УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОВЫХ И ЖИДКОСТНЫХ ПРОБ

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения оптической плотности жидких растворов, в том числе биологических материалов, а также в метеорологии для определения водности облаков и туманов.

Известно устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб [Pat. 4 580 895 United States, МПК⁴ G01N 33/48. Sample-Scanning Photometer [Text] / Shailen S. Patel.; assignee Dynatech Laboratories, Incorporated-№546 451; Filed Oct. 28, 1983; Date of Patent Apr. 8, 1986], содержащее корпус, установочный узел для размещения микропланшета с пробами, два шаговых привода для перемещения установочного узла по двум взаимно перпендикулярным осям, неподвижный считывающий узел, содержащий излучатель и фотоприемник с фильтром, размещенные по разные стороны от плоскости перемещения установочного узла с микропланшетом. Устройство также содержит блоки обработки, регистрации и управления.

Указанный аналог имеет сложную систему центрировки микропланшета, что предопределяет невысокую точность измерений.

Этот недостаток частично преодолен в устройстве, наиболее близком по технической сущности к предлагаемому [Пат. 2035716 Российская Федерация, MПК⁶G01N 21/01, 21/13, 21/25, 21/59, 33/48. Устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб [Текст] / Машковцев А.Н., Осипов Л.С., Пилипенко К.Н.; заявители и патентообладатели Машковцев А.Н., Осипов Л.С., Пилипенко К.Н. - №92001686/25; заявл. 21.10.92; опубл. 20.05.95, Бюл. №14. -5 с: ил.], которое и выбрано в качестве прототипа.

В прототипе повышена точность измерений за счет однозначной ориентации микропланшета в системе координат узла считывания с помощью подпружиненного фиксатора, что уменьшает погрешность, связанную с несовпадением оптической оси узла считывания и оси лунки микропланшета в процессе фотометрирования.

Прототип содержит корпус, установочный узел для размещения микропланшета с лунками для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором, который выполнен с возможностью зажима микропланшета при перемещении установочного узла относительно внешнего упора, расположенного на корпусе, считывающий узел, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения микропланшета фотоприемником и излучателем, подключенным к источнику питания, два шаговых привода, жестко установленные на корпусе, съемный фильтр, расположенный перед фотоприемником, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления, а с выходом соединены приводы, причем первый привод выполнен с возможностью перемещения установочного узла вдоль первой оси. Кроме того, второй привод выполнен с возможностью перемещения считывающего узла вдоль второй оси, перпендикулярной первой.

Считывающий узел представляет собой U-образную конструкцию, в верхней части которой расположен фотоприемник со съемным фильтром, а в нижней части расположен излучатель таким образом, что установочный узел с микропланшетом имеет возможность перемещения между ними. Размещение съемного фильтра в верхней части U-образной конструкции обеспечивает удобный доступ оператора к нему.

Прототип работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии считывающий узел посредством своего шагового привода установлен в крайнее положение напротив ряда "1" лунок микропланшета. Установочный узел посредством своего шагового привода перемещен в позицию загрузки, то есть находится вне считывающего узла, который не препятствует установке (или съему) микропланшета. В этой позиции установочный узел расположен вплотную к корпусу, и упор, воздействуя на подпружиненное плечо фиксатора, отжимает его, позволяя установить (или снять) микропланшет. Таким образом, в исходном состоянии устройства микропланшет доступен для съема и установки. В считывающий узел установлен съемный фильтр, соответствующий применяемому методу исследования.

Приступая к работе, оператор помещает очередной микропланшет в установочный узел, выбирает одну из имеющихся в приборе программ и запускает измерение. Все остальные операции прототип осуществляет автоматически.

Установочный узел с микропланшетом перемещается соответствующим шаговым приводом вдоль первой оси, то есть вдоль направления (А-Н) лунок микропланшета. Одновременно фиксатор выходит из контакта с упором и зажимает микропланшет. При достижении номинальной позиции пересечения линии центров лунок ряда А с оптической осью считывающего узла шаговый привод установочного узла останавливается, а считывающий узел перемещается своим шаговым приводом вдоль второй оси, перпендикулярной первой, то есть вдоль ряда А1-А12 лунок микропланшета. В моменты номинального совмещения оптической оси узла считывания с каждой очередной лункой указанного ряда, в которой находится исследуемая проба, включается излучатель и выполняется измерение (по принципу вертикальной фотометрии). После сканирования лунок ряда А установочный узел перемещается шаговым приводом вдоль первой оси до следующего ряда (В). Далее снова перемещается считывающий узел и выполняется сканирование лунок В1-В12 микропланшета. Этот процесс повторяется до завершения сканирования всех лунок микропланшета.

