Введение к работе
Актуальность темы. Практическая потребность медицины. Фармакологии, биотехнологии, химии, электрохимии, сельского хозяйства, экологии п простых экспрессных и высокоеелективних методах анализа и контроля компонентов твердых и жидких сред вызвала интенсивное развитие комбинированных и гибридных методов анализа, основанных на совмещении стадий селективного выделения, концентрирования и количественного определения искомого компонента. Наибольшее развитие получили достаточно дешевые, не требуюшие особой квалификации при подготовке и проведении, но тем не менее точные нетоды анализа. Такие методы, сочетающие передовые достижения в разных областях науки и техники (в том числе: биохимии, оптики. электроники), являются наукоемкими. Примерами могут служить "слайдовые" системы Фирны KodaK (США), многослойные аналитические пленки Фирмы Boenrlnger Mannheim GmbH (Германия), предназначенные для клинических анализов и требуюшие относительно недорогостоящих и надежных специализированных приборов и устройств.
Наряду с развитием гибридных методов анализа по-прежнему велика роль классических вариантов иммунного и биохимического анализа. Широкое; внедрение различных методик иммуноферментного и биохимического микроанализа и практику лабораторных исследований, выпуск большого ассортимента коммерческих препаратов для этих вариантов анализа определили возросшую потребность в аппаратурном обеспечении. Требования к высокой производительности приборов обусловили появление многоканальных детектирующих устройств, таких как Vmax Kinetic Mlcroplate Reader Фирмы Molecular Devices (США). Создание отечественных приборов подобного класса приводит к необходимости освоения новых технологий, использования прогрессивной элементной базы или разработки иных концепций построения Фотометрических детекторов. Контроль технологических процессов ряда промышленных произ-
водств непосредственно основан на проведении дискретного анализа проб, включающего этапы пробоотбора. длительной и многостадийной пробоподготовки анализируемого раствора и пронесе детектирования. Проведение такого анализа, особенно в случае токсичных, агрессивных и комплексообразуюших сред, трудоемко и требует определенной квалификации обслуживающего персонала. Некоторые этапы анализа, такие как подготовка пробы и детектирование, удается автоматизировать, но при этом используются механические, гидравлические или пневматические системы, обладающие невысокой надежностью при эксплуатации. Применение гибридных методов анализа дает возможность устранить от неченные недостатки.
В Институте аналитического приборостроения РАН получены гонко слойные оптически прозрачные чувствительные элементы <ЧЭ) - пласти Фицированные индикаторные мембраны (ПИН), обеспечивающие проведение селективного извлечения, концентрирования и образования окрашенного конплекса с искомым компонентом. Такой 43, помешенный в оправу, представляет собой сенсор, предназначенный для определения данного компонента. Специфической особенностью ЧЭ являются малые, ограниченные разнеры тонкого слоя. Геометрические и оптические характеристики ЧЭ как объекта Фотометрирования. определяют требования, предъявляемые к измерительному прибору. Использование тонкого слоя приводит к необходимости измерений ЧЭ в отраженном свете.
Литературный обзор показал отсутствие работ, посвященных Фотометрическим измерениям селективно поглошаюпшх тонкослойных объектов ограниченного размера. Поэтому, при разработке специализированного детектора, первоочередной задачей являлось рассмотрение процессов распространения светового потока в ЧЭ при фотометрировании и определение адекватности получаемой при измерении оценки светопоглоше-ния ее истинному значению в зависимости от концентрации образовавшихся комплексов, что оказалось ранее неисследованным случаем. Существенным является изучение влияния оптических и геометрических
характеристик ЧЭ и отражающей подложки на получаемую оценку и нахождение соотношений, позволяющих выбрать углы регистрации светового потока и поля зрения Фотоприенного устройства.
