АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ КРОВИ, ВЗВЕСИ КЛЕТОК И ИХ МЕМБРАН Российский патент 1997 года по МПК G01N11/06 

Изобретение относится к области биофизики, биохимии, физхимии коллоидных и истинных растворов и медицине, и может найти применение при исследовании реологии (вязкости) крови, взвесей клеток (эритроцитов, лимфоцитов, тромбоцитов, гепатоцитов, митохондрий, бактерий и др.) и их мембран, а кроме того для определения вязкости истинных растворов (низко- и высокомолекулярных) органической и неорганической природы.

Известен лабораторный капиллярный вискозиметр для жидких сред, содержащий капиллярную V-образную трубку, электронное устройство для отсчета времени истечении фиксированного объема испытуемой среды, выполненное в виде гибких световодов и фотодетекторных пар. Устройство для отсчета времени истечения снабжено щелевыми формирователями световых лучей, установленными на строго фиксированном расстоянии по высоте трубки (Авт. св. СССР N 221389, G 01 N 11/06, 1968).

Недостаток данного лабораторного капиллярного вискозиметра, на наш взгляд, в том, что требуется большой объем жидкости (8-10 мл). При биологических и медицинских исследованиях в этом случае требуется слишком большой объем пробы, чтобы достоверно измерить ее вязкость. В большинстве случаев это просто невозможно сделать из-за малого количества клеток в единице объема. Кроме того, данный прибор рассчитан на измерение вязкости в более узком диапазоне значений оптической плотности, так как предназначен для измерения вязкости нефтепродуктов. Для измерения вязкости крови взвеси клеток и их мембран требуется вискозиметр, могущий работать в более широком диапазоне значений оптической плотности раствора и обладающий большей чувствительностью, и гибкостью в настройке.

Предлагаемое устройство позволяет значительно уменьшить объем исследуемой пробы (0,3 мл), повысить чувствительность и точность измерения вязкости крови, взвесей клеток и их мембран, а также биологических жидкостей различной природы (лимфа крови, ликвор, стекловидное тело и т.д.). Это достигается тем, что вискозиметр Оствальда был модифицирован, что позволило значительно уменьшить объем исследуемой пробы. Каждый из двух оптронов, закрепленных на капилляре, был подключен к собственному усилителю, выполненных на операционных усилителях для формирования и стабилизации информационного сигнала, а измеритель времени был выполнен в виде отдельного счетчика импульсов и подключен к усилителю посредством схемы формирования импульса, характеризующего вязкость.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого вискозиметра 20 ЭВ (двухканальный оптоэлектронный вискозиметр); на фиг.2 сложение логических уровней задержанного и незадержанного информационных сигналов.

На фиг.1-2,4,6,8,10,14,16,18,21 первый и 3,5,7,9,11,15,17,19,22 - второй каналы двухканального усилителя.

1 модифицированный вискозиметр Оствальда.

1* сосуд для исследуемой пробы, в которую погружен вискозиметр.

2,4 верхняя оптопара (верхний оптрон).

3,5 нижняя оптопара (нижний оптрон).

2,3 излучающие фотодиоды оптопар (2,3,4,5 датчики).

4,5 приемные фотодиоды оптопар с щелевыми отверстиями.

6,7 преобразователи оптического сигнала в электрический.

8,9 инвертирующие операционные усилители постоянного тока (УПТ).

10,11 ключевые преобразователи аналогового сигнала в логический (цифровой).

12,13-(14,16,18 и 15,17,19) схемы формирования заднего фронта (спад импульса).

14,15 схемы незадержанного канала.

16,17 схемы задержанного канала.

18,19 схемы выделения заднего фронта импульса.

20 схема установки исходного состояния триггеров.

21,22 -RS-триггеры.

23 схема формирования импульса вязкости.

24 задающий генератор.

25 инвертор.

26 счетчик импульсов.

27 согласующее выходное устройство по току и напряжению нагрузки
28 индикатор (стандартный таймер).

Схема представляет собой два идентичных электронных канала, выполняющих одинаковые функции, но в разные моменты времени. Вначале включается верхний канал. Он формирует фронт импульса вязкости. Затем включается нижний канал, который формирует спад импульса вязкости. Таким образом, верхний канал включает анализируемый промежуток времени, а нижний канал выключает его.

Анализируемый промежуток времени формируется в виде однократного прямоугольного импульса строба "вязкости", который заполняется импульсами стабильной частоты и передается в другой самостоятельный прибор-индикатор, где анализируется и приводится к виду удобному для отсчета вязкости.

Формирование сигналов происходит следующим образом.

На датчике излучающие и принимающие фотодиоды расположены напротив друг друга и образуют оптопару, так что они "видят" друг друга и перекрываются только стеклом вискозиметра и жидкостью протекающей через вискозиметр. Формирование информационных сигналов происходит при стекании жидкости из вискозиметра.

Исходным состоянием вискозиметра 20ЭВ является наполнение трубки вискозиметра жидкостью и установка триггеров в начальные состояния путем нажатия кнопки "Сброс".

После того, как в трубке вискозиметра мениск движущейся из вискозиметра жидкости достиг уровня оптопары 2-4, оптическая плотность среды резко изменяется и принимающий фотодиод 4 оптопары, реагируя на кванты света как на источники энергии, с каждым резонансным квантом получает дополнительную порцию энергии, которая в соответствии с дискретными квантово-механическими закономерностями подталкивает электроны атомов полупроводника на вышестоящие орбиты, превращая тем самым нейтральный атом полупроводника в возбужденный, ионизированный или выталкивает электроны в зону проводимости, образуя тем самым в материале полупроводника пару электрон и дырку, которые по законам электродинамики и химии начинают свое движение внутри полупроводника по диффузионным, локальным или внешне прикладываем электромагнитным полям, концентрируясь в тех или иных местах.

