Сенсорний пристрій

Винахід стосується галузі приладобудування, а саме - новітньої аналітичної техніки для хімічних та біохімічних аналізів і може знайти застосування для експресного високочутливого детектування та визначення концентрації речовин-аналітів, при проведенні біологічних аналізів та імунологічних тестів в клінічній практиці, в біотехнології, для контролю якості харчових продуктів, сільськогосподарської сировини та питної води, для детектування присутності і визначення концентрації шкідливих речовин (пестицидів, інсектицидів, сивушних масел, тощо) та небезпечних хвороботворних вірусів. Відомі сенсорні пристрої, дія яких базується на використанні фізичного явища поверхневого плазмонного резонансу (ППP) в тонких металевих чи напівпровідникових плівках при їх опроміненні поляризованим світлом. При певних умовах спостерігається зміна інтенсивності відбитого світла, за характером якої можна зробити висновки про властивості як самої плівки, так і речовини (наприклад, біологічної), нанесеної на її поверхню для аналізу [див: Salomon Ζ, Macieod Н.А., Tollin G. Surface Plasmoi Resonance Spectroscopy as a Tool for investigating the biochemical Properties of Membrane Protein Systems. II: Application to biological Systems // Biochimica et biophysica acta, 1997, N.1331- P. 131-152; Shirshov Yu. Optoelectronic methods for biomolecular interaction analysis // Functional materials, 1998, v.5, N.3.- P.447-449; Starodub N.F., Pirogova L. V., Artyukh AS, Starodub V.N. Biospecific interactions on the optical transducer surface the base of infection diagnostics // Proc. of NATO ARW "Frontiers of Multifunctional Nanosystems.- Ed. Busaneva E., Scharff P.- 2002, v.57.- P.369-376]. Одним з таких сенсорів, близьким за призначенням та побудовою до того, що пропонується нами, є пристрій, [описаний в патенті України №46018, Ширшов Ю.М. та ін. Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення. МПК G01 N21/55. Заявл. 22.10.1997, опубл. 15.05.2002. - Бюл. №5, кн.1, С.3161]. Такий пристрій містить освітлювач з джерелом світла і поляризатором, прозору призму, один кут біля основи якої дорівнює 90°, а другий - рівний куту поверхневого плазмонного резонансу плюс-мінус 5° (далі ми використовуємо більш короткий термін - "оптична ретропризма"), тонку електропровідну або напівпровідникову плівку, розміщену на межі поділу і оптично менш щільною речовиною (вода, повітря, тощо), яку ми скорочено називатимемо "чутливою рецепторною плівкою", блок керування призмою і фотодетектор. Спільною ознакою вказаного пристрою-аналога і запропонованого нами сенсорного пристрою є наявність у них оптичної ретропризми, рецепторної плівки і фотодетектора та пов'язаних оптичним зв'язком джерела світла і поляризатора. Наявність електромеханічної системи кутового переміщення ретропризми, використання як джерела світла He-Ne лазера, значне просторове розділення окремих функціональних вузлів, необхідність обробки отримуваної інформації на професійному чи персональному комп'ютері призводять до того, що пристрійаналог має відносно великі габарити та масу і може використовуватись лише як стаціонарний. Значні розміри He-Ne лазера, використання фотодіода як фотодетектора і обмежена точність електромеханічної системи повороту ретропризми обмежують кутову роздільну здатність, а отже й чутливість приладу і точність визначення концентрації аналіту. Відомий малогабаритний ППР-сенсор Spreeta [див: Suzuki Μ, Ozawa F, Sugimoto W, Aso S Miniaturization of SPR Immunosensors. - Analytical Sciences, 2001, v.17, p.1265-1267, www.ti.com/spreeta]. Він є найбільш близьким до запропонованого нами і тому обраний за прототип. Сенсор-прототип має оптично пов'язані світлодіод як джерело світла, поляризатор, оптичну ретропризму з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим під кутом 90° до рецепторної плівки, і лінійку фотодетекторів на 128 пікселів. В прототипі використовується світловий промінь з кутовою розбіжнстю 3-4°. Спільними ознаками прототипу і запропонованого нами сенсорного пристрою є наявність у них джерела світла, оптично пов'язаного з поляризатором, оптичної ретропризми з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим на одній із граней призми під кутом 90° до рецепторної плівки, та фотодетектора. Причини, що заважають досягненню очікуваного технічного результату, наступні: 1. Діапазон кутів падіння розбіжного світлового променя на чутливий рецепторний елемент в прототипі (q=64°±2°) жорстко фіксується конструкцією і може підчас не відповідати діапазону кутів, необхідному для дослідження конкретної речовини з конкретному середовищі. Переналагодження ж сенсора Spreeta на інші кути неможливе. 