RU2672534C1 - Optical method of measurement of concentration and morphology of particles in wide range of turbidity and device for its implementation - Google Patents

Optical method of measurement of concentration and morphology of particles in wide range of turbidity and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2672534C1
RU2672534C1 RU2018102138A RU2018102138A RU2672534C1 RU 2672534 C1 RU2672534 C1 RU 2672534C1 RU 2018102138 A RU2018102138 A RU 2018102138A RU 2018102138 A RU2018102138 A RU 2018102138A RU 2672534 C1 RU2672534 C1 RU 2672534C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
particles
firs
signals
intensity
morphology
Prior art date
Application number
RU2018102138A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Юрьевич Волков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Медтехнопарк"
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 Общество с ограниченной ответственностью "Медтехнопарк" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Медтехнопарк"
Priority to RU2018102138A priority Critical patent/RU2672534C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2672534C1 publication Critical patent/RU2672534C1/en
Priority to PCT/RU2019/000170 priority patent/WO2019143271A1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02Investigating particle size or size distribution
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205Investigating particle size or size distribution by optical means
    • G01N15/0211Investigating a scatter or diffraction pattern
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06Investigating concentration of particle suspensions
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/01Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials specially adapted for biological cells, e.g. blood cells
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/075Investigating concentration of particle suspensions by optical means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N2015/0687Investigating concentration of particle suspensions in solutions, e.g. non volatile residue
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4704Angular selective
    • G01N2021/4711Multiangle measurement
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/51Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid inside a container, e.g. in an ampoule

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to the field of measurement technology, allowing measurement of concentrations of suspended particles in a liquid, and more specifically to coherent fluctuation nephelometers (hereinafter CFN), in particular microbiological analyzers designed on their basis, which allow to measure the growth of microbiological flora including in biological samples in a wide range of turbidity values, including for the purpose of diagnosis, and to evaluate the morphological composition of suspended microbial particles. Claimed method and apparatus allow measuring the concentrations and morphology of suspended particles in a liquid in a wide range of concentrations and sizes due to the simultaneous recording of the intensity of the direct transmitted radiation (T) and fluctuations in the intensity of the scattered light (FISL) at two or more scattering angles, calculation of the linear combination of the initial FISL signals at different angles and the signal of the turbidimeter (T), preferably to a power of 2 to 4 with different weighting factors, which are determined by calibration for a suspension of each type of analyte. According to the calculated linear combination of signals, the particle concentration is judged, the FIRS signals at different angles judge the particle morphology in the sample, which makes it possible to obtain a monotonic dependence of the resulting signal over a wide range of concentrations (10–10CFU/ml) and in a wide range of sizes (10 nm – 100 mcm). Also, the ratio of FISL signals at different angles makes it possible to evaluate the morphology of the particles under study.EFFECT: expansion of the dynamic range of the measured turbidity and evaluation of the morphological composition of particles in the sample under study.6 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, позволяющей измерять концентрации взвешенных в жидкости частиц, а более конкретно к когерентным флюктуационным нефелометрам (далее - КФН), в частности к сконструированным на их основе микробиологическим анализаторам, позволяющим измерять рост микробиологической флоры в том числе в биологических образцах в широком интервале значений мутности, в том числе с целью диагностики и оценивать морфологический состав взвешенных микробных частиц.The invention relates to the field of measuring technology, which allows to measure the concentration of particles suspended in a liquid, and more specifically to coherent fluctuation nephelometers (hereinafter - FSC), in particular to microbiological analyzers designed on their basis, which allows to measure the growth of microbiological flora, including in biological samples in a wide range of turbidity values, including for the purpose of diagnosis and to evaluate the morphological composition of suspended microbial particles.

Изобретение относится также к созданию иммунохимических и гематологических анализаторов, использование которых подразумевает получение информации не только об абсолютных значениях концентрации в широком интервале значений, но и о морфологических параметрах рассеивающих свет частиц, в частности об изменениях этих параметров как при малых, так и при высоких концентрациях частиц. Примером таких биомедицинских приложений может служить регистрация иммунологических реакций, связанных с агрегацией и дезагрегацией частиц, например, в процессах латексной агглютинации, трансформации или лизиса клеток.The invention also relates to the creation of immunochemical and hematological analyzers, the use of which involves obtaining information not only about the absolute concentration values in a wide range of values, but also about the morphological parameters of the light scattering particles, in particular about changes in these parameters both at small and at high concentrations particles. An example of such biomedical applications is the registration of immunological reactions associated with aggregation and disaggregation of particles, for example, in latex agglutination, transformation or cell lysis processes.

Существуют три основных способа измерения концентрации взвешенных в жидкости частиц путем регистрации мутности взвеси: турбидиметрия (далее - Т), нефелометрия (далее - Н) и КФН. Все эти методы построены на общем принципе, а именно, на регистрации интенсивности и/или флюктуаций интенсивности прошедшего или рассеянного света, регистрируемого одним или несколькими детекторами, при упругом рассеянии света частицами в исследуемой жидкости.There are three main methods for measuring the concentration of particles suspended in a liquid by detecting the turbidity of the suspension: turbidimetry (hereinafter - T), nephelometry (hereinafter - H) and CFN. All these methods are based on a general principle, namely, recording the intensity and / or intensity fluctuations of transmitted or scattered light detected by one or more detectors during elastic scattering of light by particles in the test fluid.

