RU2070919C1 - Method for electrooptical analysis of cells in suspension and device for its embodiment - Google Patents

Method for electrooptical analysis of cells in suspension and device for its embodiment Download PDF

Info

Publication number
RU2070919C1
RU2070919C1 RU93036662A RU93036662A RU2070919C1 RU 2070919 C1 RU2070919 C1 RU 2070919C1 RU 93036662 A RU93036662 A RU 93036662A RU 93036662 A RU93036662 A RU 93036662A RU 2070919 C1 RU2070919 C1 RU 2070919C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electric field
cells
frequency
electro
suspension
Prior art date
Application number
RU93036662A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93036662A (en
Original Assignee
Торгово-инвестиционная компания "Паллиата"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Торгово-инвестиционная компания "Паллиата" filed Critical Торгово-инвестиционная компания "Паллиата"
Priority to RU93036662A priority Critical patent/RU2070919C1/en
Publication of RU93036662A publication Critical patent/RU93036662A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2070919C1 publication Critical patent/RU2070919C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: biotechnology, microbiology, medicine. SUBSTANCE: method for electrooptical analysis of cells in suspension includes determination of value of anisotropy of polarizability for separate fractions of cells comprising heterogeneous population used for evaluation of morphometric and physiological characteristics of these fractions. For this purpose, in course of application of radiopulse of electric field formed by generator 12 with the help of microprocessor 30 to studied cell suspension placed in electrooptic cell 1, with simultaneous passage through it of orthogonal light fluxes with the aid of pulse light sources 2 and 3, direction of vector of electric field is varied by means of electrode switch gear 15 relative to direction of light flux discretely through 90 deg with frequency F which is also varied within the range of minimum Fmin to maximum Fmax with simultaneous variation of magnetic field within the range of Emin to Emax with the help of attenuator 13 connected with paraphase amplifier 14. Values of Fmax, Fmin, Emax and Emin are determined experimentally depending on the kind of tested culture of cells. Experimental signal from tested suspension, determined as difference between light fluxes from light sources 2 and 3 is received by photodetector 9 connected with voltage converter 9 into frequency whose outputs are connected with inputs of frequency counters 10 and 11 and registered in microprocessor 30 and are used for calculation of the value of anisotropy of cell polarizability. EFFECT: higher efficiency. 11 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области биотехнологии, микробиологии и медицины и более конкретно касается способа электрооптического анализа суспензии клеток и устройства для его реализации, используемых для определения морфометрических и электрофизических параметров клеток и связанных с ними физиологических характеристик клеток. The invention relates to the field of biotechnology, microbiology and medicine, and more particularly relates to a method for electro-optical analysis of a cell suspension and a device for its implementation, used to determine the morphometric and electrophysical parameters of cells and the physiological characteristics of cells associated with them.

В микробиологической, пищевой, медицинской и ряде других отраслей промышленности, использующих биотехнологические процессы, стоит задача определения физиологических и морфометрических показателей состояния клеток, отражающих качество и эффективность биотехнологического процесса. Традиционные микробиологические методы определения морфометрических параметров клеток путем микроскопирования и определения физиологических характеристик: жизнеспособности путем высева клеток на питательные среды и удельной скорости роста путем периодического подсчета клеток в счетной камере не отвечают современным требованиям из-за недостаточной оперативности. In the microbiological, food, medical and several other industries using biotechnological processes, the task is to determine the physiological and morphometric indicators of the state of the cells, reflecting the quality and effectiveness of the biotechnological process. Traditional microbiological methods for determining the morphometric parameters of cells by microscopy and determining physiological characteristics: viability by plating cells on nutrient media and specific growth rate by periodically counting cells in a counting chamber do not meet modern requirements due to lack of efficiency.

Известны способы оптического анализа параметров клеток, например на основе анализа изображений, полученных с помощью видеокамеры, (WO 89/03431). Анализ изображений позволяет определить морфологические признаки клеток, но не дает возможности определить физиологические характеристики клеток. Known methods for optical analysis of cell parameters, for example, based on the analysis of images obtained using a video camera (WO 89/03431). Image analysis allows you to determine the morphological characteristics of cells, but does not allow to determine the physiological characteristics of cells.

Известен способ определения объема и концентрации клеток (Cell analysis, 1982, v.1, p.195-331), основанный на измерении временной зависимости изменения тока, текущего через калиброванное отверстие при прохождении через него исследуемой клетки. Существенная погрешность метода связана с интерпретацией сигнала от тесно следующих друг за другом двух или трех клеток как сигнала от одной клетки большего размера. A known method for determining the volume and concentration of cells (Cell analysis, 1982, v.1, p. 195-331), based on measuring the time dependence of the change in current flowing through a calibrated hole when the cell under study passes through it. A significant error of the method is associated with the interpretation of a signal from two or three cells closely following each other as a signal from one larger cell.

Известен способ определения относительной концентрации жизнеспособных клеток, основанный на измерении величины флуоресценции клеток после их отработки флуоресцентной меткой (Микробиология, 1988, т.57, N 2, с.347-351), требующий обязательной калибровки и обладающий существенной погрешностью за счет неконтролируемого числа сайтов посадки флуоресцентной метки. A known method for determining the relative concentration of viable cells based on measuring the fluorescence of cells after they have been worked out by a fluorescent label (Microbiology, 1988, v. 57, No. 2, p. 347-351), requiring mandatory calibration and having a significant error due to an uncontrolled number of sites planting a fluorescent label.

Задачу быстрого определения физиологического состояния клеток и одновременно их морфологических параметров позволяет решить способ электрооптического анализа клеток, основанный на исследовании изменения светорассеяния при их ориентации в электрическом поле. The task of quickly determining the physiological state of cells and at the same time their morphological parameters allows us to solve the method of electro-optical analysis of cells, based on the study of changes in light scattering when they are oriented in an electric field.

В основе способа электрооптического анализа лежит эффект Керра. Суть эффекта состоит в изменении оптических свойств суспензии, в частности суспензии клеток, при воздействии на нее электрического поля. The method of electro-optical analysis is based on the Kerr effect. The essence of the effect is to change the optical properties of the suspension, in particular the suspension of cells, when exposed to an electric field.

Воздействие электрического поля на суспензию вызывает появление на суспендированных клетках индуцированных зарядов. Их распределение и величина определяются действующим механизмом поляризуемости (Духин, Электрооптика коллоидов, Наукова думка, Киев, 1975). При объемном механизме поляризуемости индуцированные заряды появляются на границах раздела двух сред с различными комплексными диэлектрическими проницаемостями. Границами раздела структур клеток являются поверхности соприкосновения двойного электрического слоя и клеточной стенки, клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, цитоплазматической мембраны и цитоплазмы. Величина индуцированных на границах разделов зарядов пропорциональна напряженности электрического поля зависит от соотношения диэлектрических проницаемостей структур. Интегральным параметром, описывающим процесс поляризуемости, является тензор а поляризуемости клетки. Тензор поляризуемости несферической клетки имеет по крайней мере две отличающиеся компоненты. Продольная компонента совпадает с длиной осью клетки, а поперечная ортогональная ей. Распределенные по объему клетки индуцированные заряды разных знаков образуют диполь. Диполь взаимодействует с электрическим полем и вызывает появление вращающего момента. Возникает преобладающее направление ориентации клеток, которое изменяет равновероятный характер распределения клеток по углам ориентации, описываемого функцией Больцмана. Угол ориентации клетки отсчитывается от направления падающего светового потока к направлению длинной оси клетки. The action of an electric field on a suspension causes the appearance of induced charges on suspended cells. Their distribution and magnitude are determined by the current polarizability mechanism (Dukhin, Electroloctics of colloids, Naukova Dumka, Kiev, 1975). In the case of the volume polarizability mechanism, induced charges appear at the interfaces between two media with different complex permittivities. The boundaries of the cell structures are the contact surfaces of the double electric layer and the cell wall, cell wall and cytoplasmic membrane, cytoplasmic membrane and cytoplasm. The magnitude of the charges induced at the interfaces is proportional to the electric field strength and depends on the ratio of the dielectric constants of the structures. An integral parameter describing the process of polarizability is the tensor a of the polarizability of the cell. The polarizability tensor of a nonspherical cell has at least two distinct components. The longitudinal component coincides with the length of the axis of the cell, and the transverse orthogonal to it. The induced charges of different signs distributed over the cell volume form a dipole. The dipole interacts with the electric field and causes the appearance of torque. A prevailing direction of cell orientation arises, which changes the equally probable distribution of cells over the orientation angles described by the Boltzmann function. The cell orientation angle is measured from the direction of the incident light flux to the direction of the long axis of the cell.

При этом происходит изменение всех оптических характеристик суспензии: величины двулучепреломления, характер светорассеяния и величины оптической плотности суспензии вследствие изменения сечения G(t) рассеяния клеток. При напряженности Е электрического поля, соответствующего слабой ориентации клеток, зависимость изменения оптической плотности от квадрата напряженности имеет линейный характер. In this case, there is a change in all optical characteristics of the suspension: birefringence, the nature of light scattering and the optical density of the suspension due to changes in the scattering cross section G (t). With an electric field strength E corresponding to a weak orientation of the cells, the dependence of the change in optical density on the square of the intensity is linear.

В зависимости от частоты электрического поля и электрических свойств клеток направление преобладающей ориентации клеток может совпадать с направлением вектора электрического поля или быть ортогональным ему. Ориентация клеток длинной осью вдоль светового потока будут приводить к увеличению сечения рассеяния и уменьшения интенсивности светового потока, а ориентация поперек светового потока к его уменьшению и соответственно к увеличению светового потока. Depending on the frequency of the electric field and the electrical properties of the cells, the direction of the prevailing orientation of the cells may coincide with the direction of the vector of the electric field or be orthogonal to it. Orientation of the cells along the long axis along the luminous flux will lead to an increase in the scattering cross section and a decrease in the intensity of the luminous flux, while orientation across the luminous flux will decrease it and, accordingly, increase the luminous flux.

Известен способ электрооптического анализа клеток в суспензии (SU, A, 469748), заключающийся в том, что через исследуемый образец суспензии пропускают световой поток с одновременным наложением на суспензию радиоимпульса электрического поля фиксированной частоты и напряженности, силовые линии которого направлены вдоль светового потока. Частоту электрического поля изменяют от импульса к импульсу. На каждой частоте измеряют оптическую плотность суспензии в отсутствии и присутствии электрического поля. По изменению оптической плотности определяют степень электроориентации клеток, по которой судят об их электрофизических характеристиках, например, о величине их анизотропии поляризуемости, связанной с комплексными диэлектрическими проницаемостями отдельных клеточных структур, а через них с физиологическими характеристиками клетки. There is a method of electro-optical analysis of cells in suspension (SU, A, 469748), which consists in the fact that a light flux is passed through the suspension sample with simultaneous application of a fixed frequency and intensity electric field to the suspension of a radio pulse, the lines of force of which are directed along the light flux. The frequency of the electric field varies from pulse to pulse. At each frequency, the optical density of the suspension is measured in the absence and presence of an electric field. The degree of electrical orientation of the cells is determined by the change in optical density, according to which their electrophysical characteristics are judged, for example, the magnitude of their polarizability anisotropy associated with the complex permittivities of individual cell structures, and through them with the physiological characteristics of the cell.

Известно устройство для реализации этого способа (SU, A, 469748), содержащее электрооптическую ячейку с образцом исследуемой суспензии клеток, источник света, создающий световой поток, пропускаемый через ячейку, фотоприемное устройство, генератор гармонического напряжения и устройство управления работой этих элементов. Устройство содержит систему подачи и слива исследуемой суспензии. A device for implementing this method is known (SU, A, 469748), containing an electro-optical cell with a sample of the studied cell suspension, a light source that generates a light flux transmitted through the cell, a photodetector, a harmonic voltage generator and a device for controlling the operation of these elements. The device contains a system for supplying and discharging the test suspension.