Проектирование специализированных Фотометрических детекторов требует оптимизации оптоэлектронного тракта с целью получения не только необходимых точностных характеристик, но и обеспечения низкой стоимости и малых габаритов детектора. Литературный обзор выявил отсутствие работ, посвященных оптимизации реального оптоэлектронного тракта детектора при учете спектральных характеристик источника излучения с ограниченной мощностью. Фотоприемного устройства с конечной чувствительностью, исследуемого объекта в заданном диапазоне светопропускания и выбранной разрядности аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Комплекты средств для экспресс-анализа выпускаются некоторыми зарубежными фирмами, такини как Boehrmeer Harmhelm GmbH (Германия). HILES Laboratories Inc. (США), Hacherey-Haeel GmbH (Германия), и предназначены, в-основнон, для биохимических исследований. Аналогичных отечественных разработок на данный монент времени не выявлено.
Из вышеприведенного очевидна актуальность темы диссертации как в теоретической, так и в прикладной аспектах. Проработка отмеченных положений позволяет внести вклад в развитие научных основ проектирования Фотометрических детекторов, выработать нетодику расчета и оптимизации гибридного детектора и создать основу для нового класса приборов инмунного и химического экспресс-анализа.
Цель работы.
Разработка научных основ проектирования Фотометрических детекторов иммунного и химического экспресс-анализа. . их применение при создании приборов и внедрение разработанных приборов в производство.
Цель работы достигается путей решения следующих задач: - исследование в ранках геометрической оптики распространения све-
товоі'о потока в оптически прозрачном селективно поглотавшем тонкослойном чувствительном элементе ограниченного размера сопряженном с отражающей подложкой;
исследование влияния условий регистрации отраженного светового потока, геометрических и Физико-химических характеристик чувстви тельного элемента и подложки на величину информативного сигнала;
разработка новой модели и метода оптимизации оптоэлектрошюго тракта фотометрических детекторов в условиях ограниченных мощности источника излучения, чувствительности фотоприемного устройства, разрядности АШ1 при учете спектральных характеристик элементов тракта и измеряемого объекта;
разработка гибридных детекторов для нового класса приборов химического и иммунного экспресс-анализа;
внедрение приборов с Фотометрическими детекторами в производство и в практику лабораторного химического и иммунного анализа.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на методах геометрической оптики и методах численного моделирования, экспериментальные исследования представлены результатами натурного и полунатурного моделирования.
Научная новизна работы.
Решена научно-практическая задача, заключающаяся в создании и развитии основ построения гибридных Фотометрических детекторов но вого класса приборов для химического и иммунного экспресс-анализа, а именно:
-
Исследовано распространение светового потока в оптически прозрачном селективно погдогааюшем тонкослойном чувствительном элементе ограниченного размера, сопряженном с отражающей подложкой, в приближениях геометрической оптики, как ранее неизученного случая. Получены выражения, связывающие величину отраженного светового потока с оптическини и геометрическими характеристиками ЧЭ и подложки.
-
Получены оценки отражательной способности чэ-подложка и доказа
но. что при проведении измерений светопоглошения элемента в отраженном еноте достигается большая чувствительность по сравнению с измерениями в проходящем спете. при этом обеспечивается возможность получения большего динамического диапазона измерений. J. Выявлено влияние условий регистрации отраженного светового потока, оптических и геометрических характеристик элемента и подложки па величину информативного сигнала. Получены соотношения, определявшие значения угла поля зрения и угла регистрации светового потока в зависимости от характеристик элемента и подложки. 'I. Предложена новая модель оптоэлектронного тракта фотометрических детекторов с учетом: ограниченной мощности источника излучения, конечных спектральной чувствительности Фотоприенного устройства и разрядности Л1Ш. известных спектральных зависимостей продукта химического или иммунного взаимодействия, позволяющая проводить оптимизацию детекторов.
