RU223008U1 - Держатель биологического образца в портативном лазерном спектрометре - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к медицине, диагностике, технике спектрального анализа, а именно к насадкам и держателям для исследуемых биологических образцов, и может быть использована в передвижных/полевых биологических или клинико-диагностических лабораториях при элементном экспресс-анализе биосубстратов человека или животных (кровь, моча, сыворотка крови, высушенные на подложках). Держатель биообразца используют в ручном (портативном) лазерном спектрометре SciAps Inc серии Z для фиксации исследуемого (анализируемого) образца в зоне облучения лазером. Он представляет собой зажим, выполненный по типу бельевой прищепки, с возможностью его фиксации к лицевой панели спектрометра. Зажим состоит из двух уплощенных рабочих частей длиной по 50 мм, шириной по 15 мм, каждая из которых имеет свободный конец и зажимной конец. Рабочие части шарнирно соединены между собой в их средней части. При этом зажимные концы выполнены с возможностью прижатия друг к другу посредством металлического пружинного кольцевого механизма, помещенного между свободными концами рабочих частей зажима, с возможностью осуществления рабочими частями зажима пружинящих противонаправленных движений при сведении и разведении их свободных концов с помощью металлического пружинного кольцевого механизма. В центральной части зажима между его рабочими частями имеется 1-ое продольное продолговатое отверстие, размеры которого выполнены с возможностью нежесткой фиксации через него зажима при помощи болта на лицевой панели спектрометра SciAps Inc серии Z. Зажим содержит также два стержня, исходящих из зажимных концов его рабочих частей, где стержни выполнены из гибкого металла, диаметр каждого стержня - 1 мм, длина - 30 мм. Рабочие части зажима выполнены с возможностью образования, при сведении зажимных концов, 2-го продольного продолговатого отверстия длиной 7-10 мм и шириной 5 мм между 1-ым продолговатым отверстием и зажимными концами рабочих частей зажима с исходящими из них стержнями, с возможностью фиксации во 2-ом продольном продолговатом отверстии анализируемого биологического образца в зоне лазерного облучения. Работа держателя обеспечивает точность анализа биологических образцов за счет более точного их позиционирования, исключения случайных и систематических ошибок, связанных со смещениями при ручном позиционировании образцов перед действием лазерного луча, в том числе при повторном ручном позиционировании биологического образца, при экспресс-анализах в полевых условиях. 3 ил., 3 пр.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к медицине, диагностике, технике спектрального анализа, а именно к насадкам и держателям для исследуемых биологических образцов, и может быть использована в передвижных/полевых биологических или клинико-диагностических лабораториях при элементном экспресс-анализе биосубстратов человека или животных, таких как волосы, капли биологических жидкостей (кровь, моча, сыворотка крови, высушенные на подложках). Держатель биологического образца используется в ручном (портативном) лазерном спектрометре SciAps Inc серии Z для фиксации исследуемого (анализируемого) образца в зоне его облучения лазером.

Уровень техники

В настоящее время наиболее перспективным экспресс-способом для определения химических элементов в биообъектах является использование лазерно-индуцируемой (лазерной эмиссионной) спектроскопии (LIBS-спектроскопии).

Для проведения элементного анализа биосубстратов человека in situ возникает необходимость повышения эффективности работы оператора, что легко осуществимо путем освобождения оператора от необходимости держать прибор в руках. Важным аспектом при измерении во внелабораторных условиях остается снижение уровня случайных ошибок, сохранение точности измерения.

Из уровня техники известен держатель биологического образца, представляющий собой диск из фильтровальной бумаги. Биологический образец помещают в центр этого диска, высушивают и подвергают спектральному анализу [1].

Недостаток этого держателя в том, что при проведении калибровки и анализа биологического образца, наряду с возбуждением атомов, ионов пробы происходит возбуждение атомов и ионов самой подложки, что ведет к наложению спектральных линий анализируемых элементов и элементов подложки. При таком способе количественное определение невозможно без специальных технических, программных средств и перестройки параметров анализатора, что удлиняет процесс анализа и неприемлемо при экспресс-диагностике в полевых условиях вне лаборатории.

Известно устройство, используемое в способе [2], при котором проводят анализ содержания химических элементов в волосах лазерным атомно-эмиссионным спектральным методом, при этом волосы наклеивают на подложку из органического стекла. Это устройство также имеет недостатки.

Так, использование данного известного держателя для анализа биологических образцов осложняется необходимостью производить несколько сотен лазерных выстрелов для получения статистически значимых результатов, что при использовании общедоступных ручных лазерных спектрометров потребует обновления калибровки по длине волны или даже очистки защитного кварцевого стекла от продуктов, образующихся во время лазерной абляции.