Использование этого способа для анализа суспензии неоднородных по размерам клеток позволяет определить только усредненную по размерам величину анизотропии поляризуемости клеток для всей популяции и не позволяет определить этот параметр для отдельных фракций клеток с разными размерами, составляющих данную популяцию. Using this method to analyze a suspension of cells of heterogeneous size allows one to determine only the size-average anisotropy of the polarizability of cells for the entire population and does not allow to determine this parameter for individual cell fractions with different sizes that make up this population.

Кроме того, возникающее в исследуемой суспензии седиментация и флокуляция клеток, а также флуктуации плотности суспензии существенно снижают чувствительность и точность определения приращения оптической плотности, исходя из которой определяют величину анизотропии поляризуемости Эти возмущающие факторы особенно сильно проявляются при малом уровне сигнала, что характерно при ориентации клеток в высокочастотном диапазоне электрического поля. Появление данных факторов связано с тем, что измерения проводят в одном световом потоке и возникающие флуктуации плотности, седиментация и флокуляция не компенсируется. Также велики погрешности измерения, связанные с нестабильностью источника света и фотоприемника (фликкер шум). In addition, the sedimentation and flocculation of cells arising in the test suspension, as well as fluctuations in the density of the suspension, significantly reduce the sensitivity and accuracy of determining the increment of optical density, from which the polarizability anisotropy is determined. These disturbing factors are especially pronounced at a low signal level, which is typical for cell orientation in the high frequency range of the electric field. The appearance of these factors is due to the fact that the measurements are carried out in one luminous flux and the resulting density fluctuations, sedimentation and flocculation are not compensated. The measurement errors associated with the instability of the light source and the photodetector (flicker noise) are also large.

Эти погрешности частично устраняются при использовании двухлучевой схемы регистрации изменений оптической плотности суспензии с механическим переключением светового потока с опорного канала на измерительный (Биотехнология, 1989, N 2, с.214-215). These errors are partially eliminated by using a two-beam scheme for recording changes in the optical density of a suspension with mechanical switching of the light flux from the reference channel to the measuring one (Biotechnology, 1989, N 2, p. 214-215).

Более высокой точности и чувствительности в определении электроориентации клеток позволяет достичь способ электрического анализа клеток в суспензии (SU, A, 913169), заключающийся в том, что световой поток пропускают через два исследуемых образца суспензии клеток с одновременным наложением радиоимпульса электрического поля фиксированной частоты и напряженности вектор которого для одного образца параллелен световому потоку, а для другого перпендикулярен (ортогонален) световому потоку. Частоту электрического поля, как и в предыдущем случае, также изменяют от импульса к импульсу. Измеряют интенсивность световых потоков, прошедших через исследуемую суспензию и характеризующих оптическую плотность суспензии одновременно в обоих образцах. По разности этих величин определяют величину анизотропии поляризуемости клеток, по которой судят об их электрофизических характеристиках. The method of electrical analysis of cells in suspension (SU, A, 913169), which consists in the fact that the light flux is passed through two studied samples of a suspension of cells with the simultaneous application of a radio pulse of an electric field of a fixed frequency and intensity vector, allows to achieve higher accuracy and sensitivity in determining the electrical orientation of cells. which for one sample is parallel to the light flux, and for another, it is perpendicular (orthogonal) to the light flux. The frequency of the electric field, as in the previous case, is also changed from pulse to pulse. The intensity of the light flux passing through the test suspension and characterizing the optical density of the suspension simultaneously in both samples is measured. The difference in these values determines the magnitude of the anisotropy of the polarizability of the cells, according to which their electrophysical characteristics are judged.

Для близких по размерам клеток величина изменения оптической плотности пропорциональна квадрату напряженности электрического поля до определенного порогового уровня. Этот уровень соответствует переходу от слабой степени ориентации клеток к сильной степени ориентации и является предпочтительным для достижения достаточной точности измерения. Поэтому, в начале проведения исследований экспериментальным путем определяют величину напряженности, при которой клетки переходят от слабой к сильной степени ориентации, и в дальнейшем все измерения проводят не изменяя напряженности электрического поля. For cells of similar size, the change in optical density is proportional to the square of the electric field strength to a certain threshold level. This level corresponds to the transition from a weak degree of orientation of cells to a strong degree of orientation and is preferred to achieve sufficient measurement accuracy. Therefore, at the beginning of research, experimentally determine the magnitude of the tension at which the cells go from a weak to a strong degree of orientation, and then all measurements are carried out without changing the electric field strength.

Способ реализуется в устройстве (SU, A, 913169), содержащем две электрооптические ячейки с двумя плоскими электродами в каждой ячейке, которые заполняют исследуемой суспензией, источник света, создающий два световых потока, один из которых пропускают через одну ячейку, другой через вторую, и соответственно два фотоприемника с разностным усилителем для определения разности между интенсивностью световых потоков, а также генератор напряжения. Направление вектора электрического поля в одной ячейке параллельно световому потоку в этой ячейке, а направление вектора электрического поля в другой ячейке перпендикулярно световому потоку в этой ячейке. The method is implemented in a device (SU, A, 913169) containing two electro-optical cells with two flat electrodes in each cell, which are filled with the test suspension, a light source that creates two light fluxes, one of which is passed through one cell, the other through the second, and accordingly, two photodetectors with a difference amplifier for determining the difference between the intensity of the light fluxes, as well as a voltage generator. The direction of the electric field vector in one cell is parallel to the light flux in this cell, and the direction of the electric field vector in another cell is perpendicular to the light flux in this cell.

Этот способ также может быть использован только для анализа однородной суспензии клеток, поскольку он позволяет оценить лишь изменение суммарной оптической плотности суспензии и соответственно усредненную по размерам клеток величину анизотропии поляризуемости. Использование в устройстве двух ячеек и двух фотоприемников частично компенсирует погрешности, связанные с седиментацией и флокуляцией клеток, однако вносит дополнительные погрешности, связанные с неидентичностью исполнения ячеек и наличием нескомпенсированных низкочастотных шумов фотоприемников. This method can also be used only for analysis of a homogeneous suspension of cells, since it allows you to evaluate only the change in the total optical density of the suspension and, accordingly, the polarizability anisotropy averaged over the size of the cells. The use of two cells and two photodetectors in the device partially compensates for errors associated with cell sedimentation and flocculation, however, it introduces additional errors due to the non-identical design of the cells and the presence of uncompensated low-frequency noise from photodetectors.

Таким образом, ни один из известных способов электрооптического анализа клеток в суспензии не обеспечивает возможности достоверного определения анизотропии поляризуемости каждой из однородных по размерам фракций клеток, составляющих гетерогенную популяцию, т. е. не позволяет оценивать степень гетерогенности популяции по данному параметру. Thus, none of the known methods of electro-optical analysis of cells in suspension provides the possibility of reliable determination of the polarizability anisotropy of each of the uniformly sized fractions of cells that make up a heterogeneous population, i.e., it does not allow to assess the degree of heterogeneity of a population by this parameter.

В основу изобретения положена задача разработать способ электрооптического анализа клеток в суспензии, позволяющей определять в гетерогенных смесях фракции с отличающимися морфометрическими и электрофизическими параметрами (т.е. оценивать степень гетерогенности популяции) путем использования разной степени инерционности клеток разных размеров при их ориентации в электрическом поле с изменяющимися параметрами и подбора этих параметров. Другая задача состоит в уменьшении низкочастотных (фликкер) шумов и компенсации возникающих флуктуаций плотности суспензии, флуктуации и седиментации клеток. The basis of the invention is to develop a method for electro-optical analysis of cells in suspension, which allows to determine fractions with different morphometric and electrophysical parameters in heterogeneous mixtures (i.e., to assess the degree of heterogeneity of a population) by using different degrees of inertia of cells of different sizes when oriented in an electric field with changing parameters and selection of these parameters. Another task is to reduce low-frequency (flicker) noise and compensate for fluctuations in the density of the suspension, fluctuations and sedimentation of cells.

В основу изобретения положена задача разработать устройство для осуществления способа электрооптического анализа клеток, позволяющее анализировать гетерогенную смесь клеток. The basis of the invention is the task of developing a device for implementing the method of electro-optical analysis of cells, allowing to analyze a heterogeneous mixture of cells.

Задача решается тем, что предлагается способ электрооптического анализа клеток в суспензии, при котором накладывают на исследуемую суспензию электрическое поле в виде импульсов, пропускают через нее световые потоки, измеряют интенсивность прошедших через суспензию световых потоков и определяют их разность как электрооптический сигнал для последующего определения частотной зависимости анизотропии поляризуемости клеток, в котором, согласно изобретению, при наложении каждого указанного импульса изменяют направление вектора электрического поля относительно направления светового потока дискретно на 90o с частотой F, при этом частоту F изменяют в диапазоне от Fmin до Fmax таким образом, что Fi+1 F1/2M, где i (0,j-1), или Fi-1 Fi/2M, где i (j-1,0), M положительное число.The problem is solved in that a method of electro-optical analysis of cells in suspension is proposed, in which an electric field in the form of pulses is applied to the suspension under study, light flows are passed through it, the intensity of the light flux passing through the suspension is measured, and their difference is determined as an electro-optical signal for the subsequent determination of the frequency dependence anisotropy of the polarizability of cells, in which, according to the invention, when applying each specified pulse, the direction of the vector of electric field relative to the direction of the light flux discretely by 90 o with a frequency F, while the frequency F is changed in the range from F min to F max so that F i + 1 F 1/2 M , where i (0, j-1) , or F i-1 F i / 2 M , where i (j-1,0), M is a positive number.

Для более эффективного определения фракций мелких клеток одновременно с изменением частоты F изменений направления вектора электрического поля дискретно на 90o изменяют напряженности Е электрического поля в диапазоне от Emin до Emax таким образом, что

Figure 00000004
в случае изменения напряженности электрического поля в сторону ее увеличения, или по формуле
Figure 00000005
в случае изменения напряженности электрического поля в сторону ее уменьшения, где i (0,j), j 1/M•log2(Fmax/Fmin).To more effectively determine the fractions of small cells simultaneously with changing the frequency F of the changes in the direction of the electric field vector, the electric field strengths E are discretely changed by 90 ° in the range from E min to E max so that
Figure 00000004
in case of a change in the electric field strength in the direction of its increase, or by the formula
Figure 00000005
in the case of a change in the electric field strength in the direction of its decrease, where i (0, j), j 1 / M • log 2 (F max / F min ).

Величины Fmin, Fmax, Emin, Emax определяют экспериментально, в зависимости от вида исследуемой культуры клеток.The values of F min , F max , E min , E max determined experimentally, depending on the type of the studied cell culture.

Способ может быть осуществлен при программировании параметров радиоимпульсов на изменение частоты изменений направления вектора электрического поля и напряженности электрического поля либо в сторону уменьшения этих величин, либо в сторону их увеличения. The method can be implemented when programming the parameters of the radio pulses to change the frequency of changes in the direction of the vector of the electric field and electric field strength either in the direction of decreasing these values, or in the direction of increasing them.