Практическая ценность. Для целей практики в работе были получены следующие результаты:
на основе теоретических положений настоящей работы разработана инженерная методика расчета гибридных Фотометрических детекторов;
получена модель оптоэлектронного тракта, позволяющая оптимизировать детектор по критерию достижения минимальной погрешности Фотометрических измерений в условиях ограниченных мощности источника излучения и разрядности ЛИП, с учетом спектральных характеристик оптических элементов. Фотоприемного устройства и объекта измерений; - предложена базовая оптическая схема многоканального Фотометрического детектора, отличаюшаяся простотой используемых элементов, не требующих сложных технологий при изготовлении, и позволяющая получить ряд конструкций высокочувствительных многоканальных детекторов с малым энергопотреблением, небольшими габаритами и массой;
разработан Фотометрический детектор для нового класса приборов
химического и иммунного экспресс-анализа на основе использования тонкослойных чувствительных эленентов.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы получены при выполнении:
-опытно-конструкторской работы т. 1558/905 "многоканальный фотометр для имнуноФерментного анализа", осуществленной в рамках Постановления Совета Министров СССР N 80Т от 26 августа 1985 г.; -научно-исследовательской работы т. 0191/153 НИР-И "Разработка методических основ по созданию приборов твердофазного иммунного анализа", проведенной в соответствии с Комплексной Программой Научно-технического прогресса стран-членов СЭВ (задание 1.4.1 и 1.4.2. п. 10 -"Кинетические систены контроля и анализа на основе различных видов Физической регистрации иммуноспецифических взаимодействий"); -научно-исследовательской работы т. 0122/162 НИР-И "Комплекс средств контроля и анализа иммуноспецифических взаимодействий на основе Физических методов регистрации", выполненой в соответствии с Комплексной Программой Научно-технического прогресса стран-членов СЭВ (задание 1. 4. 1 и 1. 4. 2. п. 10);
-научно-исследовательской работы т. 0150/141 НИР-И "Научные основы перфузионно-экстракционных мембранных процессов. Комбинированные и гибридные методы индикации веществ, основанные на их использовании", осуществленной по заказу ННТК "Научные приборы".
Результаты работы в части создания и оптимизации базовой оптической схемы многоканального Фотометрического детектора использованы: -в многоканальном Фотометре "Линкей". внедренном в серийное производство на НПК "Аналитические системы и ИФА" АО "Научные приборы";
-в восьмиканальных ^ .-иетрах (трех различных модификациях: с высокой, средней и низкой производительностью измерений), внедренных на НГП "Недис".
Методика расчета гибридного детектора применена при разработке
Фотометра отраженного света, входящего в комплект средств для химического экспресс-анализа, изготовленного малой серией ТОО "СКАН" , совнестно с Институтом аналитического приборостроения РАН. Защищаемые положения.
-
Теоретические основы проектирования гибридных детекторов для иммунного и химического экспресс-анализа с использованием тонкослойных оптически прозрачных чувствительных элементов ограниченного размера, сопряженных с отражавшей подложкой и обладающих селективной спектральной зависимостью.
-
Модель и способ оптимизации оптоэлектронного тракта Фотометрических детекторов с учетом: ограниченной мощности источника излучения, конечных спектральной чувствительности Фотоприемного устройства и разрядности АЦП, известных спектральных зависимостях оптичес-ских элементов тракта и объекта изнерений.
-
Нетодика расчета Фотометрических детекторов с использованием чувствительных элементов с заданными характеристиками.
-
Конструкции гибридных фотометрических детекторов для ИММУННОГО и химического экспресс-анализа, их реализация и внедрение в практику лабораторного анализа.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на сенинарах лаборатории ИАП РАН, а также были представлены на следующих конференциях:
European conference on analytical chemistry "Euroanalrsls VII". Vienna, Austria. August 26-31, 1990;
Ill Всесоюзная конференция по методам концентрирования в аналитической химии, пос. Черноголовка, 16-20 сентября 1990 г. ;
VI Всесоюзная конференция по аналитической химии органических веществ "КАХОВ-91", Носква. 23-25 января 1991 г.;
Всероссийская научно-техническая конференция "Информационно-управляющие и вычислительные комплексы на основе новых технологий. Hay-
ка и маркетинг". С.Петербург. 4-6 сентября 1992 г.;
- international organic substances solvent extraction conference,
ISECOS'92. Voronezh. Russia. September 22-25, 1992.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ и получено авторское свидетельство.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков. 7 таблиц и 107 библиографических ссылок на литературу. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.
