Устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита
Владельцы патента RU 2702519:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области анализа материалов с помощью оптических средств, а более конкретно - к устройствам для определения изменений в жидкой среде путем измерения ее оптических параметров, и может быть использовано в диагностике патологий живых организмов, состояния природных объектов (водоемов), мониторинга окружающей человека среды. Устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита включает подложку, в толще которой сформированы камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник, датчик температуры в виде пленочного интерференционного покрытия торца оптического волновода, расположенного в камере и снабженного Y-разветвителем, одна ветвь которого соединена с источником излучения ближнего инфракрасного диапазона, а другая ветвь соединена со вторым фотоприемником, а в стенках камеры у внутренних ее поверхностей сформирован светопоглощающий слой, в устройство введен блок регистрации и обработки данных измерения, дефлектор света, расположенный между камерой и источником оптического излучения видимого диапазона частот, камера снабжена нагревательным и охлаждающим элементами, расположенными соответственно у нижней и верхней стенок камеры, при этом выходы первого и второго фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами блока регистрации и обработки данных измерения, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу холодильника и входу нагревателя, а третий выход блока регистрации и обработки данных измерения соединен с входом дефлектора света. Техническим результатом является разработка устройства для регистрации оптических параметров жидкого аналита, обеспечивающего повышенную точность определения оптических параметров жидкой среды. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к области анализа материалов с помощью оптических средств, а более конкретно - к устройствам для определения изменений в жидкой среде путем измерения ее оптических параметров, и может быть использовано в диагностике патологий живых организмов, состояния природных объектов (водоемов), мониторинга окружающей человека среды.
Известно устройство для регистрации оптических параметров аналита (см. заявка РСТ WO 2011005776, МПК G01N 01/10, G01N 15/06, G01N 15/14, G01N 21/01, G01N 21/64, G01N 33/36, опубликована 13.01.2011), включающее подложку, микрофлюидный потоковый канал, сформированный на подложке, источник света и первое полупрозрачное (дихроичное) зеркало, устройство сбора света, испускаемого клетками, первое устройство обработки излучения, многожильный оптический кабель с Y-образным разветвителем; фотоумножитель или фотодиод; второй источник света и второе полупрозрачное зеркало, позволяющее отражать свет клеток и способное пропускать его через себя; второе устройство сбора света, способное собирать свет, испускаемый клетками в другом направлении, и второе устройство обработки оптических параметров излучения.
Недостатком известного устройства является невозможность изменения и измерения температуры аналита и определения параметров его фазовых превращений.
Известно устройство обнаружения микроскопических частиц в жидкой или газообразной пробе (см. заявка US 20080285032, МПК G01N 21/51, опубликована 20.11.2008), которое содержит источник излучения, линзу, светоделитель, фотоприемник контроля интенсивности, фотоприемник прошедшего через образец света, ячейку для жидких образцов, множество фотоприемников, расположенных таким образом, чтобы окружить ячейку с образцом и блок обработки данных, рассчитывающий молекулярный вес и радиус поворота частиц.
Известное устройство в режиме светорассеяния предназначено только для исследования частиц в жидких или газообразных средах. Кроме того, известное устройство имеет недостаточную точность измерения температурной зависимости индикатрисы рассеяния света жидкостью или газом из-за наличия низкочастотных мультипликативных шумов (флуктуации плотности, пузыри) в процессе измерения жидких или газообразных образцов.
Известно устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита (см. заявка РСТ WO 2016025698, МПК G01N 33/543, G01N 33/571, G01N 33/58, опубликована 18.02.2016), включающее подложку, в толще которой сформированы по меньшей мере одна камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник, модуль контроля, управляющий источниками света и фотоприемниками, предназначенными для выполнения в зоне детектирования оптических измерений параметров аналита посредством спектрофотометра.
Недостатком известного устройства является его усложненная конструкция из-за необходимости использования спектрофотометра для регистрации детектируемого сигнала, а также невозможность точного измерения температуры жидкого аналита в зоне детектирования.
