Сенсорний пристрій

1. Сенсорний пристрій, що містить оптоелектронний блок, оптично пов'язаний з ретропризмою, а також чутливий плівковий рецептор та захисний непрозорий кожух, який відрізняється тим, що додатково містить платформу, в якій розташовані камера, поворотний вузол з віссю, на якій жорстко закріплено диск із чутливим плівковим рецептором, кювету і кільцеві канавки, причому кювета C2 2 (19) 1 3 оскільки рецепторна плівка швидко руйнується і вимагає заміни. До того ж сама процедура аналізу досить тривала, тому що підготовчі операції в значній мірі виконуються безпосередньо в самому сенсорі. Швидкодія пристрою також обмежується інерційністю електромеханічної системи кутової розгортки і, головне, відсутністю змінних чутливих рецепторних елементів. Відомий також сенсор (пат. України №78998, Боюн В.П., Войтович І.Д. та ін. Сенсорний пристрій. МПК G01 N21/55. Заявл. 27.12.2004, опубл. 10.05.2007. -Бюл.№6), що містить оптичну ретропризму з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим на одній із граней ретропризми під кутом 90° до рецепторної плівки (рецепторна плівка зйомна), а також корпус із двома паралельними каналами, в одному з яких послідовно розміщені оптично пов'язані джерело монохроматичного світла (полосковий напівпровідниковий лазер), поляризатор і фокусуюча лінза, в другому - фотодетектор (фоточутлива ПЗЗматриця), оптично пов'язаний з апертурною діафрагмою, а ретропризма розміщена в непрозорому кожуху, оптично пов'язана з фокусуючою лінзою та апертупною діафрагмою і з'єднана з корпусом пружною перемичкою та регулювальним гвинтом, причому між ретропризмою і корпусом існує регульований клиноподібний проміжок (надалі всі перераховані елементи, за виключенням оптичної ретропризми, чутливої рецепторної плівки та непрозорого кожуха, ми об'єднуємо під назвою "оптоелектронний блок"). Спільною ознакою пристрою-прототипа і запропонованого нами є наявність у них ретропризм, зйомних чутливих плівкових рецепторів, оптоелектронних блоків та захисних непрозорих кожухів. Причина, що в пристрої-прототипі заважає досягненню поставленої мети, пов'язана з необхідністю використання на практиці значного числа (кількох десятків) зйомних плівкових рецепторів. Заміна рецепторів у прототипі виконується вручну і вимагає суттєвих витрат часу. При такій заміні в Імерсійній рідині, що застосовується в сенсорі, утворюються дрібні газові пухирці. Також можлива поява подряпин на оптично чистій робочій поверхні ретропризми за рахунок потрапляння в імерсійну рідину сторонніх абразивних частинок. Це створює додаткові джерела шуму при роботі сенсора. До того ж імерсійна рідина може неконтрольовано розтікатися, забруднюючи сенсорний пристрій. Все це ускладнює процедуру проведення аналізів. В основу винаходу покладено завдання створити сенсор, в якому шляхом удосконалення конструкції можна було б підвищити швидкодію, забезпечити зниження рівня шумів та зробити його зручним і придатним для виконання групових аналізів. Вирішення поставленого завдання досягається тим, що в сенсорному пристрої, який містить оптоелектронний блок, оптично пов'язаний з ретропризмою, а також чутливий плівковий рецептор та захисний непрозорий кожух, додатково міститься платформа, в якій розташовані камера, поворотний вузол з віссю, на якій жорстко закріплено диск із чутливим плівковим рецептором, кювета для 91548 4 імерсійної рідини і кільцеві канавки, причому кювета виконана на поверхні платформи у вигляді замкнутої кільцевої виїмки з шириною, рівною ширині робочої грані ретропризми, по обидві сторони від кювети розташовані кільцеві канавки, а оптоелектронний блок з ретропризмою розміщено в камері так, що робоча грань ретропризми знаходиться в кюветі на глибині 0,1 - 0,2мм, і вся конструкція іззовні захищена непрозорим кожухом. При цьому ширина кільцевих канавок та відстань між кюветою і канавками становлять 3-4мм , а глибина