В Т измеряется интенсивность прошедшего через исследуемый образец света, однако, такое измерение характеризуется низкой чувствительностью.In T, the intensity of light transmitted through the test sample is measured; however, such a measurement is characterized by low sensitivity.

Главным недостатком Н является то, что для достижения высокой чувствительности необходимо исключить засветки на детекторе от оптических элементов и проходящего пучка. Именно поэтому в многоугловых Н, используемых для измерения распределения интенсивности рассеянного света по углам, переход к малым углам сопряжен с решением задачи отсечения засветок, что возможно только при большом расстоянии от кюветы до детектора и высоком качестве кювет и других элементов оптического тракта. Поэтому многоугловые Н не могут применяться для измерения концентраций в широком диапазоне величин, конструктивно сложны и поэтому на их основе не могут быть построены многоканальные системы. [Clin Chem Lab Med. 2012 Jul; 50(7): 1253-62. Low angle light scattering analysis: a novel quantitative method for functional characterization of human and murine platelet receptors. Mindukshev I et al.]The main disadvantage of H is that in order to achieve high sensitivity it is necessary to exclude the illumination on the detector from the optical elements and the transmitted beam. That is why in multi-angle H used to measure the distribution of the intensity of scattered light over the corners, the transition to small angles is associated with solving the problem of cutting off the flare, which is possible only at a large distance from the cuvette to the detector and high quality cuvettes and other elements of the optical path. Therefore, multi-angle H cannot be used to measure concentrations in a wide range of values, are structurally complex, and therefore multichannel systems cannot be built on their basis. [Clin Chem Lab Med. 2012 Jul; 50 (7): 1253-62. Low angle light scattering analysis: a novel quantitative method for functional characterization of human and murine platelet receptors. Mindukshev I et al.]

Динамические диапазоны измерений мутности для каждого из этих методов различаются. Конкретно, для измерения концентраций бактерий в колонии образующих единицах (далее КОЕ) указанные методы имеют соответствующие динамические диапазоны измерений: для Т это 107-1010 КОЕ/мл, для Н это 105-108 КОЕ/мл, и для КФН это 103-108 КОЕ/мл. Важным является то, что во многих приложениях измерение концентраций и морфологии взвешенных в жидкостях частиц зачастую необходимо проводить в широком диапазоне мутности, а также в широком интервале морфологических параметров взвешенных частиц.The dynamic ranges of turbidity measurements for each of these methods are different. Specifically, to measure the concentration of bacteria in colony forming units (CFU hereinafter) these methods have respective dynamic ranges of measurement: for T is 10 7 -10 10 cfu / ml for H is 10 5 -10 8 CFU / ml, and for this KNF 10 3 -10 8 CFU / ml. It is important that in many applications the measurement of the concentrations and morphology of particles suspended in liquids is often necessary in a wide range of turbidity, as well as in a wide range of morphological parameters of suspended particles.

Нередко процесс измерения приходится прерывать в связи с необходимостью перехода к оптической схеме с уменьшенной или увеличенной длиной оптического пути зондирующего пучка, что достигается, например, изменением геометрического размера оптической кюветы, что в аналитических процессах в лабораторной диагностике затруднительно.Often, the measurement process has to be interrupted due to the need to switch to an optical scheme with a reduced or increased optical path length of the probe beam, which is achieved, for example, by changing the geometric size of the optical cell, which is difficult in analytical processes in laboratory diagnostics.

Другим широко применяемым аналитическим подходом, обеспечивающим измерение концентрации взвеси в широком интервале мутностей, служит разбавление взвеси в заданной оптической кювете в заданном оптическом приборе. Однако, при исследовании сложных процессов указанные процедуры разбавления или изменения размера кюветы оказывают влияние на протекание самих исследуемых процессов, эффективность которых (например, скорости протекания), зависят в том числе от концентрации. Кроме того, зачастую исследуемая система оказывается уникальной и трудно воспроизводимой, и любое вмешательство в наблюдаемый процесс приводит к ее разрушению. Кроме того, в микробиологических исследованиях дополнительное вмешательство может привести к контаминации посторонними микроорганизмами и к искажению результатов. Таким образом, расширение динамического диапазона измеряемых концентраций при заданных условиях наблюдения исследуемых многопараметрических систем, несомненно, является актуальным.Another widely used analytical approach that provides the measurement of suspension concentration in a wide range of turbidity is the dilution of the suspension in a given optical cuvette in a given optical device. However, in the study of complex processes, the indicated dilution or alteration of the size of the cuvette influence the course of the investigated processes themselves, the effectiveness of which (for example, flow rate) depends on the concentration. In addition, the system under investigation is often unique and difficult to reproduce, and any interference with the observed process leads to its destruction. In addition, in microbiological studies, additional intervention can lead to contamination by foreign microorganisms and to distort the results. Thus, the expansion of the dynamic range of measured concentrations under given observation conditions of the studied multi-parameter systems is undoubtedly relevant.

