Устройство для измерения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и суспензиях биологических объектов с использованием оптико-волоконного кислородного сенсора Российский патент 2022 года по МПК G01N21/01 

Описание патента на изобретение RU2786374C1

Изобретение относится к области приборов/устройств для непрерывного определения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и биологических суспензиях.

Известен (SU, авторское свидетельство 1193561, опубл. 23.11.1985) датчик растворенного кислорода. Известный датчик содержит корпус, заполненный электролитом, в котором размещены анод, катод и компенсатор давления, выполненный в виде эластичного элемента, подвижно установленного относительно корпуса датчика, закрепленного в его торцовой части накидной гайкой. Газопроницаемая мембрана закреплена на рабочей поверхности катода, выполненного профилированным и с рисками на рабочей поверхности.

Недостатками данного устройства являются усложненность конструкции датчика, содержащей большое число элементов, сложность и высокая трудоемкость изготовления и сборки датчика, низкая надежность в работе.

Известно также (US, патент 7208071, опубл. 24.04.2007) устройство для анализа растворенного кислорода, которое содержит катод и анод, отделенные от исследуемой среды кислородпроницаемой мембраной и погруженные в электролит. Известное устройство обеспечивает низкий фоновый ток при прикладывании потенциала к катоду за счет выбора задаваемого соотношения площади и длины диффузионного канала для остаточного кислорода в электролите на катоде.

Однако известное устройство является достаточно трудоемким и недолговечным, поскольку требует периодического контроля аналитических характеристик устройства и периодической замены мембраны.

Известен (RU, патент 2225437, опубл. 10.03.2004) аппарат для регистрации потребления кислорода митохондриями или клетками, включающий термостатируемую ячейку с выполненной внутри кюветой для размещения в ней исследуемого образца, снабженную пробкой с отверстием для внесения проб и реагентов, датчик потребления кислорода и электронный модуль для передачи сигналов с датчика на компьютер. Термостатируемая ячейка снабжена датчиками, позволяющими регистрировать дополнительно мембранный потенциал, концентрацию ионов кальция и набухание, кювета, выполнена в виде шестигранной призмы, при этом датчики имеют форму усеченного конуса и расположены горизонтально в отверстиях стенки ячейки перпендикулярно граням кюветы.

Недостатком известного аппарата следует признать использование электрохимических датчиков, в частности полярографического электрода (типа Кларка) для измерения концентрации кислорода. Он требует частого обслуживания, потребляет кислород в процессе измерения, восприимчив к электромагнитным наводкам и может отравляться серосодержащими соединениями.

Данный источник информации принят в качестве ближайшего аналога разработанного технического решения.

Техническая проблема, решаемая использованием разработанного устройства, состоит в расширении ассортимента устройств для измерения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и суспензиях биологических объектов и устранении недостатков известных устройств.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в предотвращении диффузии кислорода из атмосферы в объем измеряемого образца, что позволяет повысить точность и аккуратность анализа концентрации и скорости изменения концентрации растворенного кислорода в биологической суспензии, при одновременном и непрерывном механическом перемешивании образца, и обеспечения поддержания заданной температуры, что расширяет область применения кислородного датчика в медико-биологических исследованиях, а также устраняет потребление кислорода в процессе измерения, облегчает эксплуатацию устройства (нет необходимости в периодической замене электролита, в устройстве отсутствует кислородопроницаемая мембрана).

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное устройство для измерения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и суспензиях биологических объектов с использованием оптиковолоконного кислородного сенсора. Разработанное устройство содержит измерительную ячейку, выполненную с возможностью герметичного монтажа радиально ориентированного кислородного датчика, представляющего собой сборку, содержащую, по меньшей мере, один Y-образный оптоволоконный жгут со составным сердечником, составленный из двух физически перемешанных пучков волокон, предназначенных для разделения оптических путей возбуждения и регистрации оптического сигнала, причем против торца первого пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены излучатель возбуждающего излучения и светофильтр, а против торца второго пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены светофильтр фотоприемник, напротив общего торца оптоволоконного жгута расположено приспособление для размещения сменного элемента с нанесенным слоем материала, чувствительного к кислороду, также устройство содержит герметичную крышку с, по меньшей мере, одним центральным отверстием, предназначенным для дренажа избыточного объема и обеспечения постоянного объема реактора для обеспечения ввода реактивов, в ячейку вмонтирована магнитная мешалка.

