Сенсорний пристрій

1. Сенсорний пристрій, що містить циліндричну обойму із послідовно розміщеними і оптично пов'язаними лазером, поляризатором і діафрагмою, а також містить оптично пов'язані призму повного внутрішнього відбивання, змінний рецепторний чіп, відділений від призми повного внутрішнього відбивання щілинним проміжком з імерсійною рідиною, і фотоприймач, який відрізняється тим, що в циліндричній обоймі за діафрагмою розміщені призма повного внутрішнього відбивання, оптично пов'язана з діафрагмою, і фотоприймач, а під робочою поверхнею призми повного внутрішнього відбивання в циліндричній обоймі знаходиться направляючий паз, в якому розміщена касета зі змінним рецепторним чіпом. 2. Сенсорний пристрій за п.1, який відрізняється тим, що ширина щілинного проміжку з імерсійною рідиною між змінним рецепторним чіпом і призмою повного внутрішнього відбивання становить ~0,40,5мм. Винахід стосується галузі аналітичного приладобудування, а саме - приладів для біохімічного аналізу, і може знайти застосування в медицині, сільському господарстві, біотехнології, екології, тощо. Відомі сенсорні пристрої, дія яких базується на використанні фізичного явища поверхневого плазменного резонансу в тонких електропровідних плівках при їх опроміненні світлом (ППР-сенсори). При відповідних кутах падіння, довжинах хвиль і поляризації спостерігається зміна інтенсивності відбитого від плівки світла, звідки можна зробити висновки про властивості речовини, що нанесена на поверхню плівки для аналізу. Один із сенсорів, близьких за призначенням і принципом роботи до пропонованого (сенсор Spreeta фірми Texas Instruments, США), містить оптично пов'язані випромінювач світла, поляризатор, призму повного внутрішнього відбивання з рецепторним вузлом і фотодетектор (Suzuki M., Ozawa F., Sugimoto W., Aso S. Miniaturization of SPR Immunosensors. - Analytical Sciences, 2001, v.17, p.1265-1267). Спільною ознакою вказаного пристроюаналога і запропонованого нами є наявність у них оптично пов'язаних випромінювача світла, поляризатора, призми повного внутрішнього відбивання, рецепторного вузла та фотоприймача. Головна причина, що в пристрої-аналозі заважає досягненню поставленої мети, пов’язана із відсутністю змінних автономних рецепторних вузлів (змінних рецепторних чіпів) і неможливістю виконання групових аналізів. Відомий також сенсор (Войтович И.Д-, Корсунский В.М., Косогор А.Н., Стародуб Н.Ф., Яворский И.А. Перспективы создания портативных биосенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса // Сенсорная электроника и микросистемные технологии. - 2005. - №3. - с.59), що містить циліндричну обойму із послідовно розміщеними оптично пов'язаними лазером, поляризатором, діафрагмою і захисним склом, а також містить розташовані поза межами циліндричної обойми і оптично пов'язані між собою призму повного внутрішнього відбивання, змінний рецепторний чіп, відділений від призми повного внутрішнього відби (19) UA (11) 91404 (13) (21) a200811006 (22) 09.09.2008 (24) 26.07.2010 (46) 26.07.2010, Бюл.№ 14, 2010 р. (72) ВОЙТОВИЧ ІГОР ДАНИЛОВИЧ, ЯВОРСЬКИЙ ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ (73) ІНСТИТУТ КІБЕРНЕТИКИ ІМ. В.М. ГЛУШКОВА НАН УКРАЇНИ (56) UA 32512 U; 26.05.2008 RU 2075061 C1; 10.03.1997 UA 46512 A; 15.05.2002 WO 9814771 A1; 09.04.1998 EP 0797091 A1; 24.09.1997 UA 78998 C2; 10.05.2007 DE 3830002 A1; 01.03.1990 Войтович И.Д., Корсунский В.М., Косогор А.