По окончании сканирования микропланшета считывающий узел посредством своего шагового привода возвращается в исходное положение, то есть напротив ряда "1" лунок микропланшета, а установочный узел посредством своего шагового привода, перемещаясь в сторону корпуса, возвращается в положение загрузки. Упор, воздействуя на фиксатор, отжимает его, микропланшет освобождается, он может быть снят и заменен следующим. При этом блоки обработки, регистрации и управления обеспечивают обработку и регистрацию полученной первичной измерительной информации.

Реальные конструктивные параметры узлов прототипа выбраны так, что сканирование осуществляется лучом диаметром 1 мм с шагом 0,04 мм. Это дополнительно расширяет область применения устройства, и допускает использование его не только при сканировании микропланшетов, но и, в частности, при непрерывном сканировании пленочных образцов (фореграмм).

Прототип позволяет производить измерения растворов, находящихся в лунках микропланшетов, в следующих режимах работы: измерение оптической плотности относительно воздуха или холостой пробы; определение концентрации анализируемых веществ по заранее известным коэффициентам; определение концентрации анализируемых веществ с использованием стандартных проб; измерение оптической плотности до и после химической реакции с последующим пересчетом в единицы концентрации по известным коэффициентам или с помощью стандартов.

Из представленного описания видно, что прототип обеспечивает фотометрирование микропланшетов с уменьшением погрешности от несовпадения оси лунки и оптической оси считывающего узла благодаря устранению неопределенности положения микропланшета на установочном узле с помощью фиксатора.

В то же время необходимо отметить, что прототипу присущи два вида погрешности измерения.

Первый из них вызван неточностью взаимного позиционирования установочного и считывающего узла в сочетании с мениском жидких проб. Верхняя граница таких проб имеет, как правило, вогнутую форму, которая изменяет апертуру измерительного светового потока, выходящего из пробы [Кострова О.Б., Ландау И.Б., Сафьянников Н.М. Комплекс метрологического обеспечения иммуноферментных и биохимических анализаторов. / О.Б. Кострова, И.Б. Ландау, Н.М. Сафьянников. // Биотехносфера. Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы - 2015. - №5(41). - С. 20 - 25]. Изменение светового пятна на фотоприемнике весьма чувствительно к форме мениска, особенно при несоосном расположении лунки микропланшета относительно считывающего узла. Смещение светового пятна за пределы светочувствительной площадки фотоприемника может привести к непредсказуемо большим отклонениям фототока и способно стать причиной недостоверного результата измерения пробы в данной лунке.

Второй вид погрешности связан с влиянием дефектов дна лунки микропланшета и загрязнениями пробы. Эти погрешности позволяет снизить двухволновой метод фотометрирования (см., например, [Медицинские лабораторные фотометрические приборы и комплексы / А.Н. Алипов, Л.М. Муравник, Н.Л. Ронжина, Н.М. Сафьянников. - С-Пб.: Реноме, 2010. - 504 с, ил.; С. 98]). Однако прототип не ориентирован на работу с двумя фильтрами в едином цикле измерения.

Таким образом, недостатком прототипа является невысокая точность, ограниченная значительной чувствительностью к погрешности позиционирования его электромеханической системы и отсутствием двухволнового режима измерения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, выполняющего более точное измерение проб за счет меньшей, чем в прототипе, чувствительности к неточности позиционирования и обеспечения двухволнового режима измерения.

Техническим результатом является повышение точности устройства.