Известно устройство для контроля параметров жидкости (см. патент RU 117635, МПК G01N 21/27, G01F 23/292, опубликован 27.06.2012), включающее корпус, внутри которого расположен волоконно-оптический световод, вход которого оптически сопряжен с источником света, а выход - с приемником света, выход которого соединен с блоками первичной обработки, анализа и отображения информации. Корпус выполнен в виде полуутопленного поплавка, в нижней части которого закреплен дополнительный волоконно-оптический световод, вход которого сопряжен с источником света, а выход - с приемником света. В качестве приемника света использована интегральная многоэлементная фотоприемная матрица, продольная ось которой параллельна вертикальной оси. Утопленная часть дополнительного световода имеет изгиб, а основной световод сопряжен с интегральной многоэлементной фотоприемной матрицей через многопроходную кювету.
Известное устройство имеет недостаточную точность измерения температурной зависимости индикатрисы рассеяния света жидкости из-за наличия низкочастотных мультипликативных шумов.
Известно устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита (см. патент RU 2626299, МПК G01N 21/03, опубликован 25.07.2017), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип включает подложку, подложку, в толще которой сформированы камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник. В устройство введен датчик температуры в виде пленочного интерференционного покрытия торца оптического волновода, расположенного в камере и снабженного Y-разветвителем, одна ветвь которого соединена с источником излучения ближнего инфракрасного диапазона, а другая ветвь соединена со вторым фотоприемником. В стенках камеры у внутренних ее поверхностей сформирован светопоглощающий слой.
Недостатком известного устройства для регистрации оптических параметров жидкого аналита недостаточная точность измерения температурной зависимости интенсивности прошедшего через аналит света из-за наличия низкочастотных мультипликативных шумов (флуктуации плотности, пузыри, нестабильная работа источников света) в процессе измерения интенсивности света, изменяющейся в результате его рассеяния жидким аналитом.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка устройства для регистрации оптических параметров жидкого аналита, обеспечивающего повышенную точность определения оптических параметров жидкой среды за счет стабилизации и точности измерения температурной зависимости интенсивности прошедшего через аналит света.
Поставленная задача решается тем, что устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита включает подложку, в толще которой сформированы камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник, датчик температуры в виде пленочного интерференционного покрытия торца оптического волновода, расположенного в камере и снабженного Y-разветвителем, одна ветвь которого соединена с источником излучения ближнего инфракрасного диапазона, а другая ветвь соединена со вторым фотоприемником, а в стенках камеры у внутренних ее поверхностей сформирован светопоглощающий слой. Новым в устройстве является введение блока регистрации и обработки данных измерения, дефлектора света, расположенного между камерой и источником оптического излучения видимого диапазона частот, и снабжение камеры нагревательным и охлаждающим элементами, расположенными соответственно у верхней и нижней стенках камеры. Выходы первого и второго фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами блока регистрации и обработки данных измерения, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу холодильника и входу нагревателя, а третий выход блока регистрации и обработки данных измерения соединен с входом дефлектора света.
Подложка может быть выполнена из химически инертного неорганического или полимерного материала, например из химически инертного стекла.
Пленочное интерференционное покрытие может быть выполнено из последовательно нанесенных на торец оптического волновода чередующихся слоев полупроводника и диэлектрика толщиной 400-800 нм.
Источник оптического излучения видимого диапазона частот может быть выполнен в виде лазера или лазерного диода.
Светопоглощающий слой может быть выполнен в виде слоя стекла, содержащего наночастицы металла, например, наночастицы серебра или никеля, или железа, или меди.
