RU2632719C2

RU2632719C2 - Device for biomedical and toxicology research

Info

Publication number: RU2632719C2
Application number: RU2015122008A
Authority: RU
Inventors: Евгений Алексеевич Шилов; Андрей Борисович Катасонов
Original assignee: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научный центр психического здоровья"; Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Ялма"
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2017-10-09
Also published as: RU2015122008A

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: device for measuring the mobility of test objects in research to determine the activity of complement serum contains a body, a positioning group for placing a plate with samples in cells, a step drive, a control unit connected to a personal computer, and a photometric module representing a dynamic light scattering module, made in the form of a radiation source located above the cells of the plate, and a photoelectric receiver of radiation, located under the cells of the plate and at an angle to the centerline of the radiation source.

EFFECT: acceleration of analysis, increasing the reliability of the mechanical part of the device, reducing the size of the device, ease of use.

1 ex, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области экологии, фармакологии, токсикологии и медицины (например, определение активности комплимента).The invention relates to the field of ecology, pharmacology, toxicology and medicine (for example, determining the activity of a compliment).

Известно оптоэлектронное устройство для оценки подвижности микроорганизмов в целях биологического мониторинга природных водоемов (Патент SU 1697004). Однако данное устройство предназначено для работы только в полевых условиях и имеет один канал съема информации.Known optoelectronic device for assessing the mobility of microorganisms for the biological monitoring of natural reservoirs (Patent SU 1697004). However, this device is designed to work only in the field and has one channel for information retrieval.

Известно устройство для определения подвижности биологических объектов в жидкой среде для оценки токсичности водных растворов (Патент SU 1677630 A1). Однако данное устройство имеет сложную оптическую систему и требует наличия кюветы с 4-мя прозрачными стенками, где проводятся измерения.A device for determining the mobility of biological objects in a liquid medium for assessing the toxicity of aqueous solutions (Patent SU 1677630 A1). However, this device has a complex optical system and requires a cell with 4 transparent walls, where measurements are made.

Известен прибор для экотоксикологического контроля, позволяющий визуализировать подвижные биологические объекты путем построения 2,5 D-графика. Однако прибор имеет сложную конструкцию, низкую производительность, а измерения проводят в тонком слое (И.С. Захаров, А.В. Завгодский. Биотестовые аппаратурные средства и методы контроля локомоций инфузорий, Известия ЮФУ, Раздел III, Биотехнологии, 2008, стр. 205-209).A known device for ecotoxicological control that allows you to visualize moving biological objects by constructing a 2.5 D-graph. However, the device has a complex structure, low productivity, and measurements are carried out in a thin layer (I.S. Zakharov, A.V. Zavgodsky. Biotest equipment and methods for monitoring locomotion of infusoria, Izvestia SFU, Section III, Biotechnologies, 2008, p. 205 -209).

Известен прибор "Биотестер-2" для применения в области токсикологического мониторинга, использующий локомоторные способности инфузорий. Измерения проводят в стандартной кювете, фотометрическим способом [И.С. Захаров, А.В. Пожаров, Т.В. Гурская, А.Д. Финогенов. Биосенсорные системы в медицине и экологии - СПб: СПбГУТ, 2003; Д.О. Виноходов. Токсикологические исследования кормов с использованием инфузорий, Санкт-Петербург, 1995). Отсутствие автоматизации измерений снижает производительность и практическую ценность этого устройства.The known device "Biotester-2" for use in the field of toxicological monitoring, using locomotor abilities of ciliates. The measurements are carried out in a standard cuvette, photometric method [I.S. Zakharov, A.V. Pozharov, T.V. Gurskaya, A.D. Finogenov. Biosensor systems in medicine and ecology - SPb: SPbSUT, 2003; BEFORE. Winery. Toxicological studies of feed using ciliates, St. Petersburg, 1995). The lack of automation of measurements reduces the performance and practical value of this device.

Все вышеперечисленные устройства конструктивно не приспособлены для проведения измерений на 96-луночном планшете. А между тем, такой планшет является дешевым расходным материалом, состоящим из 12 стрипов по 8 лунок в каждом. Планшет оптически прозрачен, нетоксичен и имеет стандартные размеры вне зависимости от производителя. Привлекательность использования планшета связана с тем, что он позволяет легко автоматизировать процесс анализа. Даже при работе в полуавтоматическом режиме оператор может использовать весь ассортимент приспособлений, специально созданный для работы с планшетом и выпускаемый в промышленном масштабе (8-ми и 12-ти канальные пипетки, инкубаторы, шейкеры, ридеры и пр.).All of the above devices are not structurally suitable for taking measurements on a 96-well plate. Meanwhile, such a tablet is a cheap consumable item consisting of 12 strips of 8 holes each. The tablet is optically transparent, non-toxic and has standard sizes, regardless of manufacturer. The appeal of using a tablet is due to the fact that it makes it easy to automate the analysis process. Even when working in semi-automatic mode, the operator can use the entire range of devices specially created for working with the tablet and manufactured on an industrial scale (8 and 12 channel pipettes, incubators, shakers, readers, etc.).

