Сенсорний пристрій

1. Сенсорний пристрій, що містить оптоелектронний блок, поворотний вузол з віссю, ретропри 3 сенсора містить два паралельних канали, в одному з яких (випромінювальному) послідовно розміщені оптично пов'язані джерело монохроматичного світла (полосковий напівпровідниковий лазер), поляризатор і фокусуюча лінза, в другому (фотоприймальному) - фотодетектор (фоточутлива ПЗЗматриця), оптично пов'язаний з апертурною діафрагмою, а ретропризма оптично пов'язана з фокусуючою лінзою та апертурною діафрагмою і з'єднана з оптоелектронним блоком пружною перемичкою та регулювальним гвинтом, причому між ретропризмою і корпусом існує регульований клиноподібний проміжок. Вказаний пристрій обрано нами за прототип. Спільною ознакою пристрою-прототипа і запропонованого нами є наявність у них оптоелектронного блоку, поворотного вузла з віссю, ретропризми, чутливого плівкового рецептора, платформи з камерою та захисного непрозорого кожуха. Причина, що в пристрої-прототипі заважає досягненню поставленої мети, пов'язана з необхідністю використання імерсійної рідини. Вказана рідина, як відомо, використовується в ППР-сенсорах для створення оптичного контакту між ретропризмою і рецептором. При заміні рецепторів в рідині утворюються газові пухирці, а також можлива поява подряпин на оптично чистій робочій поверхні ретропризми. Це створює додаткові джерела шуму при роботі сенсора. До того ж імерсійна рідина може неконтрольовано розтікатися, забруднюючи сенсорний пристрій. Досить часто вона має неприємний запах і є шкідливою (наприклад, монобромнафталін). Все це ускладнює процедуру проведення аналізів (Войтович І.Д., Яворський І.A. Процеси в імерсійній рідині ППР-сенсора при зміні біочіпів // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. - 2007. - №4. - с.38-46). В основу винаходу покладено завдання створити сенсор, в якому шляхом удосконалення конструкції можна було б виключити застосування імерсійної рідини та зробити його зручним при виконанні групових аналізів. Вирішення поставленого завдання досягається тим, що в сенсорному пристрої, який містить оптоелектронний блок, поворотний вузол з віссю, ретропризму і чутливий плівковий рецептор, розташовані в камері платформи, та захисний непрозорий кожух, в камері додатково між оптоелектронним блоком і ретропризмою послідовно розміщені юстировочна пластина, вузол оптичного зведення світлових променів і захисне скло, оптично пов'язані між собою та з оптоелектронним блоком і ретропризмою, причому юстировочна пластина виконана рухомою і між нею та оптоелектронним блоком існує регульований проміжок, а ретропризма з чутливим плівковим рецептором виконана у вигляді зйомного диску з клиновидною торцевою поверхнею та круглим внутрішнім отвором із дзеркальним покриттям, розміщеного на осі поворотного вузла. При цьому клиновидність торцевої поверхні ретропризми складає 65-68°, а її товщина - 8-10мм. Ознаками, що відрізняють запропонований сенсорний пристрій, є те, що в камері додатково між 90041 4 оптоелектронним блоком і ретропризмою послідовно розміщені юстировочна пластина, вузол оптичного зведення світлових променів і захисне скло, оптично пов'язані між собою та з оптоелектронним блоком і ретропризмою, причому юстировочна пластина виконана рухомою і між нею та оптоелектронним блоком існує регульований проміжок, а ретропризма з чутливим плівковим рецептором виконана у вигляді зйомного диску з клиновидною торцевою поверхнею та круглим внутрішнім отвором із дзеркальним покриттям, розміщеного на осі поворотного вузла. При цьому клиновидність торцевої поверхні ретропризми складає 65-68°, а її товщина 8-10мм. Уведення ціх ознак сприяє досягненню поставленої мети, тому що: - використання юстировочної пластини, відділеної від оптоелектронного блоку регульованим проміжком, дозволяє виконувати оптичну стиковку оптоелектронного блоку з ретропризмою по вертикалі і горизонталі; - оптичне зведення (зближення) світлових променів усуває розмірну невідповідність між оптоелектронним блоком та ретропризмою і необхідне для їх оптичної стиковки; - виконання ретропризми у вигляді зйомного диску з чутливим плівковим рецептором дозволяє уникнути в сенсорі необхідності