Известно также устройство позиционирования волос для последующего анализа методом лазерной искровой эмиссионной (LIBS) спектрометрии [3].

Для повышения точности измерений пучок волос размещают в специальной камере, являющейся держателем биологического образца. При этом для наведения луча лазера, вызывающего абляцию, используют дополнительный/пилотный лазер с прецизионной системой наведения на точку лазерного облучения.

Недостатком является сложность устройства, требующая наличия системы согласования пространственно-временного разделения лучей пилотного и рабочего лазеров. Но главным недостатком является необходимость пробоподготовки биологического образца (озоления). Таким образом, данный известный прибор может быть использован только в лабораторных условиях, но не подходит для полевых работ, портативного экспресс-применения.

Известен держатель для биологического образца, представляющий собой передвижной столик для фиксации образцов в составе сложного диагностического спектроскопического прибора (RU 2303255 С1, 20.07.2007, ЗАО «Спектроскопические системы», см. с. 7-8). При этом сами авторы отмечают, что при некоторых видах анализа может потребоваться корректировка положения анализируемого образца, осуществляемая в процессе проведения анализа с целью компенсации изменения положения поверхности образца за счет его испарения. При этом бывает сложно перенастроить передвижения столика для обеспечения точности изменений, тем более, вручную. И данное устройство так же не может быть использовано портативно, хотя и подходит для анализа различных типов биологических образцов.

Известен также U-образный держатель, для лазерного спектроскопического анализа микроэлементов в волосе. Держатель фиксирует волос перед лазером, для обеспечения фокусного пятна лазера на волосе: Michela Corsi et al. Application of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Technique to Hair Tissue Mineral Analysis. November 2003. Applied Optics. 42(30):6133-6137. C. 6134: прав. колонка первый абз. DOI:10.1364/AO.42.006133. Электронный ресурс: https://www.researchgate.net/publication/9029804 Application of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Technique to Hair Tissue Mineral Analysis.

Однако для такого держателя в уровне техники не подтверждена точность исследований при использовании при ручном и повторном позиционировании биологических образцов в портативных спектрометрах. Кроме того, неизвестно, как можно осуществить спектрометрический анализ химических элементов в других биологических образцах, помимо волос, например, высушенных на подложке.

Известно также устройство элементного экспресс-анализа волос человека методом лазерно-индуцируемой плазменно-эмиссионной спектроскопии и способ его осуществления (RU 2791132 С2, 02.03.2023, Скальный А.В.). При этом в качестве приспособления для пробоподготовки анализируемых волос используют приспособление из трех пластинок, прикрепляемое к пучку волос на затылочной части головы так, что экспонируемый для входа лазерного луча участок пучка волос располагается на внешней поверхности средней пластинки, поддерживающей пучок волос и защищающий кожный покров головы от негативного воздействия лазерного излучения в случае нештатного режима работы лазера. При этом обеспечивается возможность выполнения элементного анализа волос человека в экспресс-режиме во внелабораторных цеховых/полевых условиях. Однако анализ на содержание элементов в каких-либо иных биологических образцах с помощью данного держателя не представляется возможным.

Данный держатель предлагается рассмотреть в качестве ближайшего аналога полезной модели (прототипа).

Раскрытие сущности полезной модели

Техническим результатом предлагаемой полезной модели явилось обеспечение точности анализа биологических образцов в портативном лазерном спектрометре за счет более точного их позиционирования, исключения случайных и систематических ошибок, связанных со смещениями при ручном позиционировании образцов перед действием лазерного луча, в том числе при повторном ручном позиционировании биологического образца, при экспресс-анализах в полевых условиях.

Технический результат достигается за счет того, что держатель биологического образца, предназначенного для анализа содержания в нем химических элементов, представляет собой зажим, выполненный с возможностью его фиксации к лицевой панели портативного лазерного спектрометра SciAps Inc серии Z.

Зажим выполнен по типу бельевой прищепки и состоит из двух уплощенных рабочих частей, длиной по 50 мм, шириной по 15 мм, каждая из которых имеет свободный конец и зажимной конец, рабочие части шарнирно соединены между собой в их средней части. При этом зажимные концы выполнены с возможностью прижатия друг к другу посредством металлического пружинного кольцевого механизма, помещенного между свободными концами рабочих частей зажима, с возможностью осуществления рабочими частями зажима пружинящих противонаправленных движений при сведении и разведении их свободных концов с помощью металлического пружинного кольцевого механизма.

