УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ АГЕНТОВ И ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2006 года по МПК G01N21/01 A61N5/00 G01N33/487 

Изобретение относится к измерительной технике, применяемой в ветеринарии, медицине и пищевой промышленности, в частности к устройствам анализа многокомпонентных, дисперсных сред, и может быть использовано для автоматического экспресс-анализа наличия заданного объекта в биологической среде сложного состава, например для контроля наличия в среде биологических агентов (вирусов, бактерий и других микроорганизмов), токсинов (алкоголя, наркотика), чужеродных белковых образований, (например, добавок соевого белка в молоке, а также по содержанию в нем солей тяжелых металлов: свинца, кадмия, цинка, ртути, мышьяка и т.д.). База данных составляется из спектров неупругого рассеивания и распределения спектральных характеристик интенсивности электромагнитного излучения в зоне минимальных значений диаграммы рассеивания излучения пробы, состоящей из базовой биологической среды и исследуемого объекта.

Известно устройство для неинвазивной экспресс-диагностики, использующее базу данных, созданную на основе обработки электромагнитной информации от точек акупунктуры, содержащее источник питания, измерительный блок и электроды с соединителем для подключения тестирующих элементов, выполненных в виде микрорезонансных контуров. В данном устройстве источник питания выполнен со стабилизатором тока, а измерительный блок - в виде измерителя электропроводности, подключенного к сигнальным выходам стабилизатора (авт. св. SU №1600696, 1990 г.). Однако отсутствует информация о том, с помощью какого устройства может быть сформирована используемая база данных.

Известно также устройство для неинвазивной экспресс-диагностики, содержащее электроды, источник, измеритель и блок управления, подключенный к входу блока электронного коммутатора, соединенного с базой данных (патент SU №1787016, 1993). В этом устройстве база данных представляет собой набор микрорезонансных контуров, каждый из которых выполнен в виде легкоплавкого вещества, соответствующего определенному медикаментозному препарату. При эксплуатации устройства происходит подключение различных микрорезонансных контуров к точкам акупунктуры пациента. Известное устройство имеет низкую точность диагностики, обусловленную использованием микрорезонансного контура. Поэтому значительный круг различных вирусов, бактерий и других биологических агентов не может быть диагностирован при его использовании. Сведения об устройстве, с помощью которого формируется база данных, в патенте SU №1787016 также отсутствуют.

Известно устройство для неинвазивной экспресс-диагностики, содержащее базу данных с коммутатором, состоящую из ячеек с структурой, соответствующей спектральной характеристике электромагнитного излучения определенного химического вещества или микроорганизма, и с возможностью подключения к контуру, содержащему последовательно соединенные первый электрод, блок анализа измеряемого тока, выполненный с возможностью временного хранения информации, источник питания и второй электрод, а также блок управления (обработки информации), который соединен с блоком анализа измеряемого тока и с коммутатором базы данных (патент RU №2190349, 2002 г.). Недостатком этого устройства и используемой им базы данных являются проблемы, связанные с тиражированием и хранением, а также с невозможностью записать большое количество информации на один носитель.

В патенте РФ №2199356, 2003 г. описано устройство для записи на кристалл поляризованного электромагнитного излучения микроорганизмов. Устройство содержит рабочую ячейку для размещения исследуемого микроорганизма, средство для изменения температуры, вспомогательную ячейку и средство для записи спектра излучения, в частности с использованием кристаллов кремния, германия, алмаза или арсенида галлия. Запись собственного электромагнитного излучения патогенных микроорганизмов производится при их инактивации.

Предлагаемое устройство позволяет сформировать базу данных, обеспечивающую непрерывность анализа и заметное повышение достоверности информации. При этом достигается компактность и быстродействие устройства при расширении его функциональных возможностей, таких как возможность длительного хранения и тиражирования базы.

Устройство для формирования базы данных для определения биологических агентов и химических веществ согласно изобретению включает блок по крайней мере с одним источником когерентного поляризованного монохроматического электромагнитного излучения в оптическом диапазоне или ближнем ИК-диапазоне (полупроводниковым лазером), рабочую ячейку для определяемого объекта, блок для записи и считывания оптической информации, набор ячеек базы данных для хранения информации о спектрах комбинационного рассеивания или распределении спектральных характеристик интенсивности электромагнитного излучения в зоне минимальных значений диаграммы рассеивания излучения, а также блок управления (например, в виде программируемого микропроцессора или программируемой логической интегральной схемы), имеющий выход на компьютер.