2. Розмір (ΔS1) світловипромінюючої області світлодіода, використаного в прототипі як джерело світла, складає приблизно 200мкм, і відповідна світлова пляма, що потрапляє на фотодетектор, не може бути меншою за ΔS1. Приблизно такими ж за розмірами є елементи лінійки фотодетекторів (ΔD1»200мкм). При відстані між джерелом світла і фотодетектором L~10см пов’язана з цим фізична кутова роздільна здатність прототипу складає величину Δq1»(ΔS1+ΔD1)/L=0,23°. 3. Світлодіод не є джерелом монохроматичного світла і має відносно широку спектральну смугу випромінювання Δl. Пов'язане з цим обмеження фізичної дугової роздільної здатності Δq2=(Δl/l)tgq (lдовжина світлової хвилі, q - кут резонансу) при характерних для сенсора Spreeta параметрах l=830нм, Δl=15нм, q=64° складає 2,12°. Таким чином, сумарна фізична кутова роздільна здатність обмежується величиною Δq= Δq1+Δq2=2,35°, яка, власне, і визначає мінімальну кутову ширину резонансної кривої ППР в прототипі. А цим обмежується чутливість сенсора та точність визначення концентрації речовини-аналіту. 4. Фотодетекторна лінійка прототипу реєструє одновимірний, тобто просторово обмежений, потік інформації всього 128 елементами. 5. Використання розбіжного світлового пучка призводить до того, що його складові частини з різними кутами падіння відбиваються від різних точок рецепторної плівки, через що на криву ППР накладається ще й деяка поверхнева неоднорідність цієї плівки. Це також знижує чутливість та точність пристрою. В основу винаходу покладено завдання створити малогабаритний сенсорний пристрій, в якому шляхом вдосконалення конструкції можна було б розширити кутовий діапазон вимірювань та мати можливість його регулювання, а завдяки уведенню новітніх напівпровідникових інтегральних елементів, раціональній зміні ходу світлових променів та покращенню обробки отримуваної інформації можна було б підвищити роздільну здатність, а отже чутливість і точність вимірювань,. Вирішення поставленого завдання досягається тим, що в сенсорному пристрої, що містить джерело світла, оптично пов'язане з поляризатором, оптичну ретропризму з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим на одній із граней ретропризми під кутом 90 до рецепторної плівки, і фотодетектор, додатково міститься корпус з двома паралельними каналами, в одному з яких послідовно розміщені і оптично пов'язані джерело світла, поляризатор і фокусуюча лінза, в другому каналі - фото детектор, оптично пов'язаний з апертурною діафрагмою, а ретропризма розміщена в непрозорому кожуху, оптично пов'язана з фокусуючою лінзою та апертурною діафрагмою і з'єднана з корпусом пружною перемичкою та регульовочним гвинтом, причому між ретропризмою і корпусом існує регульований клиновидний проміжок. При цьому джерело світла виконано у вигляді полоскового напівпровідниквого лазера, а фотодетектор - у вигляді фоточутливої ПЗЗ-матриці. Ознаками, які відрізняють запропонований сенсорний пристрій, є те, що в ньому додатково міститься корпус з двома паралельними каналами, в одному з яких послідовно розміщені і оптично пов'язані джерело світла, поляризатор і фокусуюча лінза, в другому канаті - фотодетектор, оптично пов'язаний з апертурною діафрагмою, а ретропризма розміщена в непрозорому кожуху, оптично пов'язана з фокусуючою лінзою та апертурною діафрагмою і з'єднана з корпусом пружною перемичкою та регульовочним гвинтом, причому між ретропризмою і корпусом існує регульований клиновидний проміжок. При цьому джерело світла виконано у вигляді полоскового напівпровідникового лазера, а фотодетекор - у вигляді фоточутливої ПЗЗ-матриці. Уведення цих ознак дозволяє вирішити поставлене завдання, тому що вказана конструкція приладу забезпечує можливість його простого переналагодження, завдяки чому суттєво (на ±5°) розширюється можливий кутовий діапазон вимірювань. А це дозволяє використовувати пристрій в значно ширшому діапазоні конкретних застосувань. Використання точкового джерела випромінювання з високою монохроматичністю (Δl®0), яким є полосковий напівпровідниковий лазер, та матричного фотодетектора зі щільно розташованими дискретними фоточутливими елементами, яким є фоточутлива ПЗЗ-структура (або КМОП-структура), дозволяє з високою роздільною здатністю Δq=(ΔS+ΔD)/L+(Δl/l)tgq (де ΔS - розмір випромінюючої області полоскового лазера, ΔD - розмір фоточутливого елемента