використання імерсійної рідини, а також забезпечує можливість проведення групових аналізів. На фіг.1 показана конструкція запропонованого сенсорного пристрою. На фіг.2 показана юстировочна пластина. На фіг.3 показана призма із вузла оптичного зведення світлових променів. На фіг.4 зображено фрагмент ретропризми. На фіг.5 наведено коефіцієнт відбивання R рполяризованого світла як функція кута падіння при оптичних переходах "скло-повітря" (крива 13) і "повітря-скло" (крива 14) для n=1,61110. На фіг.6 показані характеристичні криві поверхневого плазмонного резонансу. Запропонований сенсорний пристрій (фіг. 1) містить платформу 1 з камерою 2, в якій послідовно розміщені оптично пов'язані оптоелектронний блок 3, плоскопаралельна юстировочна пластина 4, вузол 5 оптичного зведення світлових променів і захисне скло 6. В камері 2 розташований також поворотний вузол 7. На осі 8 поворотного вузла 7 розміщена ретропризма 9, виконана у вигляді зйомного диску. На поверхні ретропризми 9 знаходиться чутливий плівковий рецептор 10. Ретропризма 9 має клиновидну (~65-68°) торцеву поверхню та круглий внутрішній отвір із дзеркальним покриттям 11. Товщина ретропризми складає 810мм. Оптоелектронний блок 3 через юстировочну пластину 4, вузол 5 оптичного зведення світлових променів та захисне скло 6 оптично пов'язаний з ретропризмою 9, і прямий (зондуючий) світловий промінь від оптоелектронного блоку 3 потрапляє на клиновидну грань ретропризми 9. Вся конструкція іззовні захищена зйомним непрозорим кожухом 12. Плоскопаралельна юстировочна пластина 4 виконана рухомою і між нею та оптоелектронним 5 блоком 3 існує регульований проміжок. Поперечні розміри юстировочної пластини 4 відповідають поперечним розмірам оптоелектронного блоку 3. Товщина пластини d пов'язана з лінійним зміщенням зондуючого світлового променя та відповідним кутом повороту пластини співвідношенням n , де n - показник (для невеликих кутів) d (n 1) заломлення пластини (фіг.2). Звідси випливає, що, наприклад, зміщення =2мм за прийнятного кута повороту =10 може бути отримане при використанні пластини товщиною d=30,2мм з n=1,61110. Вузол 5 оптичного зведення світлових променів (прямого та реверсивного) складається із двох симетричних гілок, сформованих із однакових за конструкцією і принципом дії оптичних призм. Кожна з таких призм (фіг.3) є своєрідною ретропризмою, оскільки напрямок розповсюдження в ній світла змінюється сумарно на 180°. Завдяки цьому світлові промені зберігають взаємну паралельність і стабільне положення поза межами призм незалежно від неконтрольованого кутового відхилення їхніх граней, що важливо для стійкої роботи сенсора. Захисне скло 6 відділяє оптичну частину сенсора (оптоелектронний блок з юстировочною пластиною і вузлом оптичного зведення світлових променів) від робочої зони (поворотного вузла з ретропризмою) і захищає оптичну частину від забруднення. Конструкція ретропризми 9 (фіг.4) визначається закономірностями проходження через неї світла при умові збудження поверхневого плазмонного резонансу в чутливому плівковому рецепторі 10. Відповідно до цього ретропризма 9 повинна мати торцеву поверхню з клиновидністю n sin 0 1 D 2arctg , а також  , L=Dtg 0 n cos 0 2tg0,5 (n - показник заломлення, 0 - резонансний кут ППР,  ,L,D-розмірні параметри ретропризми). Оцінки показують, що, наприклад, для типових значень n=1,61110 і при товщині ре0 =64,5° тропризми D=8ММ маємо =66,44° ,  =6,1мм, L=16,77мм. Якщо прийняти, що зовнішній діаметр ретропризми не перевищує 80мм, то діаметр круглого внутрішнього отвору із дзеркальним покриттям 11 становитиме 34,24мм. Конструкція ретропризми 9 забезпечує оптимальне проходження світла і мінімальні його втрати на відбивання (на паразитні рефлекси). Паразитні рефлекси, як відомо, створюють шум і негативно впливають на роботу сенсора. Наведені на фіг.5 розрахункові залежності показують, що при уведенні в ретропризму р-поляризованого світла під кутом 1=56,78° паразитне відбивання практично відсутнє (крива 14). Рухаючись в межах ретропризми, світло зазнає повного внутрішнього відбивання від її верхньої і нижньої поверхонь при кутах 0 = 3 =64,5 0 (крива 13) та відбивається від дзеркального