RU2408280C2 - Device for diagnostics - Google Patents

Device for diagnostics Download PDF

Info

Publication number
RU2408280C2
RU2408280C2 RU2006123619/14A RU2006123619A RU2408280C2 RU 2408280 C2 RU2408280 C2 RU 2408280C2 RU 2006123619/14 A RU2006123619/14 A RU 2006123619/14A RU 2006123619 A RU2006123619 A RU 2006123619A RU 2408280 C2 RU2408280 C2 RU 2408280C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
module
laser
photodetector
laser radiation
radiation
Prior art date
Application number
RU2006123619/14A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006123619A (en
Inventor
Галина Петровна Петрова (RU)
Галина Петровна Петрова
Юрий Михайлович Петрусевич (RU)
Юрий Михайлович Петрусевич
Николай Николаевич Сысоев (RU)
Николай Николаевич Сысоев
Альбина Александровна Корнилова (RU)
Альбина Александровна Корнилова
Санг Ра Ким (KR)
Санг Ра Ким
Андрей Валентинович Иванов (RU)
Андрей Валентинович Иванов
Вячеслав Геннадьевич Певгов (RU)
Вячеслав Геннадьевич Певгов
Original Assignee
Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
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 Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова filed Critical Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Priority to RU2006123619/14A priority Critical patent/RU2408280C2/en
Publication of RU2006123619A publication Critical patent/RU2006123619A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2408280C2 publication Critical patent/RU2408280C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: device for analysis of biological fluid contains laser module, containing source of laser radiation, optic unit, which contains flask element, module of photoreceiving device and analogue-digital converter. Flask element is optically connected with module of photoreceiving device, and analogue-digital converter is electrically connected with photoreceiving device and computer. Additionally module of photoreceiving device contains low-noise amplifier and normalising amplifier connected with low-noise amplifier. Optic unit contains element of optic tract formation and light-dividing shevron, optically connected with source of laser radiation and flask element, and laser module and module of photoreceiving device are rigidly fixed on optic unit.
EFFECT: device makes it possible to carry out multi-parametre disease diagnostics.
11 cl, 7 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к области диагностики онкологических заболеваний, в частности, путем использования методов молекулярной физики и промышленно применимо в приборах, предназначенных для использования как при обследовании (скрининг) и наблюдении за ходом лечения (мониторинг), так и при подборе in vitro необходимых для лечения препаратов и их доз.The invention relates to medicine, namely to the field of cancer diagnosis, in particular, by using the methods of molecular physics and is industrially applicable in devices intended for use both during examination (screening) and monitoring the course of treatment (monitoring), and when selecting in vitro necessary for the treatment of drugs and their doses.

Известно устройство диагностики, в котором осуществляется приготовление раствора биологической жидкости, воздействие лазерным излучением на раствор и регистрацию физических параметров излучения, исходящего из раствора биологической жидкости, по которым судят о состоянии пациента, причем при регистрации физических параметров излучения, исходящего из раствора биологической жидкости, производят аналогово-цифровое преобразование сигнала и его компьютерную обработку [патент РФ №2219549, МПК G01N 33/52]. В этом устройстве измеряют физические параметры слабого водного раствора нативной сыворотки крови пациента методом лазерной корреляционной спектроскопии. Для этого готовят два раствора, в один из упомянутых растворов добавляют щелочь, а в другой - кислоту. Для каждого упомянутого раствора определяют вероятностную плотность распределения амплитуды флуктуации интенсивности светорассеяния.A diagnostic device is known in which the preparation of a biological fluid solution is carried out, laser radiation is applied to the solution and the physical parameters of radiation emitted from the biological fluid solution are recorded, which are used to judge the patient’s condition, and when registering the physical parameters of radiation emanating from the biological fluid solution, analog-to-digital signal conversion and its computer processing [RF patent No. 2219549, IPC G01N 33/52]. This device measures the physical parameters of a weak aqueous solution of the patient’s native blood serum using laser correlation spectroscopy. For this, two solutions are prepared, alkali is added to one of the mentioned solutions, and acid to the other. For each solution mentioned, the probability density distribution of the amplitude of the fluctuation of the light scattering intensity is determined.

Недостатком этого аналога является недостаточно большое число контролируемых параметров, по которым ведется диагностика.The disadvantage of this analogue is not a large number of monitored parameters, which are used for diagnostics.

Наиболее близким к заявляемому является устройство, содержащее лазерный модуль, который содержит источник лазерного излучения, оптический блок, который содержит кюветный узел, по меньшей мере, один модуль фотоприемного устройства, который содержит фотоприемное устройство, и аналогово-цифровой преобразователь, причем кюветный узел оптически связан с блоком фотоприемного устройства, а аналогово-цифровой преобразователь электрически связан с фотоприемным устройством и компьютером [патент РФ №2219549, МПК G01N 33/52]. С помощью этого устройства измеряют физические параметры слабого водного раствора нативной сыворотки крови пациента методом лазерной корреляционной спектроскопии. Для этого готовят два раствора, в один из упомянутых растворов добавляют щелочь, а в другой - кислоту. Для каждого упомянутого раствора определяют вероятностную плотность распределения амплитуды флуктуации интенсивности светорассеяния.Closest to the claimed is a device containing a laser module that contains a laser source, an optical unit that contains a cuvette assembly, at least one module of a photodetector that contains a photodetector, and an analog-to-digital converter, wherein the cuvette assembly is optically coupled with the photodetector unit, and the analog-to-digital converter is electrically connected to the photodetector and computer [RF patent No. 2219549, IPC G01N 33/52]. Using this device, the physical parameters of a weak aqueous solution of the patient’s native blood serum are measured by laser correlation spectroscopy. For this, two solutions are prepared, alkali is added to one of the mentioned solutions, and acid to the other. For each solution mentioned, the probability density distribution of the amplitude of the fluctuation of the light scattering intensity is determined.

Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточно большое число контролируемых параметров, по которым ведется диагностика.The disadvantage of this closest analogue is not a large number of monitored parameters, which are used for diagnostics.

С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача обеспечения многопараметрической диагностики.Using the claimed invention, the technical problem of providing multi-parameter diagnostics is solved.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для диагностики, содержащем лазерный модуль, который содержит источник лазерного излучения, оптический блок, который содержит кюветный узел, по меньшей мере, один модуль фотоприемного устройства, содержащий малошумящий усилитель и нормирующий усилитель, электрически связанный с малошумящим усилителем, а также аналогово-цифровой преобразователь, причем кюветный узел оптически связан с модулем фотоприемного устройства, а аналогово-цифровой преобразователь электрически связан с фотоприемным устройством и компьютером, оптический блок дополнительно содержит светоделительный шеврон, оптически связанный с источником лазерного излучения и кюветным узлом, а лазерный модуль и модуль фотоприемного устройства жестко закреплены на оптическом блоке.This goal is achieved by the fact that in the known diagnostic device containing a laser module that contains a laser radiation source, an optical unit that contains a cuvette assembly, at least one photodetector module containing a low-noise amplifier and a normalizing amplifier electrically coupled to low-noise an amplifier, as well as an analog-to-digital converter, moreover, the cuvette assembly is optically connected to the photodetector module, and the analog-to-digital converter is electrically connected en with the photodetecting device and the computer, the optical unit further comprises a chevron beam splitter, optically coupled to a laser radiation source and the cuvette assembly and the laser module and a photodetector module is rigidly secured to the optical block.

В частности, светоделительный шеврон жестко может быть закреплен в оптическом блоке.In particular, the beam splitting chevron can be rigidly fixed in the optical unit.

В частности, устройство может дополнительно содержать плату управления, электрически связанную с лазерным модулем и выполненную с возможностью задания циклограммы включения и выключения лазерного модуля.In particular, the device may further comprise a control board electrically connected to the laser module and configured to define a cyclogram for turning the laser module on and off.

В частности, оптический блок может дополнительно содержать узел формирования оптического тракта, оптически связанный с кюветным узлом и жестко закрепленный в оптическом блоке.In particular, the optical unit may further comprise an optical path forming unit optically coupled to the cuvette assembly and rigidly fixed to the optical unit.

В частности, модуль фотоприемного устройства может дополнительно содержать блок формирующей входной оптики, оптически связанный с фотоприемным устройством и жестко закрепленный в этом модуле.In particular, the module of the photodetector may further comprise a unit of the forming input optics optically coupled to the photodetector and rigidly fixed in this module.

В частности, аналогово-цифровой преобразователь может дополнительно содержать фильтр, задающий таймер, буферную память, выполненные на одной плате.In particular, the analog-to-digital converter may further comprise a filter defining a timer, a buffer memory, made on one board.

В частности, устройство может регистрировать спектр биений между рэлеевским рассеянным излучением раствора биологической жидкости и опорным детерминированным лазерным излучением.In particular, the device can record a beat spectrum between Rayleigh scattered radiation of a biological fluid solution and reference deterministic laser radiation.

При этом лазерное излучение и опорное детерминированное лазерное излучение можно получать от одного и того же источника.In this case, the laser radiation and the reference deterministic laser radiation can be obtained from the same source.

При этом при воздействии на раствор биологической жидкости лазерное излучение и опорное детерминированное лазерное излучение можно направлять под углом 90° друг к другу,Moreover, when exposed to a solution of a biological fluid, the laser radiation and the reference deterministic laser radiation can be directed at an angle of 90 ° to each other,

При этом рэлеевское рассеянное излучение можно регистрировать в направлении распространения опорного детерминированного лазерного излучения.In this case, Rayleigh scattered radiation can be detected in the direction of propagation of the reference deterministic laser radiation.

При этом рэлеевское рассеянное излучение можно регистрировать в двух направлениях, ориентированных под углом 180° друг к другу.In this case, Rayleigh scattered radiation can be recorded in two directions oriented at an angle of 180 ° to each other.

При использовании заявляемого изобретения для анализа достаточно 1 мл сыворотки или плазмы крови, остающейся невостребованной при проведении стандартного биохимического поликлинического анализа крови. Среднее время анализа составляет от 3 до 15 минут в зависимости от быстродействия компьютера. Изобретение позволяет производить массовую экспресс-диагностику, при этом онкологические больные могут быть выявлены на ранних стадиях заболевания, когда традиционные методы диагностики оказываются малоэффективными. При этом пациенты группы риска могут быть выявлены заранее, когда в организме только еще появляется предрасположенность к возникновению новообразований. Заявляемое изобретение может быть использовано для контроля эффективности лечения с применением всех современных методов лечения опухолей и последующего диспансерного мониторинга. Оно позволяет производить надежный контроль индивидуального лечения пациента.When using the claimed invention for analysis, 1 ml of serum or blood plasma is sufficient, which remains unclaimed during a standard biochemical polyclinic blood test. The average analysis time is from 3 to 15 minutes, depending on the speed of the computer. The invention allows for mass express diagnostics, while cancer patients can be detected in the early stages of the disease, when traditional diagnostic methods are ineffective. At the same time, patients at risk can be identified in advance, when a predisposition to the occurrence of neoplasms only appears in the body. The claimed invention can be used to monitor the effectiveness of treatment using all modern methods of treating tumors and subsequent dispensary monitoring. It allows reliable control of individual patient treatment.

