RU2105815C1

RU2105815C1 - Method of sampling of bio-assays from flow of particles

Info

Publication number: RU2105815C1
Application number: RU96109408/13A
Authority: RU
Inventors: Т.С. Бакиров; В.М. Генералов; В.С. Топорков
Original assignee: Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор"
Priority date: 1996-05-06
Filing date: 1996-05-06
Publication date: 1998-02-27

Abstract

FIELD: microbiological examinations, in particular, methods of catching of biological particles from the flow of particles of various nature in the atmosphere or in the space conditions with the aim of further examination of the assay for presence of protein molecules, microorganisms and viruses. SUBSTANCE: the method consists in chamber, production of an electromagnetic field in the chamber and influence by means of it on the flow of particles with their subsequent deposition in this chamber. The electromagnetic field is set up by means of a high-frequency generator in the form of a standing-wave electromagnetic field and an additional electric field directed perpendicularly to the electrical component of the standing- wave electromagnetic field. The flow of particles in the chamber is passed perpendicularly to the electric and magnetic field. The magnetic field of the standing electromagnetic wave is set relative to its electric field with a constant time shift by a quarter of the period of oscillations. EFFECT: facilitated procedure. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к микробиологическим исследованиям, а именно к способам улавливания биологических частиц из потока частиц разной природы в атмосфере или в условиях космоса с целью дальнейшего исследования пробы на наличие белковых молекул, микроорганизмов и вирусов. The invention relates to microbiological research, and in particular to methods for capturing biological particles from a stream of particles of different nature in the atmosphere or in space with the aim of further researching the sample for the presence of protein molecules, microorganisms and viruses.

Известен способ улавливания биологических частиц, содержащихся в воздухе, включающий пропускание воздуха через зону коронирующего электрода для приобретения частицами отрицательного заряда и осаждение частиц в камере на жидкую питательную среду под действием электрического поля, создаваемого вторым электродом (J. Bacterial Rev. 1966, v. 30, p. 576 584). Воздух в камере прокачивается с помощью воздуходувки со скоростью 200 л/мин. Напряжение на электродах 16 21 кВ. A known method for capturing biological particles contained in air, including passing air through the area of the corona electrode to acquire a negative charge by the particles and depositing particles in the chamber on a liquid nutrient medium under the action of an electric field created by the second electrode (J. Bacterial Rev. 1966, v. 30 , p. 576 584). Air in the chamber is pumped with a blower at a speed of 200 l / min. The voltage at the electrodes 16 21 kV.

Недостатком данного способа является невозможность использования его для отбора биологических проб в условиях космоса, а также невозможность обеспечения селективного отбора биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности. The disadvantage of this method is the inability to use it for the selection of biological samples in space, as well as the inability to ensure selective selection of biological particles in a high-speed stream while maintaining their biological activity.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ изокинетического отбора биологических проб из потока частиц, включающий пропускание части потока частиц через пробоотборную камеру, формирование в камере электромагнитного поля и воздействие посредством него на поток частиц с последующим их осаждением в этой камере (Авт. св. СССР N 587154, МКИ C 12 K 1/00, опублик. 05.01.78). The closest technical solution (prototype) is a method for isokinetic sampling of biological samples from a particle stream, including passing part of the particle stream through a sampling chamber, forming an electromagnetic field in the chamber and affecting the particle flow through it, followed by their deposition in this chamber (Auth. USSR N 587154, MKI C 12 K 1/00, published. 05.01.78).

Недостатком способа-прототипа является невозможность использования его для отбора биологических проб в условиях космоса, а также невозможность обеспечения селективного отбора биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности. The disadvantage of the prototype method is the impossibility of using it for the selection of biological samples in space, as well as the inability to ensure selective selection of biological particles in a high speed stream while maintaining their biological activity.

Задачей изобретения является создание такого способа отбора биологических проб из потока частиц, который позволил бы осуществлять селективный отбор биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности в условиях космоса и земной атмосферы. The objective of the invention is the creation of such a method of sampling biological samples from a particle stream, which would allow for the selective selection of biological particles in a high-speed stream while maintaining their biological activity in space and the Earth’s atmosphere.

