Сенсор для аналізу біохімічних середовищ

Реферат: Сенсор для аналізу біохімічних середовищ містить блок живлення, керування та обчислення, призму повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом, пристрій механічного повороту призми, кроковий двигун і систему передачі обертального руху від крокового двигуна до призми, освітлювальну систему рполяризованого монохроматичного світла. Додатково має блок промивання кювети та блок висушування. Режими промивання та висушування задаються єдиним блоком керування приладом безпосередньо після кожного вимірювання проби середовища, що досліджується. UA 91939 U (12) UA 91939 U UA 91939 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до оптоелектронних сенсорних пристроїв для хімічного і біологічного аналізу, заснованого на реєстрації адсорбції або реакції взаємодії молекул у газовому і рідкому середовищах. Розглянуті прилади дозволяють робити швидкий і економічний моніторинг навколишнього середовища, а також експресний аналіз клінічних рідин в медицині, складу продуктів харчової, фармацевтичної промисловості і виробничих відходів. Відомий сенсор на основі явища поверхневого плазмонного резонансу [1]. Прилад містить призму повного внутрішнього відбивання з металевою плівкою, джерело р-поляризованого монохроматичного випромінювання, що опромінює металеву плівку з боку призми і приймач відбитого світла. Принцип роботи сенсора полягає у вимірюванні інтенсивності відбитого від металевої плівки монохроматичного світла при зміні кута падіння (резонансна крива поверхневого плазмонного резонансу (ПГІР)) і дослідженні даної залежності в умовах адсорбції чи взаємодії молекул, що відбуваються на протилежній стороні металевої плівки. У наведеному пристрої вимір кривої відбивання здійснюється з використанням широкого світлового променя, що покриває певний інтервал кутів падіння і знаходиться в одній точці на металевій поверхні, при цьому відбиті сигнали експонуються на лінійку фотодіодів. Процес адсорбції біологічних молекул на сенсорну поверхню аналогічний формуванню шару молекул з певним коефіцієнтом заломлення та товщиною. При цьому форма резонансної кривої та положення мінімуму будуть змінюватися. Таким чином, прилад дозволяє з високою швидкістю детектувати процеси адсорбції і взаємодії молекул, що відбуваються на сенсорній поверхні за рахунок визначення положення мінімуму резонансної кривої з плином часу при скануванні лінійки фотоприймачів. Для збільшення кута сканування і можливості дослідження шарів з коефіцієнтом заломлення в діапазоні більше ніж 1,33-4,38, розроблено прилад [2]. В цьому приладі система передачі обертального руху від крокового двигуна до призми, що використовує черв'ячну передачу в широкому діапазоні кутів падіння не накладає обмежень на характер середовища і досліджуваних молекул. Основним недоліком відомих пристроїв є складність механічних вузлів, що впливає на їхню собівартість і складність процесу вимірювання. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є прилад [3], в якому з метою спрощення конструкції система передачі обертального руху від крокового двигуна до призми виконана у вигляді тросової передачі, та складається з системи з трьох шківів з використанням кевларової нитки як троса, яка використовується для передачі обертального руху від крокового двигуна до вимірювальної призми через систему шківів. Така модернізація конструкції дозволила вирішити і проблему точності вимірювань. Аналіз похибок, які виникають при вимірюванні біохімічних середовищ, наприклад, крові на цьому приладі, показав, що великі похибки виникають через залишки вологи на поверхні кювети після її промивання з використанням ручних операцій. Задачею корисної моделі була розробка сенсора для аналізу біохімічних середовищ, в якому після кожної операції вимірювання процес промивання та висушування проводився автоматизовано. Поставлена задача вирішується тим, що пропонується сенсор для аналізу біохімічних середовищ, який містить блок живлення, керування та обчислення, призму повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом, пристрій механічного повороту призми, кроковий двигун і систему передачі обертального руху від крокового двигуна до призми, освітлювальну систему р-поляризованого