Способ исследования агрегационной способности частиц коллоидной системы
Владельцы патента RU 2405133:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") (RU)
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к фотометрии для контроля агрегационной способности частиц коллоидных систем в широких областях техники. Для осуществления способа проводят освещение анализируемой пробы когерентным излучением и выделяют поле наблюдения в пучке прошедшего через анализируемую пробу освещения с помощью апертурной диафрагмы, обеспечивающей наблюдение фрагмента спекл-картины взаимной интерференции когерентных волн со случайным сдвигом фазы и случайным набором интенсивностей в результате рассеяния света на частицах анализируемой пробы. Размер поля наблюдения устанавливают из расчета попадания в него 1-4 спеклов. Затем в поле наблюдения определяют коэффициент вариации интенсивности освещения поля наблюдения во времени, по изменению которого судят об агрегационной способности частиц и динамике агрегирования. Заявленный способ обеспечивает повышение скорости точности и чувствительности анализа агрегационной способности. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к фотометрии. Наиболее эффективно его использовать для контроля агрегационной способности частиц коллоидных систем в широких областях техники (медицине, сельском хозяйстве, экологии, химической технологии и мн. др.).
Известен способ исследования агрегационной способности частиц коллоидной системы на примере учета реакции латекс-агглютинации, предусматривающий прохождение анализируемой взвеси через щелевую диафрагму под действием постоянного напряжения, по импульсу изменения которого в межэлектродном пространстве анализируемой взвеси судят о размере образованных агрегатов, характеризующих прохождение реакции (GB 2009410, G01N 15/00, 33/16, 1979).
Однако данный способ не обладает наглядностью, поскольку он основан на косвенном измерении.
Известен также способ исследования агрегационной способности частиц коллоидной системы, заключающийся в том, что в анализируемой пробе, перемешиваемой с помощью магнитной мешалки или прокачивания, определяют статистические характеристики оптической плотности пробы, по которым судят о наличии в ней агрегированных частиц (J.Gregory, "Particle monitoring techniques for water treatment applications", Journal of Environmental Sciences, v.11, n.3, 1999). Для повышения информативности исследования в пучке когерентного освещения, прошедшего через анализируемую пробу, перемешиваемую с помощью магнитной мешалки, определяют статистические характеристики интенсивности света, а именно среднее значение интенсивности света и среднеквадратическое отклонение этого параметра, по изменению которых с помощью предварительно установленных трансцендентных зависимостей судят о размерах и концентрации образовавшихся агрегатов. (A.S.Krylov, Z.A.Gabbasov, L.A.Filippova. Investigation of the Process of Latex Agglutination based on the Analysis of Light Transmission Fluctuations. Proceedings RC IEEE-EMBS & 14th BMESI, 1995; Лазерные анализаторы агрегации. Адрес в Интернете: http://www.biola.ru/r/aggrl.html; US 5071247, G01N 33/49, G01N 21/82, G01N 21/77, G01N 33/48, G01N 33/86, G01N 15/02, G01N 21/90, H01J 40/14, 1991).
Наиболее близким к заявляемому является способ исследования агрегационной способности частиц коллоидной системы, предусматривающий освещение когерентным излучением анализируемой макропробы, перемешиваемой с помощью магнитной мешалки, выделение полей наблюдения прошедшего через анализируемую пробу прямого освещения, а также освещения под углом от 0,5 до 10° с помощью полевой диафрагмы и определение статистических характеристик (среднего значения и среднеквадратического отклонения) интенсивности света в полях наблюдения, по изменению которых с помощью предварительно установленных функциональных зависимостей судят об агрегационной способности частиц и динамике агрегирования (RU 2336525, G01N 33/49, 2008).
Однако точность и чувствительность данного способа являются низкими.
Техническая задача предлагаемого способа заключается в повышении его точности и чувствительности.
Решение указанной технической задачи состоит в том, что в способ исследования агрегационной способности частиц коллоидной системы, предусматривающий освещение анализируемой пробы когерентным излучением, выделение поля наблюдения в пучке прошедшего через анализируемую пробу освещения с помощью диафрагмы и определение в нем статистической характеристики интенсивности света, по изменению которой судят об агрегационной способности частиц и динамике агрегирования, вносятся следующие изменения.
1. Поле наблюдения выделяют с помощью апертурной диафрагмы для возможности наблюдения фрагмента спекл-картины взаимной интерференции когерентных волн со случайным сдвигом фазы и случайным набором интенсивностей в результате рассеяния света на частицах анализируемой пробы.
2. Размер поля наблюдения устанавливают из расчета попадания в него 1-4 спеклов.
3. В качестве статистической характеристики интенсивности света, по которой судят об агрегационной способности частиц и динамике агрегирования, определяют изменение значения коэффициента вариации интенсивности освещения поля наблюдения во времени.