Обычно в качестве источника света возбуждения оптоволоконного датчика используется светодиод, излучающий в диапазоне поглощения света кислород-чувствительным компонентом в составе кислород-чувствительной пленки/материала, а качестве приемника света оптоволоконного датчика используется фотодиод, чувствительный в области излучения кислород-чувствительного компонента в составе кислород-чувствительной пленки/материала.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства оно выполнено с возможностью добавления чувствительного к кислороду индикатора в анализируемую пробу, помещенную в измерительную ячейку.

Конструкция разработанного измерительного устройства отличается наличием в теле устройства:

а) измерительной ячейки, обеспечивающей герметичный монтаж кислородного датчика, и герметичную крышку с, предпочтительно, одним центральным отверстием для дренажа избыточного объема, обеспечения постоянного объема реактора и для обеспечения ввода реактивов; эта же крышка обеспечивает одновременно изоляцию содержания измерительной ячейки и предотвращает контакт поверхности водного раствора и/или водной суспензии биологических объектов с атмосферой;

б) конструкция ячейки обеспечивает/ герметичное крепление кислородного датчика, путем монтажа общего конца волоконного жгута, таким образом, который позволяет экспонировать кислород чувствительный элемент в объем водной суспензии, и предотвращает обмен жидкостью и/или газами с окружающей атмосферой;

в) конструкция устройства содержит в себе вмонтированную магнитную мешалку, для механического размешивания содержания реактора в измерительной ячейке магнитным размешивателем, через дно измерительной ячейки.

Устройство работает следующим образом. Для определения кислорода может использоваться металлокомплекс порфирина (или его производного, например октаэтилпорфирина). В этом случае в качестве источника возбуждающего излучения используют светодиод с максимумом испускания 405 нм со светофильтром, отсекающим ультрафиолетовую и длинноволновую компоненты спектра испускания светодиода. Для регистрации излучения можно использовать кремниевый фотодиод широкого спектра поглощения с широкополосным светофильтром, отсекающим в регистрируемом излучении длины волн менее 630 нм. Индикатор иммобилизуют в газопроницаемой матрице (пленке), размещаемой вблизи общего торца волоконного жгута, или непосредственно добавляют к анализируемому раствору. Для измерения концентрации вещества индикатор в пленке или в растворе облучают возбуждающим излучением и регистрируют порождаемую флуоресценцию/фосфоресценцию. Интенсивность регистрируемого сигнала пересчитывают в концентрацию измеряемого вещества по методу градуировочного графика. Вместо интенсивности в качестве аналитического сигнала можно использовать время жизни возбужденного состояния индикаторного красителя. При этом техническое исполнение оптической схемы идентично, меняется только алгоритм работы электронной схемы возбуждения и обработки регистрируемого сигнала.

В конструкции предлагаемого оптоволоконного датчика в качестве источника света возбуждения использован другой светодиод, излучающий в диапазоне поглощения света кислород-чувствительным компонентом в составе кислород-чувствительной пленки (покрытия). В качестве приемника света фосфоресценции предлагается использовать фотодиод, чувствительный в области излучения кислород-чувствительного компонента в составе кислород-чувствительной пленки (покрытия).

Конструкция разработанного устройства позволяет предотвратить диффузию кислорода из атмосферы в объем измеряемого образца, что позволяет повысить точность и аккуратность анализа концентрации и скорости изменения концентрации растворенного кислорода в биологической суспензии, при одновременном и непрерывном механическом перемешивании образца, и обеспечения поддержания заданной температуры, что расширяет область применения кислородного датчика в медико-биологических исследованиях.