В случае изменения частоты изменения направления вектора электрического поля в сторону уменьшения начальное максимальное значение частоты Fmax определяют для каждой культуры экспериментально по появлению электрооптического сигнала, а величину Fmin определяют по исчезновению изменений стационарной величины электрооптического сигнала; величину Emax определяют соответствующей пороговому уровню слабой степени ориентации мелких клеток, а величину Emin определяют по достижению порогового уровня слабой степени ориентации крупных клеток.In the case of a change in the frequency of the direction of the electric field vector decreasing, the initial maximum frequency value F max is determined experimentally for each culture by the appearance of the electro-optical signal, and the value of F min is determined by the disappearance of changes in the stationary value of the electro-optical signal; the value of E max is determined corresponding to the threshold level of a weak degree of orientation of small cells, and the value of E min is determined by reaching a threshold level of a weak degree of orientation of large cells.

В случае изменения частоты F в сторону увеличения минимальную величину Fmin выбирают соответствующей отсутствию изменений стационарной величины электрооптического сигнала, максимальное значение частоты Fmax определяют по исчезновению электрооптического сигнала, величину Emin выбирают соответствующей слабой степени ориентации крупных клеток, а величину Emax определяют по достижению порогового уровня слабой степени ориентации мелких клеток.If the frequency F increases upward, the minimum value of F min is selected corresponding to the absence of changes in the stationary value of the electro-optical signal, the maximum value of frequency F max is determined by the disappearance of the electro-optical signal, the value of E min is chosen corresponding to a weak degree of orientation of large cells, and the value of E max is determined by reaching threshold level of a weak degree of orientation of small cells.

Экспериментальным путем было определено, что при осуществлении способа с программированием импульсов подачи электрического поля изменения направления вектора электрического поля на 90o должны выполняться в количестве не менее трех раз.It was experimentally determined that when implementing the method with programming the electric field supply pulses, changes in the direction of the electric field vector by 90 ° should be performed in an amount of at least three times.

Задача уменьшения низкочастотных (фликкер) шумов и компенсации возникающих флуктуаций плотности суспензии, флуктуации и седиментации клеток решается тем, что исследуемую суспензию берут в виде элементарного объема (одного исследуемого образца), через который поочередно пропускают два световых потока, ортогональных друг дpугу. The task of reducing low-frequency (flicker) noise and compensating for fluctuations in the density of the suspension, fluctuations and sedimentation of the cells is solved by the fact that the test suspension is taken in the form of an elementary volume (one test sample), through which two light fluxes orthogonal to each other are passed alternately.

Поставленные задачи решаются тем, что предложенное устройство для осуществления предлагаемого способа электрооптического анализа клеток, содержащее электрооптическую ячейку, снабженную светопрозрачными окнами, расположенными напротив друг друга и размещенными внутри нее электродами, источник света, оптически связанный с фотоприемником, соединенным с блоком определения разности между интенсивностью прошедших через суспензию световых потоков как электрооптического сигнала и генератор импульсов электрооптического напряжения, в котором, согласно изобретению, электрооптическая ячейка выполнена с четырьмя светопрозрачными окнами и, по меньшей мере четырьмя электродами в виде стержней, установленных вертикально между указанными окнами, при этом устройство снабжено дополнительным источником света, также оптически связанным с упомянутым фотоприемником, причем оба источника выполнены импульсными, а также последовательно соединенными между собой аттенюатором электрического напряжения с возможностью управления величиной электрического напряжения, парафазным усилителем и коммутатором электродов, подключенным к генератору электрического напряжения, при этом вход парафазного усилителя соединен с выходом аттенюатора, а его выходы соединены с двумя диагонально расположенными электродами и входами коммутатора электродов, выходы которого соединены с двумя другими диагонально расположенными электродами. The tasks are solved in that the proposed device for implementing the proposed method of electro-optical analysis of cells, containing an electro-optical cell equipped with translucent windows located opposite each other and placed inside it by electrodes, a light source optically coupled to a photodetector connected to a unit for determining the difference between the intensity of transmitted through a suspension of light fluxes as an electro-optical signal and a pulse generator of electro-optical voltage, in the torus according to the invention, the electro-optical cell is made with four translucent windows and at least four electrodes in the form of rods mounted vertically between said windows, the device being provided with an additional light source also optically coupled to said photodetector, both sources being pulsed, as well as sequentially interconnected by an attenuator of electrical voltage with the ability to control the magnitude of the electrical voltage, paraphase rer and a switch electrodes connected to the generator voltage, the input of paraphase amplifier connected to the output of the attenuator and its output is connected to two diagonally arranged electrodes and input electrodes of the switch, the outputs of which are connected with the two other diagonally arranged electrodes.

Для увеличения оптической толщины исследуемого образца суспензии, что приводит к повышению точности измерения изменений интенсивности световых потоков, электрооптическая ячейка выполнена с девятью электродами, установленными внутри указанной ячейки на равном расстоянии друг от друга тремя рядами по три электрода в каждом ряду и расстояние между соседними электродами в ряду равно расстоянию между соседними рядами, а средний электрод среднего ряда является центральным, при этом крайние электроды первого и третьего рядов соединены с одним выходом парафазного усилителя, центральный электрод соединен с другим выходом парафазного усилителя, а остальные попарно противолежащие электроды соединены с выходом коммутатора электродов. To increase the optical thickness of the suspension sample under study, which leads to an increase in the accuracy of measuring changes in the intensity of light fluxes, the electro-optical cell is made with nine electrodes mounted inside the specified cell at an equal distance from each other in three rows of three electrodes in each row and the distance between adjacent electrodes in the row is equal to the distance between adjacent rows, and the middle electrode of the middle row is central, while the extreme electrodes of the first and third rows are connected to These paraphase amplifier output, a central electrode is connected to the other output of paraphase amplifier, and the remaining pairwise opposing electrodes connected to the output electrode of the switch.

Блок определения разности между интенсивностью световых потоков может быть выполнен в виде преобразователя напряжения в частоту, выход которого соединен со входами двух стробирующих счетчиков частоты. The unit for determining the difference between the intensity of the light flux can be made in the form of a voltage to frequency converter, the output of which is connected to the inputs of two strobe frequency counters.

Электрооптическая ячейка может быть выполнена в виде параллелепипеда с квадратным основанием. The electro-optical cell can be made in the form of a parallelepiped with a square base.

Оптическая связь источников света с фотоприемником может быть выполнена в виде четырех зеркал, одно из которых установлено на оси светового потока, создаваемого одним источником света, другое на оси светового потока, создаваемого другим источником света, а два других расположены между предыдущими зеркалами и установлены относительно друг друга под углом, обеспечивающим падение указанных световых потоков на фотоприемник под углом 90o.The optical connection of the light sources with the photodetector can be made in the form of four mirrors, one of which is mounted on the axis of the light flux generated by one light source, the other on the axis of the light flux generated by another light source, and the other two are located between the previous mirrors and mounted relative to each other friend at an angle that ensures the fall of these light fluxes on the photodetector at an angle of 90 o .

На фиг.1 показано изменение величины электрооптического сигнала как функции времени при воздействии на исследуемую суспензию одного радиоимпульса электрического напряжения с программированным изменением параметров электрического поля, где
а) пространственное изменение направления вектора поля на 90o относительно нулевого момента времени при количестве изменений равном пяти для каждой частоты F, показанное стрелками и временной диаграммой;
б) изменение напряженности Е поля на протяжении одного радиоимпульса электрического напряжения одновременно с изменением частоты F изменений направления вектора поля на 90o при количестве изменений направления вектора равном пяти;
в) изменение величины электрооптического сигнала при воздействии радиоимпульса электрического поля с изменением его параметров в соответствии с графиками а) и б).
Figure 1 shows the change in the magnitude of the electro-optical signal as a function of time when exposed to a test suspension of one radio pulse of electric voltage with a programmed change in the parameters of the electric field, where
a) a spatial change in the direction of the field vector by 90 o relative to the zero point in time with the number of changes equal to five for each frequency F, shown by arrows and time diagram;
b) a change in the field strength E during one radio pulse of the electric voltage simultaneously with a change in the frequency F of the changes in the direction of the field vector by 90 o with the number of changes in the direction of the vector equal to five;
c) a change in the magnitude of the electro-optical signal when exposed to a radio pulse of an electric field with a change in its parameters in accordance with graphs a) and b).

На фиг. 2 показана зависимость электрооптического сигнала от количества изменений направления вектора электрического поля на 90o; на фиг.3 - структурная схема устройства; на фиг.4 электрооптическая ячейка с четырьмя электродами в изометрии; на фиг.5 схема присоединения электродов к коммутатору электродов и к парафазному усилителю:
а) для ячейки с четырьмя электродами;
б) для ячейки с девятью электродами.
In FIG. 2 shows the dependence of the electro-optical signal on the number of changes in the direction of the electric field vector by 90 o ; figure 3 is a structural diagram of a device; figure 4 electro-optical cell with four electrodes in isometry; figure 5 diagram of the connection of the electrodes to the electrode switch and to the paraphase amplifier:
a) for a cell with four electrodes;
b) for a cell with nine electrodes.

На фиг.6 показан электрооптический сигнал от суспензии клеток E.coli при пяти изменениях направления вектора электрического поля на 90o для каждой из четырех частот F изменений направления вектора и напряженности Е (для последующих расчетов используют сигнал, полученный после трех изменений направления вектора)
а) н частоте заполнения радиоимпульса f1 1 кГц;
б) на частоте заполнения радиоимпульса f2 8,4 МГц.
Figure 6 shows the electro-optical signal from a suspension of E. coli cells with five changes in the direction of the electric field vector by 90 ° for each of the four frequencies F of changes in the direction of the vector and intensity E (for subsequent calculations, the signal obtained after three changes in the direction of the vector is used)
a) at the frequency of filling the radio pulse f 1 1 kHz;
b) at a frequency of filling the radio pulse f 2 of 8.4 MHz.

На фиг.7 изображено распределение размеров клеток E.coli
а) полученное в результате обработки оптического сигнала на частоте f1 1 кГц;
б) полученное в результате обработки микрофотографий клеток в количестве 2500 шт.
7 shows the size distribution of E. coli cells
a) obtained as a result of processing an optical signal at a frequency f 1 1 kHz;
b) obtained as a result of processing micrographs of cells in an amount of 2500 pcs.

На фиг. 8 зависимость величины анизотропии поляризуемости от размера клеток E. coli на частоте f2 заполнения радиоимпульса нормированной на величину анизотропии поляризуемости, полученную на частоте f1.In FIG. 8 the dependence of the polarizability anisotropy on the size of E. coli cells at a frequency f 2 filling the radio pulse normalized to the value of the polarizability anisotropy obtained at a frequency f 1 .

На фиг.9 электрический сигнал от суспензии клеток Bac.subtilis при пяти изменениях направления вектора электрического поля на 90o для каждой из четырех частот F изменений направления вектора и напряженности Е (для последующих расчетов используют сигнал, полученный после трех изменений направления вектора)
а) на частоте заполнения радиоимпульса f1 1 кГц;
б) на частоте заполнения радиоимпульса f2 4,2 МГц.
In Fig. 9, the electrical signal from a suspension of Bac.subtilis cells with five changes in the direction of the electric field vector by 90 ° for each of the four frequencies F of changes in the direction of the vector and intensity E (for subsequent calculations, the signal obtained after three changes in the direction of the vector)
a) at the filling frequency of the radio pulse f 1 1 kHz;
b) at the filling frequency of the radio pulse f 2 4.2 MHz.

На фиг. 10 зависимость величины анизотропии поляризуемости от размера клеток Bac.subtilis на частоте f2 заполнения радиоимпульса нормированной на величину анизотропии поляризуемости, полученную на частоте f1.In FIG. 10 shows the dependence of the polarizability anisotropy on the size of Bac.subtilis cells at the frequency f 2 of filling the radio pulse normalized to the polarizability anisotropy obtained at the frequency f 1 .

