Сенсорний прилад для аналізу біохімічних середовищ

Реферат: Винахід належить до галузі оптоелектронних твердотільних сенсорних приладів на основі поверхневого плазмонного резонансу для хімічного і біологічного аналізу. Сенсорний прилад для аналізу біохімічних середовищ містить джерело р-поляризованого монохроматичного видимого світла, призму повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом і систему вимірювання інтенсивності відбитого від робочого елемента світла, а також пристрій механічного повороту призми. Згідно з винаходом, прилад містить засіб розділення світла від джерела світла на два потоки та окремі для них фотоприймачі, також містить установлену на робочому елементі кювету, в якій сформовані два канали, в кожному з яких встановлено сенсор температури. На кюветі розміщено електричний UA 115610 C2 (12) UA 115610 C2 резистивний нагрівач. Сенсори температури та система вимірювання інтенсивності відбитого від робочого елемента світла з'єднані з засобом обробки результатів вимірювання і визначення параметрів поверхневого плазмонного резонансу. Врахування температурного впливу на вимірювання параметру поверхневого плазмонного резонансу дозволяє суттєво зменшити похибку результатів вимірювання при дрейфі температури та між окремими каналами. UA 115610 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонований винахід належить до галузі оптоелектронних твердотільних сенсорних приладів на основі поверхневого плазмонного резонансу (ППР) для хімічного і біологічного аналізу, заснованого на реєстрації адсорбції або реакції взаємодії молекул у газовому і рідкому середовищах. Ці прилади дозволяють робити швидкий і економічний моніторинг навколишнього середовища, а також експресний аналіз рідин при медичних та клінічних дослідженнях, складу продуктів. Запропонований винахід може бути використаний в харчовій, хімічній, фармацевтичній промисловості, сільському господарстві, медицині та екології. Відомий прилад на основі явища ППР [1] містить оптичний вузол, який складається з призми повного внутрішнього відбиття з металевою плівкою, джерела р-поляризованого монохроматичного випромінювання, що опромінює металеву плівку з боку призми і систему вимірювання інтенсивності відбитого від металевої плівки світла. Принцип роботи приладу полягає у вимірюванні інтенсивності відбитого від металевої плівки монохроматичного світла при зміні кута падіння. При певному куті падіння за рахунок поглинання плазмоном металевої плівки енергії падаючої хвилі інтенсивність відбитого світла суттєво зменшується, що безпосередньо можна спостерігати як резонанс на кривій ПНР в діапазоні кутів повного внутрішнього відбиття матеріалу призми. Визначення даної залежності в умовах адсорбції чи взаємодії молекул, що відбуваються на протилежній стороні металевої плівки, дозволяє вивчати взаємодію між біохімічними об'єктами, що досліджуються. У цьому приладі вимір кривої ППР здійснюється з використанням широкого світлового променя, що покриває певний інтервал кутів падіння і фокусується в одній точці на металевій поверхні. Відбите випромінювання експонується на лінійку фотодіодів і створює певний електричний сигнал, що в подальшому аналізується. Процес адсорбції біологічних молекул на сенсорну поверхню аналогічний формуванню шару молекул з певним коефіцієнтом заломлення та товщиною. Форма резонансної кривої та положення мінімуму змінюється в процесі адсорбції. Таким чином, прилад дозволяє протягом кількох хвилин 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, що дозволяє зробити висновок про процеси біохімічної взаємодії досліджуваних реагентів. Недоліком відомої сенсорної системи є малий кут сканування (5 кут. град.), який дозволяє досліджувати шари з коефіцієнтом заломлення в діапазоні 1,33-1,38, що обмежує перелік досліджуваних середовищ, та недостатня довговічність металевого чутливого шару на призмі. Також відомий прилад для детектування і визначення концентрації біомолекул [2]. Прилад містить оптичний вузол, який складається з джерела р-поляризованого монохроматичного світла, призми повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом товщиною 45-60 пм, що містить у собі плівку золота, і системи вимірювання інтенсивності відбитого від робочого елемента світла, а також пристрій механічного повороту призми з кроковим двигуном і системою передачі обертального руху від крокового двигуна до призми. Детектування і визначення концентрації