RU2143487C1

RU2143487C1 - Detector of movable microorganisms

Info

Publication number: RU2143487C1
Application number: RU98100821A
Authority: RU
Inventors: С.Ф. Растопов; В.Г. Агеев
Original assignee: Растопов Станислав Федорович; Агеев Владимир Геннадьевич
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 1999-12-27

Abstract

FIELD: measurement technology, particularly, optical biosensors; applicable, for instance, in control of water quality, detection of presence of movable microorganisms in water by optical methods. SUBSTANCE: detector has two or more registering photodetectors installed so that noise component of sounding radiation is cophasal on both photodetectors and useful signal produced by scattering on movable microorganisms is noncorrelated on both photodetectors. This allows for elimination of common-made interference by subtraction of photodetector signals. Increase of sensitivity is attained due to making the cell in form of a length of hollow optical wave guide that makes it possible to increase its length, i.e., to increase sounded volume without reduction of sensitivity per unit of volume. EFFECT: higher sensitivity of measurements. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к оптическим биосенсорам. В настоящее время подвижные микроорганизмы (ПМ) в воде регистрируются наблюдением посредством оптического микроскопа, методами биолюминесценции, селективного окрашивания. Общим недостатком этих методов и устройств на их основе является низкая степень автоматизации измерений. The invention relates to measuring equipment, and more particularly to optical biosensors. Currently, mobile microorganisms (PM) in water are recorded by observation using an optical microscope, bioluminescence methods, and selective staining. A common drawback of these methods and devices based on them is the low degree of automation of measurements.

Известно устройство для регистрации ПМ, содержащее оптически связанные источник лазерного излучения, кювету и фотоприемник (ФП) [1]. При этом регистрируется спектр флуктуации интенсивности рассеянного излучения, который различен для чисто броуновских частиц и ПМ. Недостатком такого устройства является низкая чувствительность, поскольку на полезный сигнал накладываются шумы самого лазерного излучения, особенно заметные при малых углах рассеяния. В то же время известно, что именно в малых углах рассеяния максимально отличие спектра броуновских частиц от ПМ [2]. A device for recording PM, containing an optically coupled source of laser radiation, a cuvette and a photodetector (FP) [1]. In this case, the fluctuation spectrum of the scattered radiation intensity is recorded, which is different for purely Brownian particles and PM. The disadvantage of this device is its low sensitivity, since the noise of the laser radiation itself is superimposed on the useful signal, especially noticeable at small scattering angles. At the same time, it is known that precisely at small scattering angles the maximum difference between the spectrum of Brownian particles and PM [2].

Наиболее близким к заявляемому устройству является "Устройство биотестового контроля загрязнения жидкости" [3] (прототип) в котором используются две кюветы и два фотоприемника, оптически связанные каждый со своей кюветой, освещаемыми одним источником лазерного излучения. При этом наблюдаются спектры флуктуаций интенсивности рассеяния в обоих кюветах и по их отличию судят о наличии ПМ в одной из кювет или о различной их активности в кюветах. Недостатком прототипа также является ограничение по чувствительности, обусловленное шумами лазерного излучения, поскольку эти шумы присутствуют в обоих регистрируемых спектрах. Общим недостатком, в том числе и прототипа, является то, что зондируемый объем, ограниченный диаметром зондирующего пучка, меньше объема кюветы. При этом наличие ПМ в кювете может быть не обнаружено просто потому, что они находятся вне зондируемого объема. В то же время увеличение диаметра пучка приводит к уменьшению чувствительности, а увеличение длины кюветы - к потерям рассеянного излучения. Closest to the claimed device is a “Biotest Liquid Pollution Control Device” [3] (prototype) in which two cuvettes and two photodetectors are used, each optically coupled to its cuvette illuminated by a single laser radiation source. In this case, the spectra of fluctuations of the scattering intensity in both cuvettes are observed and, by their difference, they are judged on the presence of PM in one of the cuvettes or on their different activity in the cuvettes. The disadvantage of the prototype is also the sensitivity limit due to the noise of laser radiation, since these noises are present in both recorded spectra. A common disadvantage, including the prototype, is that the probed volume, limited by the diameter of the probe beam, is less than the volume of the cell. However, the presence of PM in the cell may not be detected simply because they are outside the probed volume. At the same time, an increase in the beam diameter leads to a decrease in sensitivity, and an increase in the length of the cuvette leads to the loss of scattered radiation.

