Волоконно-оптичний пристрій для дослідження мікрооб’ємів фізіологічних розчинів

Реферат: Волоконно-оптичний пристрій для дослідження мікрооб'ємів фізіологічних рідин складається з джерела випромінювання, системи подачі рідини та системи реєстрації оптичного випромінювання. Містить сенсор на основі волоконно-оптичного Y-подібного розгалужувача, спільний канал якого коаксіально розміщений у капілярі діаметром 1 мм, на нижній кромці якого проходить формування краплі досліджуваної рідини. Світло від джерела випромінювання через вхідний канал поширюється у спільний волоконно-оптичний канал сенсора, потім у краплю і після відбивань всередині краплі повертається у спільний канал, по якому поширюється у вихідний канал і попадає на приймальну схему, яка здійснює перетворення оптичного сигналу в аналоговий електричний сигнал. UA 98455 U (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ ПРИСТРІЙ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ МІКРООБ'ЄМІВ ФІЗІОЛОГІЧНИХ РОЗЧИНІВ UA 98455 U UA 98455 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до хіміко-фізичних методів оцінки та дослідження параметрів рідин на основі особливостей волоконної оптики і може бути використана для дослідження мікрооб'ємів фізіологічних рідин у медицині, екології, технологічних процесах та ін. Найбільш близьким прикладом концепції "крапля на волокні" є волоконно-оптичний крапельний аналізатор рідин [1] представлений Макмілланом. Волоконно-оптичний крапельний аналізатор рідин містить джерело випромінювання, систему подачі рідини, випромінююче та приймальне оптичні волокна розміщені діаметрально протилежно на краплеутворюючій головці та систему реєстрації. Принцип дії якого базується на аналізі світла, що пропускається через краплю рідини, за допомогою випромінюючого волокна, яке розміщене в крапельній головці і детектується після різних внутрішніх відбивань та інших процесів всередині краплі за допомогою приймального волокна розміщеного з протилежного боку краплеутворюючої головки. Особливістю даного волоконно-оптичного аналізатора є висока чутливість до зміни таких оптичних параметрів досліджуваних середовищ, як коефіцієнт відбивання і показник заломлення за рахунок багатократних внутрішніх відбивань світла всередині краплі досліджуваної рідини. Основним його недоліком є те, що діаметр краплеутворюючої головки волоконно-оптичного крапельного аналізатора [1] становить 8 мм і відповідно мінімальний об'єм досліджуваної рідини становить 1 мл, отже він виявився непридатним для дослідження мікрооб'ємів фізіологічних рідин, які наявні в обмеженій кількості (міжклітинна рідина, виділення ендокринних залоз і т.д.). Задачею пропонованої корисної моделі є оцінка та дослідження параметрів мікрооб'ємів фізіологічних рідин. Поставлена задача вирішується таким чином, що волоконно-оптичний пристрій для дослідження мікрооб'ємів фізіологічних рідин складається з джерела випромінювання, системи подачі рідини та системи реєстрації оптичного випромінювання, який відрізняється тим, що містить сенсор на основі волоконно-оптичного Y-подібного розгалужувача, спільний канал якого коаксіально розміщений у капілярі діаметром 1 мм на нижній кромці якого проходить формування краплі досліджуваної рідини об'ємом ~4 мкл, світло від джерела випромінювання через вхідний канал поширюється у спільний волоконно-оптичний канал сенсора потім у краплю і після відбивань всередині краплі повертається у спільний канал, по якому поширюється у вихідний канал і попадає на приймальну схему, яка здійснює перетворення оптичного сигналу в аналоговий електричний сигнал. Суть корисної моделі пояснюється кресленням (фіг. 1). На фіг. 1 зображена схема волоконно-оптичного пристрою для дослідження мікрооб'ємів фізіологічних рідин: 1 - джерело випромінювання; 2 - система подачі рідини; 3 - капіляр; 4 - спільний моноволоконний канал сенсора; 5 - крапля досліджуваної рідини; 6 - підсилювач; 7 - аналагово-цифровий перетворювач (АЦП); 8 - комп'ютер. В представленому волоконно-оптичному пристрої використовуються 50 мкм кварцові оптичні волокна, як джерело випромінювання використовується напівпровідниковий світлодіод з максимумом випромінювання у ближній інфрачервоній області (λ=0,85 мкм). Приймачем випромінювання служить кремнієвий фототранзистор чутливий в широкій спектральній області, який добре узгоджується із спектральними характеристиками ламп накалювання, інфрачервоних світлодіодів, напівпровідникових лазерів і волоконних світловодів, що дозволяє також проводити і спектральні дослідження. Така конструкція волоконно-оптичного пристрою є більш мініатюрною в порівнянні з волоконно-оптичним крапельним аналізатором з краплеутворюючою головкою [1], більш простою та надійною, а також потребує значно меншої кількості досліджуваної рідини, так при діаметрі капіляра 1 мм мінімальний об'єм досліджуваної рідини становить 20 мкл, що є особливо актуальним для медицини при дослідженні мікрооб'ємів фізіологічних рідин. Типова залежність зміни амплітуди вихідного сигналу в процесі краплеутворення і відриву краплі, отримана при дослідженні дистильованої води на волоконно-оптичному пристрої, приведена на фіг. 2. На приведеному графіку залежності зміни амплітуди вихідного сигналу спостерігаються два максимуми. Візуальне спостереження за зміною амплітуди вихідного сигналу в режимі реального часу і одночасний запис на відео процесу краплеутворення дозволили пояснити характер залежності. Так на фіг. 2 точка А відповідає початку формування краплі досліджуваної рідини (фіг. 3.