Для достижения указанного технического результата в устройство, содержащее корпус, установочный узел для размещения микропланшета с лунками для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором, который выполнен с возможностью зажима микропланшета при перемещении установочного узла относительно внешнего упора, расположенного на корпусе, считывающий узел, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения микропланшета фотоприемником и излучателем, подключенным к источнику питания, два шаговых привода, жестко установленные на корпусе, съемный фильтр, расположенный перед фотоприемником, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления, а с выходом соединены приводы, причем первый привод выполнен с возможностью перемещения установочного узла вдоль первой оси, введен дополнительный съемный фильтр, оба фильтра объединены в блок фильтров, связанный со вторым приводом, выполненным с возможностью его перемещения вдоль второй оси, перпендикулярной первой, а фотоприемник и излучатель выполнены в виде жестко установленной на корпусе линейки оптопар, соосных с лунками микропланшета в направлении второй оси.

Сущность изобретения состоит в создании точного устройства для определения характеристик газовых и жидкостных проб за счет изменения оптико-механической системы путем организации подвижного относительно корпуса блока фильтров при неподвижном блоке оптопар, и исключения, благодаря этому, влияния несоосности источника и приемника излучения по одной оси с одновременным обеспечением возможности двухволнового режима измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства в исходном состоянии, на фиг. 2 - функциональная схема считывающего узла в исходном состоянии, на фиг. 3 - функциональная схема устройства в процессе сканирования микропланшета, на фиг. 4 - функциональная схема считывающего узла в процессе сканирования микропланшета.

Предлагаемое устройство (фиг. 1, 2) содержит корпус 1, установочный узел 2 для размещения микропланшета 3 с лунками для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором 4, который выполнен с возможностью зажима микропланшета 3 при перемещении установочного узла 2 относительно внешнего упора 5, расположенного на корпусе 1, считывающий узел 6, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения микропланшета фотоприемником 7 и излучателем 8, подключенным к источнику питания 9, два шаговых привода 10 и 11, жестко установленные на корпусе 1, съемный фильтр 12, расположенный перед фотоприемником 7, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления 13, 14, 15, а с выходом соединены приводы 10 и 11, причем первый привод 10 выполнен с возможностью перемещения установочного узла вдоль первой оси. При этом в устройство введен дополнительный съемный фильтр 16, оба фильтра объединены в блок фильтров 17, связанный со вторым приводом 11, выполненным с возможностью его перемещения вдоль второй оси, перпендикулярной первой, а фотоприемник 7 и излучатель 8 выполнены в виде жестко установленной на корпусе линейки оптопар 18, соосных с лунками микропланшета 3 в направлении второй оси.

Считывающий узел 6 (фиг. 2) представляет собой U-образную конструкцию, жестко установленную на корпусе 1, в верхней части которой расположен фотоприемник 7, а в нижней части расположен излучатель 8 таким образом, что установочный узел 2 с микропланшетом 3 и блок фильтров 17 имеют возможность перемещения между ними (на фиг. 1 и 3 показана только верхняя часть U-образной конструкции). Размещение съемных фильтров 12 и 16 в верхней части U-образной конструкции обеспечивает удобный доступ к ним оператора. Объединяющая конструкция считывающего узла обеспечивает соосность фотоприемника 7 и излучателя 8 как единой линейки оптопар 18 и ее жесткую связь с корпусом 1.

Условие соосности линейки оптопар 18 с лунками микропланшета 3 выполнено путем согласованной установки считывающего узла 6 и шагового привода 10 на корпусе 1 при изготовлении устройства.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии блок фильтров 17 посредством своего шагового привода 11 установлен в крайнее положение вне блока оптопар 18. Установочный узел 2 посредством своего шагового привода 10 перемещен в позицию загрузки, то есть находится вне считывающего узла 6, который не препятствует установке (или съему) микропланшета 3. В этой позиции установочный узел 2 расположен вплотную к корпусу 1, и упор 5, воздействуя на подпружиненное плечо фиксатора 4, отжимает его, позволяя установить (или снять) микропланшет 3. Таким образом, в исходном состоянии устройства микропланшет 3 доступен для съема и установки. В блок фильтров 17 установлен рабочий фильтр 12 и референтный фильтр 16, соответствующие применяемому методу исследования.

Приступая к работе, оператор помещает очередной микропланшет 3 в установочный узел 2, выбирает одну из имеющихся в приборе программ и запускает измерение. Все остальные операции устройство осуществляет автоматически.

