СПОСОБ ОТБОРА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ ИЗ ПОТОКА ЧАСТИЦ Российский патент 1998 года по МПК C12Q1/00 

Изобретение относится к микробиологическим исследованиям, а именно к способам улавливания биологических частиц из потока частиц разной природы в атмосфере или в условиях космоса с целью дальнейшего исследования пробы на наличие белковых молекул, микроорганизмов и вирусов.

Известен способ улавливания биологических частиц, содержащихся в воздухе, включающий пропускание воздуха через зону коронирующего электрода для приобретения частицами отрицательного заряда и осаждение частиц в камере на жидкую питательную среду под действием электрического поля, создаваемого вторым электродом (J. Bacterial Rev. 1966, v. 30, p. 576 584). Воздух в камере прокачивается с помощью воздуходувки со скоростью 200 л/мин. Напряжение на электродах 16 21 кВ.

Недостатком данного способа является невозможность использования его для отбора биологических проб в условиях космоса, а также невозможность обеспечения селективного отбора биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ изокинетического отбора биологических проб из потока частиц, включающий пропускание части потока частиц через пробоотборную камеру, формирование в камере электромагнитного поля и воздействие посредством него на поток частиц с последующим их осаждением в этой камере (Авт. св. СССР N 587154, МКИ C 12 K 1/00, опублик. 05.01.78).

Недостатком способа-прототипа является невозможность использования его для отбора биологических проб в условиях космоса, а также невозможность обеспечения селективного отбора биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности.

Задачей изобретения является создание такого способа отбора биологических проб из потока частиц, который позволил бы осуществлять селективный отбор биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности в условиях космоса и земной атмосферы.

Указанная задача решается тем, что в способе отбора биологических проб из потока частиц, включающем пропускание части потока частиц через пробоотборную камеру, формирование в камере электромагнитного поля и воздействие посредством него на поток частиц с последующим их осаждением в этой камере, согласно изобретению, для обеспечения возможности селективного отбора биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности, электромагнитное поле формируют посредством высокочастотного генератора в виде поля стоячей электромагнитной волны и дополнительного электрического поля перпендикулярно направленного электрической компоненте поля стоячей электромагнитной волны. Поток частиц в камере пропускают перпендикулярно электрическому и магнитному векторам поля стоячей электромагнитной волны. Причем магнитное поле стоячей электромагнитной волны устанавливают относительно ее электрического поля с постоянным по времени сдвигом на четверть периода колебаний.

После стоячей электромагнитной волны формируют в противоотборной камере, представляющей собой четвертьволновой резонатор.

Для торможения биологических частиц в камере формируют высокочастотное электрическое поле стоячей электромагнитной волны, которое поляризует биочастицы и слабо взаимодействует с другими нейтральными частицами неорганической природы. Указанное электрическое поле сдвигает положительные и отрицательные заряды в биочастицах и тем самым возбуждает в них поляризационный ток. Одновременно под действием дополнительного электрического поля, перпендикулярно направленного электрической компоненте поля стоячей электромагнитной волне, биочастицы вращаются вокруг своей оси, синхронно с изменением электрического и магнитного полей. В результате указанных взаимодействий биочастица не нагревается и на нее действует сила торможения, направленная всегда в одну сторону противоположную движению смеси частиц, подаваемых в пробоотборную камеру. Другие нейтральные частицы неорганической природы слабо взаимодействуют с электромагнитным полем и пролетают через камеру четвертьволнового резонатора.

Известен способ ускорения (торможения) нейтральных и заряженных частиц в поле стоячей электромагнитной волны в четвертьволновом резонаторе (камере осаждения частиц) за счет возбуждения электрическим компонентом осциллирующих поляризационных токов в частицах и синхронного взаимодействия этих токов с переменным магнитным компонентом электромагнитной волны Геккер И.Р. Взаимодействие сильных электромагнитных полей с плазмой. М. 1978. с.80 81).

Известен также способ ускорения (торможения) частиц в электромагнитном поле, создаваемом высокочастотным генератором в камере-резонаторе (патент США N 3360733, кл. 328 233, опублик. 1967. Частицы инжектируют в камеру-резонатор перпендикулярно электрическому и магнитному векторам электромагнитного поля.