Указанная задача решается тем, что в способе отбора биологических проб из потока частиц, включающем пропускание части потока частиц через пробоотборную камеру, формирование в камере электромагнитного поля и воздействие посредством него на поток частиц с последующим их осаждением в этой камере, согласно изобретению, для обеспечения возможности селективного отбора биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности, электромагнитное поле формируют посредством высокочастотного генератора в виде поля стоячей электромагнитной волны и дополнительного электрического поля перпендикулярно направленного электрической компоненте поля стоячей электромагнитной волны. Поток частиц в камере пропускают перпендикулярно электрическому и магнитному векторам поля стоячей электромагнитной волны. Причем магнитное поле стоячей электромагнитной волны устанавливают относительно ее электрического поля с постоянным по времени сдвигом на четверть периода колебаний. This problem is solved in that in a method for collecting biological samples from a particle stream, including passing part of the particle stream through the sampling chamber, forming an electromagnetic field in the chamber and exposing the particles to the particle stream with subsequent precipitation in this chamber, according to the invention, to enable selective selection of biological particles in a high-speed flow while maintaining their biological activity, the electromagnetic field is formed by a high-frequency generator in the form of A standing electromagnetic wave and an additional electric field perpendicular to the electric field component of the standing electromagnetic wave. A stream of particles in the chamber is passed perpendicular to the electric and magnetic vectors of the field of a standing electromagnetic wave. Moreover, the magnetic field of a standing electromagnetic wave is set relative to its electric field with a constant time shift by a quarter of the oscillation period.

После стоячей электромагнитной волны формируют в противоотборной камере, представляющей собой четвертьволновой резонатор. After a standing electromagnetic wave, a quarter-wave resonator is formed in a counter-selection chamber.

Для торможения биологических частиц в камере формируют высокочастотное электрическое поле стоячей электромагнитной волны, которое поляризует биочастицы и слабо взаимодействует с другими нейтральными частицами неорганической природы. Указанное электрическое поле сдвигает положительные и отрицательные заряды в биочастицах и тем самым возбуждает в них поляризационный ток. Одновременно под действием дополнительного электрического поля, перпендикулярно направленного электрической компоненте поля стоячей электромагнитной волне, биочастицы вращаются вокруг своей оси, синхронно с изменением электрического и магнитного полей. В результате указанных взаимодействий биочастица не нагревается и на нее действует сила торможения, направленная всегда в одну сторону противоположную движению смеси частиц, подаваемых в пробоотборную камеру. Другие нейтральные частицы неорганической природы слабо взаимодействуют с электромагнитным полем и пролетают через камеру четвертьволнового резонатора. To inhibit biological particles, a high-frequency electric field of a standing electromagnetic wave is formed in the chamber, which polarizes the bioparticles and weakly interacts with other neutral particles of an inorganic nature. The indicated electric field shifts the positive and negative charges in the bioparticles and thereby excites a polarization current in them. At the same time, under the action of an additional electric field perpendicular to the electric field component of the standing electromagnetic wave, the bioparticles rotate around its axis, synchronously with a change in the electric and magnetic fields. As a result of these interactions, the bioparticle does not heat up and a braking force acts on it, always directed in one direction opposite to the movement of the mixture of particles supplied to the sampling chamber. Other neutral particles of inorganic nature interact weakly with the electromagnetic field and fly through the chamber of the quarter-wave resonator.

Известен способ ускорения (торможения) нейтральных и заряженных частиц в поле стоячей электромагнитной волны в четвертьволновом резонаторе (камере осаждения частиц) за счет возбуждения электрическим компонентом осциллирующих поляризационных токов в частицах и синхронного взаимодействия этих токов с переменным магнитным компонентом электромагнитной волны Геккер И.Р. Взаимодействие сильных электромагнитных полей с плазмой. М. 1978. с.80 81). A known method of accelerating (braking) neutral and charged particles in the field of a standing electromagnetic wave in a quarter-wave resonator (particle deposition chamber) due to the excitation of the oscillating polarizing currents in the particles by the electric component and the synchronous interaction of these currents with the alternating magnetic component of the electromagnetic wave I. Hecker The interaction of strong electromagnetic fields with plasma. M. 1978.p.80 81).

Известен также способ ускорения (торможения) частиц в электромагнитном поле, создаваемом высокочастотным генератором в камере-резонаторе (патент США N 3360733, кл. 328 233, опублик. 1967. Частицы инжектируют в камеру-резонатор перпендикулярно электрическому и магнитному векторам электромагнитного поля. There is also known a method of accelerating (braking) particles in an electromagnetic field created by a high-frequency generator in a cavity chamber (US patent N 3360733, class 328 233, published. 1967. Particles are injected into the cavity chamber perpendicular to the electric and magnetic vectors of the electromagnetic field.