Целью изобретения является повышение чувствительности устройства за счет подавления влияния шумов лазерного излучения на выходной сигнал ФП, а также за счет увеличения зондируемого объема. The aim of the invention is to increase the sensitivity of the device by suppressing the influence of noise of laser radiation on the output signal of the phase transition, as well as by increasing the probed volume.

Сущность изобретения состоит в том, что имеются два ФП, оптически связанные с исследуемой кюветой. ФП расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через оптическую ось устройства и вблизи друг от друга, но на расстоянии, большем радиуса пространственной корреляции X рассеянного излучения, который для малых углов рассеяния определяется по формуле [4]
X = λR/3,14w (1)
где λ - длина волны лазерного излучения, R - расстояние от плоскости рассеяния до плоскости ФП, w - диаметр лазерного пучка в плоскости рассеяния. Фактически X - это размер "зерна" спекл-картины в плоскости ФП. Выходы ФП связаны с различными входами дифференциального усилителя (ДУ), выход которого связан со входом блока обработки, например, Фурье-спектрометра. Т.е. на блок обработки подается только разностный сигнал ФП, содержащий информацию только о динамических процессах в кювете. Действительно, средняя интенсивность излучения, попадающего на каждый ФП, одинакова, а флуктуации этой интенсивности оказываются в фазе на обоих ФП и вычитаются ДУ. Полезный же сигнал - флуктуации интенсивности, обусловленные рассеянием на подвижных частицах - нескоррелирован, т.е. относительная фаза этого сигнала на двух ФП является случайной величиной и не только не вычитается ДУ, но даже усиливается в

раз. Для дальнейшего усиления полезного сигнала может использоваться еще одна пара ФП, сигналы которых вычитаются еще одним ДУ, выходные сигналы обоих ДУ вычитаются третьим ДУ и на его выходе полезный сигнал усиливается уже в 2 раза. Естественно, устройство может содержать и большее число таких вычитающих каскадов, каждый из которых увеличивает отношение сигнал/шум в

раз.The essence of the invention lies in the fact that there are two AF optically coupled to the studied cell. FPs are located symmetrically relative to the plane passing through the optical axis of the device and close to each other, but at a distance greater than the spatial correlation radius X of the scattered radiation, which for small scattering angles is determined by the formula [4]
X = λR / 3,14w (1)
where λ is the wavelength of the laser radiation, R is the distance from the scattering plane to the phase plane, w is the diameter of the laser beam in the scattering plane. In fact, X is the size of the “grain” of the speckle pattern in the phase plane. The FP outputs are connected to various inputs of a differential amplifier (DU), the output of which is connected to the input of a processing unit, for example, a Fourier spectrometer. Those. only the difference signal of the FP is fed to the processing unit, containing information only about the dynamic processes in the cell. Indeed, the average intensity of the radiation incident on each phase transition is the same, and the fluctuations of this intensity are in phase on both phase transitions and the DEs are subtracted. A useful signal — intensity fluctuations caused by scattering by moving particles — is uncorrelated, i.e. the relative phase of this signal at two phase transitions is a random variable and is not only not subtracted by the remote control, but even amplified in

time. To further amplify the useful signal, another pair of phase transitions can be used, the signals of which are subtracted by another remote control, the output signals of both remote control are subtracted by the third remote control, and the useful signal is amplified by 2 times at its output. Naturally, the device may contain a greater number of such subtracting stages, each of which increases the signal-to-noise ratio by

time.