Н. и др. Перспективы создания портативных биосенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса // Сенсорная электроника и микросистемные технологии. - 2005. - №3. - С.59-61 C2 1 3 вання прошарком імерсійної рідини, і фотоприймач. Циліндрична обойма знаходиться на базовій плоско паралельній платформі і споряджена елементами кутового регулювання. Вказаний пристрій обрано нами за прототип. Спільною ознакою пристрою-прототипа і запропонованого нами є наявність у них циліндричної обойми із послідовно розміщеними і оптично пов'язаними лазером, поляризатором і діафрагмою, а також наявність оптично пов'язаних між собою призми повного внутрішнього відбивання, змінного рецепторного чіпа, відділеного від призми повного внутрішнього відбивання прошарком імерсійної рідини, і фотоприймача. Причина, яка в пристрої-прототипі заважає досягненню поставленої мети, пов'язана з тим, що пристрій-прототип не є конструктивно жорстким і періодично вимагає регулювання. До того ж незручно використовувати змінні рецепторні чіпи, виконані у вигляді окремих скляних пластин, які не облаштовані належним чином (наприклад, спеціальними оправами чи касетами) для стиковки із сенсором і призначені лише для одиночних проб досліджуваної речовини. В свою чергу, і пристрійпрототип не має відповідного вузла стиковки з рецепторними чіпами. Кожний чіп доводиться вручну встановлювати в сенсорний пристрій, обираючи місце його розташування на робочій поверхні призми повного внутрішнього відбивання, а потім знімати з цієї поверхні, що обмежує швидкодію пристрою. Значний час перебування рецепторного чіпа у вільному контакті з оточуючим середовищем сприяє появі додаткової зашумленості сенсора. Все це ускладнює процедуру проведення аналізів. В основу винаходу покладено завдання шляхом спрощення й удосконалення конструкції створити сенсор з надійно захищеними іззовні вузлами і мінімальною кількістю регулюючих елементів, придатний для виконання групових аналізів у польових умовах, технологічний у побудові та зручний у користуванні. Вирішення поставленого завдання досягається тим, що в сенсорному пристрої, який містить циліндричну обойму із послідовно розміщеними і оптично пов'язаними лазером, поляризатором і діафрагмою, а також містить оптично пов'язані призму повного внутрішнього відбивання, змінний рецепторний чіп, відділений від призми повного внутрішнього відбивання щільовим проміжком з імерсійною рідиною, і фотоприймач, в циліндричній обоймі за діафрагмою додатково розміщені призма повного внутрішнього відбивання, оптично пов'язана з діафрагмою, і фотоприймач, а під робочою поверхнею призми повного внутрішнього відбивання в циліндричній обоймі знаходиться направляючий паз, в якому розміщена касета зі змінним рецепторним чіпом. При цьому ширина щільового проміжку з імерсійною рідиною між змінним рецепторним чіпом і призмою повного внутрішнього відбивання становить ~0,4-0,5мм. Ознаками, які відрізняють запропонований сенсорний пристрій, є те, що в циліндричній обоймі за діафрагмою додатково розміщені призма повного внутрішнього відбивання, оптично пов'язана з діафрагмою, і фотоприймач, а під робочою повер 91404 4 хнею призми повного внутрішнього відбивання в циліндричній обоймі знаходиться направляючий паз, в якому розміщена касета зі змінним рецепторним чіпом. При цьому ширина щільового проміжку з імерсійною рідиною між змінним рецепторним чіпом і призмою повного внутрішнього відбивання становить ~0,4-0,5мм. Уведення цих ознак сприяє досягненню поставленої мети, тому що: - виконана з високою точністю конструктивно жорстка циліндрична обойма, в якій розміщено більшість вузлів сенсора (лазер, поляризатор, діафрагма, призма повного внутрішнього відбивання і фотоприймач), забезпечує їх надійний зовнішній захист, механічну стиковку і оптичний зв'язок при мінімальній кількості регулюючих елементів; - виконаний у циліндричній обоймі направляючий паз для касети зі змінним рецепторним чіпом дозволяє конструктивно і функціонально зістикувати носій біохімічної інформації (рецепторний чіп) з оптоелектронним каналом