Концентратомер подвижных инфузорий в жидких средах

Изобретение относится к области фотометрирования жидких сред в биологии и медицине.

Фотометрическое исследование концентрации подвижных биологических агентов в жидких средах может быть использовано для исследования токсичности жидких дисперсных сред биологического происхождения (БЖДС).

Известен приборно-вычислительный комплекс «БиоЛат-3.2», предназначенный для автоматизированного биотестирования с системой визуализации и программным обеспечением для математической обработки данных, а также биологической оценки действия кормовых и пищевых продуктов и добавок, сельскохозяйственного сырья растительного и животного происхождения, фармацевтических препаратов и БАД на инфузорий Parametium caudatum и Tetrahimena pyriforis [1].

Действие прибора основано на подсчете подвижных инфузорий телевизионным методом, в основе которого лежит сравнение изображений тест-объектов через определенные промежутки времени.

Недостатками известного приборно-вычислительного комплекса являются: значительные габариты, относительно высокая стоимость оборудования и программного обеспечения, избыточность получаемой информации, которой трудно дать однозначную интерпретацию.

Недостатки приборно-вычислительный комплекса объясняются сложностью аппаратной части комплекса, необходимостью применения сложных алгоритмов распознавания объектов.

Известен анализатор токсичности АТ-04, предназначенный для скрининга полимерных материалов и изделий, позволяющий автоматически производить количественную оценку токсичности водных вытяжек из данных материалов путем анализа зависимости показателя подвижности суспензии сперматозоидов от времени [2].

Оценка показателей подвижности осуществляется путем подсчета изменений интенсивности светового потока при движении сперматозоидов через оптический зонд. При этом движущиеся частицы, находящиеся в лазерном луче, рассеивают свет в виде флуктуаций интенсивности и частоты (за счет эффекта Доплера).

Недостатками известного анализатора являются: высокая стоимость оборудования, затрудненность широкого практического применения.

Недостатки известного анализатора объясняются сложностью аппаратной части комплекса (в том числе фотоприемного устройства), необходимостью применения сложных алгоритмов обработки для выделения информативного параметра токсичности, использованием в качестве тест-объекта семенной жидкости крупного рогатого скота, требующей специального хранения в жидком азоте.

Во всех описанных устройствах использован компьютер, что снижает автономность и мобильность проводимых исследований. Кроме того, повышенный уровень ослабления оптического излучения БЖДС делает невозможным работу существующих приборов с подобными средами.

Известен концентратомер «Биотестер-2М», не требующий применение компьютера, и предназначенный для определения концентрации взвеси подвижных микроорганизмов (инфузорий Parametium caudatum) в прозрачных жидких средах при их перераспределении в объеме пробы в процессе их развития или гибели, содержащий источник излучения, сформированного формирователем излучения, оптически связанный через кювету с фотоприемным устройством, фотоэлектронный преобразователь, фильтр низких частот, интегрирующее звено, усилитель, накопитель, детектор, задающий генератор и индикаторное устройство [3].

В основу работы прибора положен принцип импульсной фотометрии, позволяющий анализировать характер изменения светового потока с длиной волны λ=620 нм, вызванного случайным изменением числа микроорганизмов в зоне измерения.

Известный концентратомера «Биотестер-2М» наиболее близок к предлагаемому по количеству общих признаков и вследствие этого выбран за прототип.

Недостатком концентратомера «Биотестер-2М» является невозможность его использования для исследования токсичности БЖДС.

Этот недостаток объясняется тем, что по сравнению с водными средами БЖДС обладают повышенной вязкостью и мутностью на данной длине волны и вследствие этого уменьшается амплитуда информативного сигнала и соотношение сигнал-помеха на выходе фотоприемного устройства, снижается обнаруживающая способность концентратомера в целом. Кроме того, отсутствие термостатирования кюветы и различные значения оптической плотности исследуемых БЖДС уменьшают точность и стабильность исследования, а схемотехническое решение этого концентратомера не позволяет автоматизировать процесс исследования, а невозможность оперативного изменения внутренних параметров (коэффициент усиления, диапазоны частот и т.п.) затрудняет адаптацию под различные виды инфузорий

Задачей изобретения является создание автоматизированного концентратомера (АК) БЖДС для определения ее токсичности.