Для увеличения зондируемого объема при данном диаметре пучка кювета выполнена в виде отрезка оптического волновода с внутренним диаметром, меньшим или равным диаметру зондирующего пучка. При этом излучение, рассеянное на ПМ, находящихся в любой части кюветы, т.е. на различном расстоянии от плоскости ФП, попадают на ФП за счет отражения от стенок волноводной кюветы. To increase the probed volume at a given beam diameter, the cuvette is made in the form of a segment of an optical waveguide with an inner diameter less than or equal to the diameter of the probe beam. The radiation scattered by the PM located in any part of the cell, i.e. at different distances from the plane of the phase transition, they fall on the phase transition due to reflection from the walls of the waveguide cell.

На фиг. 1а, б представлена блок-схема устройства, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - кювета с исследуемой средой, 3 - фотоприемники (они могут располагаться в плоскости, не совпадающей с плоскостью чертежа), 4, 12 - дифференциальные усилители, 5 - блок обработки и индикации. На фиг. 2 схематически представлены осциллограммы напряжений на входах (6 и 7) и выходе (8) дифференциального усилителя 4. На фиг. 3 представлены Фурье-спектры выходного сигнала блока обработки 5, демонстрирующие увеличение отношения сигнал/шум в предлагаемом устройстве, где 9 - спектр выходного сигнала при выключенном лазере, т.е. только шума электроники (ФП и усилителя), 10, 11 - спектр выходного сигнала при включенном лазере, одноканальная и двухканальная схема соответственно. In FIG. 1a, b shows a block diagram of the device, where 1 is a laser radiation source, 2 is a cuvette with a test medium, 3 are photodetectors (they can be located in a plane that does not coincide with the drawing plane), 4, 12 are differential amplifiers, 5 is a block processing and indication. In FIG. 2 schematically shows the waveforms of the voltages at the inputs (6 and 7) and the output (8) of the differential amplifier 4. FIG. 3 shows the Fourier spectra of the output signal of the processing unit 5, showing an increase in the signal-to-noise ratio in the proposed device, where 9 is the spectrum of the output signal with the laser turned off, i.e. only the noise of electronics (FP and amplifier), 10, 11 - spectrum of the output signal when the laser is on, single-channel and two-channel circuit, respectively.

Устройство состоит из источника лазерного излучения 1 (фиг. 1а), оптически связанного с длинной цилиндрической, например, стеклянной, кюветой 2, расположенной соосно с пучком лазерного излучения, диаметр которого больше или равен внутреннему диаметру кюветы 2. Кювета 2 длинная в том смысле, что ее длина гораздо больше внутреннего диаметра, т.е. представляет собой отрезок полого оптического волновода. С выходной стороны кюветы 2 имеются два ФП 3, оптически связанных с кюветой 2 и установленных симметрично плоскости, проходящей через оптическую ось устройства (т.е. они могут быть расположены над плоскостью чертежа). ФП расположены вблизи друг от друга, но не ближе радиуса пространственной корреляции излучения X определяемого по формуле (1). Выходы ФП связаны с различными входами дифференциального усилителя 4, выход которого связан с блоком обработки и индикации 5. Поскольку рассеянное от микроорганизмов излучение распространяется в некотором телесном угле, для увеличения чувствительности устройства могут быть установлены другие пары ФП аналогично первой паре ФП 3, расположенные симметрично относительно оптической оси устройства. The device consists of a laser radiation source 1 (Fig. 1a), optically coupled to a long cylindrical, for example, glass, cuvette 2 located coaxially with the laser beam, the diameter of which is greater than or equal to the inner diameter of the cuvette 2. The cuvette 2 is long in the sense that its length is much larger than the inner diameter, i.e. represents a segment of a hollow optical waveguide. On the output side of the cuvette 2 there are two phase transitions 3, optically coupled to the cuvette 2 and mounted symmetrically to the plane passing through the optical axis of the device (i.e., they can be located above the drawing plane). The phase transitions are located close to each other, but not closer than the radius of the spatial correlation of the radiation X determined by formula (1). The FP outputs are connected to the various inputs of the differential amplifier 4, the output of which is connected to the processing and indication unit 5. Since the radiation scattered from microorganisms propagates in a certain solid angle, to increase the sensitivity of the device, other pairs of FPs can be installed similar to the first pair of FP 3 located symmetrically with respect to optical axis of the device.