Существенные отличия изобретения от известных способов торможения перемещающихся в потоке частиц, посредством взаимодействия их с электромагнитными полями, формируемыми в камере-резонаторе заключаются в том, что перенос электрического заряда в частицах предлагается осуществлять посредством вращения частиц, а не за счет проводимости, вследствие чего биологическая частица не нагревается за счет омических потерь, обусловленных поляризационными токами, проходящими при торможении электропроводящих нейтральных частиц в известных способах. При этом в предлагаемом способе биочастицы сохраняют свою биологическую активность.

На фиг. 1 представлена схема устройства для отбора биологических проб из потока нейтральных, в частности биологических частиц; на фиг. 2 то же, в случае двух последовательно установленных устройств; на фиг. 3 - экспериментальная установка для селективного торможения биологических частиц при отборе проб из воздуха.

Устройство для реализации способа отбора биологических проб из потока нейтральных частиц содержит один (фиг. 1) или ряд последовательно и соосно расположенных четвертьволновых резонаторов 1 (фиг. 2) в зависимости от кинетической энергии частиц, которую необходимо погасить при отборе проб этих частиц из потока. В противоположных торцевых стенках каждого резонатора 1 выполнены соосно окна 2 и 3. Перед первым резонатором напротив окна 2 установлен инжектор частиц 4. Ловушка 5 частиц размещена за последним резонатором перед окном 3. В боковой стенке резонатора установлен ввод 7 высокочастотной мощности, который соединен с генератором 6. В каждом резонаторе 1 установлены центральный электрод 8 и два дополнительных электрода 9 и 10. Электрод 10 соединен с верхней крышкой резонатора, а электроды 8 и 9 - с основанием резонатора 1. Размеры электродов 9 и 10 подбирают такими, чтобы обеспечить возбуждение противофазных колебаний на указанных электродах на основной частоте резонатора.

Способ отбора проб реализуют следующим образом.

Для торможения (осаждения) биочастиц в резонаторе 1 с помощью высокочастотного генератора 7 возбуждают стоячую электромагнитную волну, электрический и магнитный компоненты которой вблизи продольной оси резонатора, проходящей через центры окон 2 и 3, перпендикулярны направлению торможения биочастиц. Вдоль оси торможения частиц, проходящей через центры окон 2 и 3, возбуждается вращающееся электрическое поле с помощью дополнительных электродов 8 и 9. Подлежащие осаждению (отбору) биочастицы, например, споры, вирусы, бактерии подают инжектором 4 (вместе с другими частицами) в виде узконаправленного потока в полость резонатора 1 через окно 2 ортогонально электрическому и магнитному полям резонатора. В резонаторе 1 на каждую биологическую частицу (биочастицы обладают высокой поляризуемостью) (Авт. св. СССР N 1642353, МКИ G 01 N 27/22, опублик. 25.01.89), воздействует электрический компонент электромагнитного поля, который поляризует биочастицу т. е. сдвигает положительные и отрицательные заряды и тем самым возбуждает ток и наводит индуцированный дипольный момент частицы. Вращающееся электрическое поле создает момент сил, действующий на дипольный момент биочастицы и обеспечивающий ее вращение в направлении вращения электрической компоненты электромагнитной волны резонатора. По мере приближения частоты вращения частицы к частоте колебаний электромагнитной волны в резонаторе, поляризационный ток проходящий внутри биочастицы уменьшается и весь перенос заряда осуществляется за счет вращения частицы. В результате взаимодействия тока, обусловленного переносом заряда поляризованной биочастицы за счет ее вращения с магнитным полем резонатора возникает тормозящая сила направленная вдоль оси резонаторов. Таким образом, результирующая сила, действующая на биочастицу в резонаторе направлена от ловушки 5 к инжектору 4, и сообщает этим частицам определенный темп торможения, значительно превышающий темп торможения в способах-аналогах [3, 4] и при этом не нагревающая частицу за счет омических потерь обусловленных прохождением поляризационных токов. При этом биочастицы, потерявшие энергию, оседают в резонаторах 1, а частицы, имеющие малую поляризуемость (частицы неорганической природы, например космическая пыль) проскакивают в ловушку 5 или выбрасываются наружу из устройства, что обеспечивает селективный отбор. Необходимость селективности пробоотбора в космосе заключается в том что 99% массы Вселенной составляет космическая пыль с диаметром частиц 10 20 мкм (P.G. Martin "Cosmic Dust. Its Impact on Astronomy" Clarendon Press Oxford, 1978) [6] При этом, содержание биологических частиц в космической пыли ничтожно мало. При скоростях движения частиц, типичных в космическом пространстве 10 км/c и величине торможения частиц 10⁸ м/c² устройство обеспечивает полное торможение частиц на длине 0,5 м.