біомолекул і молекулярних комплексів полягає в опроміненні металевої плівки з боку призми в широкому діапазоні кутів падіння, що досягається механічним поворотом призми, реєстрації інтенсивності відбитого світла для всього набору кутів падіння і математичній обробці даних вимірів по спеціально розробленому алгоритму. Тобто отримання кривої ППР - залежності інтенсивності відбитого світла від кута падіння світла. Аналізуючи форму кривої ППР та кутове положення мінімуму можна аналізувати характер біомолекулярних взаємодій для широкого кола речовин. Механічне сканування кута падіння випромінювання в діапазоні 17 кутових градусів дозволяє працювати з середовищами з показниками заломлення 1,0-1,5, а також отримувати повну криву ППР для подальшої математичної обробки на відміну від вищезгаданого сенсору без механічної розгортки по куту падіння випромінювання. Недоліком приладу є низька стабільність і мала довговічність робочого елемента, яка пов'язана з необхідністю промивки та протирання шару золота при дослідженні різних речовин (від зразка до зразка досліджуваної речовини). Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є прилад для аналізу біохімічних, рідких та газоподібних середовищ [3]. Цей прилад містить оптичний вузол, який складається з джерела р-поляризованого монохроматичного видимого світла, призми повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом і системи вимірювання інтенсивності відбитого від робочого елемента світла, а також пристрій механічного повороту призми з кроковим двигуном та системою передачі обертального руху від крокового двигуна до призми, робочий елемент має верхній шар золота товщиною 10-40 нм, нанесеного під кутом 40-70° до нормалі робочої поверхні призми повного внутрішнього відбиття. Цей прилад, у якому робочий елемент має верхній шар золота товщиною 10-40 нм, нанесеного 1 UA 115610 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 у вакуумі під кутом 40-70° до нормалі робочої поверхні призми повного внутрішнього відбиття, за рахунок розвиненої поверхні забезпечує підвищення точності і повторюваності вимірювань. При такому нанесенні золота його кристалічна структура відповідає умовам відбиття при роботі приладу, а саме коли лазерний промінь падає під таким кутом до чутливого елемента. При цьому мінімум кривої ППР практично не змінює свого положення під час вимірювання та при повторних вимірюваннях за великий проміжок часу. Це означає, що при наявності такого шару не буде змінюватись кутове положення за тривалий час вимірювання, що і призводить до збільшення точності вимірювань. Обраний діапазон товщини шару золота обумовлений забезпеченням оптимальної форми кривої ППР при заданому куті нанесення золота, який визначає рівень розвиненості поверхні, що обумовлює рівень збільшення відгуку, у порівнянні з відгуком прототипу, при однакових умовах вимірювання. При товщині золота менше 10 нм позитивний ефект при вимірюванні не проявляється, а при товщині більшій 40 нм суттєво збільшується поглинання, що негативно впливає на чутливість вимірювання. Недоліком прототипу є те, що результати вимірювання кутового положення мінімумів кривих ППР на окремих ділянках поверхні робочого елементу цього приладу подібні, але мають деякий кутовий зсув (відмінність) одна відносно одної. Задачею цього винаходу є врахування температурного фактору для запобігання відмінності результатів вимірювання незалежно від розташування ділянок поверхні робочого елементу на яких виконується вимірювання. При цьому відмінність результатів вимірювання пов'язана з впливом температурного фактору, тобто температура на різних ділянках поверхні робочого елементу має близьке значення, але не є однаковою. Це пов'язано з інерційністю процесів теплопереносу між ділянками поверхні робочого елемента. Поставлена задача вирішується тим, що пропонується сенсорний прилад для аналізу біохімічних середовищ, який містить оптичний вузол, який складається з джерела рполяризованого монохроматичного видимого світла, призми повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом і системи вимірювання інтенсивності відбитого від робочого елемента світла, а також пристрій механічного повороту призми з кроковим двигуном та системою передачі обертального руху від крокового двигуна до призми, робочий елемент має верхній шар золота товщиною 10-40 нм, нанесеного під кутом 4070° до нормалі робочої поверхні призми повного внутрішнього відбиття, який