Для достижения указанного технического результата разработана конструкция кислородного датчика, который горизонтально и герметично монтируется в тело измерительной ячейки, с выходом кислород-чувствительного торца, покрытого пленкой, содержащей кислородный сенсор, в объем измерительной ячейки, обеспечивая непрерывное определение концентрации растворенного кислорода в биологических водных жидкостях. Согласно разработанной технологии измерения в измерительную ячейку устройства, в который вмонтирован и герметично закреплен датчик, вносят измеряемый образец (водный раствор или биологическая водная суспензия). Для введения в исследуемый раствор используют герметично закрепляемую крышку, в которой предусмотрены отверстия для микрошприцов, позволяющих вводить и выводить из объема суспензии определенный объем жидкости, в том числе делать добавки растворов субстратов, токсикантов и др.

Предлагаемое решение обладает отсутствием реакции на внешние электрические помехи или шумы, вследствие исключения электрохимических реакций из процесса измерения концентрации кислорода.

Похожие патенты RU2786374C1

название год авторы номер документа
Устройство для непрерывного многопараметрического мониторинга физико-химических характеристик биологических суспензий 2022
  • Мельников Павел Валентинович
  • Холмухамедов Эхсон Лукманович
  • Зайцев Николай Конкордиевич
RU2786399C1
Оптоволоконный сенсор на структурированных пучках оптических волокон 2022
  • Мельников Павел Валентинович
  • Холмухамедов Эхсон Лукманович
  • Зайцев Николай Конкордиевич
RU2786398C1
Устройство для исследования жидких сред 1986
  • Холмухамедов Эхсон Лукманович
SU1656438A1
Способ определения массовой концентрации молекулярного кислорода в органической жидкости 2018
  • Зайцев Николай Конкордиевич
  • Мельников Павел Валентинович
  • Яштулов Николай Андреевич
  • Наумова Алина Олеговна
  • Рагуткин Александр Викторович
RU2685763C1
Устройство для анализа биологических растворов и суспензий 1990
  • Зинченко Валерий Петрович
  • Шамаров Альвиан Матвеевич
SU1777056A1
МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСЫ ПОРФИРИН-КЕТОНОВ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА В ЖИДКОЙ ИЛИ ГАЗОВОЙ СРЕДЕ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА 1992
  • Папковский Д.Б.
  • Пономарев Г.В.
  • Курочкин И.Н.
  • Чернов С.Ф.
RU2064948C1
УСТРОЙСТВО СИГНАЛИЗАЦИИ ПОЖАРО-ВЗРЫВООПАСНОЙ СИТУАЦИИ В ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ 1997
  • Соколов А.С.
  • Рыльцев Н.В.
  • Осин Н.С.
  • Лившиц А.И.
  • Зайцев С.Н.
  • Петров А.В.
RU2138856C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО КОНТРОЛЯ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ МНОЖЕСТВА АМПЛИФИКАЦИЙ НУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ 2005
  • Алексеев Яков Игоревич
  • Варламов Дмитрий Александрович
  • Коновалов Сергей Владимирович
  • Курочкин Владимир Ефимович
  • Маракушин Николай Федорович
  • Петров Александр Иванович
  • Петряков Александр Олегович
  • Скоблилов Евгений Юрьевич
  • Соколов Валерий Николаевич
  • Фесенко Владимир Анатольевич
  • Чернышев Андрей Владимирович
RU2304277C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОТНОСИТЕЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОТРАЖЕННОГО ОТ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2017
  • Сулейманов Эльхан Абдуллаевич
  • Лощенов Виктор Борисович
  • Савельева Татьяна Александровна
  • Грачев Павел Вячеславович
  • Волков Владимир Владимирович
  • Урлова Антонина Николаевна
  • Каприн Андрей Дмитриевич
  • Филоненко Елена Вячеславовна
RU2652965C1
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА, СНАБЖЕННЫЕ ЛИНЗАМИ ПУТЕМ ФОТОПОЛИМЕРИЗАЦИИ, И ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ 2002
  • Руайе Паскаль
  • Башело Рено
  • Экоффе Кароль
  • Луньо Даниель-Жозеф
RU2312381C2