В качестве конкретного примера реализации способа ускорения биологических частиц служит экспериментальная установка для селективного торможения биологических частиц при изокинетическом пробоотборе из воздуха. Схема установки показана на фиг. 3.

Установка включает резонатор 1, размеры которого h 40 мм, D 20 мм. Резонатор 1 помещен во внешний вакуумируемый резервуар 11, соединенный с источником вакуума 12 и служащий для отделения аэрозольных частиц от основного потока воздуха. В резонаторе возбуждаются электромагнитные колебания на частоте 915 Мгц. В резонаторе возбуждается ТЕМ тип колебаний. Источником дополнительного электрического поля служат два электрода 9 и 10, один из которых соединен с основанием резонатора, а второй с крышкой резонатора. Введение двух дополнительных электродов позволяет получить вращающееся электрическое поле, обеспечивающее вращение биологических частиц. Работа СВЧ-генератора 6 осуществляется в импульсном режиме с длительностью импульсов t 2 мкс, с частотой следования импульсов 50 Гц, при импульсной мощности 500 кВт и средней мощности 50 Вт. В результате осуществляется изокинетический пробоотбор и селективное торможение биологических частиц и их концентрирование на центральном токоведущем электроде 8, а остальные частицы с малым дипольным моментом проскакивают в ловушку 5. Темп торможения составляет 10⁵ м/с² для биологических частиц с размером 10^-7 м, что на порядок больше темпа торможения диэлектрических частиц при аналогичных параметрах в аналогах [3, 4] Техническая эффективность предложенного способа подтверждается приведенными выше экстремальными данными. Вращение биочастиц с помощью дополнительного вращающегося электрического поля позволяет увеличить темп торможения биочастиц на порядок и при этом частицы не нагреваются из-за омических потерь от поляризационных токов.

Назначение: изобретение относится к микробиологическим исследованиям, а именно к способам улавливания биологических частиц из потока частиц разной природы в атмосфере или в услових космоса с целью дальнейшего исследования пробы на наличие белковых молекул, микроорганизмов и вирусов. Сущность изобретения: способ включает пропускание части потока частиц через пробоотборную камеру, формирование в камере электромагнитного поля и воздействие посредством него на поток частиц с последующим их осаждением в этой камере. Электромагнитное поле формируют посредством высокочастотного генератора в виде поля стоячей электромагнитной волны и дополнительного электрического поля перпендикулярно направленного электрической компоненте поля стоячей электромагнитной волны. Причем магнитное поле стоячей электромагнитной волны устанавливают относительно ее электрического поля с постоянным по времени сдвигом на четверть периода колебаний. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ отбора биологических проб из потока частиц, включающий пропускание части потока частиц через пробоотборную камеру, формирование в камере электромагнитного поля и воздействие посредством него на поток частиц с последующим их осаждением в этой камере, отличающийся тем, что электромагнитное поле формируют посредством высокочастотного генератора в виде поля стоячей электромагнитной волны и дополнительного электрического поля перпендикулярно направленного электрической компоненте поля стоячей электромагнитной волны, причем поток частиц в камере пропускают перпендикулярно электрическому и магнитному векторам поля стоячей электромагнитной волны, а магнитное поле стоячей электромагнитной волны устанавливают относительно ее электрического поля с постоянным по времени сдвигом на четверть периода колебаний. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют камеру, представляющую собой четвертьволновой резонатор.