.01.2000). Известен также аппарат для измерения биолюминесценции в жидких средах, содержащий реакционную камеру и систему регистрации, включающую ФЭУ, блок питания, блоки усиления и вывода данных на внешние регистрирующие устройства. Блок питания подключен к элементам схемы регистрации, а сами элементы соединены последовательно (RU 2009466 С1, Ишутин и др., 15.03.1994). Однако этим устройствам свойственны недостатки. При увеличении интенсивности свечения пробы частота импульсов с выхода ФЭУ возрастает. Поскольку интервал между импульсами носит случайный характер, то при увеличении частоты импульсы начинают сливаться из-за конечной величины их длительности. В результате счетчик регистрирует меньшее число импульсов, чем имеется на самом деле, что приводит к ошибкам в оценке светимости пробы.

Известен прибор экологического контроля «Биотокс-10» для преобразования потоков квантов люминесценции в пропорциональное число электрических импульсов для количественного контроля степени интегральной токсичности проб воды и вытяжек из различных объектов окружающей среды в лабораторных и полевых условиях для медицинских, санитарно-гигиенических и экологических целей на основе биолюминесцентного анализа (http://www.biotox.ru/instruction).

Описано устройство для измерения хемилюминесценции и биолюминесценции RU49998 U1, Дерябин и др., 13.05.2005, включающее кюветное отделение с темновой камерой для размещения исследуемой пробы, сопряженный с ней фотоэлектронный умножитель, а также подключенную к нему систему регистрации импульсов, отличающееся тем, что кюветное отделение имеет две идентичные темновые камеры, с каждой из которых сопряжен отдельный фотоэлектронный умножитель со своей системой регистрации импульсов, сигнал с которого поступает на единую схему сопряжения, позволяющую ввести данные в компьютер и провести расчет абсолютной и относительной разницы интенсивности свечения в сравниваемых пробах. В нижней части темновых камер имеется устройство для вращения цилиндрических кювет с пробами вокруг собственной оси, приводимое в движение низкоскоростным электродвигателем. Кюветное отделение снабжено устройством для термостатирования находящихся в темновых камерах кювет с пробами.

Известно устройство для анализа хеми- и биолюминесценции жидких сред, содержащее кюветную камеру для пробы и фотоприемное отделение с фотоэлектронным умножителем, подключенным через усилитель-формирователь к счетчику анодных импульсов и микропроцессору, средства линеаризации выходной характеристики, интерфейс для подключения к персональному компьютеру, высоковольтный источник и блок питания (RU 2200315 С2, Чалкин, Острожинский, 25.05.2001 - ближайший аналог). Средства для линеаризации выходной характеристики содержат введенную в блок памяти таблицу поправочных коэффициентов, вычисленных по результатам тарировки на эталонном источнике излучения.

Однако это устройство характеризуется достаточно высоким уровнем собственных шумов, обусловленных свойствами ФЭУ. Кроме того, устройство не предусматривает регулируемого теплового воздействия на испытуемую пробу, что снижает эксплуатационные возможности анализа.

Настоящее изобретение направлено на повышение чувствительности регистрации флуоресценции за счет понижения температуры фотокатода ФЭУ, а также стабилизации температуры пробы до рабочего значения (например, для крови +37°С) при малых объемах биологической жидкости. При этом известно, что охлаждение фотокатодов с использованием термоэлектрического охлаждения для этой цели позволяет уменьшить темновой ток фотоумножителей и, соответственно, увеличить их чувствительность.

Патентуемое устройство для анализа хеми- и биолюминесценции жидких сред содержит кюветную камеру для пробы и фотоприемное отделение с фотоэлектронным умножителем, подключенным через усилитель-формирователь к блоку управления, интерфейс для подключения к персональному компьютеру, высоковольтный источник для фотоэлектронного умножителя и блок питания.

Изобретение характеризуется тем, что кюветная камера и фотоприемное отделение термо-, светоизолированы и герметично отделены друг от друга прозрачным окном, имеют независимые средства нагрева и термостатирования кюветы и охлаждения фотоэлектронного умножителя, причем кюветная камера дополнительно содержит капельницу и мешалку пробы с приводом и штоком.