Развитие патологических процессов в организме сопровождается изменениями ряда молекулярных параметров в клетках и тканях, а также в сыворотке крови. В сыворотку крови входят белки с различной массой и в различных пропорциях. К основным белкам сыворотки относятся альбумин, масса ~70000 (55%), α1-глобулины, средняя масса ~40000 (6%), α2-глобулины, средняя масса ~50000 (11%), β-глобулины, средняя масса ~70000 (7%), γ-глобулины ~150000 (16%). Оценки дают для средневесовой молекулярной массы частиц сыворотки величину ~100000.The development of pathological processes in the body is accompanied by changes in a number of molecular parameters in cells and tissues, as well as in blood serum. Proteins with different weights and in various proportions enter the blood serum. The main serum proteins include albumin, weight ~ 70,000 (55%), α 1 -globulins, average weight ~ 40,000 (6%), α 2 -globulins, average weight ~ 50,000 (11%), β-globulins, average weight ~ 70,000 (7%), γ-globulins ~ 150,000 (16%). Estimates give a value of ~ 100000 for the weight average molecular weight of serum particles.

Молекулы протеинов несут на своей поверхности электрический заряд, что обусловливает также наличие большого дипольного момента белка порядка нескольких сот единиц D (дебай). Поверхностный заряд белковой молекулы в растворах можно изменять в широких пределах, варьируя концентрацию свободных протонов (значение рН). Благодаря этим особенностям существует сильное электростатическое взаимодействие между зарядами белковых молекул, а также между молекулами полярного растворителя и заряженными поверхностными группами белка, что, в свою очередь, влияет на характер броуновского движения молекул.Protein molecules carry an electric charge on their surface, which also leads to the presence of a large dipole moment of the protein of the order of several hundred D units (Debye). The surface charge of a protein molecule in solutions can be changed over a wide range, varying the concentration of free protons (pH value). Due to these features, there is a strong electrostatic interaction between the charges of protein molecules, as well as between the molecules of the polar solvent and the charged surface groups of the protein, which, in turn, affects the nature of the Brownian motion of the molecules.

Особенности рассеяния света в растворах сыворотки крови и лимфы определяются физическими параметрами растворенных молекул. В качестве моделей биологических жидкостей, таких как кровь или лимфа могут быть использованы водные растворы белков.Features of light scattering in solutions of blood serum and lymph are determined by the physical parameters of the dissolved molecules. As models of biological fluids such as blood or lymph, aqueous solutions of proteins can be used.

Наиболее прямым и эффективным методом исследования межмолекулярного взаимодействия, подвижности и поляризационных свойств растворов макромолекул, включая водные растворы протеинов, является метод рэлеевского рассеяния света. Метод дает возможность прямого определения молекулярной массы М, для чего необходимо измерить рэлеевский коэффициент или мутность R90 при нескольких концентрациях раствора С и экстраполировать полученную зависимость к С=0, откладывая величину CH/R90 как функцию С. Наклон этой прямой, равный 2 В, позволяет вычислить второй вириальный коэффициент В, который характеризует степень отклонения поведения раствора от идеального и служит мерой межмолекулярного взаимодействия в растворе. Для растворов заряженных молекул белков очень существенным оказывается влияние заряда на поверхности молекулы на ее поведение в растворе, в частности, на параметр межмолекулярного взаимодействия. Появление онкологического заболевания или предрасположенности к нему является результатом изменения поверхностного заряда на молекулах белков. С уменьшением заряда кулоновские силы отталкивания между молекулами протеинов ослабевают, и силы притяжения между ними начинают превалировать. Это приводит к изменению величины и знака коэффициента В и к образованию комплексов молекул, обладающих большей массой, чем отдельные протеины.The most direct and effective method for studying intermolecular interaction, mobility, and polarization properties of solutions of macromolecules, including aqueous solutions of proteins, is the Rayleigh light scattering method. The method makes it possible to directly determine the molecular mass M, for which it is necessary to measure the Rayleigh coefficient or turbidity R 90 at several concentrations of solution C and extrapolate the obtained dependence to C = 0, plotting the value of CH / R 90 as a function of C. The slope of this straight line, equal to 2 V , allows you to calculate the second virial coefficient B, which characterizes the degree of deviation of the behavior of the solution from ideal and serves as a measure of intermolecular interaction in the solution. For solutions of charged protein molecules, the effect of the charge on the surface of the molecule on its behavior in solution, in particular, on the intermolecular interaction parameter, is very significant. The appearance of a cancer or a predisposition to it is the result of a change in the surface charge on the protein molecules. With a decrease in charge, the Coulomb repulsive forces between the protein molecules weaken, and the attractive forces between them begin to prevail. This leads to a change in the magnitude and sign of coefficient B and to the formation of complexes of molecules having a greater mass than individual proteins.

Динамические параметры рэлеевского рассеяния света определяют методом корреляции фотонов с Фурье-анализом спектрального состава рассеянного света. В этом методе исследуется корреляционная функция флуктуации интенсивности рассеянного света, обусловленных броуновским движением частиц раствора. При этом могут быть определены коэффициенты трансляционной диффузии частиц и их гидродинамические радиусы. Концентрационные зависимости коэффициента трансляционной диффузии и параметра рассеяния определяются одним и тем же вириальным коэффициентом. Динамические параметры заряженных молекул в растворах также существенно зависят от поверхностного заряда молекулы белков. Наличие онкологического заболевания приводит к изменению поверхностного электрического заряда молекул белков крови, что приводит к изменению интенсивности спектральных компонент рассеянного света и их полуширин.The dynamic parameters of Rayleigh light scattering are determined by the method of photon correlation with the Fourier analysis of the spectral composition of the scattered light. This method investigates the correlation function of the fluctuations in the intensity of the scattered light due to the Brownian motion of the particles of the solution. In this case, the coefficients of translational diffusion of particles and their hydrodynamic radii can be determined. The concentration dependences of the translational diffusion coefficient and the scattering parameter are determined by the same virial coefficient. The dynamic parameters of charged molecules in solutions also significantly depend on the surface charge of the protein molecule. The presence of an oncological disease leads to a change in the surface electric charge of the blood protein molecules, which leads to a change in the intensity of the spectral components of the scattered light and their half-widths.