кавок і кювети - 1-2мм. Оптоелектронний блок як складова частина сенсорного пристрою містить корпус із двома паралельними каналами, в одному з яких послідовно розміщені оптично пов'язані джерело світла, поляризатор і фокусуюча лінза, в другому каналі - фотодетектор, оптично пов'язаний з апертурною діафрагмою, а ретропризма оптично пов'язана з фокусуючою лінзою та апертурною діафрагмою і з'єднана з корпусом пружною перемичкою та регулювальним гвинтом, причому між ретропризмою і корпусом існує регульований клиноподібний проміжок. Ознакою, що відрізняє запропонований сенсорний пристрій, є те, що в ньому додатково міститься платформа, в якій розташовані камера, поворотний вузол з віссю, на якій жорстко закріплено диск із чутливим плівковим рецептором, кювета для імерсійної рідини і кільцеві канавки, причому кювета виконана на поверхні платформи у вигляді замкнутої кільцевої виїмки з шириною, рівною ширині робочої грані ретропризми, по обидві сторони від кювети розташовані кільцеві канавки, а оптоелектронний блок з ретропризмою розміщено в камері так, що робоча грань ретропризми знаходиться в кюветі на глибині 0,1 - 0,2мм, і вся конструкція іззовні захищена непрозорим кожухом. При цьому ширина кільцевих канавок та відстань між кюветою і канавками становлять 3-4мм , а глибина канавок і кювети - 1-2мм. Оптоелектронний блок як складова частина сенсорного пристрою містить корпус із двома паралельними каналами, в одному з яких послідовно розміщені оптично пов'язані джерело світла, поляризатор і фокусуюча лінза, в другому каналі - фотодетектор, оптично пов'язаний з апертурною діафрагмою, а ретропризма оптично пов'язана з фокусуючою лінзою та апертурною діафрагмою і з'єднана з корпусом пружною перемичкою та регулювальним гвинтом, причому між ретропризмою і корпусом існує регульований клиноподібний проміжок. Уведення цієї ознаки сприяє досягненню поставленої мети, тому що дозволяє поєднати і оптимально розмістити в спільній конструкції змінний рецептор великої місткості (рецепторний диск), систему транспортування рецептора та її елементи (поворотний вузол, кювету, канавки) і пристрій зчитування біохімічної інформації з рецептора (оптоелектронний блок з ретропризмою). Це досягається введенням платформи, яка є базою для розміщення основних функціональних вузлів сенсора. Використання кювети з імерсійною рідиною, виконаної на поверхні базової платформи у вигляді замкнутої кільцевої виїмки, дозволяє зменшити 5 тертя і підвищити стабільність руху рецепторного диску, оскільки при цьому формується своєрідний планарний підшипник ковзання, на якому "плаває" диск. Якби кювета була не кільцевою, а мала, наприклад, вигляд локальної виїмки, то при обертанні рецепторного диску певна кількість імерсійної рідини виносилась би із такої кювети назовні і зростало б тертя між диском і базовим корпусом. При використанні ж кільцевої кювети подібне явище виключається, оскільки рідина буде переміщуватись по замкнутому колу. Введення бокових кільцевих канавок сприятиме затримці імерсійної рідини, що витискатиметься з кювети в процесі роботи, оскільки тиск сили поверхневого натягу рідини, що викликає розтікання, в широкому проміжку товщиною ℓ=1-2мм, утвореному рецепторним диском і дном канавки, суттєво менший тиску, що діє у вузькій щілині з ℓ = 10 - 20мкм між диском і поверхнею базової платформи. Розміщення ретропризми таким чином, що її робоча грань знаходиться в кюветі на глибині 0,1 0,2мм і захищена від безпоседнього контакту з рухомим диском, зменшить вірогідність появи на ній подряпин та перешкоджатиме проникненню дрібних газових пухирців із імерсійної рідини у проміжок між ретропризмою і диском. Завдяки змочуванню і капілярності відбувається швидке заповнення вказаного проміжку імерсійною рідиною, і в ньому не залишається місця для пухирців. Як наслідок очікується зниження рівня шумів в інформаційному каналі сенсора, оскільки