Средства нагрева и термостатирования кюветы включают держатель из теплопроводного материала с полостью для размещения кюветы, установленные в теле держателя первый термодатчик и нагреватель, подключенный к первому выходному каскаду, капельница установлена в теле упомянутого корпуса, а ее капленаправляющий наконечник открыт в кювету.

Средства охлаждения фотоэлектронного умножителя выполнены в виде обоймы из теплопроводного материала, установленной с тепловым контактом вокруг зоны, примыкающей к рабочей зоне фотокатода умножителя, и связанной с холодным спаем термоэлектрического холодильника, горячий спай холодильника сообщен с радиатором охлаждения, в теле упомянутой обоймы установлен второй термодатчик, а токовая шина питания холодильника подключена ко второму выходному каскаду. Входы обоих выходных каскадов, подключенных к блоку питания, соединены с управляющими выходами блока управления, к входам которого подключены упомянутые термодатчики.

Устройство может характеризоваться тем, что блок управления включает микроконтроллер с запоминающим устройством и связанные с ним органы управления и индикации режимов работы. Первый и второй сигнальные входы микроконтроллера являются коммутируемыми входами аналого-цифрового преобразователя для подключения термодатчиков, третий - входом счетчика анодных импульсов фотоэлектронного умножителя, первый и второй управляющие выходы микроконтроллера являются выходами встроенных ШИМ-контроллеров, выполненных с возможностью выработки периодического импульсного сигнала с регулируемой скважностью в зависимости от сигнала с термодатчиков для питания нагревателя и холодильника, причем микроконтроллер связан шиной обмена данными и управления с интерфейсом.

Устройство может характеризоваться и тем, что капельница и привод мешалки пробы подключены к блоку питания, а также тем, что прозрачное окно выполнено в виде вакуумированного стеклопакета.

Устройство может характеризоваться также тем, что блок управления содержит переключатель режимов работы: «ЛЮМИНОМЕТР», «СБРОС», «КОНТРОЛЬ», «ПРОБА», «ТОКСИЧНОСТЬ», «РЕЖИМ», «ОХЛАЖДЕНИЕ ФЭУ», «НАГРЕВ ПРОБЫ».

Технический результат изобретения состоит в снижении собственных шумов фотоэлектронного умножителя при обеспечении возможности независимого нагрева и стабилизации температуры пробы.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 показана принципиальная схема патентуемого устройства для анализа жидких сред; на фиг.2 - структурная схема блока управления; на фиг.3 - алгоритм функционирования.

Устройство включает термо- и светоизолированный корпус 1, в котором образованы самостоятельные кюветное 2 и фотоприемное 3 отделения, отделенные герметично друг от друга прозрачным окном 4 (см. фиг.1). Целесообразно выполнить окно 4 в виде вакуумного стеклопакета для улучшения термоизоляции отделений.

Кюветное отделение 2 содержит держатель 21 для кюветы 22, нагреватель 23, термодатчик 24, мешалку 25 с приводом, капельницу 26 с приводом для введения реагентов в кювету 22. Держатель 21 выполняется из теплопроводящего материала, преимущественно алюминия или меди, в теле которого установлен термодатчик 24.

Термостатирование может быть обеспечено двумя путями: от блока 5 управления посредством резистивного нагрева нагревателя 23 и контроля температуры нагрева держателя термодатчиком 24, а также от лабораторного жидкостного термостата. В первом случае управляющий выход блока 5 подключен к выходному каскаду 6, подключенному к блоку 7 питания (см. фиг.1). Во втором случае может использоваться автономная система термостатирования, обеспечиваемая термостатом и теплообменником, находящимся в контакте с держателем 21. Такое конструктивное исполнение не изменяет сущности технического решения регулирования и стабилизации температуры пробы и конструкции устройства в целом. Диапазон регулирования - +(27-42)°С, точность ±0,1°С.