Известно, что процесс изменения сечения рассеяния G(t) клеток в течение воздействия электрического поля и связанного с ним изменения оптической плотности суспензии начинается с релаксационной и переходит в стационарную фазу. Для фракции клеток с размером b1 и весовым коэффициентом Ai он описывается соотношением:
dGi(t) Ai•(1-exp(-6•Di•t)),
где Ai Ni•dQi•dai;
Ni количество клеток i размера;
dQi приращение сечения рассеяния одиночной клетки i размера после завершения ее ориентации;
Di коэффициент вращательной диффузии для клеток с размером bi;
dai анизотропия поляризуемости клеток i фракции, равная разности продольной и поперечной компонент тензора а поляризуемости;
t длительность воздействия электрического поля неизменного направления, фиксированной напряженности и частоты.
It is known that the process of changing the scattering cross section G (t) of cells during exposure to an electric field and the associated change in the optical density of the suspension begins with a relaxation phase and goes into the stationary phase. For a fraction of cells with a size of b 1 and a weight coefficient A i it is described by the ratio:
dG i (t) A i • (1-exp (-6 • D i • t)),
where A i N i • dQ i • da i ;
N i the number of cells i size;
dQ i increment of the scattering cross section of a single cell of size i after completion of its orientation;
D i rotational diffusion coefficient for cells with size b i ;
da i the anisotropy of the polarizability of the cells of the i fraction, equal to the difference between the longitudinal and transverse components of the polarizability tensor a;
t is the duration of exposure to an electric field of constant direction, fixed intensity and frequency.

Стационарная фаза соответствует завершению процесса ориентации клеток при t→ ∞. Из-за линейной зависимости величины анизотропии поляризуемости клеток от их объема выполнение измерений на пороговом уровне напряженности Еmax для мелких клеток приводит к сильной степени ориентации больших клеток и искажению их вклада в dai (Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред, М. Гостехиздат, 1957, с.14-28). За счет существенной зависимости приращения сечения рассеяния клеток от их размера (не ниже кубической), выполнение измерений при слабой степени ориентации больших клеток приводит к незначительному вкладу в суммарной электрооптический сигнал клеток с малыми размерами, т. е. вклад малого количества крупных клеток подавляет вклад от большого количества мелких клеток.The stationary phase corresponds to the completion of the cell orientation process as t → ∞. Due to the linear dependence of the polarizability anisotropy of the cells on their volume, measurements at the threshold level of tension E max for small cells lead to a strong degree of orientation of large cells and a distortion of their contribution to da i (Landau L.D. Lifshits E.M. Wednesdays, M. Gostekhizdat, 1957, pp. 14-28). Due to the significant dependence of the increment of the scattering cross section of the cells on their size (not lower than cubic), performing measurements with a weak degree of orientation of large cells leads to an insignificant contribution to the total electro-optical signal of cells with small sizes, i.e., the contribution of a small number of large cells suppresses the contribution from a large number of small cells.

Сущность изобретения заключается в том, что при анализе гетерогенной по размерам популяции клеток были использованы приемы измерения напряженности и направления вектора электрического поля с переменной частотой F в пределах одного радиоимпульса воздействия поля, позволяющие выделить приращение сечения рассеяния для мелких клеток на фоне значительного изменения сечения рассеяния крупных клеток за счет отличия в характере оптических сигналов от клеток различных размеров при их ориентации в электрическом поле, направление (вектор) которого изменяют на 90o с изменяемой частотой F. Причиной этого отличия является различная степень инерционности клеток разных размеров, определяемая величиной коэффициента вращательной диффузии. При этом при изменении направления вектора с частотой Fmax (для случая изменения частоты F в сторону ее уменьшения) мелкие клетки перед изменением направления вектора электрического поля на 90o находятся в стационарном, а более крупные клетки в релаксационном состоянии. Изменение напряженности Е электрического поля одновременно с изменением частоты F изменений направления вектора на 90o позволяет увеличить и выделить оптический вклад мелких клеток, находящихся в стационарном состоянии при слабой степени их ориентации, от вклада крупных клеток, находящихся в стационарном состоянии при слабой степени их ориентации, от вклада крупных клеток, находящихся в релаксационном состоянии при средней или сильной степени ориентации этих клеток.The essence of the invention lies in the fact that in the analysis of a cell population heterogeneous in size, methods were used to measure the strength and direction of the electric field vector with a variable frequency F within a single radio pulse of the field effect, allowing to distinguish the increment of the scattering cross section for small cells against the background of a significant change in the scattering cross section of large cells due to the difference in the nature of the optical signals from cells of various sizes when they are oriented in an electric field, the direction (vector) cat It is changed by 90 ° with a variable frequency F. The reason for this difference is a different degree of inertia of cells of different sizes, determined by the value of the coefficient of rotational diffusion. Moreover, when changing the direction of the vector with a frequency F max (for the case of changing the frequency F in the direction of its decrease), small cells are in a stationary state before the direction of the electric field vector changes by 90 o , and larger cells are in a relaxation state. A change in the electric field strength E simultaneously with a change in the frequency F of changes in the direction of the vector by 90 ° allows us to increase and isolate the optical contribution of small cells that are stationary with a weak degree of orientation from the contribution of large cells that are stationary with a weak degree of orientation, from the contribution of large cells in a relaxed state with an average or strong degree of orientation of these cells.

Таким образом, наличие этих приемов позволяет выделить вклад, вносимый в суммарное изменение оптической плотности каждой фракцией клеток, и, следовательно, определить при модельном представлении сечения рассеяния либо величину анизотропии поляризуемости для каждой фракции клеток одного размера при известном распределении размеров, либо распределение размеров при известной модельной зависимости анизотропии поляризуемости от размеров. Thus, the presence of these techniques makes it possible to single out the contribution made to the total change in the optical density of each fraction of cells, and, therefore, to determine the scattering cross section for a model representation of either the polarizability anisotropy for each fraction of cells of the same size with a known size distribution, or the size distribution with a known model dependence of polarizability anisotropy on sizes.

Программа изменений направления вектора электрического поля, его напряженности Е и частоты F изменений направления вектора в пределах каждого радиоимпульса воздействия поля представлена на фиг.1,а) и б) для случая пятикратного изменения направления вектора на 90o для любой частоты F.The program of changes in the direction of the vector of the electric field, its intensity E and frequency F, changes in the direction of the vector within each radio pulse of the field effect is presented in Fig. 1, a) and b) for the case of a five-fold change in the direction of the vector by 90 o for any frequency F.

При таком программировании параметров воздействующего на клетки электрического поля происходит изменение амплитуды и формы электрооптического сигнала (фиг.1,в), по которым при использовании известных модельных соотношений для сечения рассеяния рассчитывают зависимость анизотропии поляризуемости клеток от их размеров и тем самым определяют электрофизическую гетерогенность суспензии. With this programming of the parameters of the electric field acting on the cells, the amplitude and shape of the electro-optical signal change (Fig. 1, c), according to which, using the known model ratios for the scattering cross section, the dependence of the polarizability anisotropy of the cells on their sizes is calculated and thereby determine the electrophysical heterogeneity of the suspension.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом:
Через исследуемый образец суспензии поочередно пропускают два потока света, ортогональных друг другу, с частотой переключения не менее чем на два порядка больше чем частота F изменений направления вектора электрического поля. Количество изменений направления вектора электрического поля на 90o для каждого значения частоты F определяется достижением постоянной величины сигнала G(t) на стационарной фазе ориентации. На фиг.2 представлены результаты моделирования воздействия количества изменений направления вектора поля на 90• от одного до пяти на форму электрооптического сигнала при начальной напряженности Е поля равной нулю и последующей подаче поля с напряженностью Emax и частотой Fmax изменений направления вектора поля. Для наглядности графики изменения формы электрооптического сигнала как функции времени наложены друг на друга (номера графиков соответствуют количеству изменений направления вектора). Как видно из этой фигуры, влияние различных начальных условий на форму электрооптического сигнала становится пренебрежимо малым уже после третьего изменения направления вектора поля на 90o.
The proposed method is as follows:
Two streams of light orthogonal to each other are passed through the suspension sample under study with a switching frequency of at least two orders of magnitude greater than the frequency F of changes in the direction of the electric field vector. The number of changes in the direction of the electric field vector by 90 o for each value of the frequency F is determined by the achievement of a constant signal G (t) at the stationary orientation phase. Figure 2 presents the results of modeling the effect of the number of changes in the direction of the field vector by 90 • from one to five on the shape of the electro-optical signal with an initial field strength E of zero and the subsequent supply of the field with a strength of E max and frequency F max of changes in the direction of the field vector. For clarity, the graphs of changes in the shape of the electro-optical signal as a function of time are superimposed on each other (the numbers of the graphs correspond to the number of changes in the direction of the vector). As can be seen from this figure, the influence of various initial conditions on the shape of the electro-optical signal becomes negligible after the third change in the direction of the field vector by 90 o .

Частоту F изменяют в диапазоне от Fmax до Fmin таким образом, что Fi±1 Fi/2M, где i (0,j-1), (j-1,0), M положительное число, зависящее от желаемой степени определения гетерогенности суспензии. Количество шагов изменения частоты при этом определяется как j 1/M•log2(Fmax/Fmin). Уменьшение М до 0,1 и менее сопровождается увеличением точности оценки гетерогенности, увеличением времени измерения и усложнением алгоритма обработки. Отсюда относительное изменение частоты F выбирают, исходя из компромисса между допустимым временем измерения и желаемой точностью.The frequency F is varied in the range from F max to F min so that F i ± 1 F i / 2 M , where i (0, j-1), (j-1,0), M is a positive number depending on the desired degree of determination of suspension heterogeneity. The number of steps for changing the frequency is defined as j 1 / M • log 2 (F max / F min ). A decrease in M to 0.1 or less is accompanied by an increase in the accuracy of heterogeneity estimation, an increase in the measurement time, and a complication of the processing algorithm. Hence, the relative change in the frequency F is chosen based on a compromise between the allowable measurement time and the desired accuracy.

Величину напряженности электрического поля Е для каждого значения частоты F поддерживают постоянной. Начальное значение напряженности Emax при частоте Fmax изменения направления вектора соответствует пороговому уровню слабой степени ориентации мелких клеток. Конечная величина напряженности поля Emin соответствует уровню слабой степени ориентации фракции Aj наиболее крупных клеток. Напряженность Е электрического поля изменяют в диапазоне от Emax до Emin таким образом, что

Figure 00000006
при изменении величины Е в сторону ее уменьшения.The magnitude of the electric field E for each value of the frequency F is kept constant. The initial value of the tension E max at a frequency F max of a change in the direction of the vector corresponds to a threshold level of a weak degree of orientation of small cells. The final value of the field strength E min corresponds to the level of a weak degree of orientation of the fraction A j of the largest cells. The electric field strength E is varied in the range from E max to E min so that
Figure 00000006
when changing the value of E in the direction of its decrease.

При воздействии на суспензию электрического поля с напряженностью Emax и частотой Fmax изменений направления вектора электрического поля, перед сменой направления вектора поля фракция мелких клеток Ao с размером bo находится в стационарной, а Ai фракции более крупных клеток с размерами bi, где i>1, в релаксационной фазе ориентации. Электрооптический сигнал после трехкратного изменения направления вектора электрического поля на 90o, определяемый как разность между интенсивностью прошедших через исследуемую суспензию ортогональных световых потоков, будет состоять из линейных начальных отрезков экспоненты, соответствующих i фракциям и полного экспоненциального сигнала от фракции о самых мелких клеток. Выделение сигнала от фракции о осуществляют исключением из суммарного сигнала линейной составляющей от суммы фракций начиная со второй, например, вычитанием постоянной составляющей дифференцированного сигнала.When a suspension is exposed to an electric field with an intensity E max and frequency F max of changes in the direction of the vector of the electric field, before changing the direction of the field vector, the fraction of small cells A o with size b o is stationary, and A i the fraction of larger cells with sizes b i , where i> 1, in the relaxation phase of orientation. An electro-optical signal after a triple change in the direction of the electric field vector by 90 ° , defined as the difference between the intensity of the orthogonal light flux transmitted through the suspension under investigation, will consist of linear initial segments of the exponent corresponding to the i fractions and the total exponential signal from the fraction of the smallest cells. The selection of the signal from the fraction o is carried out by excluding from the total signal the linear component from the sum of the fractions starting from the second, for example, by subtracting the constant component of the differentiated signal.