монохроматичного світла, розташовану таким чином, щоб випромінювання падало на робочий елемент з боку призми і систему детектування світла, відбитого від робочого елемента, згідно з корисною моделлю, додатково має блок промивання кювети та блок висушування, а режими промивання та висушування задаються єдиним блоком керування приладом безпосередньо після кожного вимірювання проби середовища, що досліджується. Блок-схема приладу наведена на Фіг. 1. Прилад складається з оптичного блока (1), що містить кювету з речовиною, що досліджується, призму повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом і систему детектування світла, відбитого від робочого елемента (фотоприймач), блока кутових переміщень (2) (кроковий двигун), персонального комп'ютера (3), блока висушування (4) (повітряний насос), блока промивання (5), що складається з насоса перистальтичного типу та резервуара з дистильованою водою, та блока живлення, керування та обчислення (6). Система працює наступним чином. Оптичний блок (1) разом з блоком кутових переміщень (2) фіксує кут, при якому відбувається явище поверхневого плазмонного резонансу, коли інтенсивність (вимірюється фотоприймачем) відбитого лазерного випромінювання від робочого 1 UA 91939 U 5 10 15 20 25 чутливого елементу має мінімум, сигнал обробляється в блоці (6), результат вимірювань виводиться на екран персонального комп'ютера (3). Після завершення вимірювання блок керування (6) дає команду блоку промивання (5) і насос вприскує дистильовану воду в кювету та промиває її. При необхідності в цьому блоці може бути насос та резервуар для послідовного промивання спиртом або іншою рідиною. Після цього блок висушування (4) насосом подає повітря або інший газ (наприклад азот), що висушує кювету. Живлення приладу здійснюється блоком живлення, керування та обчислення (6). Приклад реалізації За основу приладу було взято сенсорний прилад для контролю біохімічних речовин типу "Плазмон", який було розроблено в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова ПАН України. До приладу було приєднано додатковий блок промивання та блок висушування (Фіг. 2 з правого краю). На задньому плані у нижньому правому куті видно два шприца з рідиною для послідовного промивання кювети. Порівняльні експерименти проводили при аналізі крові. Ці вимірювання показали, що похибка вимірювання за допомогою запропонованого технічного рішення зменшується в 2 рази. Новизна запропонованого технічного рішення забезпечена новими складовими елементами конструкції (блок промивання та блок висушування, які працюють в автоматичному, наперед заданому режимі), що безпосередньо впливає на досягнення позитивного ефекту - зменшення похибки вимірювання. Таким чином, запропоноване технічне рішення відповідає критеріям новизни та корисності. Джерела інформації: 1. United States Patent: 6,480,282, МПК G01N 021/05. Capillary surface plasmon resonance sensor and multisensors/ Chinowsky T.M., Yee S.S.; November 12, 2002. 2. 46018, МПК G01N 21/55. Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення/ Ширшов Ю.М., Венгер С.Ф., Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас Є.П., Чегель В.І., Самойлов А.В.: Заявл. 22.10.1997; Опубл. 15.05.2002; Бюл. № 5. 3. Самойлов А.В., Ушенін Ю.В., Христосенко Р.В. Сенсор для аналізу біохімічних середовищ, патент України на корисну модель № 57177 від 10.02.2011, Бюл. № 3, 2011 p. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Сенсор для аналізу біохімічних середовищ, який містить блок живлення, керування та обчислення, призму повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом, пристрій механічного повороту призми, кроковий двигун і систему передачі обертального руху від крокового двигуна до призми, освітлювальну систему рполяризованого монохроматичного світла, розташовану таким чином, щоб випромінювання падало на робочий елемент з боку призми і систему детектування світла, відбитого від робочого елемента, який відрізняється тим, що додатково має блок промивання кювети та блок висушування, а режими промивання та висушування задаються єдиним блоком керування приладом безпосередньо після кожного вимірювання проби середовища, що досліджується. 2 UA 91939 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3