В центральной части зажима между его рабочими частями имеется первое продольное продолговатое отверстие, размеры которого выполнены с возможностью нежесткой фиксации через него зажима при помощи болта на лицевой панели спектрометра SciAps Inc серии Z.

Зажим содержит также два стержня, исходящих продольно из зажимных концов его рабочих частей, где стержни выполнены из гибкого металла, диаметр каждого стержня - 1 мм, длина - 30 мм.

Рабочие части зажима также выполнены с возможностью образования, при сведении зажимных концов, второго продольного продолговатого отверстия длиной 7-10 мм и шириной 5 мм между первым продолговатым отверстием и зажимными концами рабочих частей зажима с исходящими из них гибкими стержнями и с возможностью фиксации во втором продольном продолговатом отверстии анализируемого биологического образца в зоне лазерного облучения, производимого через рабочее окно спектрометра SciAps Inc серии Z.

Спектрометры данной серии имеют сходное строение, и предлагаемый держатель биологического образца подходит для таких ее представителей, как Z-200, Z-300, Z-900 и др.

Рабочие части зажима изготавливают из пластмассового или металлического материала, например, аналогичного материалам, из которых изготавливают бельевые прищепки, используя аналогичные технологии изготовления.

Металлический пружинный кольцевой механизм может быть изготовлен из нержавеющей стали или других металлических сплавов железа, меди, алюминия, никеля, цинка, так же - аналогично механизму бельевой прищепки.

Гибкие стержни могут быть изготовлены из металла или металлического сплава, которые обладают свойством гибкости, например, алюминия, меди, некоторых видов стали. Стержни выполнены с возможностью их изгиба вручную при необходимости коррекции положения - угла наклона биологического образца (как правило, удлиненного, цилиндрического, например, пучка волос в трубке) при позиционировании в держателе.

Длина гибких стержней обеспечивает возможность прижимной силы в зоне рабочего окна используемого спектрометра, т.е. примерно соответствует размерам этого окна.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлено схематическое изображение способа фиксации эластичной ленты на корпусе спектрометра SciAps Inc серии Z. Позициями на фигуре 1 обозначены: эластичная лента - 1, корпус спектрометра - 2.

На фигуре 2 показан способ фиксации к рабочему окну спектрометра SciAps Inc серии Z эластичной лентой двух гибких стержней держателя - 3.

На фигуре 3 показано первое продольное продолговатое отверстие - для болта, стабилизирующего (нежестко фиксирующего) держатель на лицевой панели спектрометра SciAps Inc серии Z (4), и второе продольное продолговатое отверстие - для размещения анализируемого биологического образца (5).

Осуществление полезной модели

Перед началом работы держатель нежестко фиксируют болтом на лицевой панели спектрометра SciAps Inc серии Z через первое продольное продолговатое отверстие (4). При этом для держателя имеется возможность поворота вокруг его поперечной оси, чтобы под его концы перед рабочим окном спектрометра можно было подложить высушенные биологические образцы, с последующей дополнительной фиксацией эластичной лентой поперек гибких стержней у основания зажимных концов зажима. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность сдвигания биологического образца в плоскости рабочего окна используемого спектрометра для выбора наиболее оптимального места лазерной абляции с обеспечением технического результата данной полезной модели.

То есть для этого анализируемый биологический образец (волосы, ногти, высушенные образцы слюны, крови на подложке и др.) размещают так, чтобы предназначенная для лазерного облучения часть его поверхности была прижата зажимными концами зажима к плоскости рабочего окна спектрометра SciAps Inc серии Z.

Так, если образец представляет собой высушенную каплю жидкого биообразца на подложке, то подложку соответствующей поверхностью помещают между рабочим окном спектрометра и зажимом в области зажимных концов его рабочих частей.

Затем прижимают образец к рабочему окну спектрометра SciAps Inc серии Z, фиксируя прижимающим усилием эластичной ленты (1) в области выхода гибких стержней (3) из зажимных концов рабочих частей зажима. Визуальный контроль положения анализируемого биологического образца в области облучения лазером с возможностью передвижения подложки вдоль плоскости рабочего окна спектрометра осуществляют с помощью предусмотренных в ручных спектрометрах видеокамер.