Наиболее близким к изобретению является устройство для автоматического определения характеристик газовых и жидкостных проб (Патент RU 2035716), содержащее корпус, установочный узел для размещения планшета с пробами, два шаговых привода для перемещения установочного узла по двум взаимно перпендикулярным осям, неподвижный фотометрический модуль, где под фотометрическим модулем понимается пара элементов: излучатель и фотоприемник, размещенные по разные стороны от плоскости перемещения установочного узла с планшетом. Устройство также содержит блок обработки, блок регистрации и управления.Closest to the invention is a device for automatically determining the characteristics of gas and liquid samples (Patent RU 2035716), comprising a housing, an installation unit for placing a tablet with samples, two step drives for moving the installation unit along two mutually perpendicular axes, a stationary photometric module, where A photometric module means a pair of elements: a radiator and a photodetector located on different sides of the plane of movement of the installation unit with the tablet. The device also includes a processing unit, a registration and control unit.

Конструкция, реализующая данное изобретение, имеет следующие элементы, общие с прототипом: корпус, установочный узел для размещения планшета с пробами, шаговый привод, неподвижный фотометрический модуль и блок управления.The design that implements this invention has the following elements common with the prototype: housing, mounting unit for placing the tablet with samples, step drive, stationary photometric module and control unit.

Недостатки прототипа заключаются в неспособности обычного фотометрического модуля, для которого излучатель и фотоприемник расположены на одной оптической оси, производить измерение подвижности рассеивающих частиц, а также наличием большого количества движущихся деталей, что снижает надежность устройства в целом. Недостатком прототипа является, также, невысокая производительность, обусловленная тем, что вышеописанный фотометрический модуль способен одномоментно анализировать только одну лунку планшета. Эта схема сканирования планшета требует наличия двух шаговых приводов, что увеличивает габариты конструкции и ее стоимость.The disadvantages of the prototype are the inability of a conventional photometric module, for which the emitter and photodetector are located on the same optical axis, to measure the mobility of scattering particles, as well as the presence of a large number of moving parts, which reduces the reliability of the device as a whole. The disadvantage of the prototype is, also, low productivity, due to the fact that the above photometric module is able to simultaneously analyze only one well of the tablet. This tablet scanning scheme requires two step drives, which increases the dimensions of the structure and its cost.

Цель изобретения - повышение производительности и сокращение времени анализа тестируемого раствора (соединения) на токсичность или иную характеристику его физиологической активности.The purpose of the invention is to increase productivity and reduce the time of analysis of the test solution (compound) for toxicity or other characteristics of its physiological activity.

В основе изобретения лежит автоматизированное измерение подвижности микробиологических тест-объектов на 96-луночном планшете в отсутствии и присутствии различных доз испытуемого вещества. Измерение подвижности осуществляется фотометрическим модулем на основе метода динамического светорассеяния (И.С. Захаров, А.В. Пожаров, Т.В. Гурская, А.Д. Финогенов. Биосенсорные системы в медицине и экологии. - СПб: СПбГУТ, 2003).The invention is based on an automated measurement of the mobility of microbiological test objects on a 96-well plate in the absence and presence of various doses of the test substance. The mobility is measured by a photometric module based on the dynamic light scattering method (I.S. Zakharov, A.V. Pozharov, T.V. Gurskaya, A.D. Finogenov. Biosensor systems in medicine and ecology. - St. Petersburg: St. Petersburg State University of Technology, 2003).

Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, заключается в возможности анализировать подвижность тест-объектов, общем сокращении времени анализа, повышения надежности механической части прибора, уменьшении габаритов устройства и удобства пользования.The technical result achieved by using the present invention consists in the ability to analyze the mobility of test objects, a general reduction in analysis time, increased reliability of the mechanical part of the device, reduced dimensions of the device and ease of use.

