Спосіб вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин та пристрій для його реалізації

Реферат: Винахід належить до галузі медичної техніки, яка розробляється для біології та медицини. Спосіб вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин полягає у встановленні на чаші електронних ваг за допомогою підставки магнітної системи, визначення ваги магнітної системи та підставки без зразка із магнітною рідиною, розміщенні в активній зоні зразка з магнітною рідиною та визначенні сумарної ваги магнітної системи та підставки при наявності зразка. За різницею двох вагових вимірювань знаходять по тарувальних кривих значення магнітної UA 102749 C2 (12) UA 102749 C2 сприйнятливості магнітної рідини з можливістю визначення характеру змінення цього значення у часі. Пристрій для реалізації способу містить чаші ваг, які є електронними, на яких розміщено підставку із легкого немагнітного матеріалу, на кінці якої закріплено магнітну систему. В активній зоні магнітної системи розміщено зразок із магнітною рідиною, положення якого відносно цієї системи фіксовано за допомогою упора. Упор виконаного із тонколистового немагнітного матеріалу, механічно зв'язаного з основою ваг і розміщеного без механічного контакту з магнітною системою та підставкою. Технічним результатом винаходу є підвищення точності вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин та розширення функціональних можливостей методу за рахунок його поширення на біологічні системи. UA 102749 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Область застосування винаходу - медична техніка, яка розробляється для біології та медицини. Це обладнання може бути застосовано в дослідженнях по створенню та використанню магнітної рідини, що містить магнітні наночастинки, а також - у біомедичних дослідженнях при розробці технології магнітокерованої адресної доставки ліків у задану область організму людини або тварини та при створенні технології магнітної гіпертермії пухлин в онкології. Серед відомих способів визначення магнітної сприйнятливості магнітної рідини зі слабкими магнітними властивостями, в яких вимірюється величина магнітної сили, що діє на зразок із магнітною рідиною у неоднорідному магнітному полі, є спосіб Гуі та Фарадея. В основу методу Гуі [Чечерников В. И. Магнитные измерения. М. изд. МГУ, 1969, с. 138] покладено вимірювання за допомогою аналітичних ваг сили, що діє на довгий циліндричний зразок, частина якого знаходиться між полюсами електромагніта. Недоліком цього методу є невисока точність вимірювання та неможливість використання методу для аналізу магнітних властивостей біологічних систем, які мають складну нециліндричну форму. Найбільш близьким технічним рішенням за сукупністю ознак є спосіб Фарадея [Буравихин В.А., Шелковников В.Н., Караванова В.П "Практикум по магнетизму", М.: Высшая школа, 1979. – С. 41], який прийнято як прототип. Цей спосіб включає 1) розташування зразка із магнітною рідиною в неоднорідному магнітному полі електромагніта, 2) визначення ваги зразка за допомогою аналітичних ваг при відсутності магнітного поля та при його наявності, 3) по різниці значень цих зважувань знаходження по тарувальних кривих значення магнітної сприйнятливості магнітної рідини. Недоліком цього способу є невелика точність вимірювання внаслідок унеможливлення точної фіксації зразка відносно електромагніта, тому що цей зразок закріплено на коромислі ваг із можливістю руху, а також технологічні складності при вимірюванні магнітної сприйнятливості біологічної системи, яка має складну несиметричну форму та, як правило, великий об'єм. В основу винаходу, що заявляється, поставлено задачу створення такого способу вимірювання магнітної сприйнятливості магнітної рідини, в якому за рахунок проведення нових операцій у певній послідовності досягається новий технічний результат - підвищення точності вимірювання магнітної сприйнятливості магнітної рідини та розширення функціональних можливостей способу шляхом поширення на біологічні системи, які містять магнітну рідину. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання магнітної сприйнятливості магнітної рідини, що включає: розташування зразка з магнітною рідиною в неоднорідному магнітному полі електромагніта, визначення різниці ваги зразка без поля та при наявності поля та знаходження за цією різницею по тарувальних кривих значення магнітної сприйнятливості магнітної рідини, згідно з винаходом на чаші електронних ваг встановлюють за допомогою підставки магнітну систему на відстані, що перевищує характерний розмір загасання її магнітного поля розсіяння, визначають сумарну вагу магнітної системи та підставки без зразка з магнітною рідиною в активній зоні магнітної системи, без механічного контакту з магнітною системою в її активній зоні розміщують зразок із магнітною рідиною та визначають сумарну вагу магнітної системи та підставки при наявності зразка, за різницею двох вагових вимірів магнітної системи з підставкою знаходять по тарувальних кривих значення магнітної сприйнятливості магнітної рідини з можливістю визначення характеру змінення цього значення у часі. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що за різницею двох вагових вимірів визначають характер змінення у часі магнітної сприйнятливості магнітної рідини, за яким розраховують рухомість магнітних наночастинок у магнітній рідині у неоднорідному магнітному полі. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що як неоднорідне магнітне поле в зоні розміщення зразка використовують магнітне поле, яке є постійним або змінюється у часі за гармонійним законом, або є пульсуючим. Третя додаткова відмінність полягає в тому, що як зразок із магнітною рідиною використовують біологічну систему, наприклад, мишу, в тіло якої за допомогою ін'єкції вводять магнітну рідину і за різницею двох вагових вимірювань магнітної системи з підставкою визначають величину магнітної сприйнятливості, яка безперервно змінюється у часі, а також рухливість магнітних наночастинок в біологічній системі під дією кровотоку або дифузійних процесів. В порівнянні з прототипом запропонований спосіб відрізняється наявністю таких ознак: - на чаші електронних ваг встановлюють за допомогою підставки магнітну систему на відстані, що перевищує характерний розмір загасання її магнітного поля розсіяння; - визначають сумарну вагу магнітної системи та підставки без зразка з магнітною рідиною в активній зоні магнітної системи; 1 UA 102749 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - без механічного контакту з магнітною системою в її активній зоні розміщують зразок з магнітною рідиною та визначають сумарну вагу магнітної системи та підставки при наявності зразка: - за різницею двох вагових вимірювань магнітної системи з підставкою знаходять по тарувальних кривих значення магнітної сприйнятливості магнітної рідини з можливістю визначення характеру змінення цього значення у часі. Аналогічний за призначенням пристрій описано в книзі - Чечерников В. И. Магнитные измерения. М. изд. МГУ, 1969, с. 138, який містить аналітичні ваги, зразок у вигляді довгого циліндра, частина якого розташована у магнітному полі електромагніта. Недоліком цього пристрою є невисока точність вимірювання та неможливість його використання для вимірювання магнітних властивостей біологічних систем, які мають, як правило, складну нециліндричну форму. Найбільш близьким технічним рішенням за сукупністю ознак на пристрій є описаний також у книзі – [Буравихин В.А., Шелковников В.Н., Караванова В.П "Практикум по магнетизму", М., Высшая школа, 1979, с. 41], який прийнято як прототип. Цей пристрій містить аналітичні ваги, зразок із магнітною рідиною, який підвішений на тонкому дроті на одному із пліч ваг, та магнітну систему, яка створює неоднорідне магнітне поле в зоні розміщення зразка та побудована на основі електромагніта. Недоліком цього пристрою є неможливість точної фіксації зразків різної форми та об'єму відносно електромагніта, що знижує точність вимірювання, а також технологічні складності при вимірюванні магнітної сприйнятливості біологічної системи, яка має складну форму та, як правило, великий об'єм. В основу винаходу поставлено задачу створення пристрою з підвищеною точністю вимірювання магнітної сприйнятливості магнітної рідини та розширеними функціональними можливостями, які дозволяють вимірювати магнітні властивості біологічних систем, що містять магнітну рідину, за рахунок введення нових елементів та їх розташування. Поставлене задача вирішується тим, що у пристрої для вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин, який має ваги, зразок із магнітною рідиною та магнітну систему, яка створює неоднорідне магнітне поле, згідно з винаходом на чаші ваг, які є електронними, розміщено підставку із легкого немагнітного матеріалу, на кінці якої закріплено магнітну систему, причому висота підставки перевищує характерний розмір загасання магнітного поля розсіяння цієї магнітної системи, в активній зоні магнітної системи розміщено без механічного контакту з нею зразок із магнітною рідиною, положення якого відносно цієї системи фіксовано за допомогою упора, виконаного із тонколистового немагнітного матеріалу, механічно зв'язаного з основою ваг і розміщеного без механічного контакту з магнітною системою та підставкою. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що магнітна система має щонайменше один постійний магніт з магнітопроводом або без нього, що разом створюють у зоні розміщення зразка магнітне поле, яке різко змінюється у напрямку зразка. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що магнітна система має котушку зі струмом, постійним або змінним у часі, яка створює у зоні розміщення зразка неоднорідне магнітне поле. Третя додаткова відмінність полягає в тому, що упор в зоні розміщення зразка має профільовану форму, що дозволяє розмістити зразок в активній зоні магнітної системи саме в області із найбільшою неоднорідністю магнітного поля. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що на етапі визначення магнітної сили, що діє на зразок з рідиною, визначається вага не цього зразка, як це робиться у прототипі, а вага магнітної системи із підставкою, на якій вона закріплена. Це дозволяє, по-перше, використовувати сучасні електронні ваги високої точності та при кожному вимірюванні зафіксовувати зразок на однаковій відстані від магнітної системи і тим самим підвищити точність вимірювання. По-друге, при такому підході зразок може мати будь-яку форму та об'єм, наприклад, це може бути біологічна система - миша. При наявності в такій системі магнітної речовини, магнітні характеристики цієї речовини, а також характер їх змінення у часі можуть бути виміряні за допомогою пропонованого пристрою. Таким чином, даний пристрій дозволяє реалізувати запропонований спосіб вимірювання сприйнятливості магнітних рідин, у тому числі і біологічної системи. В порівнянні з прототипом, запропонований пристрій відрізняється наявністю таких ознак: - на чаші ваг, які є електронними, розміщено підставку із легкого немагнітного матеріалу, на кінці якої закріплено магнітну систему; - висота підставки перевищує характерний розмір загасання магнітного поля розсіяння цієї магнітної системи; 2 UA 102749 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - в активній зоні магнітної системи розміщено без механічного контакту з нею зразок із магнітною рідиною, положення якого відносно цієї системи фіксовано за допомогою упора, виконаного із тонколистового немагнітного матеріалу, механічно зв'язаного з основою ваг і розміщеного без механічного контакту з магнітною системою та підставкою. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що магнітна система має щонайменше один постійний магніт з магнітопроводом або без нього, що разом створюють у зоні розміщення зразка магнітне поле, яке різко змінюється у напрямку зразка. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що магнітна система має котушку зі струмом, постійним або змінним у часі, яка створює у зоні розміщення зразка неоднорідне магнітне поле. Третя додаткова відмінність полягає в тому, що упор в зоні розміщення зразка має профільовану форму, що дозволяє розмістити зразок в активній зоні магнітної системи саме в області із найбільшою неоднорідністю магнітного поля. Усі вищенаведені ознаки як для способу вимірювання, так і для пристрою є суттєвими, кожна з яких окремо та в сукупності забезпечують досягнення нового технічного результату підвищення точності вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин та розширення функціональних можливостей способу та пристрою внаслідок його поширення на біологічні системи, які містять магнітну рідину. Суть винаходу пояснюється кресленнями. На фіг. 1 схематично показана конструкція пристрою для вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин, де зображено: електронні ваги 1, основа ваг 2, чаша ваг 3, підставка 4, магнітна система з одним постійним магнітом 5, силові лінії магнітного поля магніту 6, зразок із магнітною рідиною 7, магнітна проникливість якої вимірюється на даній установці, упор 8, механічно зв'язаний із основою ваг 2, персональний комп'ютер 9. На фіг. 2 схематично показана конструкція аналогічного пристрою, де як магнітна система використовується котушка зі струмом і де зображено зразок 7, упор 8, котушка 10, що підключена до джерела живлення 11 за допомогою гнучких провідників 12. На фіг. 3 показано конструкцію аналогічного