Фотоприемное отделение 3 включает фотоэлектронный умножитель ФЭУ 31, катодная часть которого установлена во фланце 32, выполненном из теплопроводного материала, и в теле которого имеется термодатчик 33. Фланец 32 находится в тепловом контакте с термоэлектрическим одно- или многокаскадным холодильником 34 на элементе Пельтье. Теплоотвод от горячего спая осуществляется радиатором 35 с водяным (показано на фиг.1) или воздушным охлаждением. Холодильник 34 подключен к выходному каскаду 8, также подключенному к блоку 7 питания. Питание ФЭУ 31 осуществляется от высоковольтного источника 13, подключенного к делителю 36. Блок 5 управления на основе микроконтроллера связан с термодатчиками 24 и 33, которые вырабатывают напряжение, пропорциональное текущим температурам, которое обеспечивает выработку соответствующих сигналов в выходных каскадах 6,8, подключенных к нагревателю 23 и холодильнику 34. Выход ФЭУ 31 подключен к входу усилителя-формирователя 9, выход которого связан с блоком 5 управления. Блок 5 через интерфейс 10 связи двухсторонней шиной подключен к компьютеру 11. Блок 7 питания от сети 220 В подключен к выходным каскадам 6,8. Кроме того, при необходимости блок 7 может быть подключен к приводам мешалки 25 и капельницы 26.

На фиг.2 представлена блок-схема блока 5 управления. Он содержит микроконтроллер 51, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 52 с двумя коммутируемыми входами для подключения термодатчиков 24,33. В качестве микроконтроллера 51 может быть использована, например, микросхема Atmega 8535 и подобная. Управляющие выходы микроконтроллера 51 представляют собой выходы встроенных ШИМ-контроллеров 53, 54, обеспечивающих выработку периодического импульсного сигнала с регулируемой скважностью в зависимости от сигнала с термодатчиков 24,33. Скважность контроллеров 53,54 зависит от разности сигналов с термодатчика и ожидаемого сигнала для установленной температуры. Выходные каскады 6,8 подключены к нагревателю 23 и холодильнику 34, соответственно. Третий вход микроконтроллера 51 предназначен для подключения выхода усилителя-формирователя 9 к счетчику 55 анодных импульсов фотоэлектронного умножителя 31. Микроконтроллер 51 связан двунаправленной линией связи обмена данными и управления с интерфейсом 10 для подключения к персональному компьютеру 11. Микроконтроллер 51 содержит блок 56 памяти и связан с находящимися в блоке 5 органами 57 индикации и переключателем 58 выбора режимов работы. Программа в компьютере 11 рисует график, обрабатывает и сохраняет данные в файле, управляет работой устройства.

Устройство работает следующим образом. Кювета 22 с анализируемой биологической жидкостью, например, кровью, заправляется в держатель 21 и посредством системы термостатирования, управляемой микропроцессором 51, подвергается нагреву до заданной экспериментом температуры, регистрируемой термодатчиком 24. Посредством капельницы 26 вводятся необходимые реагенты, а мешалкой 25 осуществляется перемешивание жидкости. Термодатчик 24 вырабатывает напряжение, пропорциональное температуре. Далее это напряжение поступает на АЦП 52, код с выхода которого сравнивается с кодом, соответствующим заданной температуре. Разница кодов определяет значение управляющего кода для выходного каскада 6. Управляющий код посредством контроллера широтно-импульсной модуляции (ШИМ-контроллера) 54 в микроконтроллере 51 преобразуется в импульсный сигнал, скважность которого зависит от значения управляющего кода. Этот сигнал подается на выходной каскад 6, подключенный к нагревателю 23.

Аналогично к измерениям подготавливается и ФЭУ 31. Термодатчик 33 вырабатывает напряжение, пропорциональное температуре. Далее это напряжение поступает на АЦП 52, код с выхода которого сравнивается с кодом, соответствующим заданной температуре. Разница кодов определяет значение управляющего кода для выходного каскада 8 термоэлектрического холодильника 34. Управляющий код посредством ШИМ-контроллера 53 в микроконтроллере 51 преобразуется в импульсный сигнал, скважность которого зависит от значения управляющего кода. Этот сигнал подается на выходной каскад 8, подключенный к термоэлектрическому холодильнику 34. Так, при использовании в фотоприемном отделении 3 фотоэлектронного умножителя ФЭУ -101, при снижении температуры до -3°С, уровень собственных шумов падает примерно в три раза при одновременной стабилизации температуры пробы в диапазоне + (27-42)°С.