відрізняється тим, що прилад містить засіб розділення світла від джерела світла на два потоки та окремі для них фотоприймачі, також містить установлену на робочому елементі кювету, в якій сформовані два канали, в кожному з яких встановлено сенсор температури, та на якій розміщено електричний резистивний нагрівач, причому, сенсори температури та система вимірювання інтенсивності відбитого від робочого елемента світла з'єднані з засобом обробки результатів вимірювання і визначення параметрів поверхневого плазмонного резонансу. Для зменшення впливу температури на результат вимірювання ППР-приладом необхідно застосувати математичну обробку результату вимірювання з метою компенсації температурного дрейфу робочої точки (мінімуму кривої ППР). Компенсація впливу температури виконувалась шляхом множення виміряного значення кута мінімуму кривої ПНР па корегуючий коефіцієнт Kt визначений за формулою (1): Kti=[1+TKn(Tі-T0)], (1) де, Ktі - корегуючий коефіцієнт для і-того вимірювання мінімуму кривої ППР; ТKn - температурний коефіцієнт показника заломлення досліджуваної речовини; Ті - температура досліджуваної речовини для і-того вимірювання, K; Т0 - температура досліджуваної речовини на початку вимірювання. На кресленні - наведено схему оптичного блока ППР приладу, який складається з джерела р-поляризованого монохроматичного видимого світла (лазерного діода) 1, засобу розділення світла від джерела світла на два потоки (поділяючу призму), двох фотоприймачів цих світлових потоків (7, 8), робочого елемента 11 та призми повного внутрішнього відбиття 15. Лазерний діод має довжину хвилі 650 нм. Світло від лазерного діода проходить через засіб розділення світла від джерела світла на два потоки 5, призму повного внутрішнього відбиття 15, відбивається від поверхні робочого елемента 11, дзеркала на задній грані призми повного внутрішнього відбиття, додаткового дзеркала 9 та потрапляє на фотоприймачі 7 та 8. Плівка золота робочого елемента нанесена на скляну пластинку, з'єднану з призмою повного внутрішнього відбиття через імерсійну рідину. Побудова кривої ППР виконується обертанням призми повного внутрішнього відбиття та одночасним вимірюванням інтенсивності відбитого від робочого елемента світла. Канали сформовані вимірювальною кюветою 14 з поліметилметакрилату з сенсорами температури 12 та електричним резистивним нагрівачем 13. Вимірювальна кювета встановлюється на поверхню робочого елементу через силіконову прокладку. Контроль та 2 UA 115610 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 стабілізація інтенсивності випромінювання лазера забезпечуються фотоприймачем 6 та електронікою приладу, відповідно. Калібрування абсолютного кута виконується фотоприймачем 4 з діафрагмою 2 (шириною щілини 100 мкм) через вимірювання інтенсивності відбитого світла від передньої грані призми повного внутрішнього відбиття. Вимірювання інтенсивності лазера та калібрування кута забезпечують поділяюча пластинка 3 та діафрагма 10. При вимірюванні мінімуму кривої ППР досліджуваної речовини одночасно вимірюють температуру в кожному каналі вимірювальної кювети та розраховують нове значення мінімуму кривої ППР, використовуючи корегуючий коефіцієнт (1). Такий прийом дозволяє провести температурну компенсацію окремо для кожного вимірювального каналу. Сукупність відомих і запропонованих ознак приладу, що заявляється, раніше не була відома і тому запропонований винахід відповідає критерію новизни. Корисність запропонованого винаходу полягає в тому, що врахування температурного впливу на вимірювання параметра ППР (зсув мінімуму кривої ППР) дозволяє суттєво зменшити похибку результатів вимірювання при зміні температури досліджуваної речовини та температури між окремими каналами. Приклад реалізації Для реалізації технічного рішення було використано прилад "Плазмон" та проведено його доробку згідно зі схемою, наведеною на кресленні. Для визначення впливу температури були встановлені контактні сенсори температури на основі платинових термодатчиків безпосередньо на кожному каналі вимірювальної кювети. Платинові термодатчики типу M222Pt100 (Heraeus Sensor Technology, Німеччина) габаритами 221,2 мм з лінійною температурною характеристикою від -203 K до 773 K та початковим опором 1 кОм при температурі 293 K (DIN HN6075 згідно з ІЕС 751). Термодатчики фіксували у корпусі вимірювальної кювети компаундом таким чином, щоб забезпечити тепловий контакт з досліджуваною речовиною - водою