ДЕТЕКТОР ПОДВИЖНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 1999 года по МПК C12M1/34 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к оптическим биосенсорам. В настоящее время подвижные микроорганизмы (ПМ) в воде регистрируются наблюдением посредством оптического микроскопа, методами биолюминесценции, селективного окрашивания. Общим недостатком этих методов и устройств на их основе является низкая степень автоматизации измерений.

Известно устройство для регистрации ПМ, содержащее оптически связанные источник лазерного излучения, кювету и фотоприемник (ФП) [1]. При этом регистрируется спектр флуктуации интенсивности рассеянного излучения, который различен для чисто броуновских частиц и ПМ. Недостатком такого устройства является низкая чувствительность, поскольку на полезный сигнал накладываются шумы самого лазерного излучения, особенно заметные при малых углах рассеяния. В то же время известно, что именно в малых углах рассеяния максимально отличие спектра броуновских частиц от ПМ [2].

Наиболее близким к заявляемому устройству является "Устройство биотестового контроля загрязнения жидкости" [3] (прототип) в котором используются две кюветы и два фотоприемника, оптически связанные каждый со своей кюветой, освещаемыми одним источником лазерного излучения. При этом наблюдаются спектры флуктуаций интенсивности рассеяния в обоих кюветах и по их отличию судят о наличии ПМ в одной из кювет или о различной их активности в кюветах. Недостатком прототипа также является ограничение по чувствительности, обусловленное шумами лазерного излучения, поскольку эти шумы присутствуют в обоих регистрируемых спектрах. Общим недостатком, в том числе и прототипа, является то, что зондируемый объем, ограниченный диаметром зондирующего пучка, меньше объема кюветы. При этом наличие ПМ в кювете может быть не обнаружено просто потому, что они находятся вне зондируемого объема. В то же время увеличение диаметра пучка приводит к уменьшению чувствительности, а увеличение длины кюветы - к потерям рассеянного излучения.

Целью изобретения является повышение чувствительности устройства за счет подавления влияния шумов лазерного излучения на выходной сигнал ФП, а также за счет увеличения зондируемого объема.

Сущность изобретения состоит в том, что имеются два ФП, оптически связанные с исследуемой кюветой. ФП расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через оптическую ось устройства и вблизи друг от друга, но на расстоянии, большем радиуса пространственной корреляции X рассеянного излучения, который для малых углов рассеяния определяется по формуле [4]
X = λR/3,14w (1)
где λ - длина волны лазерного излучения, R - расстояние от плоскости рассеяния до плоскости ФП, w - диаметр лазерного пучка в плоскости рассеяния. Фактически X - это размер "зерна" спекл-картины в плоскости ФП. Выходы ФП связаны с различными входами дифференциального усилителя (ДУ), выход которого связан со входом блока обработки, например, Фурье-спектрометра. Т.е. на блок обработки подается только разностный сигнал ФП, содержащий информацию только о динамических процессах в кювете. Действительно, средняя интенсивность излучения, попадающего на каждый ФП, одинакова, а флуктуации этой интенсивности оказываются в фазе на обоих ФП и вычитаются ДУ. Полезный же сигнал - флуктуации интенсивности, обусловленные рассеянием на подвижных частицах - нескоррелирован, т.е. относительная фаза этого сигнала на двух ФП является случайной величиной и не только не вычитается ДУ, но даже усиливается в раз. Для дальнейшего усиления полезного сигнала может использоваться еще одна пара ФП, сигналы которых вычитаются еще одним ДУ, выходные сигналы обоих ДУ вычитаются третьим ДУ и на его выходе полезный сигнал усиливается уже в 2 раза. Естественно, устройство может содержать и большее число таких вычитающих каскадов, каждый из которых увеличивает отношение сигнал/шум в раз.

Для увеличения зондируемого объема при данном диаметре пучка кювета выполнена в виде отрезка оптического волновода с внутренним диаметром, меньшим или равным диаметру зондирующего пучка. При этом излучение, рассеянное на ПМ, находящихся в любой части кюветы, т.е. на различном расстоянии от плоскости ФП, попадают на ФП за счет отражения от стенок волноводной кюветы.

На фиг. 1а, б представлена блок-схема устройства, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - кювета с исследуемой средой, 3 - фотоприемники (они могут располагаться в плоскости, не совпадающей с плоскостью чертежа), 4, 12 - дифференциальные усилители, 5 - блок обработки и индикации. На фиг. 2 схематически представлены осциллограммы напряжений на входах (6 и 7) и выходе (8) дифференциального усилителя 4. На фиг. 3 представлены Фурье-спектры выходного сигнала блока обработки 5, демонстрирующие увеличение отношения сигнал/шум в предлагаемом устройстве, где 9 - спектр выходного сигнала при выключенном лазере, т.е. только шума электроники (ФП и усилителя), 10, 11 - спектр выходного сигнала при включенном лазере, одноканальная и двухканальная схема соответственно.

Устройство состоит из источника лазерного излучения 1 (фиг. 1а), оптически связанного с длинной цилиндрической, например, стеклянной, кюветой 2, расположенной соосно с пучком лазерного излучения, диаметр которого больше или равен внутреннему диаметру кюветы 2. Кювета 2 длинная в том смысле, что ее длина гораздо больше внутреннего диаметра, т.е. представляет собой отрезок полого оптического волновода. С выходной стороны кюветы 2 имеются два ФП 3, оптически связанных с кюветой 2 и установленных симметрично плоскости, проходящей через оптическую ось устройства (т.е. они могут быть расположены над плоскостью чертежа). ФП расположены вблизи друг от друга, но не ближе радиуса пространственной корреляции излучения X определяемого по формуле (1). Выходы ФП связаны с различными входами дифференциального усилителя 4, выход которого связан с блоком обработки и индикации 5. Поскольку рассеянное от микроорганизмов излучение распространяется в некотором телесном угле, для увеличения чувствительности устройства могут быть установлены другие пары ФП аналогично первой паре ФП 3, расположенные симметрично относительно оптической оси устройства.

