Способ исследования биологической пробы с поверхности кожи Советский патент 1992 года по МПК G01N33/48 

Изобретение относится к области исследования организма человека или животного, конкретнее - к получению и исследованию биологических проб внутренней среды организма с диагностическими целями.

В настоящее время известен ряд способов неинвазивного получения биопроб для их дальнейшего масс-спектрометрического анализа.

Известен способ, по которому прокачивают газ через камеру с находящимся в ней живым объектом, берут пробу выходящего газа в объеме 5-10 мл. и исследуют эту пробу методом масс-спектрометрии. Недостаток способа-аналога состоит в отсутствии возможности локализации участка организма, из которого получена проба.

Возможность локализации достигается в способе-прототипе, который является способом исследования биологической пробы с поверхности кожи путем отбора биологически активных компонентов пробы в вакуумироеанный объем с последующей регистрацией их содержания.

Согласно способу, к участку наружного кожного покрова прикладывают селективную газопроницаемую мембрану, отделяющую этот участок от вакуумированного объема. В указанном объеме производят ионизацию атомов, проходящих сквозь мембрану, и измеряют парциальное давление по величине ионного тока между электродами, Недостаток способа-прототипа состоит в отсутствии возможности анализа состава выделяющихся из организма газов, невозможности раздельного анализа различных газов из-за комплексного селективного действия мембраны, низких значениях быстродействия и чувствительности из-за необходимости накопления достаточного количества газов для измерения ионного тока, т.е. большом времени анализа.

Целью данного изобретения является ускорение анализа, повышение информативности за счет расширения спектра анализируемых компонентов.

VJ

VJ

Ю v| 4 СЛ

Изобретение поясняется чертежами,, где на фиг. 1-4 поясняется применение данного способа.

На фиг. 1-4 обозначены: 1 - поверхность кожи, 2 - вакуумный канал, 3 - стенки вакуумного канала, 4 - диафрагма, 5 - откачка вакуумными насосами, б - источник потока лазерного излучения или атомных частиц, ВЭУ - вторично-электронный умножитель.

В соответствии с предложенным способом на определенного размера участок поверхности кожи человека или животного воздействуют высоковакуумным разрежением, и за счет этого отбирают компоненты пробы. Компоненты пробы при этом оказываются в вакууме, где они сразу же могут быть зарегистрированы и исследованы. Совмещение операций отбора пробы и ее анализа позволяет повысить быстродействие вплоть до измерений зависимости содержания биопробы от времени в процессе ее извлечения. Минимальное время отбора - анализа пробы составляет, как показали проведенные испытания и оценки, 10...1р секунды, давление вблизи вакуумирован- Tioro участка кожи 10 ...10 Торр, чувствительность лучше, чем 10 г.

Достигается исключение традиционных этапов: забор крови, лимфы и др. бипроб, их обработка, выполнение технологических приемов (химический анализ, измерение и т.д.). Подключение аналитического прибора непосредственно к поверхности кожи человека или животного позволяет не только по- высить быстродействие анализов внутренней среды, сократив время одного исследования на единицы, десятки и сотни минут, но и расширить спектр анализируемых компонентов.

Наибольшими чувствительностью и быстродействием из аналитических приборов отличаются вакуумные масс-спектрометры, в том числе в наиболее современном тан- демном варианте, в сочетании с жидкостным или газовыми хроматографами, в режиме бомбардировки мишени потоком лазерного излучения или атомных частиц. В этих приборах время измерения спектра масс в широком интервале значений массовых чисел может составлять приблизительно 10 ...1 с, т.е. время измерений сокращается еще на единицы-сотни минут. Высокая информативность вакуумных приборов состоит в возможности измерения в интервале массовых чисел, например 1...20000 с разрешением 10...1000.

В соответствии с изобретением, вакуум- ный аналитический прибор, например, масс-спектрометр, подключен к участку кожи и осуществлена вакуумная откачка канала, причем поверхность кожи и аналитический прибор разделены диафрагмой. Минимальный размер d отверстия диафрагмы определяется следующими факторами:

- отверстие не должно создавать селекцию атомов и молекул, т.е. минимальный размер отверстия должен быть больше наибольших размеров молекул м, при этом спектр регистрируемых молекул рас0 ширяется на порядок и более;

-отверстия должны защищать вход аналитического прибора от попадания отрывающихся частичек, чешуек, рогового слоя кожи, имеющих размеры м. Отсюда:

5 устройство работоспособно при d м. Максимальный размер отверстия определяется следующими факторами:

-осуществляется защита поверхности кожи от травматических воздействий меха0 нических растяжений, обусловленных втягиванием в вакуумный канал, при размере отверстий d , установленном эмпирически.