Указанный технический результат достигается за счет того, что согласно изобретению использован модифицированный фотометрический модуль, позволяющий измерять подвижность частиц и мутность раствора, анализу подвергается сразу целый стрип (последовательный ряд из 8-ми лунок планшета), для чего используется линейка из восьми идентичных неподвижных фотометрических модулей, использован только один шаговый двигатель, жестко закрепленный на корпусе и обеспечивающий перемещение установочной платформы с планшетом перпендикулярно расположению линейки фотометрических модулей.The specified technical result is achieved due to the fact that according to the invention a modified photometric module is used, which allows to measure the mobility of particles and the turbidity of the solution, a whole strip (a series of 8 wells of a tablet) is subjected to analysis at once, for which a ruler of eight identical stationary photometric modules is used , used only one stepper motor, rigidly fixed to the housing and providing movement of the installation platform with the tablet perpendicular to the location uw line photometric modules.

На рис. 1 изображена внутренняя компоновка узлов прибора, а на рис. 2 - оптическая схема фотометрического модуля (единицы узла считывания). Весь прибор заключен в корпус 1, на котором расположен выключатель питания 2, сопряженный с блоком питания 3. Планшет 6 расположен и зафиксирован на установочной платформе 7, приводимой в возвратно-поступательное движение шаговым двигателем 8, жестко связанным с корпусом прибора 1. Узел считывания состоит из восьми последовательно расположенных фотометрических модулей, состоящих в свою очередь из излучающей и регистрирующей частей. Сверху, над планшетом расположена линейка из 8-ми излучающих частей узла считывания 9, а снизу, под планшетом - комплиментарный им набор регистрирующих частей 10. Согласованную работу всех компонентов прибора осуществляет блок управления 4, который обеспечивает также двустороннюю связь с персональным компьютером 5.In fig. 1 shows the internal layout of the nodes of the device, and in fig. 2 is an optical diagram of a photometric module (units of a reading unit). The entire device is enclosed in a housing 1, on which is located a power switch 2, paired with a power supply 3. The tablet 6 is located and fixed on the mounting platform 7, driven in reciprocating motion by a stepper motor 8, rigidly connected to the housing of the device 1. The reading unit consists of eight consecutively located photometric modules, which in turn consist of radiating and recording parts. Above, above the tablet, there is a line of 8 emitting parts of the reading unit 9, and below, under the tablet, a set of recording parts complementary to them 10. The coordinated operation of all components of the device is carried out by the control unit 4, which also provides two-way communication with a personal computer 5.

На рис. 2 представлена детализированная оптическая схема фотометрического модуля. Излучающая часть состоит из источника излучения 11, диафрагмы 12 и линзы 13. Излучение проходит через кювету с тест-объектом 14, рассеивается на движущихся частицах и достигает регистрирующей части, которая содержит диафрагму 15 и фотоприемник излучения 16, расположенный под некоторым углом О к главной оптической оси излучателя 17.In fig. 2 shows a detailed optical diagram of a photometric module. The radiating part consists of a radiation source 11, aperture 12 and lens 13. The radiation passes through a cuvette with a test object 14, is scattered by moving particles and reaches the recording part, which contains a diaphragm 15 and a photodetector of radiation 16, located at a certain angle О to the main optical emitter axis 17.

Вышеописанный фотометрический модуль по сравнению с прототипом имеет более простое конструктивное исполнение, так как не содержит призму, фильтры и дополнительную линзу. Это обстоятельство позволяет сконструировать недорогой считывающий узел, подвергающий анализу сразу целый стрип, что в свою очередь дает возможность использовать однокоординатную систему перемещения планшета, для которой требуется всего один шаговый двигатель в отличие от прототипа. В совокупности, эти особенности прибора позволяют сократить время анализа, повысить надежность механической части прибора, а также уменьшить габариты прибора по сравнению с прототипом почти в 2 раза.The above photometric module in comparison with the prototype has a simpler design, as it does not contain a prism, filters and an additional lens. This circumstance makes it possible to construct an inexpensive reading unit that immediately analyzes the whole strip, which in turn makes it possible to use a single-coordinate tablet moving system, which requires only one step motor, unlike the prototype. Together, these features of the device can reduce the analysis time, increase the reliability of the mechanical part of the device, and also reduce the dimensions of the device compared to the prototype by almost 2 times.

Работает прибор следующим образом. После его подключения к бытовой сети и персональному компьютеру, оператор запускает специализированное приложение, контролирующее работу прибора в интерактивном режиме. Затем, на подвижную платформу помещается планшет, содержащий тестируемые образцы, крышка кюветного отделения закрывается, а блок управления прибора отсылает приложению соответствующее сообщение. Одномоментному анализу подвергается сразу целый стрип планшета. В зависимости от выбранного режима, сканирование планшета будет происходить либо в ручном (асинхронный опрос лунок), либо автоматическом режимах (синхронный опрос по заданной программе).The device operates as follows. After it is connected to a household network and a personal computer, the operator launches a specialized application that monitors the operation of the device in an interactive mode. Then, a tablet containing test samples is placed on the moving platform, the lid of the cuvette compartment is closed, and the control unit of the device sends a corresponding message to the application. An entire strip of tablet is immediately analyzed at once. Depending on the selected mode, the tablet will be scanned in either manual (asynchronous interrogation of wells) or automatic modes (synchronous interrogation of a given program).