а), коли торець моноволокна вкритий тонкою плівкою рідини, а величина відбитого оптичного сигналу визначається суперпозицією оптичних сигналів відбитих від межі розділу торець моноволокна - рідина з коефіцієнтом відбивання R1 та межі розділу рідина - повітря з 1 UA 98455 U коефіцієнтом відбивання R2 - Величина коефіцієнта відбивання R1 залишається сталою в процесі крапання і визначається із співвідношення: 2 5 n n  R1   B P  , n n  P  B де nB - показник заломлення моноволокна, nP - показник заломлення досліджуваної рідини. Таблиця Фізичні параметри водних розчинів NaCl [2, 3] Концентрація 0 10 % 20 % 30 % 10 15 20 25 30 35 40 45 Показник заломлення 1,3330 1,3505 1,3684 1,3795 В'язкість, мПа·с 1,002 1,193 1,557 1,990 Поверхневий натяг, мН/м 72,41 75,65 78,89 82,13 Точка В (фіг. 2) відповідає стадії формування краплі певної геометрії (фіг. 3.б), коли основа краплі виступає в ролі сферичного дзеркала і фокусує незначний світловий потік на торець моноволокна. Точка С відповідає стадії відриву краплі від нижньої кромки капіляра і торця моноволокна (фіг. 3.в). Відрізок CD відповідає утворенню на торці моноволокна залишкового меніска, який має форму півсфери (фіг. 3.г), завдяки чому повертає значну частину світлового потоку назад фокусуючи його на торець моноволокна (точка D на фіг. 2). На відрізку DE відбувається сплющення меніска (фіг. 3.д) за рахунок поверхневого натягу нової краплі і величина оптичного сигналу знову повертається на нижній рівень (точка Е на фіг. 2). Аналізуючи характер залежності зміни амплітуди вихідного сигналу для дистильованої води можна зробити висновок, що на зміну амплітуди впливають такі параметри: показник заломлення, в'язкість і поверхневий натяг досліджуваної рідини. Зміна показника заломлення досліджуваної рідини визначає нижній рівень амплітуди вихідного сигналу (1). В'язкість рідини впливає на час повного циклу (крива АЕ на фіг. 2). А поверхневий натяг рідини визначає форму краплі і особливо впливає на величину крайового кута Θ залишкового меніска (фіг. 4). Так для рівноважного положення залишкового меніска (фіг. 3.г) в околі точки М (фіг. 4) маємо   ТР , cos   ТП РП де ТР - коефіцієнт поверхневого натягу на границі торець моноволокна-рідина, РП коефіцієнт поверхневого натягу на границі рідина-повітря, ТП - коефіцієнт поверхневого натягу на границі торець моноволокна-повітря. Використовуючи дану методику, була проведена апробація представленого волоконнооптичного пристрою для дослідження водних розчинів солі NaCl. Залежності зміни амплітуди вихідного сигналу для водних розчинів NaCl представлені на фіг. 5. З приведених залежностей видно, що із збільшенням концентрації солі зменшується нижній рівень амплітуди вихідного сигналу тобто як видно з таблиці 1 та рівняння (1) зростає показник заломлення рідини; збільшується час повного циклу, тобто зростає в'язкість рідини; а також зростає величина другого максимуму, отже зростає величина поверхневого натягу рідини, що узгоджується з результатами одержаними іншими методами [2, 3]. Таким чином завдяки особливостям конструкції представлений волоконно-оптичний пристрій забезпечує можливість провести оцінку одночасно трьох параметрів мікрооб'ємів фізіологічних рідин: показника заломлення, в'язкості та поверхневого натягу, в ході єдиного експерименту, що є особливо актуальним для медицини, оскільки по зміні в'язкості та поверхневого натягу діагностується значна кількість патологій. Відносно прототипу він має такі переваги: 1) може використовувати багатомодові світловоди, що дозволяє істотно зменшити втрати на механічних з'єднаннях; 2) простота конструкції, тобто не містить механічних частин, які потребують точного налаштування; 2 UA 98455 U 5 10 3) мініатюрність. Корисна модель є реалізацією системи "крапля на волокні" і відноситься до амплітудних датчиків відбивально-пропускального типу, де як модулятор виступає сам об'єкт дослідження, тобто крапля рідини, і може застосовуватись у медицині, екології, технологічних процесах та ін. Джерела інформації: 1. N.D. McMillan, Е. O'Mongain, J.E. Walsh, L. Breen, MJ. Power, J.P. O'Dea, S.M. Kinsella, M.P. Kelly, С Hammil, D. Orr, Preliminary investigations into the analytical potential of a multiwavelength fibre drop analyzer. Opt. Engng 33 (1994) 3871-3890. - прототип. 2. D.R. Lide (ed.), Handbook of Chemistry and Physics, 80th Edn. Boca Raton: CRC Press (1999). 3. O.H. Григоров, А.И. Заславский, Ю.В. Морачевский "Справочник химика" второе издание, том 3, М.: "Химия" 1965. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Волоконно-оптичний пристрій для дослідження мікрооб'ємів фізіологічних рідин, що складається з джерела випромінювання, системи подачі рідини та системи реєстрації оптичного випромінювання, який відрізняється тим, що містить сенсор на основі волоконно-оптичного Yподібного розгалужувача, спільний канал якого коаксіально розміщений у капілярі діаметром 1 мм, на нижній кромці якого проходить формування краплі досліджуваної рідини, світло від джерела випромінювання через вхідний канал поширюється у спільний волоконно-оптичний канал сенсора, потім у краплю і після відбивань всередині краплі повертається у спільний канал, по якому поширюється у вихідний канал і попадає на приймальну схему, яка здійснює перетворення оптичного сигналу в аналоговий електричний сигнал. 3 UA 98455 U 4 UA 98455 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5