Развитие онкологических заболеваний имеет начальную автокаталитическую стадию, которая связана с образованием свободно радикальных состояний в липидной фазе клеток и тканей. Эти процессы могут быть надежно обнаружены с помощью флуоресцентного анализа с использованием соответствующих зондов. Начальная стадия агрегации белков сыворотки крови может также быть обнаружена с помощью исследования поляризации флуоресценции различных зондов, соединенных с белками сыворотки крови, в том числе с хелатами.The development of cancer has an initial autocatalytic stage, which is associated with the formation of free radical states in the lipid phase of cells and tissues. These processes can be reliably detected using fluorescence analysis using appropriate probes. The initial stage of the aggregation of serum proteins can also be detected by studying the polarization of fluorescence of various probes connected to serum proteins, including chelates.

При облучении флуоресцирующего объема, содержащего раствор молекул белков, монохроматическим линейно поляризованным светом имеет место анизотропия флуоресценции частиц раствора. Вращательная диффузия, которая происходит за время жизни возбужденного состояния и изменяет направление испускающего диполя флуорофора, может уменьшать измеряемую величину анизотропии до значений ниже максимального.When a fluorescent volume containing a solution of protein molecules is irradiated with monochromatic linearly polarized light, anisotropy of the fluorescence of the solution particles takes place. Rotational diffusion, which occurs during the lifetime of the excited state and changes the direction of the emitting dipole of the fluorophore, can reduce the measured value of anisotropy to values below the maximum.

Флуоресценция белков определяется аминокислотным составом и наблюдается в ультрафиолетовой области. В связи с этим при исследовании белков в водных растворах специально подбирают соединения, которые при адсорбции на поверхности молекул белка флуоресцируют в видимой части спектра. В качестве таких соединений используют флуоресцентные зонды или красители. Обладая большим квантовым выходом, зонды интенсивно флуоресцируют в видимой части спектра, причем из параметров этой флуоресценции извлекают информацию о молекулярной подвижности белка. С помощью зондов можно изучать поверхностный заряд молекулы белка.Protein fluorescence is determined by the amino acid composition and is observed in the ultraviolet region. In this regard, when studying proteins in aqueous solutions, compounds are specially selected that, when adsorbed on the surface of protein molecules, fluoresce in the visible part of the spectrum. Fluorescent probes or dyes are used as such compounds. Having a large quantum yield, the probes intensively fluoresce in the visible part of the spectrum, and information on the molecular mobility of the protein is extracted from the parameters of this fluorescence. Using probes, you can study the surface charge of a protein molecule.

В дальнейшем изобретение поясняется чертежами, описанием конкретных вариантов его выполнения со ссылками на сопутствующие чертежи, на которых:The invention is further illustrated by drawings, a description of specific options for its implementation with reference to the accompanying drawings, in which:

фиг.1 изображает схему заявляемого устройства;figure 1 depicts a diagram of the inventive device;

фиг.2 изображает схему лазерного модуля;figure 2 depicts a diagram of a laser module;

фиг.3 изображает схему оптического блока;figure 3 depicts a diagram of an optical unit;

фиг.4 изображает схему модуля фотоприемного устройства;figure 4 depicts a module diagram of a photodetector;

фиг.5 изображает однопараметрическую гистограмму коэффициента межмолекулярного взаимодействия для трех групп пациентов (здоровые пациенты, группа риска и онкологические больные);figure 5 depicts a one-parameter histogram of the coefficient of intermolecular interaction for three groups of patients (healthy patients, risk group and cancer patients);

фиг.6 изображает зависимость коэффициента трансляционной диффузии от величины рН для водных растворов BSA и γ-глобулина;6 depicts the dependence of translational diffusion coefficient on pH for aqueous solutions of BSA and γ-globulin;

фиг.7 отображает результаты клинического обследования здоровых и больных пациентов по двум параметрам.Fig.7 displays the results of a clinical examination of healthy and sick patients in two ways.

Устройство для диагностики (фиг.1) содержит лазерный модуль 1 и два модуля фотоприемных устройств 2, жестко закрепленные на оптическом блоке 3. Сигналы с фотоприемных устройств 2 поступают на плату аналогово-цифрового преобразователя 4, которая одновременно служит и платой обеспечения связи с компьютером через плату согласования, устанавливаемую на материнской плате компьютера. Функции контроля и управления функционированием устройства осуществляются платой управления 5, а его питание осуществляется от встроенного источника питания 6.The diagnostic device (Fig. 1) contains a laser module 1 and two modules of photodetector devices 2, rigidly mounted on the optical unit 3. The signals from the photodetector devices 2 are fed to the board of the analog-to-digital converter 4, which also serves as a communication card with the computer through matching board, installed on the computer motherboard. The functions of monitoring and controlling the operation of the device are carried out by the control board 5, and its power is supplied from the built-in power supply 6.

Лазерный модуль 1 (фиг.2) состоит из лазерного диода 7 и схемы его питания и управления 8, которая обеспечивает поддержание стабильности выходного излучения лазерного диода 7 и управление его работой по сигналам с платы управления 5.The laser module 1 (figure 2) consists of a laser diode 7 and its power and control circuit 8, which ensures the stability of the output radiation of the laser diode 7 and controls its operation according to the signals from the control board 5.