Индикация режимов работы: «ЛЮМИНОМЕТР», «КОНТРОЛЬ», «ПРОБА», «ТОКСИЧНОСТЬ», «РЕЖИМ», «ОХЛАЖДЕНИЕ ФЭУ», «НАГРЕВ ПРОБЫ» осуществляется светодиодами органа 57 индикации, их выбор - переключателем 58 - кнопками выбора режимов работы, и в дополнение к ближайшему аналогу - «вкл. охлаждения», индикаторы на светодиодах «вкл. охл» и достижения заданной температуры («норма»). Дополнительные органы управления связаны с микроконтроллером.

Блок-схема алгоритма функционирования блока управления представлена на фиг.3.

Основным режимом является режим «ЛЮМИНОМЕТР». В режиме «КОНТРОЛЬ» повторяется несколько раз режим «ЛЮМИНОМЕТР», а результаты измерений усредняются. Количество циклов режима «ЛЮМИНОМЕТР» определяются константой n, устанавливаемой в памяти прибора в режиме настройки в диапазоне N=10-1280 (обычно N=10). Режим «ПРОБА» аналогичен режиму «КОНТРОЛЬ», но результат измерения запоминается в другой ячейке памяти. В режиме «ТОКСИЧНОСТЬ» сопоставляются результаты, полученные в режимах «КОНТРОЛЬ» и «ПРОБА», что описано ниже. В режиме «ПЕРИОДИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ» периодически повторяется режим «КОНТРОЛЬ» до тех пор, пока этот режим не снимается.

Алгоритм работы выполняется следующим образом.

С началом работы (п.1.0) производится эмуляция портов, таймера, установка констант t, q, z, с, N, ПК (признак коррекции). Проводится контроль функционирования блока памяти и выдача сообщения на орган 57 индикации при отказе (п.2.0).

На шаге (п.3.0) программы первым задается режим "ЛЮМИНОМЕТР". Проводится выдача измеренного за заданное время значения числа импульсов I₀ на орган 57 и в компьютер.

Далее проводится анализ состояния признака коррекции ПК. При отрицательном результате (ПК=0) программа анализирует заданный режим и, если он не изменился, возвращается к шагу (п.3.0). При положительном результате (ПК=1) вычисленное значение I₀ передается в подпрограмму коррекции результата (4.11-4.13). Значение I ₀ корректируется с учетом корректирующих коэффициентов, содержащихся в блоке 56 памяти (п.5.21). Для этого сначала определяется номер n интервала значений, в который попало значение I₀ , путем сравнения I₀ с рядом значений U_n из блока 56 памяти. Затем проводится считывание из блока 56 коэффициентов U_n, b_n, К_n для найденного значения n. После этого вычисляется скорректированное значение I₀ ¹ по формуле: I₀ ^I=K_n(I₀-U_n)+(b _n+U_n). Откорректированное значение I¹ ₀ передается на орган 57 и в компьютер. Далее программа анализирует заданный режим и, если он не изменился, возвращается к шагу (п.3.0).

В соответствии с выбранной схемой патентуемого устройства предусматривается, что может быть активирована только одна кнопка из 6-ти имеющихся: "ЛЮМИНОМЕТР", "СБРОС", "КОНТРОЛЬ", "ПРОБА", "ТОКСИЧНОСТЬ", "РЕЖИМ". Кнопки "ОХЛАЖДЕНИЕ ФЭУ", "НАГРЕВ ПРОБЫ" включаются независимо. Кнопка "СБРОС" обеспечивает вывод алгоритма на начало и на фиг.3 условно не показана.

Если активирована кнопка "ЛЮМИНОМЕТР" (п.5.1), то программа возвращается к шагу (п.3.0).

Если активирована кнопка "КОНТРОЛЬ" (п.5.2), то режим "ЛЮМИНОМЕТР" включается N раз (по умолчанию N=10), после чего режим "ЛЮМИНОМЕТР" выключается. В процессе выполнения режима "КОНТРОЛЬ" проводится подсчет I_к общего количества импульсов I₀ за N циклов (п.5.21).

