ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА В ГОМОГЕНАТАХ ИССЛЕДУЕМЫХ ТКАНЕЙ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N27/48 

Изобретение относится к экспериментальной медицине и предназначено для измерения, обработки и регистрации количества молекулярного кислорода в гомогенатах исследуемых тканей.

Известные конструкции поляриметров, как правило, содержащие электролизер, датчик из двух электродов с обязательным погружением их в исследуемую среду и соединенные с источником питания (1, 2, 3, 4). Их применение позволяет определять зависимость между силой тока, содержанием кислорода в исследуемых тканях и охарактеризовать качественные величины электрохимического процесса, связанного с кислородом, протекающего в биологических тканях (1, 2, 3, 4).

Недостатками подобных полярометрических устройств явлются

1. Низкая помехозащищенность от внешних электромагнитных помех.

2. Наличие компенсационной электролитической ячейки, усложняющей процесс сбора информации.

3. Отсутствие системы автоматической коррекции ошибки, которая вызвана температурной нестабильностью усилителей.

4. Отсутствие возможности хранения результатов измерений в форме, удобной для математической и аналитической обработки накопленной информации.

5. Жесткая логика работы системы.

Недостатками способов применения подобных полярометрических устройств являются

1. Низкая степень процесса автоматизации измерительной системы.

2. Отсутствие автоматизированной системы обработки полученной информации.

Техническим результатом применения устройства и способа для измерения, обработки и регистрации количества молекулярного кислорода в гомогенатах исследуемых тканей является

1. Полное представление о содержании молекулярного кислорода в гомогенате исследуемой ткани.

2. Повышение точности и стабильности результатов измерения.

3. Возможность хранения и накопления информации о результатах измерений в форме, удобной для дальнейшей их математической и аналитической обработки.

4. Создание автоматизированной системы сбора и обработки информации.

5. Поддержание стабильной температуры эксперимента.

Технический результат достигается за счет использования

1. Дифференциального усилителя постоянного тока с высоким входным сопротивлением 100 кОм, выполненного по схеме автоматической балансировки с возможностью подавления импульсных помех, который имеет высокий коэффициент (60 dB) подавления синфазного сигнала переменного электромагнитного поля, вызванного посторонним источником излучения (дифференциальные усилители в описанных в доступной нам литературе конструкциях полярометрических устройств имеют коэффициент подавления синфазного сигнала порядка 20-30 Db, что на два-три уровня ниже, чем в предлагаемом устройстве).

2. Наличия автоматической балансировки в схеме дифференциального усилителя уменьшает температурную нестабильность в модуле измерения и управления и приводит к уменьшению величины систематической погрешности измерений в содержании молекулярного кислорода.

3. ПЭВМ (персональный компьютер), осуществляет автоматизированный сбор и обработку поступающей с модуля измерения и управления информации.

4. Возможностей использования мощного математического аппарата прикладного программного обеспечения различных фирм производителей.

5. Возможностей ПЭВМ (персональный компьютер), при хранении больших объемов информации.

На фиг.1 представлена полная структурная схема предлагаемого полярометрического устройства для измерения, обработки и регистрации количества молекулярного кислорода в гомогенатах исследуемых тканей.

1, 2 - контакты,

3 - модуль измерения и управления,

4 - термонагревающий элемент,

5-ПЭВМ,

6 - управляемый блок питания,

7 - измерительная электролитическая ячейка (ИЭЯ),

8 - блок термостатирования (БТ),

9 - ограничительный резистор.

На фиг.2 приведена более подробная блок-схема модуля измерения и управления 3, состоящего из

3а - БП (блок питания усилителя преобразователя);

3б - Диф. УПТ (дифференциальный усилитель постоянного тока с высоким входным сопротивлением - 100 кОм);

3в - Компаратор (модуль сравнения преобразования);

3г - ГОЧ (генератор опорной частоты - высокостабильный кварцевый генератора 1 Гц/1000 Гц);

3д - Эл. Ключ (электронный ключ - модуль формирования цифрового сигнала).