подряпини і газові пухирці є оптичними неоднорідностями на шляху проходження світлових променів. На фіг. 1 показано конструкцію запропонованого сенсорного пристрою. На фіг.2 наведено конструкцію оптоелектронного блоку з ретропризмою. На фіг.3 зображено фрагмент взаємного розташування базової платформи, ретропризми та рецепторного диску (а - вид спереду, б - зверху, в збоку). На фіг.4 наведено характеристичні криві поверхневого плазмонного резонансу. Запропонований сенсорний пристрій (фіг.1) містить базову платформу 1 з камерою 2, в якій розміщено оптоелектронний блок 3 з ретропрзмою 4. Над платформою 1 знаходиться рецепторний диск 5 з чутливим плівковим рецептором 6. Диск 5 жорстко з'єднано з віссю поворотного вузла 7, розміщеного в платформі 1. На поверхні платформи 1 міститься кювета 8 для імерсійної рідини, виконана у вигляді замкнутої кільцевої виїмки глибиною\-2мм і шириною, рівною ширині робочої грані ретропризми. По обидві сторони від кювети 8 на відстані 3-4мм розміщені кільцеві канавки 9 такої ж ширини глибиною 1-2мм. Оптоелектронний блок 3 і ретропризма 4 розташовані так, що верхня робоча грань ретрорпризми 4 знаходиться в кюветі 8 на глибині 0,1 - 0,2мм. Вся конструкція іззовні захищена непрозорим кожухом 10. Оптоелектронний блок 3 (фіг.2) містить корпус 11 із двома паралельними каналами. В одному з каналів послідовно розміщені оптично пов'язані джерело світла 12, поляризатор 13 і фокусуюча 91548 6 лінза 14. В другому каналі знаходяться фотодетектор 15 і оптично пов'язана з ним апертурна діафрагма 16. Ретропризма 4 оптично пов'язана з фокусуючою лінзою 14 та апертурною діафрагмою 16. Пружною перемичкою 17 та регулювальним гвинтом 18 ретропризма з'єднана з корпусом 11, причому між оптоелектронним блоком 3 і ретропризмою 4 існує регульований клиноподібний проміжок 19. Геометричні розміри кювети 8 визначаються місцем розташування оптоелектронного блоку 3 з ретропризмою 4 в камері 2, а також розмірами верхньої робочої грані ретропризми 4 (фіг. 1, фіг.3). Із конструктивних міркувань випливає, що, наприклад, при зовнішньому діаметрі кювети 80 100мм для неї достатньою буде ширина 15-20мм. Глибина розміщення робочої грані ретропризми 4 в кюветі 8 визначається необхідністю мати щільовий капіляр між ретропризмою 4 і рецепторним диском 5, в який не зможутить потрапити газові пухирці, а також вірогідними розмірами сторонніх абразивних частинок в імерсійній рідині, і становить ~0,1 -0,2мм. Радіус рецепторного диску 5 повинен дещо перевищувати радіус зовнішньої кільцевої канавки 9 (щоб диск закривав канавку) і відповідати потужності на осі поворотного вузла 7. Оцінки показують, що необхідна потужність не перевищує долі Вт. Отже, в електроприводі запропонованого пристрою можливе використання малопотужних електродвигунів, що важливо для сенсорів, які призначені для роботи в польових умовах. Розміри кільцевих канавок 9 обираються такими, щоб їх сумарний об'єм складав приблизно 30-50% об'єму кювети 8 і імерсійна рідина, витіснена із кювети, не переповнювала б канавки. Сенсорний пристрій функціонує наступним чином. Перед початком вимірювань на чутливу плівку 6 рецепторного диску 5, коли він ще знаходиться поза сенсором, наносять проби контрольованої речовини (аналіту) і витримують певний час (530хв.). необхідний для адсорбції молекул аналіту. Кювету 8 на платформі 1 заповнюють імерсійною рідиною. Приготований для проведення аналізів рецепторний диск 5 встановлюють на поверхню платформи 1 і жорстко закріплюють на осі поворотного вузла 7. При цьому завдяки змочуванню і капілярності імерсійна рідина розтікається, і між рецепторним диском 5 та поверхнями ретропризми 4 і платформи 1 формується прошарок імерсійної рідини (фіг.3,а). Цей прошарок разом з рідиною в кільцевій кюветі 8 і бокових канавках 9 утворює підшипник, на якому стабільно обертається рецепторний диск 5. Кільцеві канавки 9 також