ПЗЗ-структури, L - відстань від точкового джерела світла до фотодетектора, l - довжина світлової хвилі лазера, Δl - ширина спектральної смуги випромінювання лазера, q - резонансний кут) вимірювати криву ППР. Наприклад, при ΔS~3-5мкм, ΔD~3-5мкм, L~10см, l=650нм, Δl=0,5нм, q=72,25° величина Δq=0,14°, що майже в 17 разів краще, ніж у прототипа. Раціональне співвідношення розмірів матричного фотодетектора та відстані до нього від рецепторної плівки дозволяє зареєструвати з найвищою точністю інформацію про двовимірний кутовий розподіл інтенсивності відбитого світла в усьому потрібному діапазоні кутів. Застосування збіжного конусоподібного світлового пучка дозволяє розумно обмежити область його взаємодії з рецепторною плівкою (розмір цієї області можна звести навіть до розміру випромінюючої області полоскового лазера) і тим самим позбутись впливу поверхневої неоднорідності рецепторної плівки. Завдяки тому, що фотодетектор можна електрично з'єднати з мікропроцесором, в пам'ять якого закладена програма обробки двовимірних зображень, значно точніше можна визначити кутове положення мінімуму кривої ППР і тим самим додатково підвищити чутливість та точність пристрою. Наприклад, при застосуванні сенсора-прототипа Spreeta за рахунок додаткової комп'ютерної (на зовнішньому комп'ютері) обробки одновимірної інформації від лінійки фотодетекторів досягається зростання розрахункової роздільної здатності майже на 2 порядки порівняно з досягнутою фізичною роздільною здатністю, тобто замість Δq=2,35° маємо Δq=0,023°. В запропонованому лами сенсорному пристрої за рахунок мікропроцесорної (тобто в самому пристрої) обробки двовимірного потоку інформації очікуване підвищення роздільної здатності може сягати 3-х порядків і скласти Δq~0,0001°, тобто порівняно з прототипом досягається зростання майже в 200 разів. На Фіг.1 показано конструкцію запропонованого сенсорного пристрою, а на Фіг.2 - резонансні криві ППР. Сенсорний пристрій містить корпус 1 з двома паралельними каналами, в одному з яких послідовно розміщені і оптично пов'язані полосковий напівпровідниковий лазер 2, поляризатор 3 і фокусуюча лінза 4, в другому каналі - фоточутлива ПЗЗ-матриця 5, оптично пов'язана з апертурна діафрагмою 6. В склад сенсора входить також оптична ретропризма 7 з чутливою рецепторною плівкою 8 та дзеркальним покриттям 9, розташованим на одній із граней ретропризми під кутом 90° до рецеторної плівки. Ретропризма розміщена в непрозорому кожуху 10 і оптично пов'зана з фокусуючою лінзою 4 та апертурною діафрагмою 6. Оптична ретропризма 7 та корпус 1 механічно з'єднані між собою за допомогою пружної металевої перемички 11 і гвинта 13 таким чином, що між ними утворюється робочий проміжок 12 з регульованою (порядку ±2-5°) клиновидністю. Регулювання може здійснюватись гвинтом 13. Сенсорний пристрій діє наступним чином. Рецепторну плівку 8 приводять у контакт з досліджуваним рідким чи газоподібним середовищем і витримують певний час, потрібний для адсорбції молекул речовинианаліту рецепторною плівкою. Далі вмикають лазер 2, і пучок поляризованого світла 14 входить в оптичну ретропризму 7 і потрапляє на чутливу рецепторну плівку 8. Взаємодіючи з нею, світло відбивається, причому при деяких кутах відбивання, близьких до резонансного кута ППР, інтенсивність відбитого світла зменшується. Характер розподілу інтенсивності відбитого світла за кутами відбивання несе інформацію про властивості рецепторної плівки, а також про наявність та концентрацію молекул речовини-аналіту, сорбованих на рецепторній плівці. Відбите від чутливої рецепторної плівки 8 світло ще раз відбивається від дзеркального покриття 9, виходить з ретропризми 7 і падає на чутливу поверхню матричного фотодетектора 5. На кожен його фоточутливий елемент (піксель) потрапляє лише частина розбіжного світлового пучка, відбита під своїм відповідним кутом від рецепторної плівки 8. Тому сигнали, які реєструються матричним фотодетектором 5, несуть інформацію про двовимірний кутовий розподіл інтенсивності відбитого від рецепторної плівки 8 світла. Використовуючи таку двовимірну, значно більш повну інформацію, можна набагато точніше зареєструвати наявність і визначити концентрацію молекул речовини-аналіту на рецепторній плівці. Полосковий навівпровідниковий лазер 2 (наприклад, лазер типу KLM-650 з l=650нм, Δl=0,5нм) має випромінюючу область розміром 3´7мкм2. Лінза 4 формує конусоподібний збіжний світловий пучок 14, кутова збіжність якого (~3-5°) визначається діаметром та оптичною силою