Переход к следующей напряженности Е1 cопровождается одновременным уменьшением величины F в 2M раз и уменьшением величины Е2 на (E 2 max -E 2 min )/j. Линейный отрезок оптического отклика от фракции А2 преобразуется в полный экспоненциальный сигнал (при М=1) или в его часть (при М<1), в зависимости от величины М. Кроме того электрооптический сигнал от всех фракций снижается на величину (E 2 max -E 2 min )/j за счет квадратичной зависимости величины электрооптического сигнала от Е.The transition to the next tension E 1 is accompanied by a simultaneous decrease in the value of F by 2 M times and a decrease in the value of E 2 by (E 2 max -E 2 min ) / j. The linear segment of the optical response from fraction A 2 is converted to the full exponential signal (at M = 1) or to its part (at M <1), depending on the value of M. In addition, the electro-optical signal from all fractions decreases by the amount of (E 2 max -E 2 min ) / j due to the quadratic dependence of the magnitude of the electro-optical signal on E.

Процесс выделения электрооптического сигнала от второй и последующих фракций является итерационным. На k шаге из суммарного сигнала исключаются линейные электрооптические сигналы от фракций Аi, где i k+1,j. Вклад фракции Ak находится при исключении из стационарной величины сигнала вклада фракций Ai, где i=0,k-1. Рассчитанные значения весовых множителей для этих фракций с каждым шагом измерения частоты будут уменьшаться на величину (E 2 max -E 2 min )/j.
Точность определения электрооптического сигнала для каждой фракции заданного размера возрастает при изменении направления вектора электрооптического поля за счет симметричности сигнала и исключения погрешности выбора нулевой линии отсчета, обеспечиваемых тем, что измерения проводят на одном образце исследуемой суспензии при поочередном пропускании ортогональных друг другу потоков света.
The process of isolating the electro-optical signal from the second and subsequent fractions is iterative. At the k step, linear electro-optical signals from fractions A i are excluded from the total signal, where i k + 1, j. The contribution of the fraction A k is found by excluding from the stationary value of the signal the contribution of the fractions A i , where i = 0, k-1. The calculated values of the weighting factors for these fractions with each step of the frequency measurement will decrease by (E 2 max -E 2 min ) / j.
The accuracy of determining the electro-optical signal for each fraction of a given size increases with a change in the direction of the vector of the electro-optical field due to the symmetry of the signal and the elimination of the error in the choice of the zero reference line, provided that the measurements are carried out on one sample of the suspension under investigation when the light fluxes are orthogonal to each other.

Выполнение измерений величины электрооптического сигнала в течение одного радиоимпульса позволяет определить совокупность значений коэффициентов An}i для данной частоты заполнения радиоимпульса fi. Проведение измерений на ряде частот позволяет определить наборы коэффициентовAn}i как функцию частоты f электрического поля. Нормировка величиныAn}i на величину оптической плотности суспензии и квадрат напряженности электрического поля позволяет найти величинуAn}i для каждой фракции клеток одного размера. Выполнение измерений на наборе частот электрического поля при подаче последовательности радиоимпульсов с разной частотой заполнения позволяет определить частотную дисперсию величиныAn}i для каждой фракции по размерам.Performing measurements of the magnitude of the electro-optical signal during one radio pulse allows you to determine the set of values of the coefficients A n } i for a given frequency of filling of the radio pulse f i . Carrying out measurements at a number of frequencies allows one to determine the sets of coefficients A n } i as a function of the frequency f of the electric field. Normalization of the value of A n } i by the value of the optical density of the suspension and the square of the electric field makes it possible to find the value of A n } i for each fraction of cells of the same size. Performing measurements on a set of frequencies of the electric field when applying a sequence of radio pulses with different filling frequencies allows us to determine the frequency dispersion of the quantity A n } i for each fraction by size.

Для определения физиологических характеристик клеток, например их внутреннего гомеостаза, синтеза клеточных структур и др. используют зависимости величины Ai или величины анизотропии поляризуемости от частоты f электрического поля, полученные для каждой фракции клеток определенного размера. Гетерогенность суспензии по указанным физиологическим параметрам определяют путем расщепления электрооптического сигнала, полученного для каждой фракции с определенным размером клеток, на сумму сигналов, соответствующих фракциям клеток с различными поляризационными параметрами. Такие зависимости для фракций жизнеспособных клеток, поврежденных клеток, клеток на стадии споруляции или клеток, подверженных различным видам воздействий, получают в процессе предварительных измерений.To determine the physiological characteristics of cells, for example, their internal homeostasis, synthesis of cell structures, etc., the dependences of A i or polarizability anisotropy on the frequency f of the electric field obtained for each fraction of cells of a certain size are used. The heterogeneity of the suspension according to the indicated physiological parameters is determined by splitting the electro-optical signal obtained for each fraction with a certain cell size into the sum of the signals corresponding to the fractions of cells with different polarization parameters. Such dependences for fractions of viable cells, damaged cells, cells at the sporulation stage, or cells susceptible to various types of influences are obtained in the process of preliminary measurements.

Устройство для электрооптического анализа клеток в суспензии (фиг.3) содержит электрооптическую ячейку 1 для исследуемой суспензии, сообщенную с емкостями для приготовления исследуемого образца и сбора отходов, не показанными на схеме, импульсные источники 2 и 3 света и зеркала 4-7, служащие для сведения световых потоков от источников 2 и 3 к фотоприемнику 8 (т.е. для обеспечения оптической связи источников 2 и 3 света с фотоприемником 8), соединенному в электрическую цепь с преобразователем 9 напряжения в частоту, выход которого соединен со входами стробируемых счетчиков 10 и 11 частоты. Устройство также содержит генератор 12 гармонического напряжения, аттенюатор 13, вход которого соединен с выходом генератора 12, парафазный усилитель 14, вход которого соединен с выходом аттенюатора 13, и коммутатор 15 электродов, входы которого соединены с выходами парафазного усилителя 14. A device for electro-optical analysis of cells in suspension (Fig. 3) contains an electro-optical cell 1 for the test suspension, in communication with containers for the preparation of the test sample and waste collection, not shown in the diagram, pulsed light sources 2 and 3 and mirrors 4-7, serving for information of the light fluxes from sources 2 and 3 to the photodetector 8 (i.e., to provide optical communication of light sources 2 and 3 with the photodetector 8) connected to the electric circuit with a voltage to frequency converter 9, the output of which is connected to the input E gated counters 11, 10 and frequency. The device also contains a harmonic voltage generator 12, an attenuator 13, the input of which is connected to the output of the generator 12, a paraphase amplifier 14, the input of which is connected to the output of the attenuator 13, and an electrode switch 15, the inputs of which are connected to the outputs of the paraphase amplifier 14.

Электрооптическая ячейка 1 выполнена (фиг.4) в виде параллелепипеда с квадратным основанием, содержит четыре светопрозрачные стенки 16 и электроды 17-20, для случая четырехэлектpодной ячейки, или электроды 21-29, для случая девятиэлектродной ячейки (фиг.5). Электроды 17-20 и 21-29 выполнены в виде стрежней и служат для создания электрического поля в ячейке 1. Электроды 17-20 установлены вертикально по углам ячейки 1 на одинаковом расстоянии от ее вертикальной оси. Электроды 21-29 установлены в ячейке 1 вертикально тремя рядами по три электрода в каждом так, что расстояние между соседними электродами в ряду равно расстоянию между электродами, причем средний электрод 29 среднего ряда установлен по вертикальной оси ячейки 1 и является центральным. При этом электроды 17 и 18 соединены с выходами коммутатора 15 электродов, а электроды 19 и 20 соединены с выходами парафазного усилителя 14. Электроды 21 и 22 соединены с одним выходом коммутатора 15 электродов, а электроды 23 и 24 соединены с другим выходом коммутатора 15 электродов, электроды 25-28 соединены с одним выходом парафазного усилителя 14, а электрод 29 соединен с другим выходом парафазного усилителя 14. The electro-optical cell 1 is made (Fig. 4) in the form of a parallelepiped with a square base, contains four translucent walls 16 and electrodes 17-20, for the case of a four-electrode cell, or electrodes 21-29, for the case of a nine-electrode cell (Fig. 5). The electrodes 17-20 and 21-29 are made in the form of rods and serve to create an electric field in the cell 1. The electrodes 17-20 are installed vertically at the corners of the cell 1 at the same distance from its vertical axis. The electrodes 21-29 are mounted vertically in cell 1 in three rows of three electrodes in each so that the distance between adjacent electrodes in a row is equal to the distance between the electrodes, with the middle electrode 29 of the middle row installed along the vertical axis of cell 1 and is central. In this case, the electrodes 17 and 18 are connected to the outputs of the electrode switch 15, and the electrodes 19 and 20 are connected to the outputs of the paraphase amplifier 14. The electrodes 21 and 22 are connected to one output of the electrode switch 15, and the electrodes 23 and 24 are connected to the other output of the electrode switch 15, electrodes 25-28 are connected to one output of the paraphase amplifier 14, and the electrode 29 is connected to another output of the paraphase amplifier 14.

Устройство снабжено микропроцессором 30 с общей шиной 31, с которой связаны управляющие входы генератора 12, аттенюатора 13, коммутатора 15 электродов и импульсных источников 2 и 3 света и выходы стробируемых счетчиков 10 и 11 частоты. The device is equipped with a microprocessor 30 with a common bus 31, to which the control inputs of the generator 12, attenuator 13, switch 15 of the electrodes and pulsed light sources 2 and 3 and the outputs of the gated frequency counters 10 and 11 are connected.

Устройство работает следующим образом. В электрооптическую ячейку 1 помещают исследуемый образец суспензии. На управляющие входы импульсных источников 2 и 3 света по общей шине 31 микропроцессора 30 подают кодовые последовательности, задающие интенсивность светового потока каждого из импульсных источников 2 и 3 света. По управляющим сигналам микропроцессора 30, следующим с частотой переключения световых потоков, импульсные источники 2 и 3 света поочередно создают световые потоки, которые проходят в перпендикулярные направлениях через электрооптическую ячейку 1 Одновременно в ячейке 1 создают электрическое поле с изменяемыми параметрами. The device operates as follows. In the electro-optical cell 1 is placed the investigated sample suspension. The control inputs of the pulsed light sources 2 and 3 via a common bus 31 of the microprocessor 30 are supplied with code sequences that specify the intensity of the light flux of each of the pulsed light sources 2 and 3. According to the control signals of the microprocessor 30, next with the switching frequency of the light fluxes, the pulsed light sources 2 and 3 alternately create light fluxes that pass in perpendicular directions through the electro-optical cell 1. At the same time, an electric field with variable parameters is created in cell 1.