Техническим результатом изобретения является автоматизация концентрацтомера, обеспечение возможности исследования БЖДС и повышение точность и стабильности ее исследования.

Для обеспечения указанного технического результата в известный концентратомер, содержащий источник излучения, кювету, фильтр низких частот, усилитель, интегратор, задающий генератор, введены новые признаки, а именно: фотопреобразующий усилитель, устройство задержки, устройство выделения сигнала, управляемый детектор, накопитель, пороговое устройство, стабилизатор температуры, управляющий генератор и микроконтроллер, при этом детектор выполнен управляемым, а источник излучения через кювету оптически связан с фотопреобразующим усилителем, соединенным со входом устройства задержки, выход которого подключен к входу фильтра низких частот, а второй вход - к выходу задающего генератора, выход фильтра низких частот к подключен к входу устройства выделения сигнала, выход которого соединен с входом усилителя, а второй вход соединен с входом управляющего генератора, первым входом управляемого детектора и первым входом накопителя, второй вход которого соединен с входом управляемого детектора, а выход - с входом порогового устройства, выход которого через микроконтроллер соединен с первым входом усилителя тока, выход которого соединен с источником излучения, а второй вход - с выходом интегратора, выход которого соединен со вторым входом фильтра низких частот, при этом второй вход микроконтроллера соединен с выходом задающего генератора, а его выход подключен к входу индикаторного устройства, кроме того, к кювете подключен стабилизатор температуры.

Введение новых признаков делает возможным алгоритмизацию и автоматизацию процесса исследования БЖДС, в том числе при разных концентрациях, обеспечивает повышение точности и стабильности исследования путем стабилизация температуры и наличия связи фотопреобразующего усилителя с источником излучения в совокупности с остальными заявленными признаками.

Для увеличения полезного сигнала и отношения сигнал-помеха и минимизации исследуемого объема пробы кювета может быть выполнена в виде капилляра.

Использование источника излучения с длиной волны близкой к изобастической точке гемоглобина (λ=810 нм), позволяет снизить влияние мутности исследуемой БЖДС по сравнению с длиной волны источника излучения известного концентратомера.

В АК предусмотрена автоматическая оценка степени токсичности БЖДС путем оценки времени гибели 100% инфузорий в пробе: остро токсично - не более 5 минут, токсично - не более 10 минут, слаботоксично - не более 15 минут, не токсично - 20 минут и более, что позволяет минимизировать ошибки и увеличить число исследований.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой показана структурная схема АК.

Предложенная АК содержит источник излучения 1, кювету 2, фотопреобразующий усилитель 3, устройство задержки 4, фильтр низких частот 5, усилитель тока 6, стабилизатор температуры 7, управляемый детектор 8, усилитель 9, устройство выделения сигнала 10, интегратор 11, индикаторное устройство 12, накопитель 13, пороговое устройство 14, управляющий генератор 15, микроконтроллер 16, задающий генератор 17.

Реализацию АК можно осуществить на основе дискретных аналоговых устройств, аналогично известному концентратомеру, или на основе линейных импульсных систем - программируемых аналоговых интегральных схемах (ПАИС), что обеспечивает возможность создания АК с динамически изменяемыми параметрами и конфигурацией, одновременно обеспечивая обработку сигнала от измерительного преобразователя, лежащего в инфранизкочастотной области, повышая надежность выделения информативного параметра токсичности БЖДС.

Предложенный автоматизированный концентратомер работает следующим образом. В кювету 2 в равном соотношении наливают взвесь инфузорий и исследуемую БЖДС.