Если образец представляет собой цилиндрический объект, прессованную таблетку, пучок волос в пластиковой трубке, то перед началом работы его устанавливают непосредственно во второе продольное продолговатое отверстие (5) (зажим предварительно нежестко фиксируют болтом на лицевой панели спектрометра через первое продольное продолговатое отверстие (4)) перпендикулярно плоскости рабочего окна спектрометра (фиг. 3) и вручную передвигают вверх-вниз, а также с помощью поворотов гибких стержней, при необходимости, меняя угол наклона трубки с биологическим образцом для выбора оптимальных для анализа точек экспозиции образца под контролем видеокамеры.

При достижении окончательного положения биологического образца перед рабочим окном спектрометра фиксирующий болт полностью докручивают (до жесткой фиксации) и зажим дополнительно фиксируют эластичной лентой (1) в области выхода гибких стержней (3) из зажимных концов рабочих частей зажима.

Фиксированный оптимальным образом биологический образец облучают лазером в соответствии с задачами определения химического состава биологического образца. По окончании работы спектрометра гибкие стержни освобождают от фиксации эластичной лентой, биологический образец извлекают из держателя путем противонаправленных пружинящих движений рабочих частей зажима. Сам зажим отсоединяют от спектрометра в месте крепления болтом.

Примеры работы держателя.

Пример 1.

Анализируемый биологический образец - срез пучка волос для определения содержания химических элементов в биообразце лазерным спектрометром SciAps Inc серии Z (в данном случае - Z-300).

Пучок волос в пластиковой трубке помещали во второе продольное продолговатое отверстие (5), длиной и шириной 10×5 мм, зажима, предварительно нежестко фиксированного на лицевой панели спектрометра через первое продольное продолговатое отверстие (4), предварительно сблизив соответствующие свободные концы рабочих частей зажима, длина и ширина которых составляла, соответственно, 50×15 мм. Слегка ослабив усилие сжатия зажима, нажимая для этого на свободные концы рабочих частей зажима, перемещали трубку с пучком волос вверх-вниз (вертикально к лицевой панели спектрометра) для оптимального его позиционирования в области экспозиции. С помощью использования гибких стержней (3) и нежесткой фиксации болтом, диаметром 1 мм и длиной 30 мм, ручным образом осуществляли выбор наиболее оптимального положения (угла наклона) биологического образца перед рабочим окном спектрометра под контролем встроенной в него видеокамеры.

При принятии окончательного положения для анализа дополнительно фиксировали гибкие стержни (3) поперек лицевой панели корпуса спектрометра (2) эластичной лентой (1). Далее начинали лазерную абляцию. Лазерное облучение подавалось на биологический образец в области рабочего окна спектрометра. Полученные результаты отображаются на дисплее, на мониторе соединенного с системой спектрометра компьютера.

При сравнении полученных результатов анализа с результатами определения химических элементов с использованием метода, описанного в [2], в нашем варианте анализа потребовалось произвести в несколько раз меньше лазерных выстрелов для получения низкого значения среднеквадратичного отклонения. Точность анализа сохранялась при снижении общей длительности работы спектрометра. При этом точность результатов (по разбросу получаемых значений, величине среднеквадратичного отклонения) не снижалась и при повторном ручном позиционировании биологического образца, при проведении повторных анализов содержания в нем химических элементов с интервалом в несколько дней.

Пример 2.

Анализируемый биологический образец - высушенная сыворотка крови на подложке из алюминиевой фольги для определения содержания химических элементов в биообразце портативным лазерным спектрометром.

Зажим предварительно нежестко фиксировали болтом через первое продольное продолговатое отверстие (4). Фольгу помещали между рабочим окном на фронтальной плоскости (лицевой панели) спектрометра SciAps Inc Z-200 и вторым продольным продолговатым отверстием (5), длина и ширина которого составляла 7×5 мм, зажимные концы рабочих частей зажима были обращены к рабочему окну спектрометра.

При необходимости переместить образец с высушенной сывороткой крови для обстрела лазером передвигали подложку в требуемую позицию под контролем встроенной в спектрометр видеокамеры, фиксировали зажим болтом до более жесткой фиксации и дополнительно - эластичной лентой (1) в области оснований гибких стержней (3), диаметром 1 мм и длиной 30 мм. Далее осуществляли лазерное воздействие. Результаты анализа содержания химических элементов в биологическом образце выводились на экран монитора.

В отличие от известного держателя по [3], в котором требуется предварительная минерализация/озоление, в данном примере получены результаты по анализу сыворотки крови без предварительной минерализации. При этом полученные результаты были сопоставимы с аттестованной методикой масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС). То есть точность анализа (в данном случае - отсутствие большого разброса результатов, характеризуемое величиной среднеквадратического отклонения), при отсутствии необходимости дополнительных действий с биологическим образцом не менялась, была сопоставима с результатами ранее известных наиболее точных методик анализа. В том числе, это было подтверждено и при повторном ручном позиционировании биологического образца, при повторных анализах с использованием предлагаемого держателя.