Существенные отличия изобретения от известных способов торможения перемещающихся в потоке частиц, посредством взаимодействия их с электромагнитными полями, формируемыми в камере-резонаторе заключаются в том, что перенос электрического заряда в частицах предлагается осуществлять посредством вращения частиц, а не за счет проводимости, вследствие чего биологическая частица не нагревается за счет омических потерь, обусловленных поляризационными токами, проходящими при торможении электропроводящих нейтральных частиц в известных способах. При этом в предлагаемом способе биочастицы сохраняют свою биологическую активность. Significant differences of the invention from the known methods of braking particles moving in a stream by interacting with electromagnetic fields formed in the cavity chamber are that it is proposed to transfer the electric charge in the particles by means of particle rotation rather than conduction, as a result of which a biological particle does not heat up due to ohmic losses due to polarization currents passing during braking of electrically conductive neutral particles in known methods bang. Moreover, in the proposed method, the bioparticles retain their biological activity.

На фиг. 1 представлена схема устройства для отбора биологических проб из потока нейтральных, в частности биологических частиц; на фиг. 2 то же, в случае двух последовательно установленных устройств; на фиг. 3 - экспериментальная установка для селективного торможения биологических частиц при отборе проб из воздуха. In FIG. 1 is a diagram of a device for sampling biological samples from a stream of neutral, in particular biological particles; in FIG. 2 the same in the case of two devices in series; in FIG. 3 - experimental setup for selective inhibition of biological particles during sampling from air.

Устройство для реализации способа отбора биологических проб из потока нейтральных частиц содержит один (фиг. 1) или ряд последовательно и соосно расположенных четвертьволновых резонаторов 1 (фиг. 2) в зависимости от кинетической энергии частиц, которую необходимо погасить при отборе проб этих частиц из потока. В противоположных торцевых стенках каждого резонатора 1 выполнены соосно окна 2 и 3. Перед первым резонатором напротив окна 2 установлен инжектор частиц 4. Ловушка 5 частиц размещена за последним резонатором перед окном 3. В боковой стенке резонатора установлен ввод 7 высокочастотной мощности, который соединен с генератором 6. В каждом резонаторе 1 установлены центральный электрод 8 и два дополнительных электрода 9 и 10. Электрод 10 соединен с верхней крышкой резонатора, а электроды 8 и 9 - с основанием резонатора 1. Размеры электродов 9 и 10 подбирают такими, чтобы обеспечить возбуждение противофазных колебаний на указанных электродах на основной частоте резонатора. A device for implementing the method of sampling biological samples from a stream of neutral particles contains one (Fig. 1) or a series of sequentially and coaxially located quarter-wave resonators 1 (Fig. 2) depending on the kinetic energy of the particles, which must be quenched when sampling these particles from the stream. In the opposite end walls of each resonator 1, windows 2 and 3 are made coaxially. A particle injector 4 is installed in front of the first resonator opposite window 2. A particle trap 5 is placed behind the last resonator in front of window 3. A high-frequency power input 7 is installed in the side wall of the resonator, which is connected to the generator 6. In each resonator 1, a central electrode 8 and two additional electrodes 9 and 10 are installed. Electrode 10 is connected to the upper cover of the resonator, and electrodes 8 and 9 are connected to the base of the resonator 1. I select the dimensions of electrodes 9 and 10 such as to provide antiphase excitation of oscillations at said electrodes at the fundamental frequency of the resonator.

Способ отбора проб реализуют следующим образом. The sampling method is implemented as follows.