дистильованою демінералізованою за ТУ У 24.1-31826636-004:2009 (ТДВ "Тхорівське", Україна). Показник заломлення дистильованої води та його температурний коефіцієнт були достатньо детально вивчені в роботі [4]. Дистильовану воду прокачували через вимірювальну кювету та вимірювали температуру води в кожному її каналі. Спочатку виконували вимірювання при кімнатній температурі (297 K), а потім резистивним пагрівачем, виконаним з ніхрому, вбудованим у кювету, виконували примусове нагрівання на 12,6 K від 297 K до 309,6 K. Для зменшення впливу змін температури навколишнього середовища на результат вимірювання ППР-прилад "Плазмон" було розташовано в термостаті де підтримували температуру 297±1 K. Потім застосовували математичну обробку результату вимірювання для компенсації температурного дрейфу мінімуму кривої ППР. Компенсація впливу температури виконувалась шляхом множення виміряного значення кута мінімуму кривої ППР на корегуючий коефіцієнт Kt визначений за формулою (1). Таким чином за результатами вимірювання було отримано два масиви даних: без термокомпенсації та з нею. Результати експерименту показали, що компенсація нагріву дистильованої води при вимірювання кінетики мінімуму кривої ППР зменшує втричі (для дистильованої води) її відхилення від початкового кутового положення при температурі 297±1 K, ніж у випадку відсутності термокомпенсації. Для води тепловий дрейф робочої точки становив 40,64 кут.сек./K, а часовий дрейф при цьому складав - 22,82 кут.сек./хв. Звідси було визначено швидкість зміни температури аналіту, а саме - 0,56 K/хв. Оскільки для приладу "Плазмон" послідовні вимірювання виконуються дискретно з періодом 4 секунди, то абсолютна похибка вимірювання була визначена як різниця між двома послідовними вимірюваннями за умов зміни температури дистильованої води. Абсолютна похибка вимірювання кутового зсуву мінімуму кривої ППР становила величину NT=1,52 кут.сек., значення котрої менше за розподільчу здатність приладу "Плазмон" (10 кут.сек.) [5]. Таким чином, термокомпенсація зменшує похибку вимірювання кутового зсуву мінімуму кривої ППР щонайменше у 6 разів при значних змінах температури досліджуваної речовини (12,6 K). Тому застосування термокомпенсації дозволяє суттєво підвищити точність вимірювання приладу "Плазмон". Джерела інформації: 1. United States Patent: 6,480,282, МПК G01N021/05. Capillary surface plasmon resonance sensor and multisensors/ Chinowsky T.M., Yee S.S.; November 12, 2002. 2. Ширшов Ю.М., Венгер Є.Ф., Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас С.П., Чегель В.І., Самойлов А.В., Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення; Патент України номер 46018, опубл. 15.05.2002; 50 бюл. № 5. 3 UA 115610 C2 5 3. Дорожинський Г.В., Маслов В.П. Прилад для аналізу рідких та газоподібних середовищ, патент України на винахід № 108149 від 25.03.2015, бюл. № 6. 4. Kedenburg, S. Linear refractive index and absorption measurements of nonlinear liquids in the visible and near-infrared spectral region/ S. Kedenburg, M. Vieweg, T. Gissibl, H. Giessen//Opt. Mat. Express. - 2012. - Vol. 2. - P. 1588-1611. 5. plasmon.org.ua ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 Сенсорний прилад для аналізу біохімічних середовищ, який містить оптичний вузол, який складається з джерела р-поляризованого монохроматичного видимого світла, призми повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом і системи вимірювання інтенсивності відбитого від робочого елемента світла, а також пристрій механічного повороту призми з кроковим двигуном та системою передачі обертального руху від крокового двигуна до призми, робочий елемент має верхній шар золота товщиною 1040 нм, нанесеного під кутом 40-70° до нормалі робочої поверхні призми повного внутрішнього відбиття, який відрізняється тим, що прилад містить засіб розділення світла від джерела світла на два потоки та окремі для них фотоприймачі, також містить установлену на робочому елементі кювету, в якій сформовані два канали з можливістю збудження в них поверхневих плазмонів від двох потоків світла, в кожному з яких встановлено сенсор температури, та на якій розміщено електричний резистивний нагрівач, причому, сенсори температури та система вимірювання інтенсивності відбитого від робочого елемента світла з'єднані з засобом обробки результатів вимірювання і визначення параметрів поверхневого плазмонного резонансу. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4