Устройство для оптического определения размеров и числа взвешенных частиц

(51)5 6 01 2 ОП ИЕИ Б ТЕН К ПАТЕНТ 0627 (07,09.8 орд(0 киТо ервон Кл и М 205414 зш рагс мо-со ед Орс 53-657. се зеог азегз, ч.25,тичес кому спользоваческих мали других рагментов змеером пти- дпочаких центналивета,н ски кот ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Паблик Хелт Лаборатор, С. Р, ЧЧапц а а. иаеазотевептз цзпц азсаПегпц тесЬпцце. - Аррпо, 5, Магсй 1986 (ОЯ), р. 6 Изобретение относится к опанализу, а именно к анализу с инием оптической техники биологитериалов, например протеина имакромолекул, клеток, вирусов, Фтканей и т,д,В пределах широкого диапазона рров частиц, начиная от частиц размменьше манометра и до миллиметра,ческие методы являются наиболее претительными для определения тпараметров, как размеры. частиц, коирация, форма частиц и их скорость.Известны способы оптического аза, использующие интенсивность срассеиваемого индивидуальными часми при их прохождении через освещеобъем рассеяния.Эти способы предполагают оптичеизмерительный объем, конфигурация(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ОГ- РЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ И ЧИСЛА ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ(57) Изобретение относится к оптическому анализу биологических материалов, например протеина, клеток, вирусов и т.д. Цель изобретения - упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет исключения необходимости юстировки пучков. Для этого два луча с различной длиной волны пропускают через общий волоконно-оптический световод с общей фокусирующей линзой, что позволяет решить проблему их совмещения. 2 з,п, ф-лы, 1 ил. рого достаточно мала, чтобы можно было исследовать индивидуальные частицы в достаточно разбавленной суспензии частиц, Используя тонкую фокусировку лазерных лучей, свет с высокой интенсивностью удается сконцентрировать в измерительные 6 д объемы менее чем 10 мкл. , 6 д Известно устройство, котор используя указанные принципы тройстве информацию получают чении локализованной интерфе картины исследуемой частицей, рамму образуютдвумя различны интерферирующих лучей рвзл волн, которые фокусируются в разнесенных на небольшое р пространстве, двумя диспергир стемами линз. Интерферограмм разом получаются различного ое работает, . В этом успри пересеренционной интерферогми наборами ичных длин двух точках, асстояние в ующими сиы таким образмера ивнутренняя интерферограмма используется ну детектирования таким образом, что в зов качестве триггера или вентиля, не детектирования поперечные размеры двухОднако данное устройство громоздко и лучей находятся в заданном отношении, азатруднительно при юстировке и не пригод- также детекторы света, сфокусированные нано для использования вне лаборатории. 5 зоне детектирования и способные различатьНаиболее близким к изобретению тех- свет, рассеянный от первого и второго лучейническим решением является, устройство, соответственно, отклоняющую систему,принцип действия которого основывается включающуюфокусирующуюлинэу 3, расщена использовании двух лазерных лучей с питель 4 пучка и два фильтра 5, установленраэличными длинами волн, проходящих 10 ных для подачи рассеянного света двух лучейконцентрично, причем один луч имеет диа- на измерительный детектор б и вентильныйметр меньший, чем другой. Внутренний луч детектор 7,Детекторы имглотобщий источникпроходит в центральной части внешнего лу питания и подают сигналы на многоканальча, Частица, проходящая через внутренний ный анализатор 9, соединенный с процессоэкийлуч окаэываетсявэтотмоментраспо ром 10, который отслеживает совпадениелокенной центрально относительно внеш- сигналов в измерительном и вентильном канего луча и в результате рассеянный налах,производитсоответствующийанализвсветовой сигнал внутреннего луча испольэу- канале измерений. Промежуточная информается в качестве триггера или вентиля для ция хранится в блоке 11 памяти.