Для торможения (осаждения) биочастиц в резонаторе 1 с помощью высокочастотного генератора 7 возбуждают стоячую электромагнитную волну, электрический и магнитный компоненты которой вблизи продольной оси резонатора, проходящей через центры окон 2 и 3, перпендикулярны направлению торможения биочастиц. Вдоль оси торможения частиц, проходящей через центры окон 2 и 3, возбуждается вращающееся электрическое поле с помощью дополнительных электродов 8 и 9. Подлежащие осаждению (отбору) биочастицы, например, споры, вирусы, бактерии подают инжектором 4 (вместе с другими частицами) в виде узконаправленного потока в полость резонатора 1 через окно 2 ортогонально электрическому и магнитному полям резонатора. В резонаторе 1 на каждую биологическую частицу (биочастицы обладают высокой поляризуемостью) (Авт. св. СССР N 1642353, МКИ G 01 N 27/22, опублик. 25.01.89), воздействует электрический компонент электромагнитного поля, который поляризует биочастицу т. е. сдвигает положительные и отрицательные заряды и тем самым возбуждает ток и наводит индуцированный дипольный момент частицы. Вращающееся электрическое поле создает момент сил, действующий на дипольный момент биочастицы и обеспечивающий ее вращение в направлении вращения электрической компоненты электромагнитной волны резонатора. По мере приближения частоты вращения частицы к частоте колебаний электромагнитной волны в резонаторе, поляризационный ток проходящий внутри биочастицы уменьшается и весь перенос заряда осуществляется за счет вращения частицы. В результате взаимодействия тока, обусловленного переносом заряда поляризованной биочастицы за счет ее вращения с магнитным полем резонатора возникает тормозящая сила направленная вдоль оси резонаторов. Таким образом, результирующая сила, действующая на биочастицу в резонаторе направлена от ловушки 5 к инжектору 4, и сообщает этим частицам определенный темп торможения, значительно превышающий темп торможения в способах-аналогах [3, 4] и при этом не нагревающая частицу за счет омических потерь обусловленных прохождением поляризационных токов. При этом биочастицы, потерявшие энергию, оседают в резонаторах 1, а частицы, имеющие малую поляризуемость (частицы неорганической природы, например космическая пыль) проскакивают в ловушку 5 или выбрасываются наружу из устройства, что обеспечивает селективный отбор. Необходимость селективности пробоотбора в космосе заключается в том что 99% массы Вселенной составляет космическая пыль с диаметром частиц 10 20 мкм (P.G. Martin "Cosmic Dust. Its Impact on Astronomy" Clarendon Press Oxford, 1978) [6] При этом, содержание биологических частиц в космической пыли ничтожно мало. При скоростях движения частиц, типичных в космическом пространстве 10 км/c и величине торможения частиц 10⁸ м/c² устройство обеспечивает полное торможение частиц на длине 0,5 м.To inhibit (deposition) of bioparticles in a resonator 1, a standing electromagnetic wave is excited using a high-frequency generator 7, the electric and magnetic components of which are near the longitudinal axis of the resonator passing through the centers of windows 2 and 3 and are perpendicular to the direction of inhibition of the bioparticles. Along the axis of deceleration of particles passing through the centers of windows 2 and 3, a rotating electric field is excited using additional electrodes 8 and 9. Bioparticles to be deposited (selected), for example, spores, viruses, bacteria, are fed by injector 4 (together with other particles) in the form narrowly directed flow into the cavity of the resonator 1 through the window 2 orthogonal to the electric and magnetic fields of the resonator. In resonator 1, for each biological particle (bioparticles have high polarizability) (Aut. St. USSR N 1642353, MKI G 01 N 27/22, published. 01.25.89), the electric component of the electromagnetic field is applied, which polarizes the bioparticle, i.e. shifts the positive and negative charges and thereby excites the current and induces the induced dipole moment of the particle. A rotating electric field creates a moment of forces acting on the dipole moment of the bioparticle and ensures its rotation in the direction of rotation of the electric component of the electromagnetic wave of the resonator. As the particle rotation frequency approaches the frequency of the electromagnetic wave in the resonator, the polarization current passing inside the bioparticle decreases and the entire charge transfer is due to the rotation of the particle. As a result of the interaction of the current due to the charge transfer of a polarized bioparticle due to its rotation with the magnetic field of the resonator, a braking force arises along the axis of the resonators. Thus, the resulting force acting on the bioparticle in the resonator is directed from trap 5 to injector 4, and gives these particles a certain deceleration rate that is much higher than the deceleration rate in the analogue methods [3, 4] and at the same time does not heat the particle due to ohmic losses due to the passage of polarizing currents. In this case, the bioparticles that have lost energy are deposited in the resonators 1, and particles having low polarizability (particles of an inorganic nature, for example, cosmic dust) slip into the trap 5 or are thrown out from the device, which ensures selective selection. The need for selective sampling in space is that 99% of the mass of the Universe is cosmic dust with a particle diameter of 10 20 μm (PG Martin "Cosmic Dust. Its Impact on Astronomy" Clarendon Press Oxford, 1978) [6] Moreover, the content of biological particles in cosmic dust is negligible. At particle velocities typical in outer space of 10 km / s and particle deceleration of 10 ⁸ m / s ^{2, the} device provides complete braking of particles over a length of 0.5 m.