Пример 3.

Анализируемый биологический образец - высушенная капля мочи на металлической подложке для определения химического состава образца ручным лазерным спектрометром SciAps Inc серии Z.

Предлагаемый зажим вначале нежестко фиксировали болтом к лицевой панели спектрометра через первое продольное продолговатое отверстие (4). Биообразец на подложке помещали между рабочим окном на фронтальной плоскости (лицевой панели) спектрометра и вторым продольным продолговатым отверстием (5), длина и ширина которого составляли, соответственно, 8×5 мм, зажимные концы зажима с гибкими стержнями (3) были обращены к рабочему окну спектрометра. При необходимости перемещения образца с высушенной мочой для направленного обстрела лазером передвигали подложку в требуемую позицию под контролем встроенной в спектрометр видеокамеры, после чего, при выборе наиболее оптимального положения образца для анализа, докручивали болт до более жесткой фиксации и дополнительно фиксировали зажим с помощью эластичной ленты (1) в области основания гибких стержней (3), исходящих из зажимных концов его рабочих частей.

Далее проводили воздействие лазером. Результаты спектрометрического анализа выводились на монитор.

Предлагаемый держатель в виде зажима-прищепки при отсутствии сдвигов фиксированного в нем биологического образца во время работы с портативным спектрометром SciAps Inc серии Z даже при ручном позиционировании образцов позволил получить результаты измерения с низким значением среднеквадратичного отклонения. Достигалась точность анализа при снижении общей длительности работы ручного спектрометра, при этом точность не терялась и при повторном ручном позиционировании биологического образца, что было подтверждено при проведении его повторных анализов с интервалом в несколько дней.

Источники информации

1. И.А. Толоконников, К.И. Щекин, В.И. Латов, С.В, Мудренко и А.А. Медведев, А.П. Марков. Рентгеноспектральный анализ технологических растворов// Заводская лаборатория. - 1981 - т. 47, N. 2, - С. 36-38.

2. Патапович М.П., Пашковская И.Д., Булойчик Ж.И., Нечиггуренко Н.И., Зажогин А.П. Исследование динамики метаболизма макроэлементов в организме методами лазерной искровой спектрометрии волос человека по их длине // Материалы 9-ой Международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом», 20-22 сентября 2011 г., Минск, Беларусь - С. 435-437.

3. Патент РФ RU 2589960, МПК G01N 21/73 (2006.01). Опубликован 10.07.2016. Карих Ф.Г., Мухаметзянова Г.Ф. Способ лазерного атомно-эмиссионного спектрального анализа волос// 2016. Бюл. №19.

Claims (1)

1. Держатель биологического образца, предназначенного для анализа содержания в нем химических элементов с помощью лазерного спектрометра, отличающийся тем, что держатель биологического образца представляет собой зажим, выполненный с возможностью его фиксации к лицевой панели портативного лазерного спектрометра SciAps Inc серии Z; зажим выполнен по типу прищепки и состоит из двух уплощенных рабочих частей длиной по 50 мм, шириной по 15 мм, каждая из которых имеет свободный конец и зажимной конец, рабочие части шарнирно соединены между собой в их средней части, при этом зажимные концы выполнены с возможностью прижатия друг к другу посредством металлического пружинного кольцевого механизма, помещенного между свободными концами рабочих частей зажима, с возможностью осуществления рабочими частями зажима пружинящих противонаправленных движений при сведении и разведении их свободных концов с помощью металлического пружинного кольцевого механизма; в центральной части зажима между его рабочими частями имеется первое продольное продолговатое отверстие, размеры которого выполнены с возможностью нежесткой фиксации через него зажима при помощи болта на лицевой панели спектрометра SciAps Inc серии Z, зажим содержит также два стержня, исходящих продольно из зажимных концов его рабочих частей, где стержни выполнены из гибкого металла, диаметр каждого стержня - 1 мм, длина - 30 мм; рабочие части зажима также выполнены с возможностью образования, при сведении зажимных концов, второго продольного продолговатого отверстия длиной 7-10 мм и шириной 5 мм между первым продолговатым отверстием и зажимными концами рабочих частей зажима с исходящими из них стержнями и с возможностью фиксации во втором продольном продолговатом отверстии анализируемого биологического образца в зоне лазерного облучения, производимого через рабочее окно спектрометра SciAps Inc серии Z.