Причинно-следственная связь достигнутого технического результата с внесенными изменениями заключается в следующем. В широком поле наблюдения, имеющем место в прототипе за счет установки полевой диафрагмы, снимают среднюю по поверхности интенсивность проходящего света, что резко уменьшает значение главной составляющей информационного сигнала - среднеквадатического отклонения. Заменой полевой диафрагмы на апертурную выделяют поле наблюдения, содержащее фрагмент спекл-картины взаимной интерференции когерентных волн. Более того, апертурную диафрагму настраивают таким образом, чтобы в поле наблюдения оказалось всего 1-4 спекла. Это приводит к существенному увеличению учитываемого среднеквадатического отклонения. В еще большей степени информационный сигнал увеличивается и стандартизируется после расчета коэффициента вариации по общеупотребительной формуле:
где V - коэффициент вариации, %;
σ - среднеквадратическое отклонение освещенности поля наблюдения;
I - среднее значение освещенности поля наблюдения в выбранном временном интервале квантования.
Резкое возрастание чувствительности предлагаемого способа позволяет исключить операцию перемешивания пробы. Кроме того, исключение операции перемешивания здесь полезно для уменьшения погрешности, связанной с принудительным перемещением спеклов в выделенном поле. Возможен также компромиссный режим ламинарного потока в случае наблюдения в условиях проточной системы, т.е. при прокачивании пробы через измерительную кювету (п.2 формулы).
В еще большей степени чувствительность способа возрастает при помещении анализируемой пробы в капиллярный микрочип (п.3 формулы). Этот факт установлен экспериментально и проиллюстрирован приведенным примером. По-видимому, он связан с тем, что при турбодиметрических измерениях, имеющих место в предлагаемом способе, имеется следующее физическое противоречие: контролируемая проба должна иметь высокую концентрацию для того, чтобы ускорить и, стало быть, зафиксировать процесс агрегации; с другой стороны, эта проба должна содержать компоненты в низкой концентрации для возможности прохождения света. Разрешение этого противоречия происходит в пространстве микрокапилляра, поскольку, не изменяя концентрации реагентов, он позволяет увеличить прозрачность среды по месту прохождения светового пучка, что имеет следствием повышение чувствительности измерений.
На фиг.1 приведена схема устройства для технического осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 приведена фотография поля наблюдения к примеру 1; на фиг.3 представлены графики динамики изменения интенсивности освещения поля наблюдения к примеру 1; на фиг.4 представлена диаграмма динамики изменения коэффициента вариации интенсивности освещения поля наблюдения к примеру 1; на фиг.5 приведен график динамики изменения коэффициента вариации интенсивности освещения поля наблюдения к примеру 5. В табл.1 приведены сведения о чувствительности способа в зависимости от размера поля наблюдения к примеру 2.
Устройство для осуществления предлагаемого способа (фиг.1) содержит источник 1 когерентного излучения, выход которого подключен к цепи, включающей последовательно оптически связанные конденсор 2, кювету 3 для помещения анализируемой пробы, фотоприемник 4 и блок 5 обработки и регистрации. Между кюветой 3 и фотоприемником 4 установлена апертурная диафрагма 6.
В качестве источника 1 когерентного излучения может быть использован полупроводниковый лазерный диод длиной волны в видимой части спектра. В качестве фотоприемника 4 наиболее целесообразно использовать фотодиод, снабженный апертурной диафрагмой. В этом случае элементы 4 и 6 выполнены совместно. Блок 5 обработки и регистрации может быть выполнен на базе компьютера. Возможно также выполнение блока 5 на базе корреляционного анализатора в режиме расчета автокорреляционной функции.
Световой пучок, попав в кювету 3 с размещенной в ней анализируемой пробой, рассеивается на частицах пробы. В зависимости от фазы агрегирования или его отсутствия происходит изменение статистических характеристик света, прошедшего через кювету 3. Эти изменения отражаются в поле наблюдения фотоприемника 4, на который попадает участок спекл-картины, выделенный апертурной диафрагмой 6. Выходной электрический сигнал фотоприемника 4 обрабатывается и регистрируется блоком 5 для получения временной функции изменения коэффициента вариации принятого информационного сигнала.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
ПРИМЕР 1. Исследуют динамику прохождения реакции латекс-агглютинации (РЛА) в цилиндрической кювете диаметром 10 мм в отсутствие перемешивания с использованием устройства согласно фиг.1. Поле наблюдения устанавливают из расчета включения в него 3-х спеклов (обведены пунктиром на фиг.2) с помощью апертурной диафрагмы 6. Длина волны источника когерентного излучения - 645 нм.
Реакционную смесь готовят из дагностикума шигеллезного Зонне (Изготовитель - Санкт-Петербургский НИИ вакцин и сывороток) в разведении 1:75 с добавлением 3 об.% взвеси инактивированных шигелл Зонне (концентрация 1 млрд/мл). В контрольный образец вместо шигелл Зонне добавляют соответствующий объем фосфатного буферного раствора.
Динамические изменения интенсивности светового потока I в поле наблюдения для анализируемой и контрольной проб представлены в виде графиков 1 и 2 на фиг.3 соответственно. Эти графики трудно поддаются анализу и приведены для иллюстрации необходимости их пересчета в изменение значений коэффициентов вариации во времени, приведенных на фиг.4, где график изменения коэффициента вариации для пробы обозначен V1, а для контроля - V2. Как видно из графиков, по мере прохождения реакции в течение срока наблюдения (70 мин) происходит линейное увеличение коэффициента V1 с 7 до 12%, тогда как в отсутствие реакции значение коэффициента V2 сохраняется ≈7%. При перемешивании пробы с помощью магнитной мешалки чувствительность способа снижается в 1,2-1,5 раза. Таким образом, увеличение коэффициента вариации в данном примере корреспондирует увеличению концентрации образовавшихся агрегированных комплексов.