Блок для записи и считывания оптической информации может включать оптический диск с регистрирующим слоем на фазовых переходах, или голографическое устройство, или кристалл, содержащий два слоя с разными кристаллическими решетками и разными типами проводимости.

Одного источника когерентного электромагнитного излучения достаточно, если исследуемый объект дает пик фотолюминесценции в видимом диапазоне. В то же время, некоторые биологические объекты и химические вещества не имеют пика фотолюминесценции в видимом диапазоне и, как показывают исследования [У.Дьюли. Лазерная технология и анализ материалов. М.: Мир, 1996 г.], не все вещества дают характерные спектры в этой области, что понижает вероятность обнаружения объекта.

Для таких случаев устройство может содержать блок с тремя источниками излучения в оптическом и/или ближнем ИК-диапазоне, а также дополнительно содержать светоделитель и поворотное устройство и выполненное с возможностью регулирования угла между источниками и приемниками излучения. Кроме того, в состав устройства могут входить блок для записи и считывания оптической информации и спектроанализатор для контроля части спектра, записываемого в базу, и перестройки частотного диапазона.

Каждая из ячеек блока для записи и считывания содержит информацию, соответствующую спектральной характеристике электромагнитного излучения определенного химического вещества или микроорганизма. Устройство содержит также спектроанализатор для контроля части спектра, записываемого в базу и перестройки частотного диапазона в случае необходимости.

На Фиг.1 изображена блок-схема устройства с одним источником излучения. Схема устройства с блоком, содержащим три источника когерентного монохроматического излучения с разными длинами волн, показана на Фиг.2.

Устройство с двумя источниками излучения может не обеспечить надежной идентификации объекта в связи с тем, что, как показали расчеты, подтвержденные и экспериментальным набором статистических измерений, ошибки распознавания первого и второго рода колеблются от 1 до 10%, что несовместимо с требованиями к медицинским приборам. Три источника дают ошибки распознавания порядка десятых долей процента. Число источников излучения более трех также возможно, но при этом практически не уменьшаются ошибки распознавания и тем самым не увеличивается эффективность, в то же время, это усложняет конструкцию и увеличивают появление случайных ошибок, связанных с ухудшением отношения сигнал/шум при обработке сигнала. Такие конструктивные варианты на чертежах не показаны и далее не рассматриваются.

В простейшем варианте исполнения (с одним источником излучения) устройство работает следующим образом. От источника 1 монохроматического излучения излучение поступает на ячейку 4, содержащую базовую среду и исследуемый объект (вирус, микроорганизм). После этого излучение поступает в блок 6 для записи и считывания оптической информации (преобразующий оптическую информацию, например, с помощью двухслойной пластинки медь-оксид меди). После преобразования оптической информации в электрическую информационный сигнал поступает в блок 8 хранения и обработки информации, состоящий из программируемого микропроцессора и логической интегральной схемы.

Более сложный конструктивный вариант устройства (Фиг.2) работает следующим образом. Излучение от трех монохроматических когерентных, поляризованных источников (лазеров) с различными длинами волн в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне излучения с блока 1 последовательно направляют (например, по световому волокну 2) на светоделитель 3. После светоделителя 3, часть излучения направляют на ячейку 4, содержащую базовую среду (воду, спирт, солевые растворы и т. д.) и исследуемый биологический агент (вирус, бактерию). После прохождения ячейки 4 излучение одновременно поступает в спектроанализатор 5 и в блок 6 для записи и считывания оптической информации, содержащий в себе перезаписываемый носитель информации, установленный на поворотном устройстве 7, которое позволяет менять угол между приемником оптической информации и источником излучения. Блок 6 для записи и считывания оптической информации, например устройство, содержащее регистрационный слой на фазовых переходах (Оптические дисковые системы, под. ред Стельмаха. М.: Наука, 1987 г.) или голографическое устройство (А.А.Акаев, С.А.Майоров. Оптические методы обработки информации М.: Высшая школа, 1988), необходим для длительного хранения базы данных спектров большого количества исследуемых объектов и для точного воспроизведения при перезаписи и тиражирования. После анализа показаний спектранализатора 5, подбирается узкий участок спектра и угол между источником излучения в блоке 2 и приемником блока 6 для записи так, чтобы записанный участок спектра имел наиболее характерные особенности. После этого производится считывание информации, причем в качестве источника опорного сигнала берется излучение того же лазера, прошедшее через светоделитель 3. Считываемый аналоговый оптический сигнал поступает в базу данных [Могильная Т.Ю., Прохоров К.А., Сагитова Е.И., Сафронов И.А. Возможности оптических методов для исследования структурного состояния алюмосиликатных нанокомпозитов. Материалы Второго международного симпозиума «Аэрокосмические приборы и технологии», Санкт-Петербург, 17-20 сентября 2002, стр.72.].