сенсора; - розташування касети зі змінним рецепторним чіпом під робочою поверхнею призми повного внутрішнього відбивання унеможливлює механічне випадіння рецепторного чіпа з касети при її переміщенні в направляючому пазі, а щільовий проміжок ~0,4-0,5мм, заповнений імерсійною рідиною для оптичного контакту між рецепторним чіпом і призмою, забезпечує ще й зручність встановлення і плавність переміщення касети; - використання зйомних касет дозволяє захистити рецепторні чіпи від негативного зовнішнього впливу на всіх етапах вимірювання і знизити рівень шумів, а також створює умови для підвищення швидкодії сенсора та виконання групових аналізів. На Фіг.1 наведена конструкція сенсорного пристрою. На Фіг.2 показана конструкція призми повного внутрішнього відбивання. На Фіг.3 показана конструкція контейнера зі зйомною касетою для рецепторного чіпа (а - вид прямо, б - збоку). На Фіг.4 показані криві поверхневого плазмонного резонансу при різних концентраціях аналіту в пробі. Запропонований сенсорний пристрій (Фіг.1) містить циліндричну обойму 1, в якій послідовно розміщені та оптично пов'язані між собою лазер 2, поляризатор 3, діафрагма 4, призма повного внутрішнього відбивання 5 і фотоприймач 6. В нижній частині циліндричної обойми 1 під робочою поверхнею призми повного внутрішнього відбивання 5 знаходиться направляючий паз 7, призначений для розміщення зйомної касети 8 зі змінним рецепторним чіпом 9. Рецепторний чіп 9 розміщено в касеті 8 так, що його скляна основа відділена від робочої поверхні призми повного внутрішнього відбивання 5 щільовим проміжком 10, заповненим (для створення оптичного контакту) імерсійною рідиною, а чутлива поверхня знаходиться знизу. Основою сенсора, яка забезпечує його конструктивну жорсткість, механічну та оптичну стиковку окремих функціональних вузлів і їх зовнішній захист, є циліндрична обойма 1. Вона має незнач 5 91404 ну технологічну не лінійність - відхилення її осі на відстані S~10см не перевищує ~0,1мм. Лазер 2, поляризатор 3, діафрагма 4, призма повного внутрішнього відбивання 5 і фотоприймач 6 можуть переміщуватися (для настройки) в циліндричній обоймі 1. Пов'язаний із нелінійністю циліндричної обойми можливий кутовий зсув (відносно умовного "нульового" положення) резонансної характеристики сенсора оцінюється величиною ~0,06°. S В сенсорі може бути використаний, як приклад, одномодовий напівпровідниковий лазер KLM650/3 без оптичного коліматора потужністю W ~ 3мВт з довжиною хвилі ~650нм і спектральною полосою ~0,5нм. Випромінююча площа лазера s~15-20мкм2, а його діаграма випромінювання має конусоподібну структуру з кутом розбіжності ~2040°. Пов'язана з лазером фізична кутова роздільна здатність сенсора при типовому значенні резонансного кута складає о=64,5° s tg 0 ~ 0,094. S Як поляризатор 3 використовується поляроїдна плівка. При нормальному (або близькому до нормального) падінні світла поляроїдні плівки забезпечують високий коефіцієнт поляризації (~99%). Плівки мають відносно широкий спектр пропускання, недорогі і зручні в користуванні. Діафрагма 4 служить для обмеження апертури конусоподібного світлового променя, згенерованого лазером 2, і із променя з кутом розбіжності ~20-40° формує промінь з кутом розбіжності ~56°. Такий промінь необхідний для кутової розгортки світла по рецепторному чіпу 9 і фотоприймачу 6. Конструкція призми повного внутрішнього відбивання 5 (Фіг.2) визначається закономірностями проходження через неї світла при умові збудження поверхневого плазменного резонансу в рецепторному чіпі 9. Відповідно до цього призма повного внутрішнього відбивання 5 повинна мати клиновиn sin 0 1 дність а також arctg , n cos 0 1 l d tg 0 1 ,L tg d tg 0 1 tg (n - показник заломлення, 0 - резонансний кут ППР, l, L, d - розмірні параметри