В качестве конкретного примера реализации способа ускорения биологических частиц служит экспериментальная установка для селективного торможения биологических частиц при изокинетическом пробоотборе из воздуха. Схема установки показана на фиг. 3. As a specific example of the implementation of the method of accelerating biological particles is an experimental setup for the selective inhibition of biological particles during isokinetic sampling from air. The installation diagram is shown in FIG. 3.

Установка включает резонатор 1, размеры которого h 40 мм, D 20 мм. Резонатор 1 помещен во внешний вакуумируемый резервуар 11, соединенный с источником вакуума 12 и служащий для отделения аэрозольных частиц от основного потока воздуха. В резонаторе возбуждаются электромагнитные колебания на частоте 915 Мгц. В резонаторе возбуждается ТЕМ тип колебаний. Источником дополнительного электрического поля служат два электрода 9 и 10, один из которых соединен с основанием резонатора, а второй с крышкой резонатора. Введение двух дополнительных электродов позволяет получить вращающееся электрическое поле, обеспечивающее вращение биологических частиц. Работа СВЧ-генератора 6 осуществляется в импульсном режиме с длительностью импульсов t 2 мкс, с частотой следования импульсов 50 Гц, при импульсной мощности 500 кВт и средней мощности 50 Вт. В результате осуществляется изокинетический пробоотбор и селективное торможение биологических частиц и их концентрирование на центральном токоведущем электроде 8, а остальные частицы с малым дипольным моментом проскакивают в ловушку 5. Темп торможения составляет 10⁵ м/с² для биологических частиц с размером 10^-7 м, что на порядок больше темпа торможения диэлектрических частиц при аналогичных параметрах в аналогах [3, 4] Техническая эффективность предложенного способа подтверждается приведенными выше экстремальными данными. Вращение биочастиц с помощью дополнительного вращающегося электрического поля позволяет увеличить темп торможения биочастиц на порядок и при этом частицы не нагреваются из-за омических потерь от поляризационных токов.The setup includes a resonator 1, the dimensions of which are h 40 mm, D 20 mm. The resonator 1 is placed in an external evacuated tank 11 connected to a vacuum source 12 and used to separate aerosol particles from the main air stream. Electromagnetic vibrations are excited in the resonator at a frequency of 915 MHz. The TEM type of oscillations is excited in the resonator. The source of the additional electric field is two electrodes 9 and 10, one of which is connected to the base of the resonator, and the second to the cover of the resonator. The introduction of two additional electrodes makes it possible to obtain a rotating electric field that ensures the rotation of biological particles. The operation of the microwave generator 6 is carried out in a pulsed mode with a pulse duration of t 2 μs, with a pulse repetition rate of 50 Hz, with a pulse power of 500 kW and an average power of 50 watts. As a result, isokinetic sampling and selective braking of biological particles and their concentration on the central current-carrying electrode 8 are performed, and the remaining particles with a small dipole moment slip into the trap 5. The braking rate is 10 ⁵ m / s ² for biological particles with a size of 10 ^-7 m, which is an order of magnitude greater than the rate of deceleration of dielectric particles with similar parameters in analogues [3, 4] The technical efficiency of the proposed method is confirmed by the above extreme data. The rotation of the bioparticles with the help of an additional rotating electric field makes it possible to increase the rate of deceleration of the bioparticles by an order of magnitude and the particles do not heat up due to ohmic losses from polarization currents.

Claims

1. A method of sampling biological samples from a particle stream, including passing part of the particle stream through the sampling chamber, forming an electromagnetic field in the chamber and exposing it to the particle stream, followed by their deposition in this chamber, characterized in that the electromagnetic field is formed by a high-frequency generator in the form of a field of a standing electromagnetic wave and an additional electric field perpendicular to the directed electric component of the field of a standing electromagnetic wave, and the outflow of particles in the chamber is passed perpendicular to the electric and magnetic vectors of the standing electromagnetic wave field, and the magnetic field of the standing electromagnetic wave is set relative to its electric field with a constant time shift by a quarter of the oscillation period.

2. The method according to claim 1, characterized in that they use a camera, which is a quarter-wave resonator.