пристрою, в якому як зразок використовується миша, в кровоносну судину якої введено магнітну рідину і де додатково зображено: магнітопровід 13, два постійних магніти 14, активна зона дії магнітного поля 15, миша 16, що використовується як дослідний зразок, магнітна рідина 17, що знаходиться у потоці крові і рухається зі швидкістю v в активну зону. Пристрій для вимірювання магнітної проникливості містить (фіг. 1) електронні ваги 1, що закріплені на нерухомій основі 2. На чаші ваг 3 розміщено підставку 4, виконану із легкого немагнітного матеріалу, на кінці якої закріплено магнітну систему 5, що створює неоднорідне магнітне поле в активній зоні розташування зразка із магнітною рідиною. Висота підставки Н повинна перевищувати характерний розмір загасання магнітного поля розсіяння цієї магнітної системи h (показано силові лінії 6) для того, щоб це магнітне поле не впливало на роботу електронних ваг. Для того, щоб розмістити зразок із магнітною рідиною 7 на точно фіксованій відстані від магнітної системи 5, в пристрої встановлено упор 8, виконаний із тонколистового немагнітного матеріалу, який механічно зв'язаний з основою ваг 2 та не торкається магнітної системи із підставкою (щоб не впливати на їх вагу). У разі необхідності визначення закону змінений у часі магнітної сприйнятливості матеріалу зразка, в пристрої передбачено використання персонального комп'ютера 9, який має кабельний зв'язок із електронними вагами і записує показники цих ваг в пам'ять комп'ютера в залежності від часу. На фіг. 2 зображено схему пристрою в разі, коли необхідно досліджувати магнітні властивості магнітної рідини у змінному у часі магнітному полі (за гармонійним або пульсуючим законом). При цьому як магнітна система використовується котушка зі струмом 10. Для живлення цієї котушки використовується джерело живлення 11, що створює відповідно гармонійний або пульсуючий струм у її витках. Для електричного з'єднання цього джерела із котушкою необхідно використовувати гнучкі провідники 12, які не будуть впливати на процес зважування цієї котушки із підставкою. Для того, щоб зразок з магнітною рідиною був розміщений саме в зоні магнітного поля із найбільшою неоднорідністю (де на нього буде діяти найбільша магнітна сила), упор 6 в активній зоні повинен бути профільованим. На фіг. 3 показано, що у разі необхідності дослідження магнітних властивостей біологічної системи, яка містить магнітну рідину, наприклад миші 16, вона може бути розміщена на упорі 8. При цьому магнітна система 13, 14 повинна мати вузьку активну зону, показану пунктирною кривою 15. Для створення магнітної системи із такою зоною необхідно використовувати два або більше постійних магнітів 14, закріплених на магнітопроводі 13, виконаному із феромагнітного матеріалу. Так, після введення, наприклад, за допомогою шприца, магнітної рідини 17 у потік крові миші, можна досліджувати характер руху цієї рідини (яка рухається зі швидкістю v) за 3 UA 102749 C2 5 10 15 20 25 показаннями ваг, а саме - при наближенні цієї рідини до активної зони магнітної системи показання ваг будуть збільшуватися, а при віддалені -зменшуватися. При цьому вимірювання максимального значення магнітної сили, що діє на зразок, дозволить визначити кількість магнітної рідини, що надійшла в активну зону. Такі дослідження є важливими при розробці сучасних методів лікування в галузі магнітної наномедицини. Спосіб вимірювання магнітної сприйнятливості матеріалу зразка згідно з винаходом у загальному вигляді передбачає наступні операції: - на чаші електронних ваг 3 встановлюють підставку 4 із магнітною системою 5 та визначають сумарну їх вагу при відсутності зразка з магнітною рідиною; - далі в активній зоні магнітної системи без механічного контакту з нею розміщують зразок із магнітною рідиною 7, положення якого фіксується за допомогою упора 8, та визначають сумарну вагу магнітної системи та підставки при наявності зразка; - за різницею двох вагових вимірювань магнітної системи із підставкою знаходять по тарувальних кривих середнє значення магнітної сприйнятливості магнітної рідини. При побудові тарувальних кривих можуть використовуватися як результати експериментальних досліджень, так і результати комп'ютерних розрахунків магнітної сили, що діє на зразок з рідиною; при необхідності визначення характеру змінення магнітної сприйнятливості у часі, фіксують значення ваги магнітної системи та підставки при наявності зразка у різні моменти часу або передають ці дані у