Полярометрическое устройство работает следующим образом:

Гомогенат ткани помещают в измерительную электролитическую ячейку (ИЭЯ)7. ИЭЯ 7 представляет собой стеклянный цилиндр со сливом с впаянной в дно стеклянного цилиндра платиновой проволочкой. Для лучшего контакта платиновой проволочки с раствором гомогената тканей на дно ИЭЯ 7 наливается ртуть. Созданное таким образом электропроводящее дно осуществляет лучший контакт с исследуемым раствором гомогената ткани и является первым электродом. Второй электрод представляет собой стеклянную проводящую систему, содержащую KCl, полый внутри и устанавливаемую сверху в ИЭЯ 7 с обязательным погружением в жидкую фазу. Жидкой фазой ИЭЯ 7 является раствор трис-буфера с определенным рН и гомогената исследуемой ткани. Гомогенат тканей добавляем в раствор трис-буффера из расчета 1/10 с обязательным автоматическим перемешиванием содержимого. Для уменьшения тепловых погрешностей в эксперименте в ИЭЯ 7 вводят термонагревающий элемент 4 для поддержания заданной температуры в жидкой фазе ИЭЯ 7.

По команде оператора ПЭВМ 5 включает управляемый блок питания 6, который начинает выдавать напряжение питания величиной 2 вольта на измерительную электролитическую ячейку (ИЭЯ) 7. Затем ПЭВМ 5 переводит блок термостатирования (БТ) 8 с помощью термонагревающего элемента 4 в режим автоматического поддержания температуры раствора трис-буфера и гомогената ткани, находящегося в ИЭЯ 7. После чего запускается процесс сбора и обработки информации, поступающей на ПЭВМ 5 с модуля усиления измерения и управления 3, работающего следующим образом.

Электрический сигнал с контактов 1 и 2 подается на вход дифференциального усилителя 36 модуля измерения и управления 3, где он усиливается и очищается от импульсных и синфазных помех. Далее усиленный сигнал подается на вход модуля сравнения преобразования - компаратор 3в, на другой вход которого поступают импульсы пилообразной формы постоянной амплитуды и частоты (1 Гц) с высокостабильного генератора опорной частоты - ГОЧ 3г. Процесс стабилизации импульсов выполняется кварцевым резонатором, входящим в состав ГОЧ 3г.

Компаратор 3в производит сравнение сигналов обоих видов и формирование импульсов прямоугольной формы переменной длительности постоянной частоты и имеющих следующую функциональную зависимость:

где

Т_и - длительность импульса на выходе компаратора;

U_вх - величина напряжения, зависящая от содержания в измерительной электролитической ячейке кислорода;

F - частота следования импульсов. В нашем случае она равна 1 гц.

Данный вид импульсов управляет работой электронного ключа 3д, на другой вход которого подаются импульсы более высокой частотой - 1000 Гц с ГОЧ 3г. В схеме электронного ключа 3д происходит сложение двух видов импульсов, в результате объединения импульсов обоего вида на выходе электронного ключа 3д формируется цифровой электрический сигнал, удобный для обработки на ПЭВМ 5, несущий в себе полную информацию о количестве молекулярного кислорода в гомогенате исследуемой ткани.

Полученный таким образом сигнал поступает на вход ПЭВМ 5, где он подвергаются предварительной математической обработке и сохранению в форме файла на жестком диске. После завершения работы устройство отключается управляемым блоком питания 6. Время эксперимента задается на ПЭВМ 5.

После окончания эксперимента сохраненная информация может быть подвергнута математической обработке и представлена в виде таблиц, графиков в соответствии с поставленными целями и задачами эксперимента. Обработанная информация дает полное представление о содержании молекулярного кислорода в исследуемом объекте.

Предлагаемое полярометрическое устройство для измерения, обработки и регистрации количества молекулярного кислорода в гомогенатах исследуемых тканей имеет следующие технические характеристики:

время одного измерения 1 секунда;

чувствительность измерительного комплекса по входу составляет 10-15 мВ на 1% молекулярного кислорода;

точность измерения не менее 1%;

минимальное время регистрации процесса 1 минута;

максимальное время регистрации зависит от характеристик персонального компьютера и ограничивается свободным пространством на жестком диске;

напряжение питания 220 В 50 Гц.

Система имеет возможность дистанционной передачи информации по любому известному информационному каналу связи (сотовый канал, телефонный канал и т.д.).