Электроны как менее инерционные и более подвижные частицы движутся в сторону запорного слоя полупроводника, не проходя через него, а концентрируясь на нем и образуя фото-ЭДС, а менее подвижные "частицы"-дырки, движутся в противоположном направлении, образуя фото-ток.

В связи с этим есть возможность воспользоваться или фото-ЭДС, или фото-током. Это зависит от того, каким образом нагружается фотодиод: на высокоомной нагрузке выделяется фото-ЭДС, на низкоомной фото-ток.

В нашем приборе приемный фотодиод 4 оптопары 2-4 нагружается на высокоомную согласующую нагрузку неинвертированного входа преобразователя 6 (фиг. 1), представляющую собой очень большую активную нагрузку. Практически, весь входной электрический ток, создаваемый фотодиодом 4, проходя через эту нагрузку, поглощается и выделяется на ней, а внутрь микросхемы 6 не проходит и поэтому отвода выходного тока микросхемы 6 через входную цепь не происходит, а весь выходной ток, микросхемы 6 устанавливается по величине пропорциональной входной фото-ЭДС, который нагружается на низкоомную виртуальную нагрузку инвертированного входа следующей микросхемы, сказавшейся таким образом, разделенной с нагрузкой предыдущего операционного усилителя очень малым сопротивлением (практически бесконечно малым сопротивлением, которое можно считать коротким замыканием на землю). В этом и состоят согласующие возможности микросхемы 6.

Вместе взятые оптопара 2-4, микросхемы 6 и 8 представляют собой хорошо согласованный тракт информационного сигнала, пропускающий на выход всю возникающую на входе информацию.

Такой же согласованный тракт сигнала построен и на элементной базе 3-5; 7 и 9 (фиг.1).

Далее, усиленный информационный сигнал поступает на вход формирователя логического сигнала.

Сформированный логический сигнал на выходе схемы формирования имеет разный физический смысл. Так для прозрачных растворов, например, вода, буфер, коллоидные растворы имеем одни оптические характеристики, тогда как цельная кровь или разбавленная имеет совершенно другие оптические параметры. При работе с прозрачными коллоидными растворами (мембраны эритроцитов) сформированный логический сигнал с выхода формирователя поступает непосредственно на переключатель режима работы (буфер) (поз.12, фиг.1), тогда как при работе с кровью через инвертор 12 на схему выделения заднего фронта импульса (спада импульса). Второй канал работает таким же образом. Таким образом, данный прибор позволяет путем переключения режима работы измерять вязкость жидкостей с различной оптической плотностью.

Работа схемы выделения спада импульса основана на сложении и вычитании логических уровней напряжения задержанного информационного сигнала с незадержанным (фиг.2).

Сформированный импульс спада отрицательной полярности воздействует непосредственно на RS-триггер.

Исходное состояние триггера устанавливается с помощью схемы сброса 20, которая представляет собой схему задержки во времени переднего фронта импульса включения питающих напряжений.

Формирование строба импульса пропорционального вязкости осуществляется двухвходовой схемой 23, входы которой запитаны от разных выходов триггеров, обеспечивающих фронт и спад импульсов вязкости.

В результате сложения на элементе 23 (фиг.1) двух выходных ступенек логических напряжения триггеров 21 и 22, на выходе элемента 23 формируется одиночный, прямоугольный, отрицательной полярности импульс строб, который поступает на инвертирующий клапан 25 и на управляющие входы счетчика импульсов 26.

В данной конструкции прибора для удобства эксплуатации применено два счетчика импульсов: один собран на элементе 26, который производит подсчет импульсов, поступающих от задающего генератора 24, собранного на кварце, имеющем высокую степень стабилизации и обеспечивающем высокую точность взаимоповторяемости результатов измерения.

Сформированные на счетчике 26 по требуемым параметрам счетные импульсы поступают на развязывающий, буферный, инвертор, элемента 27, с выхода которого генерируется пачка прямоугольных импульсов. Число импульсов в пачке пропорциональное вязкости исследуемого раствора, транслируется в индикаторный счетчик (28), выполненный на любом стандартном приборе и откалиброванный, для удобства пользования, в единицах вязкости.

Использование: для определения вязкости крови, вязкости клеток и их мембран. Сущность изобретения: устройство содержит измерительный капилляр, на котором размещены два оптрона, соединенные посредством усилителя со схемой формирования импульса, характеризующего вязкость, а также измеритель времени. Усилитель выполнен в виде двух каналов формирования и стабилизации информационного сигнала, причем каждый канал подключен к одному из оптронов, а измеритель времени выполнен в виде счетчика импульсов и подключен к усилителю посредством схемы формирования импульса, характеризующего вязкость. 2 ил.

Автоматическое устройство для определения вязкости крови, взвеси клеток и их мембран, содержащее измерительный капилляр, на котором размещены два оптрона, соединенных посредством усилителя со схемой формирования импульса, характеризующего вязкость, а также измеритель времени, отличающееся тем, что усилитель выполнен на основе операционных усилителей в виде двух каналов формирования и стабилизации информационного сигнала, причем каждый канал подключен к одному из оптронов, а измеритель времени выполнен в виде счетчика импульсов и подключен к усилителю посредством схемы формирования импульса, характеризующего вязкость.