Модуль фотоприемного устройства 2 (фиг.3) предназначен для обнаружения сигнала рэлеевского рассеяния и приведения его к уровню, необходимому для подачи на аналогово-цифровой преобразователь 4. Он содержит блок формирующей входной оптики 9, фотоприемное устройство 10, малошумящий усилитель 11 и нормирующий усилитель 12. Блок входной формирующей оптики 9 обеспечивает формирование волнового фронта рассеянного излучения, дающего максимально полезный сигнал на фотоприемном устройстве 10. Малошумящий усилитель 11 обеспечивает усиление принятого сигнала с минимально возможным ухудшением его шумовых характеристик. Нормирующий усилитель 12 предназначен для приведения сигнала к значению, обеспечивающему оптимальное использование динамического диапазона аналогово-цифрового преобразователя 4.The module of the photodetector 2 (Fig. 3) is designed to detect the Rayleigh scattering signal and bring it to the level necessary for applying to the analog-to-digital converter 4. It contains a block of forming input optics 9, a photodetector 10, a low-noise amplifier 11, and a normalizing amplifier 12 The input forming optics unit 9 provides the formation of a wavefront of scattered radiation, which gives the most useful signal at the photodetector 10. Low-noise amplifier 11 provides amplification of the received Igna lowest possible deterioration of its noise characteristics. The normalizing amplifier 12 is designed to bring the signal to a value that ensures optimal use of the dynamic range of the analog-to-digital Converter 4.

Оптический блок 1 (фиг.4) состоит из светоделительного шеврона 13, кюветного узла 14 и узла формирования оптического тракта 15. Кюветный узел 14 обеспечивает фиксацию кюветы с исследуемым раствором с необходимой точностью относительно луча лазерного диода 7 и входных апертур фотоприемного устройства 10. Узел формирования оптического 15 тракта обеспечивает настройку и фиксацию положения лазерного диода 7, фотоприемных устройств 10 и элементов формирующей оптики в процессе проведения измерений. Узел формирования оптического тракта 15 состоит из жесткой направляющей конструкции, на которой смонтированы диафрагмы, котировочные узлы и элементы креплений.The optical unit 1 (Fig. 4) consists of a beam-splitting chevron 13, a cuvette assembly 14 and an optical path forming unit 15. The cuvette assembly 14 fixes the cuvette with the test solution with the necessary accuracy with respect to the beam of the laser diode 7 and the input apertures of the photodetector 10. The forming unit optical path 15 provides adjustment and fixation of the position of the laser diode 7, photodetector devices 10 and the elements of the forming optics in the measurement process. The forming unit of the optical path 15 consists of a rigid guide structure on which are mounted apertures, quotation units and fastening elements.

Аналогово-цифровой преобразователь 4 предназначен для ограничения полосы частот (фильтрации) анализируемого сигнала, преобразования фильтрованного анализируемого сигнала из аналоговой формы в цифровую, сохранения результатов в своей буферной памяти до записи их в оперативное запоминающее устройство, управления цифровым накоплением анализируемого сигнала, обеспечения протокола передачи сигнала в компьютер через посредство платы согласования, устанавливаемой в слот ISA материнской платы. Плата аналогово-цифрового преобразователя 4 выполнена в виде печатной платы и снабжена разъемом для стыковки с компьютером и содержит два входа аналогового сигнала и позволяет одновременно хранить 1048 выборок. Число разрядов аналогово-цифрового преобразователя - 12. Плата аналогово-цифрового преобразователя 4 может работать в режиме накопления и режиме передачи данных. Она содержит задающий таймер, буферную память, схему преобразования сигнала в цифровую форму, буферные регистры хранения старшего и младшего байтов числа для обеспечения протокола передачи его в компьютер.An analog-to-digital converter 4 is intended for limiting the frequency band (filtering) of the analyzed signal, converting the filtered analyzed signal from an analog form to digital, storing the results in its buffer memory before writing them to random access memory, controlling the digital accumulation of the analyzed signal, and providing a signal transmission protocol to the computer through the matching board installed in the ISA slot of the motherboard. The board of the analog-to-digital converter 4 is made in the form of a printed circuit board and is equipped with a connector for docking with a computer and contains two inputs of the analog signal and allows you to simultaneously store 1048 samples. The number of bits of the analog-to-digital converter is 12. The board of the analog-to-digital converter 4 can operate in the accumulation mode and the data transfer mode. It contains a master timer, a buffer memory, a digital-to-digital signal conversion circuit, buffer registers for storing the high and low bytes of a number to provide a protocol for transferring it to a computer.

Плата управления 5 предназначена для обеспечения функционирования устройства в штатном и аварийном режимах работы. Она задает циклограмму включения и выключения устройства, индикацию состояния готовности или неготовности устройства к работе, контроль работоспособности функциональных блоков устройства, контроль доступа и архивирования информации о состоянии устройства, выполнение служебных функций, для чего имеется связь устройства с внешним компьютером, осуществляемая через последовательный порт.The control board 5 is designed to ensure the operation of the device in normal and emergency modes of operation. It sets the cyclogram of turning the device on and off, indicating the state of readiness or unavailability of the device for operation, monitoring the operability of the device’s functional blocks, controlling access and archiving information about the device’s status, performing service functions, for which there is a connection between the device and an external computer via the serial port.

Блок питания 6 предназначен для преобразования входного напряжения 220 В частотой 50 Гц в постоянное напряжение с параметрами, обеспечивающими оптимальное функционирование устройства.The power supply 6 is designed to convert the input voltage of 220 V at a frequency of 50 Hz to a constant voltage with parameters that ensure optimal operation of the device.