утримують імерсійну рідину від радіального розтікання. При обертанні диску 5 імерсійна рідина завдяки в'язкому тертю частково переміщується в напрямку руху, і в кюветі 8 на границі з ретропризмою 4 скупчуються дрібні газові пухирці, що завжди присутні в рідині (на фіг.3 вони позначені темними кружечками). Однак ці пухирці не потрапляють в щільовий проміжок між поверхнями ретропризми 4 і рецепторного диску 5 (фіг.3,в), оскільки за рахунок капілярності він вже заповнений імерсійною рідиною. Подібні щільові проміжки є затримуючими фільтрами для газових пухирців і 7 забезпечують підвищення якості оптичного контакту між ретропризмою 4 і рецепторним диском 5 та відповідне зменшення рівня шумів у сенсорі. Шуми також зменшуються завдяки усуненню причин для появи подряпин на оптично чистій робочій грані ретропризми 4, оскільки вона на 0,1 - 0,2мм заглиблена в кювету 8 і захищена від безпосереднього контакту з рецепторним диском 5. Далі, обертаючи диск 5, одну із проб аналіту розміщують над поверхнею ретропризми 4. Всю конструкцію іззовні закривають захисним непрозорим кожухом 10 і приводять в дію оптоелектронний блок 3. Пучок монохроматичного рполяризованого світла через ретропризму 4, імерсійну рідину і прозору основу диску 5 потрапляє на чутливу рецепторну плівку 6. Дзеркально відбившись від плівки 6, світловий пучок повертається через ретропризму 4 і реєструється фотодетектором в оптоелектронному блоці 3. Вимірювання в сенсорі базуються на тому, що при поверхневому плазмонному резонансі кутовий характер розподілу інтенсивності відбитого від рецепторної плівки 6 світла несе інформацію про присутність та концентрацію речовини-аналіту. Кутова розгортка світла на рецепторній плівці здійснюється за рахунок використання в сенсорі світлового пучка з кутовою розбіжністю, що формується фокусуючою лінзою 14 (фіг.2). При цьому як фотодетектор 15 використовуються лінійка (матриця) фотодіодів або фоточутлива ПЗЗструктура, і характеристична крива поверхневого плазмонного резонансу реєструється усім масивом фоточутливих елементів одночасно. На фіг.4 крива 20 ілюструє кутовий розподіл інтенсивності відбитого світла при відсутності аналіту, а крива 21 - за наявності аналіту (по горизон 91548 8 талі відкладено кут відбивання Θ, по вертикалі інтенсивність відбитого світла І). Кутовий зсув кривих Θ може знаходитись в інтервалі від тисячної до декількох десятих градуса, і по ньому визначають концентрацію аналіту. Надалі досліджена проба аналіту поворотом рецепторного диску 5 на певний фіксований кут 5-10° замінюється наступною (фіг.3,б), і вимірювання повторюються. Для такої заміни необхідно всього 0,5-1с. При наведених вище геометричних параметрах кювети 8 та диску 5 на ньому можна розмістити і дослідити за один оборот до 50 різних проб аналіту, так що швидкодія запропонованого сенсора за умови використання набору змінних рецепторних дисків може скласти кілька сотень (і навіть більше) аналізів за годину. Після закінчення вимірювань їх результати видаються на дісплей або передаються для подальшої обробки в персональний комп'ютер. Як джерело світла можуть бути використані полосковий лазерний діод або світлодіод. Для безперешкодного проходження світла в сенсорі ретропризма, імерсійна рідина і прозора основа рецепторного диску повинні мати однакові або дуже близькі показники заломлення. Запропонований сенсор можна виконати малогабаритним, легким і з малопотужним джерелом живлення, що дозволить використовувати його в польових умовах. Оскільки в сенсорі застосовуються оптичні, оптоелектронні, мікроелектронні та електричні елементи, які вільно продаються на ринку, а складання і налагоджування пристрою вимагає традиційних приладобудівних технологій, то практична реалізація сенсора цілком можлива. 9 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 91548 Підписне 10 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