Пример.

Гомогенат исследуемой ткани погружают в электролитическую ячейку.

По команде оператора ПЭВМ 5 включает управляемый блок питания 6, который начинает выдавать напряжение питания величиной 2 вольта на измерительную электролитическую ячейку (ИЭЯ) 7. Затем ПЭВМ 5 переводит блок термостатирования (БТ) 8 в режим автоматической поддержки температуры исследуемого раствора гомогената ткани, находящегося в ИЭЯ 7. После чего запускается процесс сбора и обработки информации, поступающей на ПЭВМ 5 с модуля измерения и управления 3. Время эксперимента задается на ПЭВМ 5 в зависимости от цели эксперимента.

Сигналы поступают на ПЭВМ 5 с модуля измерения и управления 3, где в дифференциальном усилителе постоянного тока с высоким входным сопротивлением 100 кОм 3б происходит усиление сигналов, очищение их от импульсных и синфазных помех, их дальнейшая подача на схему сравнения - компаратор 3в. К другому входу компаратора 3в поступают импульсы пилообразной формы постоянной амплитуды и частоты (1 Гц) с высокостабильного генератора опорной частоты (ГОЧ) 3г. В компараторе Зв производится сравнение сигналов обоих видов и затем формирование импульсов прямоугольной формы переменной длительности постоянной частоты. Данный вид импульсов определяет работу электронного ключа (Эл. Ключ) 3д. На вход электронного ключа (Эл. Ключ) 3д подаются импульсы более высокой частоты 1000 Гц с генератора опорной частоты (ГОЧ) 3г. В схеме электронного ключа (Эл. Ключ) 3д производится сложение импульсов прямоугольной формы переменной длительности постоянной частоты, формируемых в компараторе Зв и импульсов более высокой частоты 1000 Гц с генератора опорной частоты (ГОЧ) 3г. В результате объединения в электронном ключе (Эл. Ключ) 3д импульсов обоего вида на выходе электронного ключа (Эл. Ключ) 3д формируется цифровой электрический сигнал, удобный для обработки на ПЭВМ 5, где он с помощью математической программы обрабатывается и сохраняется на жестком диске в виде файла.

Во время эксперимента на экране ПЭВМ 5 отражается время исследования, а также температура жидкой фазы в измерительной электролитической ячейке (ИЭЯ) 7.

Сохраненная информация о содержании молекулярного кислорода в виде файла на жестком диске после математической обработки преобразуются затем в таблицы, графики.

На фиг.3 изображен график, свидетельствующий о содержании молекулярного кислорода в гомогенате исследуемой ткани. По оси ординат под аббревиатурой «концентрация молекулярного кислорода в мкмолях» обозначена концентрация молекулярного кислорода, выраженная в мкмолях, а по оси абсцисс под аббреавиатурой «время эксперимента в секундах» определяется время эксперимента. По графическому изображению содержания молекулярного кислорода в гомогенате исследуемой ткани по нескольким точкам мы можем проследить также и динамику изменения содержания молекулярного кислорода в исследуемой ткани.

В полярометрическом устройстве для измерения, обработки и регистрации содержания молекулярного кислорода в гомогенатах исследуемых тканей и способе его применения использовано более совершенное схемотехническое решение, выполненное на базе дифференциального усилителя постоянного тока с высоким входным сопротивлением 100 кОм со встроенной системой подавления импульсных и синфазных помех более высокого класса, при этом

1. Измерительный усилитель имеет систему автоматической балансировки, позволяющую свести к минимуму систематическую ошибку измерения, вызванную температурными колебаниями, связанными с окружающей средой и разогревом элементов электронных схем модуля усиления преобразования.

2. Автоматизирован процесс сбора и обработки данных за счет использования ПЭВМ.

3. Стало возможным использовать мощности математического аппарата современного прикладного программного обеспечения.

Литература

1. О.А.Алешин. Химический анализ. - Л.: Наука, 1954. - С.43.

2. Е.А.Коваленко, В.А.Березовский, И.М.Эпштейн. Полярографическое определение кислорода в организме. - М.: Медицина. - 1975. - 230 с.