Заявленное устройство позволяет переписывать без искажений информацию о спектральном распределении биологического агента или химического вещества, допускает массовое тиражирование базы, сохранение большого количества информации на одном носителе и допускает сроки хранения без перезаписи в течение нескольких десятилетий. [Оптические дисковые системы, под. ред Стельмаха. М.: Наука, 1991], что позволяет составлять и постоянно пополнять базу данных при появлении новых биологических агентов для проведения неинвазивной экспресс-диагностики и контроля примесей в биологических средах.

Изобретение относится к устройствам анализа многокомпонентных, дисперсных сред и может быть использовано для экспресс-анализа наличия заданного объекта в биологической среде сложного состава. База данных составляется из спектров неупругого рассеивания и распределения спектральных характеристик интенсивности электромагнитного излучения в зоне минимальных значений диаграммы рассеивания излучения пробы, состоящей из базовой биологической среды и исследуемого объекта. С ее помощью можно контролировать наличие в организме вирусов, бактерий, токсинов (алкоголя, наркотика) или определять чужеродные компоненты (например, добавки соевого белка в молоке, а также содержание в нем солей тяжелых металлов: свинца, кадмия, цинка, ртути, мышьяка и т.д.). Устройство включает блок по крайней мере с одним источником когерентного поляризованного монохроматического электромагнитного излучения, рабочую ячейку для определяемого объекта, блок для записи и считывания оптической информации, набор ячеек базы данных для хранения информации о спектрах комбинационного рассеивания или распределении спектральных характеристик интенсивности электромагнитного излучения в зоне минимальных значений диаграммы рассеивания излучения, а также блок управления, имеющий выход на компьютер. Блок для записи и считывания оптической информации содержит оптический диск с регистрирующим слоем на фазовых переходах, или голографическое устройство, или кристалл, содержащий два слоя с разными кристаллическими решетками и разными типами проводимости. Устройство может содержать блок с тремя источниками излучения в оптическом и/или ближнем ИК-диапазоне, светоделитель, спектроанализатор для контроля частей спектра и поворотное устройство и выполнено с возможностью регулирования угла между источниками и приемниками излучения. Источники излучения могут быть встроены в единый блок с программируемым микропроцессором, или программируемой логической интегральной схемой. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для формирования базы данных для определения биологических агентов и химических веществ, включающее блок по крайней мере с одним источником когерентного поляризованного монохроматического электромагнитного излучения, рабочую ячейку для определяемого объекта, приемный блок для записи и считывания оптической информации с набором ячеек базы данных для хранения информации о спектрах комбинационного рассеяния или распределения спектральных характеристик интенсивности электромагнитного излучения в областях минимальных значений диаграммы рассеяния излучения, а также блок управления, имеющий выход на компьютер, при этом блок для записи и считывания оптической информации содержит оптический диск с регистрирующим слоем на фазовых переходах, или голографическое устройство, или кристалл, содержащий два слоя с разными кристаллическими решетками и разными типами проводимости.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит блок с тремя источниками излучения в оптическом и/или ближнем ИК диапазоне, дополнительно содержит светоделитель и поворотное устройство и выполнено с возможностью регулирования угла между источниками и приемниками излучения.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит спектроанализатор для контроля частей спектра.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что источники излучения встроены в единый блок с блоком управления, выполненным в виде программируемого микропроцессора или программируемой логической интегральной схемы.