Введение в устройство блока регистрации и обработки данных измерения, дефлектора, и снабжение камеры нагревательным и охлаждающим элементами, расположенными соответственно у верхней и нижней стенками камеры, позволяет увеличить точность определения оптических параметров жидкой среды за счет высокоскоростного сравнения интенсивностей света, прошедшего аналит в зоне детектирования через две области, отличающиеся температурой, с последующим вычитанием интенсивностей света, прошедшего через эти две области аналита.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически изображен общий вид сверху на настоящее устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита;
на фиг. 2 схематически показан общий вид сбоку на нанастоящее устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита;
на фиг. 3 изображена в увеличенном масштабе камера с микрофлюидными каналами (стрелкой показано направление градиента температур gradT в аналите; Δх - расстояние вдоль градиента температур между двумя соседними областями с разной температурой аналита, через которые поочередно проходит зондирующий свет.
на фиг. 4 приведена температурная зависимость I(Т) интенсивности прошедшего через аналит света, зарегистрированная устройством-прототипом;
на фиг. 5 показана температурная зависимость ΔI(Т) интенсивности прошедшего через аналит света, зарегистрированная настоящим устройством, (где ΔI(T)=I(T1)-I(T), Т1=Т+ΔТ, ΔТ=(gradT) Δх, Δх - расстояние вдоль градиента температур между двумя соседними областями с разной температурой (Т и Т1) аналита, через которые поочередно проходит зондирующий свет).
Настоящее устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита (см. фиг. 1 - фиг. 3) включает подложку 1, выполненную, например, из химически инертного боросиликатного стекла, в толще которой сформированы: камера 2 для жидкого аналита, входной микрофлюидный канал 3 и выходной микрофлюидный канал 4, сообщающиеся с камерой 2, источник 5 оптического излучения видимого диапазона частот 7 в виде, например, лазера, оптически соединенный через камеру 2, например, с помощью линзы 6 и оптических волноводов 7, 8, проведенных через каналы соответственно 9, 10, с первым фотоприемником 11. В устройстве имеется также второй фотоприемник 13, соединение которого с другими элементами устройства описано ниже. Выбор длины волны излучения источника 5, например, 980 нм, обусловлен тем, что вода, которая обычно присутствует в аналите, имеет полосы поглощения в спектральном интервале 920-1400 нм. Устройство снабжено датчиком 14 температуры в виде пленочного интерференционного покрытия торца оптического волновода 15, проведенного в камеру 2 через канал 16 и снабженного Y-образным разветвителем 17, одна ветвь 18 которого соединена с источником 12 ближнего инфракрасного диапазона через линзу 19, а другая ветвь 20 соединена со вторым фотоприемником 13, Подложка 1 герметично закрыта крышкой 21. Подложка 1 с герметично закрытой крышкой 21 помещена между холодильником 22 и нагревателем 23 (см. фиг. 2) с возможностью теплового контакта с нижней и верхней стенками камеры 2, для обеспечения заданного градиента температуры аналита в направлении, перпендикулярном продольной оси входного канала 9. Между источником 5 оптического излучения и камерой 2 введен дефлектор света 24, отклоняющий на величину Δх сфокусированный линзой 6 лазерный зондирующий свет в направлении градиента температур gradT аналита, при этом дефлектор 24 обеспечивает прохождение через аналит света через две области, отличающиеся температурой на величину ΔТ=(gradT) Δх. Устройство также включает блок 25 регистрации и обработки данных измерения температуры и разности интенсивностей прошедшего аналит света через две области, отличающиеся температурой на величину ΔТ. Выходы первого фотоприемника 5 и второго фотоприемника 13 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 25 регистрации и обработки данных измерения, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу холодильника 22 и входу нагревателя 23, а третий выход блока 25 регистрации и обработки данных измерения соединен с входом дефлектора 24 света. Определение разности интенсивностей в блоке 25 осуществляется методом синхронного детектирования сигнала. Опорный сигнал вырабатывается в узле сравнения блока 25 и подается на дефлектор 24. Блок 25 регистрации и обработки данных измерения по заданной программе устанавливает рабочие температуры нагревателя 23 и холодильника 22, контролирует температуру аналита с помощью датчика 14 температуры и второго фотоприемника 13, задает скорость изменения температуры аналита, усиливает полезный разностный сигнал, поступающий из узла сравнения и отображает результаты измерения на мониторе системы 25 в виде кривой на фиг. 5.