Далее программа работает аналогично шагам п.4.0, 4.11-4.13. Если ПК=1, то проводится коррекция значения I_K с учетом корректирующих коэффициентов, содержащихся в блоке 56 памяти (п.5.22-5.23). Если ПК=0, коррекция не выполняется. Полученный результат I_K или I _K ¹ передается на орган 57 и в компьютер.

Если активирована кнопка "ПРОБА" (п.5.3), то осуществляются операции 5.31, 5.32, 5.33 аналогичные операциям 5.21, 5.22 и 5.23. Полученный результат I_П или I_П ¹ передается на орган 57 и в компьютер.

Если активирована кнопка "ТОКСИЧНОСТЬ" (п.5.4), то проводится анализ значения признака режима q=? (п.5.41). При q=0 (п.5.42) проводится вычисление токсичности П_t по формуле: П_t=(I_K ¹-I_П ¹)/I_K ¹·100, где t - номер отсчета П.

Затем проводят увеличение номера отсчета t на 1 (если t>3, то t=0). Далее осуществляется выдача значения П_t на орган 57 (п.5.43) и операция присвоения признака q=1, установка коэффициента с=1 (п.5.44).

При q=l (п.5.45) проводят вычисление гамма-функции Г по формуле Г=(I_K ¹-I_П ¹)/I_П ¹ и выдачу вычисленного значения Г на орган 57 (п.5.46). Проводят установку коэффициентов: z=1, с=1, а также обнуление значения q (п.5.47).

Если активирована кнопка "РЕЖИМ" (п.6.0) одновременно с кнопкой «СБРОС», то проводится анализ предыдущих состояний и изменение признаков режимов t, z, с, N (п.6.1).

Команда «РЕЖИМ» используется одновременно с командами «СБРОС», «КОНТРОЛЬ, «ТОКСИЧНОСТЬ».

Если активирована кнопка "РЕЖИМ" (п.6.1) одновременно с кнопкой «ТОКСИЧНОСТЬ», то на шаге п.6.11 программы при с=1, t=3 проводится вычисление усредненной токсичности П_ср по формуле П_ср =(П₁+П₂+П₃)/3. Затем производится выдача значения П_ср на орган 57 индикации и в последовательный интерфейс 10 (п.6.12) и установка z=0, q=0, t=0 (п.6.13).

Если активирована кнопка "РЕЖИМ" (п.6.2) одновременно с кнопкой «КОНТРОЛЬ», то на шаге п.6.3 проводится переход на режим "ПЕРИОДИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ". В этом случае непрерывно включается режим «КОНТРОЛЬ» и выполняются операции п.п.5.21-5.23 до снятия режима "ПЕРИОДИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ" путем задания другого режима.

Если активирована кнопка "ОХЛАЖДЕНИЕ ФЭУ" (п.7.0), то включается холодильник 34 (п.7.1), подключается светодиод блока 57 (п.7.2), производится подключение соответствующего входа АЦП 52 (п.7.3), считывание кода (п.7.4), вычисление ошибки (п.7.5). Далее подключается ШИМ-контроллер 53 с частотой 10 КГц (п.7.6) и определяется состояние «Норма» (п.7.7). Если «да», то производится включение светодиода (п.7.8), если «нет» - то светодиод отключается (п.7.9). В этих случаях, а также в случае (п.7.10) программа возвращается на начало (п.7.0).

В режиме «НАГРЕВ ПРОБЫ» (п.8.0), который обеспечивает стабилизацию температуры пробы 22, используется аналогичный описанным п.п.7.0-7.9 алгоритм управления (п.8.0 показан на фиг.3 схематично), работающий одновременно с охлаждением ФЭУ.

Приведенные данные и экспериментальные исследования показывают, что устройством обеспечивается расширение функциональных возможностей и достижение технического результата - снижение собственных шумов фотоэлектронного умножителя при обеспечении возможности независимого нагрева и стабилизации температуры пробы. Так, при использовании фотоэлектронного умножителя ФЭУ -101 и снижении его температуры до -3°С уровень собственных шумов падает примерно в три раза, при этом одновременно обеспечивается возможность стабилизации температуры пробы в диапазоне +(27-42)°С.