На фиг. 1б представлен пример регистрации рассеянного сигнала двумя парами ФП. В этом случае выходы дифференциальных усилителей 4 каждой пары связаны с различными входами третьего дифференциального усилителя 12, выход которого связан с блоком обработки и индикации 5. При большем количестве пар ФП сигналы с них вычитаются попарно, пока не сформируется один выходной сигнал, связанный с блоком 5.

Устройство работает следующим образом.

Пучок излучения лазерного источника 1 проходит через кювету 2 вдоль ее оси, заполняя все ее сечение, и рассеивается на подвижных объектах (броуновских частицах и микроорганизмах) в жидкости. Излучение, рассеянное под углом α, регистрируется ФП 3. Более строго, ФП регистрируют излучение, рассеянное в некоторый набор углов α ± δα, определяемый видимым угловым размером торца кюветы 3 относительно светочувствительных площадок ФП. Поскольку кювета 2 волноводная, излучение, рассеянное частицами, находящимися далеко от выходного торца кюветы 2, отражается от ее внутренней поверхности и это излучение также попадает на ФП 3 (изображено пунктиром на фиг. 1а). Таким образом, за счет использования волноводной кюветы достигается увеличение зондируемого объема без потери чувствительности на единицу объема. Сигналы с выходов ФП 3 поступают на дифференциальный усилитель 4, где вычитаются, и выходной сигнал усилителя 4 регистрируется блоком 5. При наличии двух пар ФП выходные сигналы соответствующих усилителей 4 вычитаются третьим усилителем (12 на фиг. 1б), выходной сигнал с которого поступает на блок 5.

На осциллограммах 6 и 7 (фиг. 2) представлены выходные сигналы ФП 3. Шумы излучения условно представлены низкочастотными, а сигнал от рассеяния в среде - высокочастотный. После вычитания (осциллограмма 8) в выходном сигнале остается только нескоррелированная составляющая сигнала, обусловленная рассеянием в среде.

В качестве демонстрации положительного эффекта от использования двух ФП указанным образом на фиг. 3 представлены экспериментальные Фурье-спектры, полученные в макетном образце предлагаемого устройства (двухканальная схема) в сравнении с традиционной схемой (один из каналов выключен, одноканальная схема). Здесь 9 - спектр выходного сигнала при выключенном лазере, т.е. только шума электроники (ФП и усилителя), 10, 11 - спектр выходного сигнала при включенном лазере, одноканальная и двухканальная схема соответственно. Отметим, что выигрыш в отношении сигнал/шум тем больше, чем меньше угол рассеяния α, а именно малые углы рассеяния предпочтительны при детектировании подвижных микроорганизмов.

Литература
1. "Photon Correlation and Light Beating Spectroscopy", edited by H.Z. Cummins and E.R.Pike, Plenum Press, New York and London, 1974.

2. Ralph Nossal. Spectral Analysis of Laser Light Scattered from Motile Microorganisms // Biophysical Journal, vol. 11, pp. 341-354, 1971.

3. А.С. СССР N 1406153, кл. C 12 M 1/34, 1988.

4. N.Takai, T.Iwai, and T.Asakura. Correlation Distance of Dynamic Speckles // Applied Optics, vol. 22. N 1, pp. 170-177, 1983.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптическим биосенсорам, и может использоваться, например, для контроля качества воды. Устройство позволяет обнаружить наличие подвижных микроорганизмов в воде оптическими методами. Техническим результатом является повышение чувствительности измерений за счет использования двух или более регистрирующих фотоприемников, установленных так, что шумовая составляющая зондирующего излучения синфазна на обоих фотоприемниках, а полезный сигнал, обусловленный рассеянием на подвижных микроорганизмах, невкоррелирован на обоих фотоприемниках. Это позволяет устранить синфазную помеху путем вычитания сигналов ФП. Увеличение чувствительности достигается также тем, что кювета выполнена в виде отрезка полого оптического волновода, что позволяет увеличить ее длину, т.е. увеличить зондируемый объем без уменьшения чувствительности на единицу объема. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Детектор подвижных микроорганизмов, например, в воде, содержащий источник лазерного излучения, оптически связанный с кюветой с исследуемой жидкостью, два фотоприемника и блок обработки и индикации, отличающийся тем, что оба фотоприемника оптически связаны с кюветой и установлены симметрично относительно плоскости, проходящей через оптическую ось устройства вблизи друг друга, но так, чтобы расстояние между фоточувствительными площадками фотоприемников и их характерный размер был больше характерного размера X пространственной корреляции интенсивности рассеянного в кювете излучения, где X определяется по формуле
X = λR/3,14w,
λ - длина волны лазерного излучения;
R - расстояние от плоскости рассеяния до плоскости фотоприемников;
w - диаметр лазерного пучка в плоскости рассеяния,
выходы фотоприемников связаны с различными входами дифференциального усилителя, выход которого связан со входом блока обработки и индикации. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что имеется, по крайней мере, еще одна пара фотоприемников, установленных аналогично первой, выходы которых связаны с различными входами еще одного дифференциального усилителя, выходы обоих дифференциальных усилителей связаны с различными входами третьего дифференциального усилителя, выход которого связан с входом блока обработки и индикации. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кювета выполнена в виде отрезка полого оптического волновода, длина которого гораздо больше ее диаметра, диаметр лазерного пучка больше либо равен диаметру кюветы, а оптическая ось пучка совпадает с оптической осью кюветы.