3. Руководство по изучению биологического окисления полярографическим методом. - М.: Наука. - 1973, - 220 с.

4. Р.М-Ф.Салихджанова, Г.И.Гинзбург. Полярографы и их эксплуатация в практическом анализе и исследованиях. - М.: Химия. - 1988. - 160 с.

Изобретение относится к экспериментальной медицине. Поляриметрическое устройство для определения содержания молекулярного кислорода в гомогенатах исследуемых тканей включает в себя измерительную электролитическую ячейку, ограничительный резистор, контакты, модуль измерения и управления, блок термостатирования с термонагревающим элементом, ПЭВМ и управляемый блок питания. Измерительная электролитическая ячейка выполнена в виде стеклянного цилиндра со сливом и двумя электродами, одним из которых является электропроводящее дно, которые через контакты и ограничительный резистор подключены к модулю измерения и управления и управляемому блоку питания. К модулю измерения и управления также присоединен блок термостатирования с термонагревающим элементом. ПЭВМ через модуль измерения и управления соединен с управляемым блоком питания и измерительной электролитической ячейкой, а также с блоком термостатирования и термонагревающим элементом. Также предложен способ определения содержания молекулярного кислорода в гомогенатах исследуемых тканей. При реализации изобретения обеспечивается полное представление о содержании молекулярного кислорода в гомогенате исследуемой ткани, повышение точности и стабильности результатов измерения; возможность хранения и накопления информации о результатах измерений в форме, удобной для дальнейшей их математической и аналитической обработки, создание автоматизированной системы сбора и обработки информации, поддержание стабильной температуры эксперимента. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Поляриметрическое устройство для определения содержания молекулярного кислорода в гомогенатах исследуемых тканей включает в себя измерительную электролитическую ячейку, ограничительный резистор, контакты, модуль измерения и управления, блок термостатирования с термонагревающим элементом, ПЭВМ (персональный компьютер), управляемый блок питания, отличающееся тем, что измерительная электролитическая ячейка выполнена в виде стеклянного цилиндра со сливом и двумя электродами, одним из которых является электропроводящее дно (платиновая проволочка, впаянная в дно стеклянного цилиндра со сливом и соприкасающейся с ней ртутью), которые через контакты и ограничительный резистор подключены к модулю измерения и управления и управляемому блоку питания, к модулю измерения и управления также присоединен блок термостатирования с термонагревающим элементом, при этом ПЭВМ через модуль измерения и управления соединен с управляемым блоком питания и измерительной электролитической ячейкой, ПЭВМ, соединенный с модулем измерения и управления также соединен с блоком термостатирования и термонагревающим элементом.2. Способ определения содержания молекулярного кислорода в гомогенатах исследуемых тканей, включающий регистрацию сигналов от измерительной электролитической ячейки, их сбор, сортировку, обработку и сохранение в реальном времени с помощью ПЭВМ, отличающийся тем, что сигналы поступают на ПЭВМ с модуля измерения и управления, где в дифференциальном усилителе постоянного тока с высоким входным сопротивлением 100 кОм, выполненном по схеме автоматической балансировки, имеется возможность подавления импульсных помех с высоким коэффициентом (60 dB) подавления синфазного сигнала переменного электромагнитного поля, при этом происходит усиление сигналов, очищение их от импульсных и синфазных помех с дальнейшей подачей на схему сравнения - компаратор, к которому также поступают импульсы пилообразной формы постоянной амплитуды и частоты (1 Гц) с высокостабильного генератора опорной частоты, где процесс стабилизации импульсов выполняется кварцевым резонатором, компаратор производит сравнение сигналов обоих видов с последующим формированием на выходе импульсов прямоугольной формы переменной длительности постоянной частоты, с генератора опорной частоты на вход электронного ключа подаются импульсы более высокой частоты - 1000 Гц, где в дальнейшем и происходит сложение импульсов прямоугольной формы переменной длительности постоянной частоты, формируемых в компараторе, и импульсов более высокой частоты 1000 Гц, идущих с генератора опорной частоты, объединение импульсов обоего вида в электронном ключе на выходе формирует цифровой сигнал, удобный для обработки и сохранения на жестком диске в виде файла на ПЭВМ.