На фиг. 1б представлен пример регистрации рассеянного сигнала двумя парами ФП. В этом случае выходы дифференциальных усилителей 4 каждой пары связаны с различными входами третьего дифференциального усилителя 12, выход которого связан с блоком обработки и индикации 5. При большем количестве пар ФП сигналы с них вычитаются попарно, пока не сформируется один выходной сигнал, связанный с блоком 5. In FIG. 1b, an example of registration of a scattered signal by two pairs of phase transitions is presented. In this case, the outputs of the differential amplifiers 4 of each pair are connected to the different inputs of the third differential amplifier 12, the output of which is connected to the processing and indication unit 5. With a larger number of pairs of phase-matched signals, they are subtracted in pairs until one output signal is generated associated with block 5 .

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Пучок излучения лазерного источника 1 проходит через кювету 2 вдоль ее оси, заполняя все ее сечение, и рассеивается на подвижных объектах (броуновских частицах и микроорганизмах) в жидкости. Излучение, рассеянное под углом α, регистрируется ФП 3. Более строго, ФП регистрируют излучение, рассеянное в некоторый набор углов α ± δα, определяемый видимым угловым размером торца кюветы 3 относительно светочувствительных площадок ФП. Поскольку кювета 2 волноводная, излучение, рассеянное частицами, находящимися далеко от выходного торца кюветы 2, отражается от ее внутренней поверхности и это излучение также попадает на ФП 3 (изображено пунктиром на фиг. 1а). Таким образом, за счет использования волноводной кюветы достигается увеличение зондируемого объема без потери чувствительности на единицу объема. Сигналы с выходов ФП 3 поступают на дифференциальный усилитель 4, где вычитаются, и выходной сигнал усилителя 4 регистрируется блоком 5. При наличии двух пар ФП выходные сигналы соответствующих усилителей 4 вычитаются третьим усилителем (12 на фиг. 1б), выходной сигнал с которого поступает на блок 5. The radiation beam of the laser source 1 passes through the cell 2 along its axis, filling its entire cross-section, and scatters on moving objects (Brownian particles and microorganisms) in the liquid. Radiation scattered at an angle α is detected by AF 3. More strictly, AF is recorded by radiation scattered into a certain set of angles α ± δα, determined by the apparent angular size of the end face of cell 3 relative to the photosensitive areas of the AF. Since the cell 2 is waveguide, the radiation scattered by particles located far from the output end of the cell 2 is reflected from its inner surface and this radiation also falls on the phase 3 (shown by the dotted line in Fig. 1a). Thus, by using a waveguide cell, an increase in the probed volume is achieved without loss of sensitivity per unit volume. The signals from the outputs of the FP 3 are fed to the differential amplifier 4, where they are subtracted, and the output signal of the amplifier 4 is registered by the block 5. If there are two pairs of the FP, the output signals of the corresponding amplifiers 4 are subtracted by the third amplifier (12 in Fig. 1b), the output signal from which is fed to block 5.

На осциллограммах 6 и 7 (фиг. 2) представлены выходные сигналы ФП 3. Шумы излучения условно представлены низкочастотными, а сигнал от рассеяния в среде - высокочастотный. После вычитания (осциллограмма 8) в выходном сигнале остается только нескоррелированная составляющая сигнала, обусловленная рассеянием в среде. Oscillograms 6 and 7 (Fig. 2) show the output signals of the FP 3. Radiation noise is conventionally represented as low-frequency, and the signal from scattering in the medium is high-frequency. After subtraction (waveform 8), only the uncorrelated component of the signal due to scattering in the medium remains in the output signal.