Реферат патента 2022 года Устройство для измерения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и суспензиях биологических объектов с использованием оптико-волоконного кислородного сенсора

Изобретение относится к устройствам для непрерывного определения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и биологических суспензиях. Устройство для измерения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и суспензиях биологических объектов с использованием оптико-волоконного кислородного сенсора включает измерительную ячейку, выполненную с возможностью герметичного монтажа радиально ориентированного кислородного датчика, представляющего собой сборку, содержащую по меньшей мере один Y-образный оптоволоконный жгут с составным сердечником, составленный из двух физически перемешанных пучков волокон, предназначенных для разделения оптических путей возбуждения и регистрации оптического сигнала, причем против торца первого пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены излучатель возбуждающего излучения и светофильтр, а против торца второго пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены светофильтр фотоприемник, напротив общего торца оптоволоконного жгута расположено приспособление для размещения сменного элемента с нанесенным слоем материала, чувствительного к кислороду, также устройство содержит герметичную крышку с по меньшей мере одним центральным отверстием, предназначенным для дренажа избыточного объема и обеспечения постоянного объема реактора для обеспечения ввода реактивов, в ячейку вмонтирована магнитная мешалка. Техническим результатом является предотвращение диффузии кислорода из атмосферы в объем измеряемого образца, повышение точности и скорости изменения концентрации растворенного кислорода в биологической суспензии. 3 з.п. ф-лы.

Формула изобретения RU 2 786 374 C1

1. Устройство для измерения концентрации растворенного кислорода в водных растворах и суспензиях биологических объектов с использованием оптико-волоконного кислородного сенсора, отличающееся тем, что оно содержит измерительную ячейку, выполненную с возможностью герметичного монтажа радиально ориентированного кислородного датчика, представляющего собой сборку, содержащую по меньшей мере один Y-образный оптоволоконный жгут с составным сердечником, составленный из двух физически перемешанных пучков волокон, предназначенных для разделения оптических путей возбуждения и регистрации оптического сигнала, причем против торца первого пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены излучатель возбуждающего излучения и светофильтр, а против торца второго пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены светофильтр фотоприемник, напротив общего торца оптоволоконного жгута расположено приспособление для размещения сменного элемента с нанесенным слоем материала, чувствительного к кислороду, также устройство содержит герметичную крышку с по меньшей мере одним центральным отверстием, предназначенным для дренажа избыточного объема и обеспечения постоянного объема реактора для обеспечения ввода реактивов, в ячейку вмонтирована магнитная мешалка.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника света возбуждения оптоволоконного датчика использован светодиод, излучающий в диапазоне поглощения света кислород-чувствительным компонентом в составе кислород-чувствительной пленки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве приемника света оптоволоконного датчика использован фотодиод, чувствительный в области излучения кислород-чувствительного компонента в составе кислород-чувствительной пленки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью добавления чувствительного к кислороду индикатора непосредственно в анализируемую пробу, помещенную в измерительную ячейку.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2786374C1

АППАРАТ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА МИТОХОНДРИЯМИ ИЛИ КЛЕТКАМИ 2002
  • Красников Б.Ф.
RU2225437C1
US 7208071 B2, 24.04.2007
Датчик растворенного кислорода 1984
  • Чирков Игорь Михайлович
  • Осипов Владимир Алексеевич
  • Таранюк Леонид Сильвестрович
  • Кожевников Александр Васильевич
  • Леин Леонид Николаевич
  • Евсеев Александр Ефимович
  • Костогрыз Петр Васильевич
  • Писарев Станислав Иванович
  • Лобуренко Константин Анатольевич
SU1193561A1
УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ 2014
  • Плешков Дмитрий Игнатьевич
  • Кулаков Алексей Тимофеевич
  • Понуровский Яков Яковлевич
  • Шаповалов Юрий Петрович
  • Надеждинский Александр Иванович
RU2598694C2

RU 2 786 374 C1

Авторы

Мельников Павел Валентинович

Холмухамедов Эхсон Лукманович

Зайцев Николай Конкордиевич

Даты

2022-12-20Публикация

2022-04-08Подача