Использование вакуумного уплотнения

5 между входом в вакуумный канал и поверхностью кожи, использование быстродействующих вакуумных насосов позволяют обеспечить давление во входной секции вакуумного канала до ... Торр. При

0 этом имеется градиент давления в толще кожи, и у ее поверхности возникают следующие основные процессы:

-химические вещества (газы и пары), растворенные в крови и тканях организма,

5 вскипают, происходит их диффузионное движение через поры поверхности кожи под действием градиента давления. Этому способствует эластичное растягивание участка кожи в вакуумный канал, приводящее к рас0 ширению пор и усилению газообмена. Таким образом, экстрагирующее действие устройства приводит к формированию потока частиц, вылетающих в вакуум с поверхности кожи. Концентрация и массовый спектр

5 частиц в этом потоке, измеренные в различные моменты времени от начала вакуумной экстракции, несут диагностическую информацию о состоянии организма;

-эмиттировэнные с поверхности кожи 0 частицы движутся преимущественно по

прямолинейным траекториям, т.к. длина свободного пробега частиц между столкновениями намного больше размеров вакуумной области. Установление оси вакуумного 5 канала в направлении вдоль траектории частицы, использование аналитических приборов, основанных на измерении какой-либо характеристики траектории частицы, например, радиуса кривизны в электромагнитном поле, времени пролета, длины

траектории до коллектора, позволяют достичь наилучших результатов исследований, типичных для современной вакуумной масс-спектрометрии.

Способ по п.2 позволяет дополнительно ускорить анализ и повысить его чувствительность путем воздействия на вакуумиро- взнный участок кожи потоком лазерного излучения, электронов или быстрых нейтральных частиц, например, атомов инертных газов с энергией 1...10 кэВ. При этом, как показали испытания, достигаются следующие процессы:

-физиологический разогрев поверхности кожи на 5...100C, расширение пор, повышение интенсивности эмиссии частиц на 1-2 порядка;

-стерильное распыление химических веществ, находящихся как в крови, так и в межклеточной и внутриклеточной жидкостях кожи, в области вакуумного воздействия, образование микроотверстий в капиллярах, забор микрокапель крови и других жидкостей в области вакуумного анализа;

-ионизация и ионизационная фрагментация исследуемых частиц.

Таким образом, создание потока лазерного излучения или атомных частиц в вакуумном канале, направленного на исследуемый участок кожи, позволяют расширить информативность и экспрессность диагностических приемов.

Работа устройства для реализации способа происходит следующим образом. Пусть количество отверстий п 1, диаметр отверстий d м. Получим значение силы давления на поверхность кожи со стороны экстрактора около 20 н. При уплотнении из мягкой резины на вакуумированном участке кожи обеспечим давление 10 Торр с помощью диффузионного паромасляного насоса со скоростью откачки 500 л/с.

Установим ионизатор частиц методом электронного удара, экстрактор ионов с импульсной экстракцией, пространство дрейфа длиной 1 м и детектор, снабженный, например, вторично-эмиссионным умножителем на основе микроканальной пластины. Перечисленные устройства образуют вре- мяпролетный быстродействующий масс- спектрометр, ось которого направлена вдоль траектории частицы, эмиттированной с поверхности кожи.

Вакуумный экстрактор устанавливается на заданном участке поверхности кожи, открываются вакуумные затворы откачной системы, производятся записи спектров масс в различные моменты времени от начала воздействия на кожу градиента давления по

заданной программе. Запись осуществляется, например, в ОЗУ ЭВМ, на экране цифрового осциллографа, на магнитном диске и т.д. Полное время диагностики оценивается в 1...100 с.

По данным испытаний, получаем возможность нестационарного анализа состояния биопробы. Увеличение скорости измерений составляет 102...104 раз, расширение спектра масс 102...103 раз.

Применение лазера для бомбардировки участка кожи в вакууме, по данным испытаний, обеспечивает повышение интенсивности измеряемых сигналов на 1...2 порядка.

Представляется перспективным применение данного устройства и в достаточно простом варианте при сборе экстрагированных в вакуум частиц на охлаждаемой, например, жидким азотом, мишени, с

последующим анализом традиционными методами.

Предлагаемое устройство имеет большие перспективы применения в народном хозяйстве в областях, связанных с здравоохранением, ветеринарией, сельским хозяйством. В научных исследованиях применение данного устройства и способа позволит получить значительный объем научных данных в области биохимии, биофизики, молекулярной биологии, физиологии живых организмов и т.д.

Достигаемый положительный эффект превышает указанный в формуле изобретения.

В экологических исследованиях применение устройства позволит осуществлять массовые обследования населения. Во всех случаях устраняются возможности внедрения в организм инородных частиц и инфекции, инструмент полностью стерилен, причем сложных устройств для стерилизации не требуется, стерилизация может быть произведена газоразрядной плазмой.

Формула изобретения

1. Способ исследования биологической пробы с поверхности кожи путем отбора биологически активных компонентов пробы в вакуумированный объем с последующей

регистрацией их содержания, отличающийся тем, что, с целью ускорения анализа, повышения информативности за счет расширения спектра анализируемых компонентов, компоненты пробы отбирают путем

создания высоковакуумного разрежения у поверхности кожи, размер d участка которой выбирают из условия

м d м,

а регистрацию осуществляют вакуумным масс-спектрометром.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью ускорения анализа, повышения его чувствительности, на исследуемую поверхность в вакууме воздействуют потоком лазерного излучения или атомных частиц.

Использование: медицина, клиническая диагностика. Целью изобретения является ускорение анализа, повышение информативности за счет расширения спектра, анализируемых компонентов. Сущность изобретения: компоненты пробы отбирают с помощью высоковакуумного разрежения у поверхности кожи на участке, ограниченном размером d м, а регистрацию компонентов проводят с помощью масс- спектрометра. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

фие.З

Редактор

Составитель М.Цыбинз Техред М.Моргентал

Корректор И.Муска