В качестве демонстрации положительного эффекта от использования двух ФП указанным образом на фиг. 3 представлены экспериментальные Фурье-спектры, полученные в макетном образце предлагаемого устройства (двухканальная схема) в сравнении с традиционной схемой (один из каналов выключен, одноканальная схема). Здесь 9 - спектр выходного сигнала при выключенном лазере, т.е. только шума электроники (ФП и усилителя), 10, 11 - спектр выходного сигнала при включенном лазере, одноканальная и двухканальная схема соответственно. Отметим, что выигрыш в отношении сигнал/шум тем больше, чем меньше угол рассеяния α, а именно малые углы рассеяния предпочтительны при детектировании подвижных микроорганизмов. As a demonstration of the beneficial effect of using two AFs in this manner in FIG. 3 shows the experimental Fourier spectra obtained in a prototype of the proposed device (two-channel scheme) in comparison with the traditional scheme (one of the channels is off, single-channel scheme). Here 9 is the spectrum of the output signal with the laser turned off, i.e. only the noise of electronics (FP and amplifier), 10, 11 - spectrum of the output signal when the laser is on, single-channel and two-channel circuit, respectively. Note that the gain in the signal-to-noise ratio is the greater, the smaller the scattering angle α, namely, small scattering angles are preferred when detecting mobile microorganisms.

Литература
1. "Photon Correlation and Light Beating Spectroscopy", edited by H.Z. Cummins and E.R.Pike, Plenum Press, New York and London, 1974.Literature
1. "Photon Correlation and Light Beating Spectroscopy", edited by HZ Cummins and ERPike, Plenum Press, New York and London, 1974.

2. Ralph Nossal. Spectral Analysis of Laser Light Scattered from Motile Microorganisms // Biophysical Journal, vol. 11, pp. 341-354, 1971. 2. Ralph Nossal. Spectral Analysis of Laser Light Scattered from Motile Microorganisms // Biophysical Journal, vol. 11, pp. 341-354, 1971.

3. А.С. СССР N 1406153, кл. C 12 M 1/34, 1988. 3. A.S. USSR N 1406153, class C 12 M 1/34, 1988.

4. N.Takai, T.Iwai, and T.Asakura. Correlation Distance of Dynamic Speckles // Applied Optics, vol. 22. N 1, pp. 170-177, 1983. 4. N. Takai, T. Iwai, and T. Asakura. Correlation Distance of Dynamic Speckles // Applied Optics, vol. 22. N 1, pp. 170-177, 1983.

Claims

1. A detector of mobile microorganisms, for example, in water, containing a laser source that is optically coupled to the cell with the test liquid, two photodetectors and a processing and indication unit, characterized in that both photodetectors are optically coupled to the cell and are mounted symmetrically with respect to the plane passing through the optical axis of the device is close to each other, but so that the distance between the photosensitive areas of the photodetectors and their characteristic size is larger than the characteristic size X spatial correlated the intensity of the radiation scattered in the cell, where X is determined by the formula
X = λR / 3.14w,
λ is the wavelength of the laser radiation;
R is the distance from the scattering plane to the plane of the photodetectors;
w is the diameter of the laser beam in the scattering plane,
the outputs of the photodetectors are connected to various inputs of a differential amplifier, the output of which is connected to the input of the processing and indication unit.

2. The device according to claim 1, characterized in that there is at least one more pair of photodetectors installed similarly to the first, the outputs of which are connected to different inputs of another differential amplifier, the outputs of both differential amplifiers are connected to different inputs of the third differential amplifier, the output of which is connected to the input of the processing and display unit.

3. The device according to claim 1, characterized in that the cuvette is made in the form of a segment of a hollow optical waveguide, the length of which is much greater than its diameter, the diameter of the laser beam is greater than or equal to the diameter of the cuvette, and the optical axis of the beam coincides with the optical axis of the cuvette.