собирания рассеянного света внешнего лу . Предпочтительно, чтобы поперечныйча. При отсутствии светового сигнала от размер второго луча был значительно меньвнутреннего луча (это отсутствие является шим поперечного размера первого луча,указателем на то, что частица не дошла до причем детектирование рассеянного светацентра уентра лучей) рассеянный свет внешнего второго луча обеспечивает индикацию того,луча не учитывается, Сигналы от двух лучей 25 что частица попала в зону детектирования ираэли ",ются с помощью двух детекторов, расположена примерно по центру первогоотрегулированных таким образом, что каж- луча,дый реагирует только на одну длину волны. В преимущественном воплощении обИзвестная система включает два лазе- щая фокусирующая линза 2 прикреплена кра, испускающих лучи, которые затем фоку свободному концу оптоволоконного светосируются в требуемую концентрическую вода и включает градиентную индекснуюконфигурацию с помощью комбинации линз, линзу, В случае использования микролинзы,зеркал, призм и расщепителейлучей, Каждое присоединенной к свободному концу оптоиз этих оптических устройств требует тонкой волоконного световода, удается получитьрегулировки часто с помощью микрометриче источник света, который может сформироских регуляторов в трех плоскостях, вать абсолютно концентрический иэмериОднако данное устройство громоздко и тельный и вентильный лучи и которыйтребует аккуратного обращения. Его неже- оказывается компактным, прочным,.устойлательноиспользоватьвусловияхзапреде- чивым к вибрации и приспособленным клами лаборатории и оно не .может 40 размещению на удаленной позиции и воэосуществлять поточный анализ удаленно можно в неблагоприятных условиях.расположенных образцов. Световой луч с длиной волны 11(наприЦелью изобретения является упроще- мер, 488 нм от охлаждаемого воздухом арние конструкции и повышение эксплуатаци- гонового лазера) вводится в виде единичнойонных характеристик эа счет исключения 45 моды воптоволоконныйсветовод 1, Свегдрунеобходимости юстировки пучков. гой длины волны Аг (например, б 32 нм отНа чертеже представлена структурная гелий-неонового лазера) также вводится всхема предложенного устройства. световод 1 с помощью соответствующих опУстройство для оптического определе- тических элементов или в некоторой промения размеров и числа взвешенных частиц 50 жуточной точке по ее длине с помощьюсодержит лазерный источник (не показан) волоконно-оптического соединителя. В друдвух зондирующих пучков, различающихся гом возможном воплощении свет может ввоподлиневолны световогоизлучения,общую диться прямо в волоконно-оптическийоптоволоконную линию для передачи перво- световод с помощью установленного на немго и второго световых лучей, совпадающих по 55 источника в виде лазерного диода; Посколькунаправлению, но с различной длиной вол- волоконно-оптический световод является одны - световод 1, общую Фокусирующуюлинзу номодовым лишь для заданной длины волны,2 для фокусировки двух лучей в различные на второй частоте могут возникать отклонефокусныв точки, разнесенные в продольном ния от гауссовского профиля луча.направлении по оси, проходящей через зоСвет с двумя длинами волн распространяется по волоконно-оптическому световоду в сторону его свободного конца, где он проходит расстояние 01 до попадания в градиентную индексную микролинзу. Линза 2 может быть установлена на свободном конце волоконно-оптического световода с помощью, например, эпоксидного компаунда. Установка может включать и элемент, согласующий коэффициенты отражения. Подходящей оказалась, например линза "СЕЛЬФОК" модели 1,8. Дисперсия материала, из которого изготавливается линза, будет заставлять вследствие хроматографической аберрации лучи фокусироваться на различных расстояниях Р(Л 1) и Г(Л 4.Два лучаЛ 1 иЛ 2 вследствие внутреннего свойства оптоволоконной линии будут концентричны. Отношение диаметров лучей будет вследствие различного расположения фокальных точек изменяться в зависимости от расстояния 02 от микролинзы.Выбирая соответствующее расстояние от микролинзы, можно облучать объем рассеяния двумя лучами различной ширины. Отношение ширины лучей может, таким образам, регулироваться по выбору, Аналогично, толщины самих лучей могут выбираться в зависимости от расстояния Ог, Подбирая расстояние 02, можно создавать положения, когда внутренним лучом оказывается луч Л 1, либо луч Л 2. Предпочтительно в качестве внутреннего луча выбирать луч с второй длиной волны, поскольку незначительное отклонение от гауусовского профиля вполне терпимо. Величины расстояний Г (Л 1) и Р(Л 2) изменяются одновременно путем регулировки расстояния 01, Это же позволяет менять отношение толщин лучей для любого заданного расстояния 02.