призми). Наприклад, для n=1,61110 і 0=64,5° при товщині призми d=20мм маємо =33,215°, l=11,38мм, L=72,48мм. Призма повного внутрішнього відбивання 5 забезпечує оптимальне проходження світла і мінімальні його втрати на відбивання (паразитні рефлекси). Оцінки показують, що при уведенні в призму р-поляризованого світла під кутом 1 =56,78° до її клиновидної грані (мається на увазі осьовий промінь) паразитне відбивання практично відсутнє. Світловий промінь виходить із призми 5 під кутом 2 =31,28° також практично без втрат. Можливий кутовий зсув резонансної характеристики сенсора, пов'язаний із неточністю виконання та 6 розміщення призми повного внутрішнього відбивання, становить ~0,01°. Змінний рецепторний чіп 9 своєю основою має оптичну скляну пластину з високим показником заломлення (n=1,61110) і високою ступінню плоскопаралельності - прогин пластини на довжині ~510см становить не більше 10мкм . Пов'язаний з цим кутовий зсув резонансної характеристики не перевищує ~0,01°. Зйомна касета 8 є частиною (днищем) контейнера для зберігання змінного рецепторного чіпа 9 (Фіг.3). В склад контейнера входить також кришка 11, з'єднана зі зйомною касетою 8 гвинтами 12. Зйомна касета 8 має виступи 13, призначені для її встановлення і переміщення в направляючому пазі 7 циліндричної обойми 1. Контактуючі поверхні виступів 13 і направляючого паза 7 утворюють ковзаюче пазове з'єднання касети 8 з циліндричною обоймою 1. Можливий зсув резонансної характеристики, виникаючий за рахунок подібного з'єднання, становить ~0,015°. Розміщення касети 8 під робочою поверхнею призми повного внутрішнього відбивання 5 пов'язане з необхідністю упередження механічного випадіння назовні змінного рецепторного чіпа 9 при переміщенні касети 8 у направляючому пазі 7. Таке випадіння мало б місце, якби направляючий паз знаходився, наприклад, над призмою 5. У пропонованій конструкції змінний рецепторний чіп 9 захищений касетою від подібного випадіння, а також від сторонньої засвітки та забруднення. Що стосується заповненого імерсійною рідиною щільового проміжка 10 між поверхнями призми повного внутрішнього відбивання 5 і змінного рецепторного чіпа 9, то зазвичай ширина таких проміжків у ППР-сенсорах не перевищує 0,01мм (Войтович І.Д., Яворський І.О. Процеси в імерсійній рідині ППР-сенсора при зміні біочіпів // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. - 2007. №4. - с.38-46). Однак при використанні подібних вузьких проміжків у пропонованому сенсорі було б дуже важко встановлювати касету 8 у направляючий паз 7 циліндричної обойми 1. При цьому можлива поява надмірного опору при пересуванні касети 8, що пов'язано з явищем "заклинювання" між контактуючими поверхнями призми 5 і скляної основи рецепторного чіпа 9. На оптично чистій поверхні призми повного внутрішнього відбивання 5 можуть також з'явитися подряпини, які створять додатковий шум і погіршать роботу сенсора. Вказані труднощі можна було б подолати за рахунок використання призми повного внутрішнього відбивання з лункою глибиною ~0,5-1мм і площею ~75-90% від площі робочої поверхні призми, виконаною на поверхні призми і заповненою імерсійною рідиною (пат. на корисну модель №32512, Войтович І.Д., Корсунський В.М., Яворський І.О. Сенсорний пристрій. МПК G01N21/55. Заявл. 19.10.2007, опубл. 