По управляющему сигналу от микропроцессора 30 генератор 12 формирует гармоническое напряжение заданной частоты в диапазоне от 103 до 108 Гц в виде радиоимпульсов с фиксированной частотой заполнения. Напряжение поступает на управляющий аттенюатор 13, в котором коэффициент ослабления под управлением микропроцессора 30 меняется с переходом к следующей частоте изменения направления вектора электрического поля и таким образом изменяет напряженность поля в ячейке 1. Далее напряжение поступает на парафазный усилитель 14, формирующий два напряжения со смещением фазы в 180o.According to the control signal from the microprocessor 30, the generator 12 generates a harmonic voltage of a given frequency in the range from 10 3 to 10 8 Hz in the form of radio pulses with a fixed filling frequency. The voltage is supplied to the control attenuator 13, in which the attenuation coefficient under the control of the microprocessor 30 changes with the transition to the next frequency of the direction of the electric field vector and thus changes the field strength in cell 1. Next, the voltage is supplied to the paraphase amplifier 14, which generates two voltages with phase shift at 180 o .

Два парафазных напряжения парафазного усилителя 14 одновременно подаются на электроды 17 и 18 или 25-28 и 29 непосредственно, а на электроды 19, 20 или 21 и 22, 23 и 24 через коммутатор 15 электродов. По управляющим сигналам от микропроцессора 30 коммутатор 15 обеспечивает поочередно подключение к электродам парафазных напряжений с частотой F изменения направления вектора электрического поля, что приводит к изменению направления вектора поля в электрической ячейке 1 на 90o.Two paraphase voltages of the paraphase amplifier 14 are simultaneously supplied to the electrodes 17 and 18 or 25-28 and 29 directly, and to the electrodes 19, 20 or 21 and 22, 23 and 24 through the switch 15 of the electrodes. According to the control signals from the microprocessor 30, the switch 15 provides alternately connecting to the electrodes of paraphase voltages with a frequency F changing the direction of the electric field vector, which leads to a change in the direction of the field vector in the electric cell 1 by 90 o .

Электрическое поле в ячейке 1 вызывает ориентацию частиц, которая приводит к увеличению оптической плотности суспензии в одном направлении и уменьшению оптической плотности в перпендикулярном направлении, что соответствует изменению интенсивности ортогональных световых потоков, создаваемых поочередно источниками 2 и 3 света, определяемому как электрооптический сигнал. Изменение направления вектора электрического поля приводит к изменению ориентации клеток и смене характера изменения оптической плотности в этих направлениях на противоположный. Системой зеркал 4-7 световые потоки сводятся на фотоприемник 8. Выходное напряжение фотоприемника 8 поступает на преобразователь 9 напряжения в частоту. Импульсы с выхода преобразователя 9 накапливаются в стробируемых счетчиках 10 и 11 частоты. Количество импульсов соответствует интенсивности ортогональных световых потоков прошедших через ячейку 1. Содержание счетчиков 10 и 11 считывается в микропроцессор 30 и после определения их разности используется для расчета селективных величин анизотропии поляризуемости клеток различных фракций и их морфометрических параметров. The electric field in cell 1 causes particle orientation, which leads to an increase in the optical density of the suspension in one direction and a decrease in the optical density in the perpendicular direction, which corresponds to a change in the intensity of the orthogonal light flux generated alternately by light sources 2 and 3, defined as an electro-optical signal. A change in the direction of the electric field vector leads to a change in the orientation of cells and a change in the nature of the change in optical density in these directions to the opposite. The system of mirrors 4-7, the light fluxes are reduced to the photodetector 8. The output voltage of the photodetector 8 is supplied to the voltage Converter 9 to the frequency. The pulses from the output of the Converter 9 are accumulated in the gated counters 10 and 11 of the frequency. The number of pulses corresponds to the intensity of the orthogonal light fluxes transmitted through cell 1. The counters 10 and 11 are read into the microprocessor 30 and, after determining their difference, is used to calculate the selective polarizability anisotropy of cells of various fractions and their morphometric parameters.

Конечным регистрируемым в микропроцессоре 30 сигналом является изменение во времени оптических свойств суспензии клеток, определяемое как разность интенсивностей ортогональных световых потоков, возникшая в процессе воздействия на суспензию радиоимпульса электрического поля с фиксированной частотой f заполнения и изменяющимися параметрами поля F и Е. The final signal recorded in the microprocessor 30 is the time variation of the optical properties of the cell suspension, defined as the difference in the intensities of the orthogonal light fluxes that occurs when the electric pulse is exposed to the suspension with a fixed filling frequency f and changing field parameters F and E.

Программирование изменяющихся параметров электрического поля на протяжении каждого радиоимпульса обеспечивает возможность определения фракционного состава клеток в суспензии. Кроме того, изменение направления вектора электрического поля на протяжении радиоимпульса позволяет повысить точность измерений электрооптического сигнала за счет исключения влияния дрейфа нулевой линии. Programming the changing parameters of the electric field during each radio pulse provides the ability to determine the fractional composition of cells in suspension. In addition, a change in the direction of the vector of the electric field during the radio pulse allows to increase the accuracy of measurements of the electro-optical signal by eliminating the influence of zero-line drift.

Определение разности интенсивности ортогональных световых потоков, прошедших через один и тот же образец суспензии элементарный объем, позволяет исключить одинаковое действие в суспензии седиментации частиц и шумы флуктуаций плотности. Determination of the difference in the intensity of orthogonal light fluxes passing through the same elementary suspension sample allows eliminating the same effect of particle sedimentation and noise of density fluctuations in the suspension.

Преимущества предлагаемого способа и устройства для его осуществления иллюстрируются конкретными примерами осуществления способа:
Пример 1. Определение гетерогенности суспензии клеток E.coli.
The advantages of the proposed method and device for its implementation are illustrated by specific examples of the method:
Example 1. Determination of heterogeneity of a suspension of E. coli cells.

Культуральную жидкость с клетками E.coli С 600, полученную после культивирования на качалке в течение 5 ч при 37oC на минеральной среде М9 (Методы общей бактериологии/ под ред. Ф.Герхарда, т.1, М. Мир, 1984, гл.3) с добавкой 0,4% глюкозы и прогретую в водяной бане при 60oC в течение 10 мин, отфильтровали через целлюлозную мембрану "Владипор N 5", осадок из клеток на фильтре промыли дистиллированной водой и ресуспендировали в ТРИС-фосфатный буфер с удельной электропроводностью 10-2 Ом-1м-1. Полученную суспензию с оптической плотностью 0,4 ед. поместили в электрооптическую ячейку 1 описанного выше устройства.The culture fluid with E. coli C 600 cells obtained after cultivation on a rocking chair for 5 hours at 37 o C on mineral medium M9 (General bacteriology methods / edited by F. Gerhard, v. 1, M. Mir, 1984, Ch. .3) with the addition of 0.4% glucose and heated in a water bath at 60 ° C for 10 minutes, it was filtered through a Vladipor N 5 cellulose membrane, the filter cake was washed with distilled water and resuspended in TRIS-phosphate buffer with specific conductivity of 10 -2 Ohm -1 m -1 . The resulting suspension with an optical density of 0.4 units placed in the electro-optical cell 1 of the above device.

Выполнили предварительные и основные измерения. Предварительные измерения провели для определения исходных параметров Fmax, Fmin, Emax, Emin и j для данной культуры. Для этого с микропроцессора 30 через общую шину 31 подачи сигнал на управляющие входы генератора 12 и получили с его выхода гармоническое напряжение с частотой f 1,024 МГц. Через цепь, состоящую из управляемого аттенюатора 13, парафазного усилителя 14 и коммутатора электродов 15 подали гармоническое напряжение на электроды 21-29 ячейки 1. С помощью микропроцессора 30 через общую шину 31 в каждый момент времени определяли разность содержимого счетчиков 10 и 11 и вывели ее на дисплей (необозначенный на чертежах) как функцию времени. Создали напряженность поля в ячейке Е 10000 В/м путем изменения величины затухания аттенюатора 13 при подаче на его управляющий вход сигнала с микропроцессора 30 через общую шину 31. Величину частоты f и величину напряженности Е выбирали из условия получения наибольшей величины электрооптического сигнала. Изменяя частоту F изменения направления вектора электрического поля от величины F=4 Гц до величины F 0,031 Гц обнаружили после определения микропроцессором 30 электрооптического сигнала, как разности содержимого счетчиков 10 и 11, появление электрооптического сигнала со стационарным участком на частоте F 0,5 Гц и выбрали эту частоту в качестве Fmax. Определили, что исчезновение изменений стационарной величины электрооптического сигнала происходит на частоте 0,062 Гц, и выбрали эту частоту в качестве Fmin. Направление вектора на 90o меняли на каждой частоте F пять раз, столько же раз на каждой частоте F проводили измерения электрооптического сигнала. М выбрали равным 1 и рассчитали, что j=1/M•log2(Fmax/Fmin) 1/1•log2(0,5/0,062) 3.They performed preliminary and basic measurements. Preliminary measurements were carried out to determine the initial parameters F max , F min , E max , E min and j for this culture. To do this, from the microprocessor 30 through a common bus 31 for supplying a signal to the control inputs of the generator 12 and received from its output a harmonic voltage with a frequency f 1,024 MHz. A harmonic voltage was applied to the electrodes 21-29 of cell 1 through a circuit consisting of a controlled attenuator 13, a paraphase amplifier 14, and an electrode switcher 15. Using the microprocessor 30, the difference in the contents of counters 10 and 11 was determined at each time point through a common bus 31 and outputted to display (not indicated in the drawings) as a function of time. The field strength in the cell E was created at 10,000 V / m by changing the attenuation value of the attenuator 13 when a signal from the microprocessor 30 was supplied to its control input via a common bus 31. The frequency value f and the voltage value E were chosen from the condition of obtaining the largest value of the electro-optical signal. By changing the frequency F of the change in the direction of the electric field vector from the value F = 4 Hz to the value F 0.031 Hz, after the microprocessor 30 determined the electro-optical signal as the difference between the contents of the counters 10 and 11, the appearance of an electro-optical signal with a stationary section at a frequency F of 0.5 Hz was selected this frequency as F max . It was determined that the disappearance of changes in the stationary value of the electro-optical signal occurs at a frequency of 0.062 Hz, and this frequency was chosen as F min . The direction of the vector by 90 o was changed at each frequency F five times, the same number of times at each frequency F, the electro-optical signal was measured. M was chosen equal to 1 and calculated that j = 1 / M • log 2 (F max / F min ) 1/1 • log 2 (0.5 / 0.062) 3.

Провели измерения электрооптического сигнала при частоте f 1024 кГц на частотах F от Fmax 0,5 Гц до Fmin 0,062 Гц на каждом значении напряженности Е при ее изменении от величины 620 В/м до величины 10000 В/м с количеством шагов равным 8 и шагом по Е2 равным (E 2 max -E 2 min )/j (100002 6202)/8. Рассчитывали величины весовых коэффициентов Ao и Aj, соответствующие фракциям с наименьшими и наибольшими размерами при каждой величине напряженности Е, согласно описанной выше итерационной процедуре. Построили графики зависимости электрооптического сигнала от квадрата напряженности для фракций с указанными размерами. Определяли значение напряженности Еmax 10000 В/м, при котором появляется отклонение графика Ao(E) от прямой линии. Аналогично по графику Aj(E) определили величину Emin 4200 В/м.We measured the electro-optical signal at a frequency f of 1024 kHz at frequencies F from F max 0.5 Hz to F min 0.062 Hz for each value of the voltage E when it changes from 620 V / m to 10,000 V / m with a number of steps equal to 8 and step in E 2 equal to (E 2 max -E 2 min ) / j (10000 2 620 2 ) / 8. We calculated the values of the weight coefficients A o and A j corresponding to the fractions with the smallest and largest sizes for each value of tension E, according to the iterative procedure described above. We plotted the dependence of the electro-optical signal on the squared intensity for fractions with the indicated sizes. The value of the tension E max 10000 V / m was determined at which the deviation of the graph A o (E) from a straight line appears. Similarly, according to the schedule A j (E), the value of E min 4200 V / m was determined.