комп'ютер 9 по кабелю, що зв'язаний із вагами. Далі за різницею двох вагових вимірювань знаходять по тарувальних кривих середнє значення магнітної сприйнятливості магнітної рідини у кожний момент часу. При вимірюванні магнітної сприйнятливості біологічної системи послідовність всіх операцій залишається такою ж самою, з тією різницею, що закон змінення у часі показань ваг буде більш складним, крім того, використовують спеціальні тарувальні криві, для отримання яких необхідно проводити додаткові дослідження. Дане технічне рішення дозволяє одержати новий технічний результат і на теперішній час реалізоване у двох дослідних зразках, які використовуються в лабораторних умовах для вимірювання магнітної сприйнятливості магнітної рідини, що містить магнітні наночастинки на основі магнетиту та застосовується при проведенні біомедичних досліджень. 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 55 60 1. Спосіб вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин, що включає: розташування зразка з магнітною рідиною в неоднорідному магнітному полі електромагніта, визначення різниці ваги без поля та при наявності поля і знаходження за цією різницею по тарувальних кривих значення магнітної сприйнятливості магнітної рідини, який відрізняється тим, що на чаші електронних ваг встановлюють за допомогою підставки магнітну систему на відстані, що перевищує характерний розмір загасання її магнітного поля розсіяння, визначають сумарну вагу магнітної системи та підставки без зразка з магнітною рідиною в активній зоні магнітної системи, без механічного контакту з магнітною системою в її активній зоні розміщують зразок з магнітною рідиною та визначають сумарну вагу магнітної системи та підставки при наявності зразка, за різницею двох вагових вимірювань магнітної системи з підставкою знаходять по тарувальних кривих значення магнітної сприйнятливості магнітної рідини з можливістю визначення характеру змінення цього значення у часі. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що за різницею двох вагових вимірювань визначають характер змінення у часі магнітної сприйнятливості магнітної рідини, за яким розраховують рухомість магнітних наночастинок у магнітній рідині у неоднорідному магнітному полі. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як неоднорідне магнітне поле в зоні розміщення зразка використовують магнітне поле, яке є: постійним, бо змінюється у часі за гармонійним законом, або є пульсуючим. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як зразок із магнітною рідиною використовують біологічну систему, в тіло якої за допомогою ін'єкції вводять магнітну рідину і за різницею двох вагових вимірювань магнітної системи з підставкою визначають величину магнітної сприйнятливості, яка безперервно змінюється у часі, а також рухливість магнітних наночастинок в біологічній системі під дією кровотоку або дифузійних процесів. 5. Пристрій для вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин, що має ваги, зразок із магнітною рідиною та магнітну систему, яка створює неоднорідне магнітне поле, який відрізняється тим, що на чаші ваг, які є електронними, розміщено підставку із легкого немагнітного матеріалу, на кінці якої закріплено магнітну систему, причому висота підставки перевищує характерний розмір загасання магнітного поля розсіяння цієї магнітної системи, в 4 UA 102749 C2 5 10 активній зоні магнітної системи розміщено без механічного контакту з нею зразок із магнітною рідиною, положення якого відносно цієї системи фіксовано за допомогою упора, виконаного із тонколистового немагнітного матеріалу, механічно зв'язаного з основою ваг і розміщеного без механічного контакту з магнітною системою та підставкою. 6. Пристрій за п. 5, який відрізняється тим, що магнітна система має щонайменше один постійний магніт з магнітопроводом або без нього, що разом створюють у зоні розміщення зразка магнітне поле, яке різко змінюється у напрямку зразка. 7. Пристрій за п. 5, який відрізняється тим, що магнітна система має котушку зі струмом, постійним або змінним у часі, яка створює у зоні розміщення зразка неоднорідне магнітне поле. 8. Пристрій за п. 5, який відрізняється тим, що упор в зоні розміщення зразка має профільовану форму, з можливістю розміщення зразка в активній зоні магнітної системи саме в області із найбільшою неоднорідністю магнітного поля. 5 UA 102749 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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 6