26.05.2008. - Бюл. №10). Однак подібне вирішення проблеми придатне лише для рецепторного чіпа, який вільно лежить на робочій поверхні призми повного внутрішнього відбивання. Воно не може бути застосоване до рецепторного чіпа, затиснутого між призмою і зйомною касетою, оскільки в цьому випадку контактуючі поверхні 7 призми і чіпа на частині площі (~10-25%) залишаться розділеними вузьким ( 0,01мм) проміжком і можливість їх "заклинювання" зберігатиметься. Для усунення наведених факторів і забезпечення зручності встановлення і плавності переміщення касети зі змінним рецепторним чіпом у пропонованому сенсорі рецепторний чіп не прив'язується жорстко до касети чи до будь-яких інших елементів конструкції. Це досягнуто за рахунок відмови від застосування вузьких ( 0,01мм) щільових проміжків і використання проміжків досить значної (~0,4-0,5мм) ширини, заповнених іме~ рсійною рідиною. При цьому необхідну ширину щільового проміжку 10 можна отримати за умови, що вага рецепторного чіпа Р переважатиме силу поверхневого натягу F , яка діє між рецепторним чіпом 10 і призмою 5 завдяки змочуванню і капіля2 cos ~ S ( - коефіцірності, тобто при P F ~ єнт поверхневого натягу імерсійної рідини, ~ граничний кут змочування, S - площа контакту рецепторного чіпа з призмою). Наприклад, для рецепторного чіпа на скляній основі розміром ~ ~2 10 0,2см3 вагою Р~10Г при S ~2 2cм2 і використанні -монобромнафталіну як імерсійної ріди0 ) умова Р> F виконується ~ для щільового проміжка шириною >0,4мм. Конструкція ковзаючого пазового з'єднання касети 8 з циліндричною обоймою 1 передбачає можливість існування таких проміжків. Вони зберігатимуться і при переміщенні змінного рецепторного чіпа 9, який вільно лежатиме в касеті 8. Якщо ж Р< F , то ни ( 45г с 2, змінний рецепторний чіп завдяки силам молекулярного зчеплення закріпиться ("прилипне") до поверхні призми повного внутрішнього відбивання, і ~ ширина щільового проміжка суттєво зменшиться. При цьому вже згадувані труднощі зі встановленням та переміщенням касети зі змінним рецепторним чіпом залишаться. Фотоприймач 6 являє собою лінійку із дисретних фоточутливих елементів. Це може бути, наприклад, лінійна ПЗЗ-структура. Пов'язана з фотоприймачем фізична кутова роздільна здатність сенсора залежить від лінійних розмірів окремого фоточутливого елемента ( =5-15мкм) і при відстані між лазером і фотоприймачем S~10cм становить ~ 0,01. S Вимірювання в сенсорі базуються на тому, що при поверхневому плазменному резонансі кутовий розподіл інтенсивності світла, відбитого від рецепторного чіпа, несе інформацію про присутність та концентрацію речовини-аналіту в досліджуваній пробі. Кутова розгортка світла по рецепторному чіпу здійснюється за рахунок використання світлового променя з кутовою розбіжністю ~5-6°. Реєстратором кутового розподілу інтенсивності відбитого світла служить лінійний фотоприймач 6. При цьому резонансна крива ППР реєструється усім масивом фоточутливих елементів одночасно. 2 91404 8 На Фіг.4 показані резонансні криві ППР, які можна отримати від рецепторного чіпа (по вертикалі відкладено інтенсивність відбитого світла 1, по горизонталі - кут відбивання ). За відсутності на рецепторному чіпі досліджуваної проби маємо криву 14, мінімум якої знаходиться при куті 0. Якщо досліджується чиста проба (без аналіту), то резонансна крива зміститься (крива 15). Мінімум кривої тепер знаходиться при куті 1 . При дослідженні ж проби з аналітом резонансна крива зміститься ще більше і, наприклад, для n-ої проби крива матиме мінімум при куті n (крива 16). І чим вища концентрація аналіту в пробі, тим більшим буде кутовий зсув кривих . Цей зсув може знаходитись в інтервалі від тисячної до декількох десятих (і більше) градуса, і по ньому визначають концентрацію аналіту в пробі. Фізична кутова роздільна здатність сенсора залежить від розмірів випромінюючої області лазера і ширини спектру випромінювання ( 1 ) та розміру дискретних елементів фотоприймача ( 2 ) і становить ~0,1°. Ця величина знаходиться на рівні кутових зсувів резонансної характеристики, що мають реєструватися в процесі аналізу. Крім того, нелінійність циліндричної обойми, обмеження в точності виконання та розміщення призми повного внутрішнього відбивання, рецепторного чіпа та вузла переміщення касети, а також похибки юстирування призводять до певної (~±0,1°) невизначеності початкової кутової точки відліку (кутового "нуля" сенсора). Тому при визначенні дійсного значення кутових зсувів для зменшення впливу вказаних факторів, а також впливу шумів різного походження (електронних, оптичних і т.