лінзи і відстанню до лазера 2. Поляризатор 3 поляризує світло перпендикулярно площині його падіння на рецепторну плівку 8. В точці О зходження збіжного пучка світла 14 формується зображення випромінюючої області полоскового лазера. Положення точки О відносно рецепторної плівки 8 визначається розмірами оптичної ретропризми 7 та відстанню між корпусом 1 та ретропризмою 7. За допомогою лінзи 4 просторове положення точки О може бути відрегульоване так, щоб воно співпадало з площиною рецепторної плівки 8 або знаходилось на деякій відстані від цієї площини (до чи після відбивання). Як фотодетектор 5 використана матрична структура з високою роздільною здатністю (наприклад, ПЗЗ- матриця з розміром фоточутливих елементів ~3-5мкм і щільністю 100200мм-1). Відстань між точкою зходження збіжного пучка О і ПЗЗ-матрицею 5 є такою, що фоточутлива поверхня матриці перекриває всю потрібну область зміни кутів відбивання (3-5°). Дзеркальне покриття 9 забезпечує високу якість відбивання світла від відповідної грані ретропризми 7. Апертурна діафрагма 6 обмежує світловий потік, що потрапляє на фотодетектор 5, та захищає його від сторонніх паразитних засвіток. Зйомний непрозорий кожух 10 захищає оптичну ретропризму 7 та рецепторну плівку 8 від механічних пошкоджень та забруднення і перешкоджає проникненню в пристрій зовнішнього світла. Освітлювальний і фотоприймальний канали сенсорного пристрою сформовані в спільному металевому корпусі 1. Ці канали мають засоби тонкого регулювання положень лазера 2, поляризатора 3, лінзи 4, апертурної діафрагми 6, фотодетектора 5, забезпечують можливість точного оптичного юстирування пристрою і дозволяють його переналагоджувати. Завдяки специфічним властивостям оптичної ретропризми 7 (наявності кута 90°) при кутовому повороті її відносно корпусу 1 вихідні (із ретропризми) промені світла залишаються паралельними до вхідних (у ретропризму), і оскільки освітлювальний та фотоприймальний канали в корпусі 1 паралельні, то такий поворот не порушує оптичних умов роботи пристрою. Корекція кутового діапазону досягається шляхом регулювання клиновидності (±2-5°) робочого проміжку 12 мікрогвинтом 13. Загалом кутовий діапазон вимірювань складає ~72°±5° і в разі потреби може бути додатково розширений. Невеликі габарити сенсора - 100´50´30мм3 - дозволяють легко транспортувати і використовувати його в польових умовах. Щоб пояснити суть передбачуваної в сенсорі мікропроцесорної обробки двовимірних зображень, на Фіг.2 зображені резонансні криві ППР (залежності інтенсивності І відбитого світла від кута падіння q) для двох випадків: 1 - за відсутності на чутливій рецепторній плівці молекул аналіту, 2 - за наявності таких молекул. У другому випадку крива ППР зсувається як ціле на деякий кут Δq. І чим більша концентрація молекул аналіту, тим більшим є цей зсув. Тому для підвищення чутливості та точності аналізів треба якомога точніше визначати вказаний зсув. Цьому, крім обмеженої фізичної роздільної здатності пристрою, заважає те, що в реальному пристрої крива ППР завжди "зашумлена", тобто на неї накладаються невеликі випадкові зміни інтенсивності, зумовлені шумовими факторами різної природи. Щоб зменшити вплив зашумленості, цю криву знімають багато разів і для кожної точки розраховують середнє значення інтенсивності. Розподіл інтенсивностей, знятий за наявності на рецепторній плівці молекул аналіту, обробляється далі так, щоб знайти кутовий зсув Δq, при якому зміщена "опорна" крива ППР якнайменше відрізняється від реально знятої. За критерій відмінності можна взяти, наприклад, суму квадратів відхилень в усіх важливих точках (в межах "ями" на кривій ППР). В нашому випадку закладена в мікропроцесор програма дозволяє визначити та запам'ятати вже двовимірний "опорний" розподіл інтенсивностей (за відсутності на рецепторній плівці молекул аналіту), а потім для реального розподілу розрахувати той кутовий зсув Δq, при якому зміщений "опорний" розподіл якнайкраще співпадає з реальним. Але тепер у визначенні кутового зсуву беруть участь понад 2000 відліків з матричного фотоприймача, що дозволяє визначити цей зсув набагато точніше. Запропонований сенсорний пристрій, як видно з його опису, може бути реалізований у виробничих умовах, оскільки в сенсорі використовуються оптоелектронні та оптичні елементи, що вільно продаються на ринку напівпровідникові лазери, фоточутливі ПЗЗ-матриці, поляризатори, призми, тощо, а складання та регулювання пристрою потребує лише традиційних промислових приладобудівних технологій.