Принцип работы устройства (фиг.1) базируется на методе лазерной корреляционной спектроскопии, заключающийся в измерении спектров мощности квазиупругорассеянного света. Известно, что рассеяние света на частицах, совершающих броуновское движение, сопровождается увеличением ширины спектра исходного излучения - диффузионным уширением. Так как собственная ширина спектра лазерного излучения очень мала, ширина спектра рассеянного света пропорциональна коэффициенту трансляционной диффузии, связанному аналитически с размером рассеивающих частиц по известной формуле Стокса-Эйнштейна,The principle of operation of the device (figure 1) is based on the method of laser correlation spectroscopy, which consists in measuring the power spectra of quasi-elastic scattered light. It is known that the scattering of light by particles performing Brownian motion is accompanied by an increase in the width of the spectrum of the initial radiation — diffusion broadening. Since the intrinsic width of the spectrum of laser radiation is very small, the width of the spectrum of the scattered light is proportional to the coefficient of translational diffusion, analytically associated with the size of the scattering particles according to the well-known Stokes-Einstein formula,

В случае полидисперсной системы, когда вклад в рассеяние дают частицы с разными коэффициентами диффузии, задача определения функции распределения рассеивающих частиц по размерам сводится к сложной математической обработке экспериментальных спектров, в процессе которой приходится решать плохо обусловленную обратную спектральную задачу. Устойчивость решения этой задачи достигается с помощью математического метода регуляризации. Полученные после процедуры регуляризации функции распределения рассеивающих частиц заносятся в компьютерную базу данных для проведения дальнейшего статистического многопараметрового анализа.In the case of a polydisperse system, when particles with different diffusion coefficients contribute to the scattering, the problem of determining the size distribution function of scattering particles reduces to a complex mathematical processing of the experimental spectra, during which it is necessary to solve a poorly conditioned inverse spectral problem. The stability of the solution to this problem is achieved using the mathematical method of regularization. The distribution functions of scattering particles obtained after the regularization procedure are entered into a computer database for further statistical multi-parameter analysis.

Заявляемое устройство, в котором используется когерентное возбуждающее излучение и анализируются рассеянное излучение в водном растворе сыворотки крови методами корреляционной спектроскопии, в том числе методами анализа интегрального и динамического рассеяния света, обеспечивает многопараметрическую диагностику распространенных заболеваний, главным образом, онкологических путем определения статических и динамических молекулярных параметров (масса, форма, коэффициенты межмолекулярного взаимодействия, коэффициенты деполяризации, коэффициенты трансляционной и вращательной диффузии, характеристическая вязкость и гидродинамические радиусы). В отличие от ближайшего аналога заявляемое изобретение позволяет производить одновременное измерение статических и динамических параметров частиц (белков или их агрегатов) водного раствора сыворотки крови, при этом может производиться как обследование (скрининг), и наблюдение за ходом лечения (мониторинг), так и подбор in vitro необходимых для лечения препаратов и их доз.The inventive device, which uses coherent exciting radiation and analyzes the scattered radiation in an aqueous solution of blood serum by correlation spectroscopy, including methods of analysis of integrated and dynamic light scattering, provides multi-parameter diagnosis of common diseases, mainly oncological by determining static and dynamic molecular parameters (mass, shape, intermolecular interaction coefficients, depolarization coefficients and, the coefficients of translational and rotational diffusion, intrinsic viscosity and hydrodynamic radii). Unlike the closest analogue, the claimed invention allows the simultaneous measurement of static and dynamic parameters of particles (proteins or their aggregates) of an aqueous solution of blood serum, while both examination (screening) and monitoring of the course of treatment (monitoring) and selection in vitro necessary for the treatment of drugs and their doses.

Метод рэлеевского рассеяния света был использован для диагностики рака. Измеряли относительную интенсивность интегрального рэлеевского рассеяния R (под углом 90° к падающему лучу), массу рассеивающих частиц М и коэффициент межмолекулярного взаимодействия В. Оказалось, что все три указанные параметра для растворов сыворотки крови здоровых людей и онкологических больных существенно различаются (см. таблицу).Rayleigh scattering was used to diagnose cancer. We measured the relative intensity of the integral Rayleigh scattering R (at an angle of 90 ° to the incident beam), the mass of scattering particles M, and the intermolecular interaction coefficient B. It turned out that all three of these parameters for blood serum solutions of healthy people and cancer patients differ significantly (see table) .