Настоящее устройство работает следующим образом. В камеру 2 через входной микрофлюидный канал 3 подают жидкий аналит, а по выходному микрофлюидному каналу 4 аналит вытекает из нее. По оптическому волноводу 7 излучение источника 5 видимого диапазона частот вводят в камеру 2. Часть излучения, прошедшего через аналит, через оптические волноводы 8 поступает на первый фотоприемник 11. В качестве оптических волноводов 7, 8, 15 могут быть использованы оптические волокна. При определенной температуре (например, 67°С для диоксида ванадия, 75°С для раствора белка) вещество аналита претерпевает фазовый переход, что сопровождается резким увеличением светорассеяния. Рассеянное излучение при этом поглощается оптическим поглощающим слоем 21 на стенках камеры 2. Это приводит к уменьшению сигнала первого фотоприемника 11, расположенного напротив лазерного источника 5 света (фиг. 1), что позволяет зарегистрировать температуру фазового перехода. Величина изменения сигнала первого фотоприемника 11, при проведении соответствующей калибровки, позволяет получить информацию о концентрации белка в аналите. Однако для повышения точности измерения первым фотоприемником 11 интенсивности оптического сигнала излучение источника 5 отклоняют вдоль градиента температур gradT=ΔТ/Δх в аналите, созданного холодильником 22 и нагревателем 23. Периодическое отклонение с частотой 1,5 кГц зондирующего луча Δх (зондирование разных областей аналита с отличающимися температурами) осуществляют с помощью дефлектора 24 света, выполненного, например, на основе электрооптического кристалла, управляемого блоком 25 регистрации и обработки данных измерения.
Пример. Была изготовлена подложка из натриево-силикатного стекла. В подложке были выполнены: камера в виде углубления круглой формы диаметром 10 мм и глубиной 5÷10 мм, входной и выходной микрофлюидные каналы шириной 50 мкм и глубиной 50 мкм. В подложке также были выполнены сообщающиеся с камерой каналы для установки оптических волноводов. Глубина каналов была равна 2 мкм, ширина равна 2 мм. Каналы и камера в подложке были изготовлены путем сканирования по заданной программе по поверхности стекла сфокусированного луча CO2 лазера. Оптический поглощающий слой был изготовлен методом ионного обмена Ag+↔Na+ (A. Tervonen, B.R. West, S. Honkanen, Ion-exchangedglasswaveguidetechnology: areview // Opt. Eng. 50 071107, 2011). Для этого в камеру помещали смесь нитратов серебра и натрия, нагревали до температуры 340°С и выдерживали в течение 30 минут. После этого расплав солей удаляли, а подложку выдерживали при температуре 560°С в течение 60 минут. В результате в приповерхностном слое стекла толщиной 30 мкм внутри камеры сформировались наночастицы серебра, имеющие высокое поглощение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. При этом стенки камеры остаются химически инертными по отношению к аналиту. В качестве оптических волноводов были использованы стандартные многомодовые оптические волокна из кварцевого стекла без полимерной оболочки. После установки волокон в соответствующие им каналы и их герметизации подложку сверху закрывали герметичной крышкой. Интерференционное покрытие, состоящее из пленок кремния толщиной 3 мкм и расположенной между пленками кремния пленки диоксида кремния толщиной 5,5 мкм. Пленки были изготовлены методом вакуумного напыления. Толщина пленок выбрана таким образом, что на длине волны 980 нм от интерференционного покрытия назад отражается не более 15%, а большая часть излучения проходит сквозь него. Охладитель и нагреватель были изготовлены на основе элементов Пельтье, питание которых осуществлялось блоком регистрации и обработки данных измерения. Дефлектор света был изготовлен из электрооптического кристалла, вырезанного в виде призмы, причем на параллельные грани призмы были нанесены металлическое электроды, к которым прикладывалось управляющее опорное напряжение частотой 1,5 кГц также от блока регистрации и обработки данных измерения, сформированного на базе персонального компьютера. На фиг. 4 показана температурная зависимость интенсивности прошедшего аналит света I(Т), зарегистрированная устройством-прототипом. Полученная зависимость хорошо апроксимируется степенной формулой I(Т)=К(Тс-Т)у,