Тактируемый задающим генератором 17 микроконтроллер 16 формирует короткие прямоугольные стробирующие импульсы U_cmp, поступающие в усилитель тока 6, формирующий мощные импульсы для управления источником излучения 1.

Прошедшее через кювету 2 оптическое излучение, с интенсивностью, зависящей от концентрации инфузорий, попадает на фотопреобразующий усилитель 3, преобразуется в прямоугольную импульсную последовательность и поступает на, тактируемое задающим генератором 17, устройство задержки 4, где из данной импульсной последовательности формируется огибающая электрического сигнала.

Формирование полосы пропускания АК (F=0,1…10 Гц), в том числе удаление постоянной составляющей из электрического сигнала, обусловленной фоновой засветкой фотопреобразующего усилителя 3 источником излучения 1, осуществляется устройством выделения сигнала 10 и фильтром низких частот 5. Для увеличения амплитуды полезного сигнала служит усилитель 9, а для получения его абсолютного значения - управляемый детектор 8, синхронизируемый управляющим генератором 15. Для увеличения энергии полезного сигнала и повышения обнаруживающей способности подвижных (живых) инфузорий служит накопитель 13.

С целью определения момента окончания эксперимента (гибель всех инфузории) служит пороговое устройство 14, на которое так же поступает опорное напряжение U_LE100, определяющее порог наступления гибели 100% инфузорий в пробе.

Отсчет общего времени исследования, оценка уровня токсичности БЖДС и формирование соответствующей световой индикации на индикаторном устройстве 12 осуществляются автоматически с помощью микроконтроллера 16.

Интегратор 11, входящий в состав контура стабилизации мощности источника излучения 1, формирует для управляемого усилителя тока 6 сигнал регулирования данным источником излучения. Максимальное значение мощности источника излучения 1 задается источником опорного напряжения U_cm6.

Стабилизатор температуры 7 обеспечивает стабилизацию температуры кюветы 2 и самой пробы.

Результаты математического моделирования показали, что:

амплитуда полезного сигнала на выходе фотопреобразующего усилителя АК при использовании кюветы в форме капилляра с общим объемом 0,6 мл, концентрации взвеси инфузорий равной 300 шт/мл и вязкости БЖДС, равной 1,84-10-3 кг/м с, возрастает на величину от 1,8 до 2,4 раз при изменении длины кюветы от 2,6 до 5 см по сравнению с амплитудой полезного сигнала на выходе фотоэлектронного преобразователя известного концентратомера;

общее соотношение сигнал-помеха на выходе фотопреобразующего усилителя АК может в среднем до 6 раз превышать аналогичный параметр на выходе фотоэлектронного преобразователя известного концентратомера;

использование источника излучения с длиной волны равной изобастической точке гемоглобина позволяют увеличить соотношение сигнал-помеха на 6% для модельной БЖДС с коэффициентом пропускания Т=0,95 по сравнению с длиной волны источника излучения известного концентратомера;

стабильность мощности оптического излучения, падающего на ФПУ, для диапазона значений коэффициента пропускания пробы Т=0,65…0,95 составляет не хуже 103.

Проведенное моделирование показало, что заявленные технические результаты достигнуты.

Источники информации

1. http://europolytest.com/Products/Made-in-Europolytest/Made-in-Europolytest_2.html;

2. Биотестирование продукции из полимерных и других материалов. Методические указания МУ 1.1.037-95. Разработаны Московским городским центром Государственного комитета санитарно-эпидемиологического надзора России (Завьялов Н.В.), Всероссийским научно-исследовательским и испытательным институтом медицинской техники Министерства здравоохранения и медицинской промышленности России (Лаппо В.Г., Еськов А.П.), Акционерным обществом "БМК-ИНВЕСТ" (Каюмов Р.И.) и представленные в методическом пособии «Альтернативные методы исследований (экспресс-методы) для токсиколого-гигиенической оценки материалов, изделий и объектов окружающей среды» Федерального центра Госсанэпиднадзора Минздрава России;

3. http://biotester.ru.