Установочный узел 2 с микропланшетом 3 перемещается соответствующим шаговым приводом 10 вдоль первой оси, то есть вдоль направления (А-Н) лунок микропланшета 3. Одновременно фиксатор 4 выходит из контакта с упором 5 и зажимает микропланшет 3. При достижении номинальной позиции совмещения центров лунок ряда А с соответствующими оптическими осями оптопар блока 18 шаговый привод 10 останавливается, а блок фильтров 17 перемещается шаговым приводом 11 вдоль второй оси, перпендикулярной первой, то есть вдоль ряда Al - А12 лунок микропланшета 3.

В моменты последовательного номинального совмещения центров фильтров 12 и 16 блока 17 с оптическими осями оптопар блока 18, то есть с центром каждой очередной лунки указанного ряда, в которой находится исследуемая проба, включается канал излучателя 8 для соответствующей оптопары блока 18 и выполняется измерение (по принципу вертикальной фотометрии) на двух длинах волн, определяемых фильтрами 12 и 16. После сканирования лунок ряда А микропланшета 3 установочный узел 2 перемещается шаговым приводом 10 вдоль первой оси до следующего ряда (В) лунок микропланшета 3. Далее снова перемещается блок фильтров 17 и выполняется сканирование каждой из лунок В1-В12 микропланшета 3 на обеих длинах волн. Этот процесс повторяется до завершения сканирования всех лунок микропланшета 3. На фиг.3 и 4 показано положение установочного узла 2 и блока фильтров 18 при измерении лунки А4 на длине волны фильтра 12.

По окончании сканирования микропланшета 3 блок фильтров 17 посредством своего шагового привода 11 возвращается в исходное положение, а установочный узел 2 посредством своего шагового привода 10, перемещаясь в сторону корпуса 1, возвращается в положение загрузки.

Упор 5, воздействуя на фиксатор 4, отжимает его, микропланшет 3 освобождается, он может быть снят и заменен следующим. При этом блоки обработки, регистрации и управления 13, 14, 15 обеспечивают обработку и регистрацию полученной первичной измерительной информации.

Результат двухволнового измерения оптической плотности в каждой лунке микропланшета 3 будет представлен в виде разности оптической плотности на рабочей и референтной длине волны. При выборе одноволнового метода измерения процессы фотометрирования с использованием дополнительного фильтра 16 исключаются из цикла.

Предлагаемое устройство позволяет производить измерения растворов, находящихся в лунках микропланшетов, в следующих режимах работы: измерение оптической плотности относительно воздуха или холостой пробы в одноволновом или двухволновом режиме; определение концентрации анализируемых веществ по заранее известным коэффициентам; определение концентрации анализируемых веществ с использованием стандартных проб; измерение оптической плотности до и после химической реакции с последующим пересчетом в единицы концентрации по известным коэффициентам или с помощью стандартов.

Реальные конструктивные параметры узлов предлагаемого устройства выбраны так, что сканирование осуществляется лучом диаметром 1 мм с шагом 0,04 мм. Это дополнительно расширяет область применения устройства, и допускает использование его не только при сканировании микропланшетов, но и, в частности, при непрерывном сканировании пленочных образцов (фореграмм).

В основу построения устройства положен принцип предварительного действия, а именно, предварительного, при изготовлении, обеспечения соосности источников и приемников излучения в составе оптопар, с последовательной актуализацией спектральной характеристики каждой оптопары в рабочем цикле на двух длинах волн, в результате чего повышается точность измерения.

Как видим, в предлагаемом устройстве, во-первых, исключено позиционирование по одной из двух координат сканирования микропланшета. Соответственно снижается и вероятность ошибки, вызванной сочетанием погрешности позиционирования и формы мениска пробы в лунке. Во-вторых, в предлагаемом устройстве обеспечено выполнение двухволнового метода измерения, благодаря чему снижается влияние дефектов лунок и загрязнения проб.

Все блоки и элементы заявляемого технического решения являются хорошо известными. Фотоприемники и излучатели, фильтры, блоки обработки, регистрации и управления, источник питания, шаговые приводы могут быть выполнены аналогично прототипу.

Итак, заявляемое устройство обладает всеми функциональными возможностями прототипа, но обеспечивает более высокую точность результатов измерений.