Устройство для оптического определения размеров и числа взвешенных частиц

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1У БЛИК (19) (11) (51)5 G 01 N 15/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

1 (21) 4356098/25 (86) РСТ/G В 87/00627 (07,09.87) (22) 04.05.88

А (31) 8621426 (32) 05.09.86 (33) GB (46) 23.06,92. Бюл. ¹ 23 (71) Паблик Хелт Лаборатори сервис, Бард(6 В) (72) Роберт Карр, Дэвид Джон Кларк и Тони

Эткинсон (GB) (53) 539.217.1(088,8) (56) Патент Великобритании № 2054143, кл. G 01 N 15/02, 1981. !. С. F, Wang а! al. In situ particle size

measurements using à two-color laser

scattering technigue. — Applied Optics, ч. 25, по. 5, March 1986 (US), р. 653-657.

Изобретение относится к оптическому анализу, а именно к анализу с использованием оптической техники биологических материалов, например протеина или других макромолекул, клеток, вирусов, фрагментов тканей и т.д.

В пределах широкого диапазона размеров частиц, начиная от частиц размером меньше манометра и до миллиметра, оптические методы являются наиболее предпочтительными для определения таких параметров, как размеры. частиц, концентрация, форма частиц и их скорость.

Известны способы оптического анализа, использующие интенсивность света, рассеиваемого индивидуальными частицами при их прохождении через освещенный объем рассеяния.

Эти способы предполагают оптический измерительный объем, конфигурация кото(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ 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 объемы менее чем 10 мкл.

Известно устройство, которое работает, используя указанные принципы. В этом устройстве информацию получают при пересечении локализованной интерференционной картины исследуемой частицей, интерферограмму образуют двумя различными наборами интерферирующих лучей различных длин волн, которые фокусируются в двух точках, разнесенных на небольшое расстояние в пространстве, двумя диспергирующими системами линз. Интерферограммы таким образом получаются различного размера и

1743371 внутренняя интерферограмма используется ну детектиРования таким образом, что в зов качестве триггера или вентиля, недетектиРованиЯ поперечные РазмеРы двУх

Однако данное устройство громоздко и лучей находятся в заданном отношении, а затруднительно при юстировке и не пригод- также детекторы света, сфокусированные на но для использования вне лаборатории. 5 зоне детектирования и способные различать

Наиболее близким к изобретению тех- свет, рассеянный от первого и второго лучей ническим решением является, устройство, соответственно, отклоняющую систему, принцип действия которого основывается включающуюфокусирующуюлинэу3, расщена использовании двух лазерных лучей с питель 4 пучка и два фильтра 5, установленразличными длинами волн, проходящих 10 ных для подачи рассеянного света двух лучей концентрично, причем один луч имеет диа- на измерительный детектор 6 и вентильный метр меньший, чем другой. Внутренний луч детектор7,Детекторы имеютобщий источник проходит в центральной части внешнего лу- 8 питания и подают сигналы на многоканальча, Частица, проходящая через внутренний ный анализатор 9, соединенный с процессоэкийлуч оказываетсявэтотмоментраспо- 15 ром 10, который отслеживает совпадение ло>кенной центрально относительно внеш- сигналов в измерительном и вентильном канего луча и в результате рассеянный налах,производитсоответствующийанализв световой 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- 20 . Предпочтительно, чтобы поперечный ча. 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 света центра у ентра лучей} рассеянный свет внешнего второго луча обеспечивает индикацию того, луча не учитывается, Сигналы от двух лучей 25 что частица попала в зону детектирования и раэли ", ются с помощью двух детекторов, расположена примерно по центру первого отрегулированных 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 к ра, испускающих лучи, которые затем фоку- 30 свободному концу оптоволоконного светосируются в требуемую концентрическую вода и включает градиентную ндексную конфигурацию с помощью комбинации линз, линзу. В случае использования микролинзы, зеркал, призм и расщепителей лучей. Каждое присоединенной к свободному концу оптоиз этих оптических устройств требует тонкой волоконного световода, удается получить регулировки часто с помощью микрометриче- 35 источник света, который может сформироских регуляторов в трех плоскостях. вать абсолютно концентрический иэмериОднако данное устройство громоздко и тельный и вентильный лучи и который требует аккуратного обращения. Его неже- оказывается компактным, прочным,.устойлательноиспользоватьвусловияхзапреде- чивым к вибрации и приспособленным к лами 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 1 < (наприЦелью изобретения является упроще- мер, 488 нм от охлаждаемого воздухом арние конструкции и повышение эксплуатаци- гонового лазера) вводится в виде единичной онных характеристик эа счет исключения 45 моды воптоволоконныйсветовод1. Свегдрунеобходимости юстировки пучков. гой длины волны Аг (например, б32 нм от

На чертеже представлена структурная гелий-неонового лазера) также вводится в схема 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 помощью содержит лазерный источник (не показан) волоконно-оптического соединителя. В друдвух зондирующих пучков, различающихся гом возможном воплощении свет может ввоподлине волны световогоизлучения,общую диться прямо в волоконно-оптический оптоволоконную линию для передачи перво- световод с помощью установленного на нем

ro и второго световых лучей, совпадающих по 55 источника в виде лазерного диода; Поскольку направлению, но с Различной длиной вол- волоконно-оптический световод является одны — световод1, 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 зо1743371

Свет с двумя длинами волн распространяется по волоконно-оптическому световоду в сторону его свободного конца, где он проходит расстояние D> 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(Л1) и Г(Л ).Два лучаЛ1иЛ2 вследствие внутреннего свойства оптоволоконной линии будут концентричны. Отношение диаметров лучей будет вследствие различного расположения фокальных точек изменяться в зависимости от расстояния Dz 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 Dz, Подбирая расстояние 02, можно создавать положения, когда внутренним лучом оказывается луч Л 1, либо луч Л z. Предпочтительно в качестве внутреннего луча выбирать луч с второй длиной волны, поскольку незначительное отклонение от гауусовского профиля вполне терпимо. Величины расстояний F (Л1) и t=(Lz) изменяются одновременно путем регулировки расстояния D>, Это же позволяет менять отношение толщин лучей для любого заданного расстояния Dz.

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 су5

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. 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 t3z 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 волокон но-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 для ряда 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

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.

Составитель Н,Грищенко -

Редактор Л.Пилипенко Техред М.Моргентал Корректор А.Токарская

Заказ 2298 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

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 е5 с я тем, что, с целью упрощения конструкции и 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 тл и ч а ю щ е ес я тем, что фокусирующая линза прикреплена к свободному концу оптоволоконного световода;

20 3. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что общая фокусирующая линза включает градиентную индексную линзу.