где Тс - температура фазового перехода исследуемого аналита (раствор альбумина), К
y(Const) - показатель степени (критический индекс), б.р.;
K(Const) - коэффициент пропорциональности, Дж/К м2
На фиг. 5 приведена температурная зависимость изменения AI интенсивности прошедшего аналит света ΔI=I(T1)-I(T), зарегистрированная настоящим устройством;
где I(T1) - интенсивность зондирующего света (Дж/м2) при температуре Т1
I(Т) - интенсивность зондирующего света (Дж/м2) при температуре Т;
T1=Т+ΔТ, где Т1 - температура аналита вблизи нагревателя (K);
Т - температура аналита вблизи холодильника (K);
ΔТ=(gradT) Δх, (K);
Δх - расстояние вдоль градиента температур между двумя соседними областями аналита, через которые поочередно проходит зондирующий свет, м. Полученная зависимость ΔI по сути является дифференциалом функции I(Т), его величина пропорциональна ΔТ, а величина ΔТ подбирается экспериментально в зависимости от особенностей измеряемой функции I(Т) и с целью оптимизации отношения сигнал/шум.
Сравнение отношений сигнал/шум для приведенных кривых показывает, что настоящее устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита обеспечивает более точное измерение температурной зависимости интенсивности прошедшего аналит света в зоне детектирования по сравнению с устройством-прототипом.. Повышение отношения сигнал шум оказывается возможным благодаря фундаментальным физическим свойствам мультипликативных шумов (в отличие от аддитивных белых шумов): мультипликативные шумы допускают вычитание электрических сигналов с эффективным подавлением этих шумов. В дополнение к описанному варианту подавления шумов для дополнительного улучшения соотношения сигнал/шум в приводимом устройстве регистрации параметров жидкого аналита использовалось стандартное синхронное детектирование разностного сигнала ΔI.
1. Устройство для регистрации оптических параметров жидкого аналита, включающее подложку, в толще которой сформированы камера, входной и выходной микрофлюидные каналы, сообщающиеся с камерой, источник оптического излучения видимого диапазона частот, оптически соединенный через камеру с первым фотоприемником, источник излучения ближнего инфракрасного диапазона частот и второй фотоприемник, датчик температуры в виде пленочного интерференционного покрытия торца оптического волновода, расположенного в камере и снабженного Y-разветвителем, одна ветвь которого соединена с источником излучения ближнего инфракрасного диапазона, а другая ветвь соединена со вторым фотоприемником, а в стенках камеры у внутренних ее поверхностей сформирован светопоглощающий слой, отличающееся тем, что в устройство введен блок регистрации и обработки данных измерения, дефлектор света, расположенный между камерой и источником оптического излучения видимого диапазона частот, камера снабжена нагревательным и охлаждающим элементами, расположенными соответственно у нижней и верхней стенок камеры, при этом выходы первого и второго фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами блока регистрации и обработки данных измерения, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу холодильника и входу нагревателя, а третий выход блока регистрации и обработки данных измерения соединен с входом дефлектора света.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложка выполнена из химически инертного стекла.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пленочное интерференционное покрытие выполнено из последовательно нанесенных на торец оптического волновода чередующихся слоев полупроводника и диэлектрика толщиной 400-800 нм.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник оптического излучения видимого диапазона частот выполнен в виде лазера.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник оптического излучения видимого диапазона частот выполнен в виде лазерного диода.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светопоглощающий слой выполнен в виде слоя стекла, содержащего наночастицы металла.
7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что в качестве наночастиц металла использованы наночастицы серебра, или никеля, или железа, или меди.