Основные измерения электрооптического сигнала с целью определения гетерогенности суспензии клеток провели на частотах f заполнения радиоимпульса f1 1 кГц и f2 8,4 МГц при изменении F от 0,5 Гц до 0,062 Гц и изменении Е от 10000 В/м до 4200 В/м при j 3 и М 1.The main measurements of the electro-optical signal in order to determine the heterogeneity of the cell suspension were carried out at frequencies f filling the radio pulse f 1 1 kHz and f 2 8.4 MHz with a change in F from 0.5 Hz to 0.062 Hz and a change in E from 10000 V / m to 4200 V / m at j 3 and M 1.

Значение частоты f1 было выбрано с учетом теории объемной поляризуемости таким, что электрофизическая гетерогенность клеток не влияла на вид функциональной зависимости анизотропии поляризуемости от размеров. Значение частоты f2, было выбрано таким, чтобы согласно модели объемной поляризуемости (Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред, М. Гостехиздат, 1957, с. 14-28) проявилась электрофизическая гетерогенность внутренних структур клетки, вызванная избирательным воздействием теплового фактора.The frequency value f 1 was chosen taking into account the theory of volume polarizability such that the electrophysical heterogeneity of the cells did not affect the form of the functional size dependence of the polarizability anisotropy. The frequency value f 2 was chosen so that according to the volume polarizability model (Landau L.D. Lifshits E.M. Electrodynamics of continuous media, M. Gostekhizdat, 1957, pp. 14-28), the electrophysical heterogeneity of the internal structures of the cell caused by selective exposure to a thermal factor.

Результаты измерений электрооптического сигнала как функции времени и параметров f, F и Е приведены на фиг. 6. При обработке имеющихся данных согласно описанной выше итерационной процедуре были получены два множества параметровAi}i Ni•dQi•{dai}1 для f1 1 кГц иAi}2 Ni• dQi•{dai}2 для f2 8,4 МГц, где i 0, 1, 2, 3.The measurement results of the electro-optical signal as a function of time and parameters f, F and E are shown in FIG. 6. When processing the available data according to the iterative procedure described above, two sets of parameters were obtained A i } i N i • dQ i • {da i } 1 for f 1 1 kHz and A i } 2 N i • dQ i • {da i } 2 for f 2 8.4 MHz, where i 0, 1, 2, 3.

Обработка оптического отклика, показанного на фиг. 6, с целью определения морфологической гетерогенности суспензии выполнена в соответствии с вышеописанной итерационной процедурой и результаты этой обработки представлены на фиг. 7,а). На фиг. 7,б) показаны результаты контрольных измерений распределения размеров, полученных при обработке микрофотографий раздавленной капли суспензии клеток (Коллоидный журнал, 1989, т. 51, N 5, с. 844). The optical response processing shown in FIG. 6, in order to determine the morphological heterogeneity of the suspension, it was made in accordance with the iterative procedure described above, and the results of this processing are presented in FIG. 7a). In FIG. 7b) shows the results of control measurements of the size distribution obtained by processing micrographs of a crushed drop of a cell suspension (Colloid Journal, 1989, v. 51, No. 5, p. 844).

Из сопоставления данных, представленных на фиг. 7, видно, что результаты измерения морфометрической гетерогенности, полученные при обработке данных, представленных на фиг. 6, совпадают с результатами контрольных измерений с погрешностью, не превышающей 10% что подтверждает возможность использования предлагаемого способа для оценки морфометрической гетерогенности исследуемой популяции клеток. From a comparison of the data presented in FIG. 7, it is seen that the results of measuring morphometric heterogeneity obtained by processing the data presented in FIG. 6, coincide with the results of control measurements with an error not exceeding 10%, which confirms the possibility of using the proposed method to assess the morphometric heterogeneity of the studied cell population.

На фиг. 8 показана зависимость анизотропии поляризуемости da2 исследуемых клеток от их размеров на частоте f2, нормированная на такую же зависимость da1 на частоте f1. Как видно из этой фигуры, нормированная величина анизотропии поляризуемости da2/da1 для клеток с размерами больше 3,2 мкм имеет меньшее значение, чем величина анизотропии поляризуемости для клеток с размерами меньше 1,8 мкм. Это свидетельствует об избирательном действии тепла на клетки с различными размерами и появлении по крайней мере двух фракций с отличающимися поляризационными параметрами. Интерпретация полученных данных с помощью теории объемной поляризуемости показывает, что уменьшение величины анизотропии поляризуемости у клеток с размерами больше 3,2 мкм связано с изменением электропроводности цитоплазмы за счет избирательного повреждения теплом более крупных клеток. Это подтверждает возможность использования предлагаемого способа для оценки электрофизической гетерогенности популяции клеток
Пример 2. Определение электрофизической гетерогенности клеток Bac. subtilis.
In FIG. Figure 8 shows the dependence of the polarizability anisotropy da 2 of the studied cells on their sizes at a frequency f 2 normalized to the same dependence da 1 at a frequency f 1 . As can be seen from this figure, the normalized polarizability anisotropy da 2 / da 1 for cells with sizes greater than 3.2 μm has a smaller value than the polarizability anisotropy for cells with sizes less than 1.8 μm. This indicates the selective action of heat on cells with different sizes and the appearance of at least two fractions with different polarization parameters. Interpretation of the data using the theory of volume polarizability shows that a decrease in the magnitude of the anisotropy of polarizability in cells larger than 3.2 μm is associated with a change in the electrical conductivity of the cytoplasm due to selective heat damage of larger cells. This confirms the possibility of using the proposed method to assess the electrophysical heterogeneity of the cell population
Example 2. Determination of electrophysical heterogeneity of Bac cells. subtilis.

Культуральную жидкость с клетками Bac. subtilis, находящимися на стадии споруляции, полученную после культивирования на качалке при 30oC в течение 24 ч на среде (Бельтюкова К.И. и др. Методы исследования возбудителей бактериальных болезней растений, Киев. Наукова думка, 1968), содержащий (в г/л) ферментативный гидролизат дрожжей (20), глюкозу (10), MgSO4•7H2О (0,2), CaCl2 •H2O (0,01) и картофельно-глицериновую смесь, отфильтровали через целлюлозную мембрану "Владипор N5", осадок из клеток на фильтре промыли дистиллированной водой и ресуспендировали в ТРИС-фосфатный буфер с удельной электропроводностью 10-2 Ом-1 м-1. Полученную суспензию с оптической плотностью 0,4 ед. поместили в электрооптическую ячейку 1. Провели вспомогательные и основные измерения, как описано в примере 1 и определили Fmax 0,25 Гц, Fmin 0,031 Гц, Emax 6000 В/м, Emin 2100 В/м. Выбрали М 1 и рассчитали j, как описано в примере 1, j 3.Culture fluid with Bac cells. subtilis at the stage of sporulation obtained after cultivation on a rocking chair at 30 o C for 24 hours on a medium (Beltyukova K.I. et al. Methods for the study of pathogens of bacterial diseases of plants, Kiev. Naukova Dumka, 1968), containing (in / l) enzymatic hydrolyzate of yeast (20), glucose (10), MgSO 4 • 7H 2 O (0.2), CaCl 2 • H 2 O (0.01) and the potato-glycerin mixture, was filtered through a Vladipor cellulose membrane N5 ", the filter cake was washed with distilled water and resuspended in TRIS-phosphate buffer with specific conductivity 10 -2 ohm -1 m -1. The resulting suspension with an optical density of 0.4 units placed in the electro-optical cell 1. Held auxiliary and basic measurements, as described in example 1 and determined F max 0.25 Hz, F min 0,031 Hz, E max 6000 V / m, E min 2100 V / m M 1 was selected and j was calculated as described in Example 1, j 3.

Провели основные измерения на частотах f заполнения радиоимпульса f1 1 кГц и f2 4,2 МГц, выбранных исходя из тех же предпосылок, как описано в примере 1.The main measurements were taken at the frequencies f filling the radio pulse f 1 1 kHz and f 2 4,2 MHz, selected on the basis of the same premises as described in example 1.

Результаты измерений электрооптического сигнала как функции времени и параметров f, F и Е приведены на фиг. 9. При их обработке с помощью рассмотренной выше итерационной процедуры были получены множества параметровAi}1 Ni• dQi•{dai}1M для f1 1 кГц иAi}2 Ni•dQi•dai}2 для f2 4,2 МГц, где i 0, 1, 2, 3.The measurement results of the electro-optical signal as a function of time and parameters f, F and E are shown in FIG. 9. When processing them using the iterative procedure considered above, the set of parameters A i } 1 N i • dQ i • {da i } 1M for f 1 1 kHz and A i } 2 N i • dQ i • da i } 2 for f 2 4.2 MHz, where i 0, 1, 2, 3.

Результаты нормировки элементов множестваAi}2 на элементы множестваAi}1, необходимой для выделения зависимости анизотропии поляризуемости от размера клеток, приведены на фиг. 10.The results of normalizing the elements of the set A i } 2 to the elements of the set A i } 1 , which are necessary for distinguishing the dependence of the polarizability anisotropy on the cell size, are shown in FIG. 10.

Нормированная величина анизотропии поляризуемости da2/da1 согласно фиг. 10 у клеток с размерами > 5,2 мкм имеет большее значение, чем у клеток с размерами < 3,6 мкм. Это свидетельствует об изменении электрофизических параметров клеток, находящихся на стадии завершения спорообразования в сравнении с мелкими клетками, не имеющими спор, и обнаружении по крайней мере двух фракций с различной морфологией и электрофизическими параметрами. Этот пример еще раз подтверждает возможность использования предполагаемого способа и устройства для его осуществления для оценки морфологической и электрофизической гетерогенности популяции клеток.The normalized polarizability anisotropy da 2 / da 1 according to FIG. 10 for cells with sizes> 5.2 μm is more important than for cells with sizes <3.6 μm. This indicates a change in the electrophysical parameters of cells that are at the stage of completion of spore formation in comparison with small cells that do not have spores, and the detection of at least two fractions with different morphology and electrophysical parameters. This example once again confirms the possibility of using the proposed method and device for its implementation to assess the morphological and electrophysical heterogeneity of the cell population.