п.) в сенсорі застосовують програмноалгоритмічні методи обробки сигналів фотоприймача на встроєному мікропроцесорі. Використання подібних методів дозволяє отримати розрахункову кутову роздільну здатність, що суттєво перевищує фізичну. Наприклад, у пристрої-аналозі Spreeta таке перевищення становить майже два порядки (фізична кутова роздільна здатність - 2,3°, розрахункова - 0,03°). Вимірюючи еталонні проби з відомими концентраціями аналіту, сенсор калібрують, запам'ятовують калібровку в мікропроцесорі і з його допомогою видають вже оброблені результати аналізу. Перед початком вимірювань потрібно відюстирувати сенсор, оптично зістикувавши лазер 2 з поляризатором 3, діафрагмою 4, призмою повного внутрішнього відбивання 5 і фотоприймачем 6. Це досягається шляхом відповідного переміщення вказаних вузлів у циліндричній обоймі 1. Наприклад, змінюючи (поворотом навколо осі циліндричної обойми) кутове положення поляризатора 3, отримують потрібну орієнтацію площини поляризації світлового променя відносно площини його падіння на призму повного внутрішнього відбивання 5. По закінченню юстировки всі вузли сенсора повинні бути жорстко зафіксовані. Сенсорний пристрій функціонує наступним чином. 9 91404 На чутливу поверхню змінного рецепторного чіпа 9, який зберігається в контейнері, наносять проби контрольованої речовини. В такому стані рецепторний чіп витримують певний час (~530хв.), необхідний для адсорбції молекул аналіту. Подібну підготовчу операцію виконують одночасно з певною кількістю (наприклад, десятком) змінних рецепторних чіпів, що дозволяє економити час і кошти на проведенні аналізів. Потім на скляну основу рецепторного чіпа 9, протилежну його чутливій поверхні, наносять імерсійну рідину, і касету 8 з рецепторним чіпом встановлюють у направляючий паз 7 циліндричної обойми 1. При цьому рецепторний чіп 9 розміщується чутливою поверхнею вниз, а щільовий проміжок 10 між контактуючими поверхнями призми повного внутрішнього відбивання 5 і рецепторного чіпа 9 завдяки змочуванню і капілярності заповнюється імерсійною рідиною. Після цього приводять в дію лазер 2. Конусоподібний пучок монохроматичного світла проходить через поляризатор 3, обмежується діафрагмою 4, проходить через клиновидну грань призми повного внутрішнього відбивання 5, щільовий Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 10 проміжок 10 з імерсійною рідиною і потрапляє на чутливу поверхню змінного рецепторного чіпа 9. Відбившись від цієї поверхні, світло через щільовий проміжок 10 та призму 5 потрапляє до фотоприймача 6, де світловий сигнал реєструється і перетворюється в електричний сигнал, по якому визначають концентрацію аналіту в пробі. Надалі досліджена проба пересуванням касети 8 у направляючому пазі 7 на фіксовану величину (~3-5мм) замінюється наступною, і проводиться аналіз нової проби. На таку заміну потрібні секунди. За рецепторного чіпа прийнятних розмірів (наприклад, ~2 10см2) на ньому можна розмістити більше десятка різних проб, так що швидкодія запропонованого сенсора при умові використання набору зйомних касет із наперед підготованими змінними рецепторними чіпами може скласти біля сотні аналізів на годину. Виготовлення сенсора вимагає застосування традиційних приладобудівних технологій і використання оптичних, оптоелектронних та мікроелектронних комплектуючих, що вільно продаються. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601