ТаблицаTable Здоровые пациентыHealthy patients Онкологические больныеCancer patients No. RR M (104)M (10 4 ) B (104)B (10 4 ) RR M (104)M (10 4 ) B (104)B (10 4 ) ЗаболеваниеDisease 1one 1.121.12 7.57.5 3.53.5 7.147.14 -- -1.7-1.7 рак шейки маткиcervical cancer 22 0.80.8 30thirty 1.01.0 5.145.14 -- -0.65-0.65 рак маткиuterine cancer 33 0.70.7 20twenty 5.85.8 4.24.2 -- 0.000.00 рак шейки маткиcervical cancer 4four 0.60.6 33 4.04.0 2.02.0 -- -0.5-0.5 рак маткиuterine cancer 55 0.90.9 -- 5.35.3 1.41.4 -- -0.8-0.8 рак молочной железыmammary cancer 66 1.01.0 33 4.44.4 1.01.0 -- -7.0-7.0 рак маткиuterine cancer 77 0.50.5 1010 7.07.0 1.01.0 -- -3.5-3.5 рак маткиuterine cancer 88 1.061.06 30thirty 6.76.7 1.21.2 -- -3.2-3.2 рак желудкаstomach cancer 99 1.061.06 15fifteen 2.52.5 1.01.0 -- -0.3-0.3 рак молочной железыmammary cancer 1010 1.061.06 50fifty 0.40.4 1.91.9 -- -4.0-4.0 рак молочной железыmammary cancer 11eleven 0.80.8 -- 1.01.0 1.71.7 200200 0.000.00 рак молочной железыmammary cancer 1212 1.71.7 20twenty 3.53.5 1.71.7 -- -4.0-4.0 рак маткиuterine cancer 1313 2.32.3 20twenty 5.05.0 3,53,5 -- -0.2-0.2 рак пищеводаesophageal carcinoma 14fourteen 0.820.82 4040 0.60.6 15fifteen 0.950.95 20twenty 1.01.0 1616 1.351.35 20twenty 5.05.0 1717 0.910.91 1010 3.23.2 18eighteen 1.81.8 50fifty 2.52.5 1919 0.80.8 30thirty 6.46.4 20twenty 0.80.8 1313 0.70.7 2121 1.01.0 50fifty 1.51.5 2222 1.51.5 4545 5.05.0 2323 0.70.7 88 1.71.7

Для здоровых пациентов и онкологических больных наиболее сильно различаются значения В (см. таблицу). Для онкологических больных В становится отрицательным, а масса рассеивающих молекул возрастает. Для больных с неонкологическими заболеваниями значения В и М мало отличаются от соответствующих параметров для здоровых пациентов. На фиг.5 показаны гистограммы коэффициента межмолекулярного взаимодействия В для здоровых пациентов 16, группы риска 17 и онкологических больных 18. Гистограммы для здоровых пациентов 16 и онкологических больных 18 практически не перекрываются (фиг.5).For healthy patients and cancer patients, the values of B differ most strongly (see table). For cancer patients, B becomes negative, and the mass of scattering molecules increases. For patients with non-oncological diseases, the values of B and M differ little from the corresponding parameters for healthy patients. Figure 5 shows the histograms of the coefficient of intermolecular interaction B for healthy patients 16, risk groups 17 and cancer patients 18. The histograms for healthy patients 16 and cancer patients 18 practically do not overlap (figure 5).

Коэффициент трансляционной диффузии Dt, полученный методом динамического рассеяния света с помощью коррелометра фирмы Malvern для белка 19 и γ-глобулина 20, зависит от поверхностного заряда молекулы нелинейным образом с минимумом в изоэлектрической точке (фиг.6).The translational diffusion coefficient D t obtained by dynamic light scattering using a Malvern correlometer for protein 19 and γ-globulin 20 depends on the surface charge of the molecule in a nonlinear manner with a minimum at the isoelectric point (Fig. 6).

Результаты клинического обследования групп здоровых 21, из группы риска 22 и больных 23 пациентов по двум параметрам, характеризующим отношение концентраций Р альбумина и глобулина, а также ширину спектра альбумина W различаются (фиг.7).The results of a clinical examination of healthy groups 21, at risk 22 and patients 23 patients according to two parameters characterizing the ratio of the concentrations of P albumin and globulin, as well as the spectrum width of albumin W are different (Fig.7).

При использовании метода флуоресцентного анализа в качестве зонда использовали флуорофор из ряда нафтиламинсульфоновых кислот. Этот зонд нековалентно связывается с белком, он почти не флуоресцирует в воде, но интенсивно флуоресцирует, когда он связан с молекулой белка. Низкий квантовый выход в водной фазе позволяет не учитывать эту часть излучения флуорофора. Анизотропия или степень поляризации флуоресценции также является диагностическим параметром и служит увеличению надежности диагностики.When using the method of fluorescence analysis, a fluorophore from a number of naphthylamine sulfonic acids was used as a probe. This probe non-covalently binds to a protein; it almost does not fluoresce in water, but intensely fluoresces when it is bound to a protein molecule. The low quantum yield in the aqueous phase allows not to take into account this part of the fluorophore radiation. Anisotropy or the degree of polarization of fluorescence is also a diagnostic parameter and serves to increase the reliability of diagnosis.

Claims (11)