Claims (11)

1. Способ электрооптического анализа клеток в суспензии, включающий наложение на суспензию переменного электрического поля в виде импульсов, пропускание через нее световых потоков, измерение интенсивности прошедших через суспензию световых потоков и определение их разности как величины электрооптического сигнала с последующим определением зависимости анизотропии поляризуемости клеток от частоты указанного электрического поля, отличающийся тем, что при наложении каждого указанного импульса электрического поля изменяют направление вектора напряженности электрического поля дискретно на 90o с частотой F, при этом частоту F изменяют от Fmin до Fmax по формуле
Fi<Mv>±<D>1= Fi/2М,
где i(0,i-1), (j-1,0),
Figure 00000007

М положительное число;
Fmax определяют по частоте изменения направления вектора напряженности электрического поля, при которой появляется электрооптический сигнал, а Fmin определяют по частоте изменения направления вектора напряженности электрического поля, при которой исчезает изменение стационарной величины электрооптического сигнала.
1. The method of electro-optical analysis of cells in suspension, including applying an alternating electric field in the form of pulses to the suspension, transmitting light flux through it, measuring the intensity of the light flux passing through the suspension and determining their difference as the magnitude of the electro-optical signal, followed by determining the dependence of the cell polarizability anisotropy on frequency the specified electric field, characterized in that when applying each specified pulse of the electric field change direction electric field vector discretely 90 o with a frequency F, wherein the frequency F of change F m i n to F m a x of formula
F i <Mv> ± <D> 1 = F i / 2 M ,
where i (0, i-1), (j-1,0),
Figure 00000007

M is a positive number;
F m a x is determined by the frequency of changing the direction of the vector of electric field strength at which the electro-optical signal appears, and F m i n is determined by the frequency of changing the direction of the vector of electric field strength at which the change in the stationary value of the electro-optical signal disappears.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с изменением частоты F изменения направления вектора напряженности электрического поля изменяют напряженность Е электрического поля в диапазоне от Emin до Emax по формуле
Figure 00000008

в случае изменения напряженности электрического поля в сторону ее увеличения, или по формуле
Figure 00000009

в случае изменения напряженности электрического поля в сторону ее уменьшения,
где i=(0,i),
Figure 00000010

при этом Emin величина напряженности электрического поля, определяющая пороговый уровень слабой степени ориентации крупных клеток;
Emax величина напряженности, определяющая пороговый уровень слабой степени ориентации мелких клеток.
2. The method according to claim 1, characterized in that at the same time as the frequency F changes, the direction of the electric field intensity vector changes the electric field strength E in the range from E m i n to E m a x according to the formula
Figure 00000008

in case of a change in the electric field strength in the direction of its increase, or by the formula
Figure 00000009

in case of a change in the electric field strength towards its decrease,
where i = (0, i),
Figure 00000010

while E m i n the magnitude of the electric field, which determines the threshold level of a weak degree of orientation of large cells;
E m a x is the value of tension that determines the threshold level of a weak degree of orientation of small cells.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что указанные величины Fmax, Fmin, Emax и Emin определяют экспериментально в зависимости от вида исследуемой культуры клеток.3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the indicated values of F m a x , F m i n , E m a x and E m i n are determined experimentally depending on the type of the studied cell culture. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменяют направление вектора напряженности электрического поля на 90o при любой частоте F изменения вектора напряженности электрического поля по меньшей мере три раза.4. The method according to p. 1, characterized in that they change the direction of the electric field vector by 90 ° at any frequency F of changing the electric field vector at least three times. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что исследуемую суспензию берут в виде элементарного объема, через который поочередно пропускают два световых потока, ортогональных друг другу. 5. The method according to claim 1, characterized in that the test suspension is taken in the form of an elementary volume through which two light fluxes orthogonal to each other are passed alternately. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на исследуемую суспензию накладывают электрическое поле, вектор напряженности которого в начальный момент времени параллелен или ортогонален по меньшей мере одному указанному световому потоку. 6. The method according to claim 1, characterized in that an electric field is applied to the test suspension, the intensity vector of which at the initial time is parallel or orthogonal to at least one of the indicated light flux. 7. Устройство для электрооптического анализа клеток в суспензии, содержащее электрооптическую ячейку, снабженную светопрозрачными окнами, расположенными друг напротив друга, и электродами, источник света, оптически связанный с фотоприемником, соединенным с блоком определения разности интенсивностей световых потоков, и генератор импульсов электрического напряжения, соединенный с электродами, отличающееся тем, что электрооптическая ячейка содержит четыре светопрозрачных окна и по меньшей мере четыре электрода в виде стержней, установленных между указанными окнами, при этом устройство снабжено дополнительным источником света, оптически связанным с фотоприемником, причем оба источника выполнены импульсными, а также устройство снабжено последовательно соединенными аттенюатором электрического напряжения с возможностью управления величиной электрического напряжения, парафазным усилителем и коммутатором электродов, подключенными к генератору электрического напряжения, при этом вход парафазного усилителя соединен с выходом аттенюатора, его выходы с двумя диагонально расположенными электродами и входами коммутатора электродов, выходы которого соединены с двумя другими диагонально расположенными электродами. 7. A device for electro-optical analysis of cells in suspension, containing an electro-optical cell equipped with translucent windows located opposite each other and electrodes, a light source optically coupled to a photodetector connected to a light flux difference determination unit, and an electric voltage pulse generator connected with electrodes, characterized in that the electro-optical cell contains four translucent windows and at least four electrodes in the form of rods, setting between these windows, the device is equipped with an additional light source optically connected to the photodetector, both sources being pulsed, and the device is equipped with a series-connected attenuator of electric voltage with the ability to control the magnitude of the electric voltage, a paraphase amplifier and an electrode switch connected to an electric generator voltage, while the input of the paraphase amplifier is connected to the output of the attenuator, its outputs with two diagonal the electrodes and the inputs of the electrode switch, the outputs of which are connected to two other diagonally located electrodes. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что электрооптическая ячейка содержит девять электродов, установленных тремя рядами по три электрода в каждом ряду и расстояние между соседними электродами в ряду равно расстоянию между рядами, а средний электрод среднего ряда является центральным, при этом крайние электроды первого и третьего рядов соединены с одним выходом парафазного усилителя, центральный электрод соединен с другим выходом парафазного усилителя, а остальные попарно противолежащие электроды соединены с коммутатором электродов. 8. The device according to claim 7, characterized in that the electro-optical cell contains nine electrodes mounted in three rows of three electrodes in each row and the distance between adjacent electrodes in the row is equal to the distance between the rows, and the middle electrode of the middle row is central, while the extreme the electrodes of the first and third rows are connected to one output of the paraphase amplifier, the central electrode is connected to the other output of the paraphase amplifier, and the remaining pairwise opposite electrodes are connected to the electrode switch . 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно снабжено двумя стробируемыми счетчиками частоты, блок определения разности интенсивностей световых потоков выполнен в виде преобразователя напряжения в частоту, выход которого соединен с входами двух стробируемых счетчиков частоты. 9. The device according to claim 7, characterized in that it is equipped with two gated frequency counters, the unit for determining the difference in the intensities of the light flux is made in the form of a voltage to frequency converter, the output of which is connected to the inputs of two gated frequency counters. 10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что электрооптическая ячейка выполнена в виде параллелепипеда с квадратным основанием. 10. The device according to claim 7, characterized in that the electro-optical cell is made in the form of a parallelepiped with a square base. 11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что указанная оптическая связь источников света и фотоприемником выполнена в виде четырех зеркал, одно из которых установлено на оси светового потока, создаваемого одним источником света, а другое на оси светового потока, создаваемого другим источником света, а два других расположены между предыдущими зеркалами и установлены относительно друг друга под углом, обеспечивающим падение указанных световых потоков на фотоприемник под углом 90o.11. The device according to claim 7, characterized in that said optical coupling of the light sources and the photodetector is made in the form of four mirrors, one of which is mounted on the axis of the light flux generated by one light source, and the other on the axis of the light flux created by another light source and the other two are located between the previous mirrors and are installed relative to each other at an angle that ensures the incidence of these light fluxes on the photodetector at an angle of 90 o .
RU93036662A 1993-07-14 1993-07-14 Method for electrooptical analysis of cells in suspension and device for its embodiment RU2070919C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93036662A RU2070919C1 (en) 1993-07-14 1993-07-14 Method for electrooptical analysis of cells in suspension and device for its embodiment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93036662A RU2070919C1 (en) 1993-07-14 1993-07-14 Method for electrooptical analysis of cells in suspension and device for its embodiment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93036662A RU93036662A (en) 1996-07-27
RU2070919C1 true RU2070919C1 (en) 1996-12-27

Family

ID=20145175

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93036662A RU2070919C1 (en) 1993-07-14 1993-07-14 Method for electrooptical analysis of cells in suspension and device for its embodiment

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2070919C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001048143A1 (en) * 1999-12-27 2001-07-05 Gosudarstvenny Nauchny Tsentr Prikladnoi Mikrobiologii Device for electrooptical examination of cells in a suspension and method therefor
WO2006084436A2 (en) * 2005-02-09 2006-08-17 Biotronix Gmbh Method for the current identification and prediction of the developing state of cell suspensions and/or for the optimisation and control of biotechnological processes
RU2706429C1 (en) * 2018-11-15 2019-11-19 Федеральное бюджетное учреждение науки "Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор" Роспотребнадзора) Method of determining complex permittivity of a biological cell in suspension
DE102022133078A1 (en) 2022-12-13 2024-06-13 Alexander Angersbach METHOD AND DEVICE FOR THE ANALYSIS OF SUSPENSIONS COMPRISING FORMANISOTROPIC PARTICLES

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Авторское свидетельство СССР N 469748, кл. C 12 M 1/04, 1975. 2. Авторское свидетельство СССР N 913169, кл. C 12 M 1/04, 1982. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001048143A1 (en) * 1999-12-27 2001-07-05 Gosudarstvenny Nauchny Tsentr Prikladnoi Mikrobiologii Device for electrooptical examination of cells in a suspension and method therefor
DE19983998B4 (en) * 1999-12-27 2005-07-28 Biotronix Gmbh Device for electro-optical cell analysis in suspension and method for carrying out the analysis
WO2006084436A2 (en) * 2005-02-09 2006-08-17 Biotronix Gmbh Method for the current identification and prediction of the developing state of cell suspensions and/or for the optimisation and control of biotechnological processes
WO2006084436A3 (en) * 2005-02-09 2006-10-26 Biotronix Gmbh Method for the current identification and prediction of the developing state of cell suspensions and/or for the optimisation and control of biotechnological processes
RU2706429C1 (en) * 2018-11-15 2019-11-19 Федеральное бюджетное учреждение науки "Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор" Роспотребнадзора) Method of determining complex permittivity of a biological cell in suspension
DE102022133078A1 (en) 2022-12-13 2024-06-13 Alexander Angersbach METHOD AND DEVICE FOR THE ANALYSIS OF SUSPENSIONS COMPRISING FORMANISOTROPIC PARTICLES

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1960532B1 (en) System for counting bacteria and determining their susceptibility to antibiotics
Ehrenberg et al. Membrane potential induced by external electric field pulses can be followed with a potentiometric dye
EP0286419A2 (en) Method and apparatus for analysing liquid properties
Yodh et al. Pulsed diffusing-wave spectroscopy: High resolution through nonlinear optical gating
AU669992B2 (en) Blood culture sensor station utilizing two distinct light sources
Maestre et al. A circular dichroism microspectrophotometer
RU2070919C1 (en) Method for electrooptical analysis of cells in suspension and device for its embodiment
Price et al. Measurement of cytoplasmic fluorescence depolarization of single cells in a flow system.
Hancher et al. A fiber‐optic retroreflective turbidimeter for continuously monitoring cell concentration during fermentation
US4429230A (en) Fluorescence polarization analyzer
KR0151703B1 (en) Liquid crystal device for calibration and testing of optical instruments
US6232091B1 (en) Electrooptical apparatus and method for monitoring cell growth in microbiological culture
Arndt-Jovin et al. Computer-controlled cell (particle) analyzer and separator. Use of light scattering
Yamada et al. Measurement of DC and AC spectral sensitivities of retinal horizontal cells by “voltage clamp by light”
Boiarski Fiber optic particle concentration sensor
CN109297935B (en) Surface plasma resonance imaging device and method
DE3608552C2 (en)
Lanan et al. Electric birefringence imaging of electrokinetic agarose orientation
US20210172002A1 (en) Detecting cell vitality
JPH05215666A (en) Method and device for measuring number of bacteria
EP0124350A2 (en) Monitoring deflocculated particles in a suspension
RU2321855C1 (en) Method for assay of microorganism sensitivity to antibacterial preparations
US4627727A (en) Monitoring deflocculated particles in a suspension
US4726681A (en) Monitoring deflocculated particles in a suspension
US20240069008A1 (en) Living cell counting method and living cell counting device