ПРИМЕР 2. Динамику прохождения РЛА исследуют как в примере 1 при различных размерах поля наблюдения (от 1 до 6 спеклов). Результаты приведены в табл.1. Как видно из таблицы, значение коэффициента вариации уменьшается с увеличением числа спеклов в поле наблюдения. Максимальное изменение коэффициента V1 (от 14% через 20 мин наблюдения до 20,4% через 70 мин наблюдения) достигается при нахождении одного спекла в поле наблюдения, однако такую настройку используемого средства для осуществления способа трудно реализовать. Практически достаточно иметь в поле наблюдения не более 4-х спеклов, что подтверждается значением V1=10,4% по истечении 70 мин с начала реакции.
ПРИМЕР 3. РЛА исследуют как в примере 1 при равных объемных соотношениях латексного шигеллезного диагностикума, фосфатного буферного раствора и раствора инактивированных шигелл Зонне. Реакцию проводят в капиллярном микрочипе (расстояние между стенками капилляра - 40 мкм) и в кювете диаметром 10 мм (макрообъем). По истечении 1 мин от начала реакции приращение коэффициента вариации интенсивности освещения поля наблюдения составляет 8,6%, тогда как учет реакции в макрообъеме невозможен из-за высокой оптической плотности данной пробы.
Из сравнения данного примера с примером 1 видно, что в микрообъеме реакция читается по времени в 20 раз быстрее, что свидетельствует о повышении чувствительности данного варианта способа, что важно для проведения экспресс-диагностики.
ПРИМЕР 4. Коллоидный раствор (0,2 об.%) частиц диоксида титана со средним диаметром 800 нм, взвешенных в изопропаноле, полученных путем гидролиза и поликонденсации тетраизопропоксититана, исследуют как в примере 1 с использованием кюветы 3 проточного типа при ламинарном потоке пробы. Поскольку данный коллоидный раствор агрегационно неустойчив, наблюдают его спонтанную агрегацию, характеризуемую значением коэффициента вариации интенсивности освещения поля наблюдения, равным 12±3%. В контроле (98% изопропанол) изменения коэффициента вариации не происходит (V≈0).
ПРИМЕР 5. Исследуют процесс агрегации тромбоцитов (5 об.%), взвешенных в сыворотке крови человека, под действием коллагена (5 мкг/мл) в присутствии ионов кальция (0,5 мМ). Агрегацию наблюдают в капиллярном микрочипе как в примере 3.
Как видно из приведенного на фиг.5 графика, в течение 10 мин происходит увеличение коэффициента вариации интенсивности освещения поля наблюдения по экспоненте, корреспондирующееся с динамикой образования агрегационных комплексов. При проведении исследований прототипным способом при указанных соотношениях ингредиентов реакция не читается, что свидетельствует о повышении точности и чувствительности предлагаемого способа.
Другие виды положительного эффекта, производные от достигнутого:
- упрощено аппаратурное оснащение способа за счет изъятия перемешивающего устройства и канала формирования отклоняющегося от нормали пучка освещения и обработки переданного им информационного сигнала;
- обеспечена возможность учета реакции при высокой оптической плотности реакционной взвеси;
- исключена методическая погрешность измерений, связанная с интегрированием светового потока в поле наблюдения.
| Таблица 1. Чувствительность анализа реакции латекс-агглютинации в зависимости от размера поля наблюдения |
|||
| Количество спеклов в поле наблюдения | Значение V1, % по срокам наблюдения | ||
| 20 мин | 50 мин | 70 мин | |
| 1 | 14,0 | 17,9 | 20,4 |
| 3 | 8,2 | 10,5 | 12,0 |
| 4 | 7,1 | 9,1 | 10,4 |
| 6 | 5,5 | 7,1 | 8,2 |
1. Способ исследования агрегационной способности частиц коллоидной системы, предусматривающий освещение анализируемой пробы когерентным излучением, выделение поля наблюдения в пучке прошедшего через анализируемую пробу освещения с помощью диафрагмы и определение в нем статистической характеристики интенсивности света, по изменению которой судят об агрегационной способности частиц и динамике агрегирования, отличающийся тем, что поле наблюдения выделяют с помощью апертурной диафрагмы для возможности наблюдения фрагмента спекл-картины взаимной интерференции когерентных волн со случайным сдвигом фазы и случайным набором интенсивностей в результате рассеяния света на частицах анализируемой пробы, при этом размер поля наблюдения устанавливают из расчета попадания в него 1-4 спеклов, а в качестве статистической характеристики интенсивности света определяют изменение значения коэффициента вариации интенсивности освещения поля наблюдения во времени.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализируемую пробу поддерживают в ламинарном состоянии.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализируемую пробу помещают в капиллярный микрочип.