1. Устройство для исследования биологической жидкости, содержащее лазерный модуль, содержащий источник лазерного излучения, оптический блок, содержащий кюветный узел, по меньшей мере, один модуль фотоприемного устройства и аналогово-цифровой преобразователь, причем кюветный узел оптически связан с модулем фотоприемного устройства, а аналогово-цифровой преобразователь электрически связан с фотоприемным устройством и компьютером, отличающееся тем, что дополнительно модуль фотоприемного устройства содержит малошумящий усилитель и нормирующий усилитель, электрически связанный с малошумящим усилителем, оптический блок содержит узел формирования оптического тракта и светоделительный шеврон, оптически связанные с источником лазерного излучения и кюветным узлом, а лазерный модуль и модуль фотоприемного устройства жестко закреплены на оптическом блоке.1. A device for the study of biological fluid containing a laser module containing a laser radiation source, an optical unit containing a cuvette assembly, at least one photodetector module and an analog-to-digital converter, the cuvette assembly being optically coupled to a photodetector module, and analog -digital converter is electrically connected to a photodetector and a computer, characterized in that the photodetector module further comprises a low noise amplifier and a nor The amplifying amplifier, electrically coupled to a low-noise amplifier, the optical unit contains an optical path forming unit and a beam splitter chevron optically coupled to a laser source and a cuvette assembly, and the laser module and photodetector module are rigidly fixed to the optical unit. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светоделительный шеврон жестко закреплен в оптическом блоке.2. The device according to claim 1, characterized in that the beam splitting chevron is rigidly fixed in the optical unit. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит плату управления, электрически связанную с лазерным модулем и выполненную с возможностью задания циклограммы включения и выключения лазерного модуля.3. The device according to claim 1, characterized in that it further comprises a control board electrically connected to the laser module and configured to set the cyclogram on and off of the laser module. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел формирования оптического тракта жестко закреплен в оптическом блоке.4. The device according to claim 1, characterized in that the node forming the optical path is rigidly fixed in the optical unit. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль фотоприемного устройства дополнительно содержит блок формирующей входной оптики, оптически связанный с фотоприемным устройством и жестко закрепленный в этом модуле.5. The device according to claim 1, characterized in that the photodetector module further comprises a forming input optics unit, optically coupled to the photodetector and rigidly fixed in this module. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аналогово-цифровой преобразователь дополнительно содержит фильтр, задающий таймер, буферную память, выполненные на одной плате.6. The device according to claim 1, characterized in that the analog-to-digital Converter further comprises a filter defining a timer, a buffer memory, made on one board. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью регистрации спектра биений между рэлеевским рассеянным излучением раствора биологической жидкости и опорным детерминированным лазерным излучением.7. The device according to claim 1, characterized in that it is arranged to register a beat spectrum between Rayleigh scattered radiation of a biological fluid solution and reference deterministic laser radiation. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что лазерное излучение и опорное детерминированное лазерное излучение получают от одного и того же источника.8. The device according to claim 7, characterized in that the laser radiation and the reference deterministic laser radiation are received from the same source. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что узел формирования оптического тракта выполнен с возможностью направления лазерного излучения и опорного детерминированного лазерного излучения под углом 90° друг к другу.9. The device according to claim 7, characterized in that the optical path forming unit is configured to direct the laser radiation and the deterministic reference laser radiation at an angle of 90 ° to each other. 10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что модуль фотоприемного устройства выполнен с возможностью регистрации рэлеевского рассеянного излучения в направлении распространения опорного детерминированного лазерного излучения.10. The device according to claim 7, characterized in that the photodetector module is configured to detect Rayleigh scattered radiation in the direction of propagation of the deterministic reference laser radiation. 11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что модуль фотоприемного устройства выполнен с возможностью регистрации рэлеевского рассеянного излучения в двух направлениях, ориентированных под углом 180° друг к другу. 11. The device according to claim 7, characterized in that the photodetector module is configured to detect Rayleigh scattered radiation in two directions oriented at an angle of 180 ° to each other.
RU2006123619/14A 2005-12-15 2005-12-15 Device for diagnostics RU2408280C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006123619/14A RU2408280C2 (en) 2005-12-15 2005-12-15 Device for diagnostics

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006123619/14A RU2408280C2 (en) 2005-12-15 2005-12-15 Device for diagnostics

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006123619A RU2006123619A (en) 2008-08-10
RU2408280C2 true RU2408280C2 (en) 2011-01-10

Family

ID=39745704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006123619/14A RU2408280C2 (en) 2005-12-15 2005-12-15 Device for diagnostics

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2408280C2 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Петрова Г.П. и др. Методы рэлеевского рассеяния света и электронного парамагнитного резонанса в экологическом контроле и медицинской диагностике. Ж.Биомедицинская радиоэлектроника, №5, 2000, с.4-10. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006123619A (en) 2008-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ozaki Medical application of Raman spectroscopy
Lakowicz et al. Fluorescence lifetime-based sensing of pH, Ca2+, K+ and glucose
US6999173B2 (en) Method and apparatus for ratio fluorometry
JPS62103571A (en) Method and device for diagnosing tumor
US20140127707A1 (en) Subject information acquiring apparatus and method
Erckens et al. Raman spectroscopy in ophthalmology: from experimental tool to applications in vivo
US7700360B2 (en) Optical method and system to determine distribution of lipid particles in a sample
US20110313295A1 (en) Fluorescence Method and System
Zhuo et al. Label-free multimodal nonlinear optical microscopy for biomedical applications
CN108548798A (en) With structure and the application of the relevant large biological molecule optical detecting method of intracellular colloid osmotic pressure and its related drugs screening technique
JP2010005062A (en) Method of measuring quantity of in-vivo substance by use of coherent anti-stokes raman scattering light
RU2408280C2 (en) Device for diagnostics
JP7457710B2 (en) Systems and methods for measuring vibrational spectra of biological cells and tissues over time
Mik et al. Excitation Pulse Deconvolution in Luminescence Lifetime Analysis for Oxygen Measurements In Vivo¶
EP0272291B1 (en) Method for measuring polarized fluorescence emissions
JP2021525881A (en) Method of analyzing aqueous fluid using two-dimensional infrared spectroscopy
WO2007073227A1 (en) Diagnosis method, a device for carrying out said method and a serum preparation method
Schweitzer et al. Evaluation of time-resolved autofluorescence images of the ocular fundus
Karakostas et al. Portable optical blood scattering sensor
Saade et al. Glicemical analysis of human blood serum using FT-Raman: a new approach
Hashimoto et al. Measurement of cytoplasmic viscosity by fluorescence polarization in phytohemagglutinin-stimulated and unstimulated human peripheral lymphocytes.
US7528952B2 (en) Hand-held fluorescence polarimeter
WO2018091911A1 (en) A method and system for determining at least one property of an eye lens
RU2276788C2 (en) Spectropolarimetric express method of estimation of degree of heaviness of condition of patients based on usage of blood serum
RU2298184C2 (en) Method for detecting the products of cytochemical reaction occurring in neutrophils and eosinophils of sputum under myeloperoxidase impact

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20101123

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20130527

PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20161012

PD4A Correction of name of patent owner