Прибор позволяет измерять абсолютную и относительную подвижности тест-объектов в присутствии разных концентраций токсикантов, а также мутность испытуемых растворов. При использовании соответствующих протоколов могут быть выполнены анализы на острую и хроническую токсичность (определение ЛД50 и ЛД100), определение эффективной концентрации фармакологических препаратов (ЕС50), а также титра комплимента. Результаты всех измерений могут быть представлены как в графическом (кинетические кривые), так и текстовом видах.The device allows you to measure the absolute and relative mobility of test objects in the presence of different concentrations of toxicants, as well as the turbidity of the tested solutions. Using appropriate protocols, acute and chronic toxicity analyzes can be performed (determination of LD50 and LD100), determination of the effective concentration of pharmacological agents (EC50), as well as the titer of compliment. The results of all measurements can be presented both in graphical (kinetic curves) and in textual forms.

Пример использования прибораInstrument usage example

К 200 мкл суспензии инфузорий tetrahymena periformis было добавлено 50 мкл сыворотки крови человека. Комплимент, содержащийся в сыворотке, является неспецифическим токсикантом для этого вида инфузорий (и многих других видов простейших). Кинетическая кривая изменения относительной подвижности клеток приведена на рис. 3. Хорошо видно, что период возбуждения инфузорий (стадия А) сменяется угнетением их подвижности (стадия Б), что характерно для действия многих токсических агентов (Д.О. Виноходов. Токсикологические исследования кормов с использованием инфузорий, Санкт-Петербург, 1995).To 200 μl of a suspension of tetrahymena periformis ciliates, 50 μl of human serum was added. The complement contained in serum is a non-specific toxicant for this type of ciliates (and many other protozoa). The kinetic curve of changes in the relative mobility of cells is shown in Fig. 3. It is clearly seen that the period of excitation of ciliates (stage A) is replaced by inhibition of their mobility (stage B), which is typical for the action of many toxic agents (DO Vinokhodov. Toxicological studies of feed using ciliates, St. Petersburg, 1995).

СсылкиReferences

1. Д.О. Виноходов. Токсикологические исследования кормов с использованием инфузорий, Санкт-Петербург, 1995.1. D.O. Winery. Toxicological studies of feed using ciliates, St. Petersburg, 1995.

2. И.С. Захаров, А.В. Завгодский. Биотестовые аппаратурные средства и методы контроля локомоций инфузорий, Известия ЮФУ, Раздел III, Биотехнологии, 2008, стр. 205-209.2. I.S. Zakharov, A.V. Zavgodsky. Biotest equipment and methods for monitoring locomotion of ciliates, Izvestia SFU, Section III, Biotechnologies, 2008, pp. 205-209.

3. И.С. Захаров, А.В. Пожаров, Т.В. Гурская, А.Д. Финогенов. Биосенсорные системы в медицине и экологии. - СПб: СПбГУТ, 2003.3. I.S. Zakharov, A.V. Pozharov, T.V. Gurskaya, A.D. Finogenov. Biosensor systems in medicine and ecology. - SPb: SPbSUT, 2003.

4. А.Н. Машковцев, Л.С. Осипов, К.Н. Пилипенко. Устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб. Патент RU 2035716.4. A.N. Mashkovtsev, L.S. Osipov, K.N. Pilipenko. Device for determining the characteristics of gas and liquid samples. Patent RU 2035716.

5. А.П. Еськов. Устройство для оценки подвижности микроорганизмов. Патент SU 1697004 A1, Бюл. изобр. №45.5. A.P. Yeskov. A device for assessing the mobility of microorganisms. Patent SU 1697004 A1, Bull. fig. No. 45.

6. А.П. Еськов, А.В. Филатов. Устройство для определения подвижности биологических объектов в жидкой среде. Патент SU 1677630 A1, Бюл. изобр. №34.6. A.P. Yeskov, A.V. Filatov. A device for determining the mobility of biological objects in a liquid medium. Patent SU 1677630 A1, Bull. fig. Number 34.

Claims

A device for measuring the mobility of test objects in studies for determining the activity of complement of blood serum, characterized in that it contains a housing, an installation unit for placing a tablet with samples in the wells, a step drive, a control unit connected to a personal computer, and a photometric module, which is dynamic light scattering module, made in the form of a radiation source located above the wells of the tablet, and a radiation detector located under the wells of the tablet and at an angle to the axis howling line of the radiation source.