покриття 11. За відсутності такого покриття при куті падіння 2 =25,5° світло полишило б ретропризму (крива 13). Реверсивний світло 90041 6 вий промінь виходить з ретропризми під кутом 4 =31,28° до клиновидної поверхні практично без втрат (крива 13). Сенсорний пристрій функціонує наступним чином. Перед початком вимірювань на ретропризму 9 з чутливим плівковим рецептором 10 наносять проби контрольованої речовини і витримують певний час (5-30хв.), необхідний для адсорбції молекул аналіту. При цьому одна (або декілька) проб можуть бути еталонними, щоб мати можливість контролювати вимірювальний процес. Приготовану для проведення аналізів ретропризму 9 розміщують на осі 8 поворотного вузла 7. Всю конструкцію іззовні закривають захисним непрозорим кожухом 12 і приводять в дію оптоелектронний блок 3. Пучок монохроматичного рполяризованого світла проходить через юстировочну пластину 4, вузол 5 оптичного зведення світлових променів, захисне скло 6, клиновидну торцеву поверхню ретропризми 9 і потрапляє на чутливий плівковий рецептор 10. Відбившись від плівкового рецептора 10 та внутрішнього дзеркального покриття 11, світло повертається назад до оптоелектронного блоку 3, де світловий сигнал реєструється і перетворюється в електричний сигнал, придатний для подальшої обробки на встроєному процесорі. Надалі досліджена проба поворотом ретропризми 9 на певний фіксований кут ~10-15° замінюється наступною (фіг.4), і вимірювання повторюються. На таку заміну потрібні секунди. При наведених вище геометричних параметрах ретропризми на ній можна розмістити і дослідити за один оборот до 30 різних проб, так що швидкодія запропонованого сенсора за умови використання набору змінних дисків може скласти кілька сотень аналізів на годину. Для ефективної роботи сенсора потрібно попередньо до початку вимірювань оптично зістикувати оптоелектронний блок 3 з ретропризмою 9. З цією метою використовується кутова корекція юстировочної пластини 4. Змінюючи (наприклад, за рахунок зміни кута ) кутове просторове положення пластини 4, отримують відповідне лінійне зміщення прямого і реверсивного світлових променів (фіг.2). Оскільки може змінюватися в горизонтальній і вертикальній площинах, то таким шляхом добиваються співпадіння напрямків розповсюдження вказаних променів з радіусом ретропризми і обирають область опромінення на рецепторній плівці. При цьому зміщення прямого променя компенсується відповідним зміщенням реверсивного, і порушень в роботі сенсора не виникає. Вимірювання в сенсорі базуються на тому, що при поверхневому плазмонному резонансі кутовий розподіл інтенсивності світла, відбитого від чутливого плівкового рецептора, несе інформацію про присутність та концентрацію в пробі речовинианаліту. Кутова розгортка світла по чутливому плівковому рецептору здійснюється за рахунок використання світлового пучка з кутом сходження (кутовою розбіжністю) =3-5°. Такий пучок фокусується на плівковому рецепторі 10 (фіг.1). При цьому як реєстратор кутового розподілу інте 7 нсивності світла в оптоелектронному блоці 3 використовується матриця фотодіодів або фоточутлива ПЗЗ-структура, і характеристична крива поверхневого плазмонного резонансу реєструється усім масивом фоточутливих елементів одночасно. На фіг.6 крива 15 ілюструє кутовий розподіл інтенсивності відбитого світла при відсутності в пробі аналіту, а крива 16 - за наявності аналіту (по горизонталі відкладено кут відбивання , по вертикалі інтенсивність відбитого світла І). Кутовий зсув кривих може знаходитись в інтервалі від тисячної до декількох десятих градуса, і по ньому визнача 90041 8 ють концентрацію аналіту. Для визначення застосовують кореляційний метод обробки сигналів фотодетектора на встроєному мікропроцесорі. Після закінчення вимірювань їх результати видаються на дисплей і можуть бути передані для подальшої обробки в персональний комп'ютер. Виготовлення сенсора потребує використання оптичних, оптоелектронних і мікроелектронних комплектуючих, що вільно продаються на ринку, та застосування традиційних приладобудівних технологій. 9 90041 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 90041 Підписне 12 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