Отклоняющая система включает фокусирующую линзу 3, расщепитель 4 пучка и пару фильтров 5, установленных для подачи рассеянного света двух лучей соответственно на измерительный б и вентильный 7 детекторы. Детекторы имеют общий источник 8 питания и подают сигналы на многоканальный анализатор 9. Процессор 10, кото. рым может быть имеющийся на рынке микрокомпьютер, отслеживает совпадение сигналов в триггерном канале и канале измерения и производит соответствующий анализ сигналов в канале измерения,Поскольку измерение производится в случаях, когда рассеянный свет регистрируется от триггерного луча, известно, что частица находится в общем по центру измерительном луче. Поскольку в качестве триггерного используется только внутренний луч, не су 50 55 стиц, можно получить точные данные о распределении частиц по размеру. Концентрация частиц может быть, определена путем подсчета числа зарегистрированных световых импульсов в единицу времени, Скорость частиц и распределение скорости .могут исследоваться путем определения ширины импульса при прохождении частицей заданного объема рассеяния. 5 10 15 20 253035 4045 щественно, что профиль луча может отклоняться от гауссового.Кроме того, может быть применена детекторная оптоволоконная линия для фокусировки (с использованием микролинз) каждого из лучей и подачи света на отделенные фотодетекторы. Волоконно-оптический световод, снабженный градиентной индексной линзой, идентичный тому, который использовался для образования парного луча, размещают под углом Ои на расстоянии, равном 02 от концентрических лучей. Рассеивающий объем, исследуемый этим волоконно-оптическим световодом, будет совпадать с формой луча в данной точке и точно фокусироваться относительно каждого из лучей, причем беэ всякой юстировки, Это следует иэ симметрии всей конструкции. Изменение угла О будет изменять рассеивающий объем,В предлагаемой конструкции конец волоконно-оптического световода, снабженный линзой, может располагаться в стенке трубопровода, пропускающего пробы образца, и в случае необходимости на определенном расстоянии от лазеров и оборудования обработки сигналов. Если систему детектирования выполнить в аиде такой же конструкции, то часть всего устройства, расположенная рядом с зоной детектирования,может быть сделана исключительно компакт ной, прочной и устойчивой к вибрациям, а само устройство поэтому приемлемым для потцчной обработки. В случае специфического применения, требующего анализа частиц в ряде различных мест, например при анализе процесса ферментации, ряд волоконно-оптических линий, обслуживающих детекторы или действующие как источники света, могут быть помещены в оптический контакт с одним источником света или устройством обработки сигналов.Как и известные устройства предлагаемое устройство Может использоваться дляряда различных видов анализа. Размеры частиц и их распределение могут определяться путем анализа интенсивности рассеянного света. Анализируя сигналы, связанные с интенсивностью, в зависимости от размеров ча1743371 7 Составитель Н,Грищенко:Редактор Л.Пилипенко Техред М.Моргентал Корректор А.Токарск Заказ 2298 Тираж исноеВНИИПИ Государственного комитета по изо ткрыти113035, Москва, Ж, Р 4/5 Подп бретениям и о аушская наб., при ГКНТ ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 В специальных применениях рассеянный свет может исследоваться на поляризацию и спектральные характеристики, Частицы могут быть специально помечены флуоресцентными молекулами и красителями для выделения из популяции прочих частиц. Форма частиц может быть определена по многоугольному рассеянию света (путем анализа интенсивности) для случая определенного диапазона размеров частиц. Формула изобретения 1. Устройство для оптического определения размеров и числа взвешенных частиц, содержащее лазерный источник двух зондирующих пучков, различающихся по длине волны светового излучения, оптически сопряженный через элементы коаксиальной юстировки и транспортировки пучков со счетным объемом, с которым оптически сопряжены первый и второй фотоприемники для селекции рассеянного частицами света на соответственно первой и второй длинах волн, выходы которых соединены с соответственно первым и вторым входами многоканального. анализатора, выход которого соединен с регистратором, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения конструкциии повышения эксплуатационных характеристик за счет исключения необходимости юстировки пучков, в качестве элементов коаксиальной юстировки и транспортировки 10 пучков использован оптоволоконный световод с фокусирующей линзой, плоскость которого отстоит от счетного объема на расстоянии, позволяющем в области счетного обьема различать поперечные размеры 15 двух пучков.2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что фокусирующая линза прикреплена к свободному концу оптоволоконного световода;20З.Устройство попп,1 и 2, отл ича ющ е е с я тем, что общая фокусирующая линза включает градиентную индексную линзу.