Измерение рассеянного под малыми углами света методами Н и КФН, являясь более чувствительными, имеют тот недостаток, что не позволяют измерять мутность при высоких концентрациях рассеивающих частиц, т.к. интенсивность регистрируемого сигнала при росте концентрации перестает зависеть от концентрации рассеивающих частиц из-за эффекта многократного рассеяния, а при дальнейшем увеличении концентрации сигнал начинает уменьшаться. Т.е. зависимость регистрируемого сигнала для Н и КФН является немонотонной в широком диапазоне углов. Метод Т, сводящийся к измерению интенсивности не рассеянной части зондирующего пучка света, позволяет регистрировать высокие мутности в монотонном режиме, однако, он не чувствителен к низким концентрациям рассеивающих частиц, т.е. его сигнал практически не изменяется в этом диапазоне концентраций.The measurement of light scattered at small angles by the H and QPS methods, being more sensitive, has the disadvantage of not being able to measure turbidity at high concentrations of scattering particles, because the intensity of the recorded signal with increasing concentration ceases to depend on the concentration of scattering particles due to the multiple scattering effect, and with a further increase in concentration, the signal begins to decrease. Those. the dependence of the recorded signal for H and QPS is nonmonotonic in a wide range of angles. Method T, which reduces to measuring the intensity of the non-scattered part of the probe light beam, allows one to detect high turbidity in a monotonic mode, however, it is not sensitive to low concentrations of scattering particles, i.e. its signal practically does not change in this concentration range.

Известны устройства, в которых в том числе с целью расширения динамического диапазона измерений мутности, измерения с помощью Н и Т совмещаются в одном устройстве. Примером может служить анализатор специфических белков IMMAGE 800 (Beckman Coulter), в котором одновременно двумя отдельными детекторами регистрируются сигналы Н под углом 90 градусов и Т. Такого рода устройства удобны, например, для регистрации концентрации белковых коллоидных растворов и частиц нанометровых размеров, т.к. такие частицы, имея размер намного меньше длинны видимого света, рассеивают свет почти равномерно по всем углам, и нефелометрическая регистрация рассеянного света под большим углом позволяет надежно отделить свет, рассеянный этими частицами от паразитных засветок, вызванными рассеянием прямого пучка прежде всего на неоднородностях оптической кюветы.Known devices in which, including with the aim of expanding the dynamic range of turbidity measurements, measurements with H and T are combined in one device. An example is the IMMAGE 800 specific protein analyzer (Beckman Coulter), in which simultaneously two separate detectors record H signals at an angle of 90 degrees and T. Such devices are convenient, for example, for recording the concentration of protein colloidal solutions and nanometer-sized particles, because . such particles, having a size much smaller than the length of visible light, scatter light almost uniformly at all angles, and the nephelometric registration of scattered light at a large angle makes it possible to reliably separate the light scattered by these particles from spurious illumination caused by scattering of the direct beam primarily from the inhomogeneities of the optical cell.

В то же время регистрация мутности этими устройствами в широком динамическом диапазоне, обусловленной частицами больших размеров, например, бактерий, имеющих размер сравнимый с длиной видимого света, становится мало эффективной, т.к. большие частицы рассеивают свет преимущественно вперед и Н регистрация бод большими углами становится неэффективной. А совмещение Т и Н на малых углах чрезвычайно сложно. Однако, регистрация мутностей для частиц, размеры которых больше или сравнимы с длиной волны рассеивающего света, представляет большой практический интерес.At the same time, the registration of turbidity by these devices in a wide dynamic range due to large particles, for example, bacteria having a size comparable to the length of visible light, becomes less effective, because large particles scatter light primarily forward and H baud detection at large angles becomes ineffective. And the combination of T and H at small angles is extremely difficult. However, the registration of turbidity for particles whose sizes are larger or comparable with the wavelength of the scattering light is of great practical interest.

Известен микробиологический анализатор HB&L (Alifax S.p.a.), в котором для повышения эффективности Н измерения мутности, вызванной бактериальной культурой, осуществляют регистрацию интенсивности рассеянного света на нескольких углах, что позволяет более надежно регистрировать рост бактериальной культуры. Между тем динамический диапазон измеряемых концентраций остается в рамках, указанных выше границ, присущих Н методу. В конечном итоге это приводит в том числе к тому, что загрязнения и дефекты кюветы могут по-разному влиять на оба сигнала, что приводит к ухудшению воспроизводимости измерений.Known microbiological analyzer HB&L (Alifax S.p.a.), in which, to increase the efficiency of H, the measurement of turbidity caused by a bacterial culture, scattered light intensity is recorded at several angles, which allows more reliable detection of bacterial culture growth. Meanwhile, the dynamic range of measured concentrations remains within the framework of the above boundaries inherent to the H method. Ultimately, this leads, among other things, to the fact that contamination and cell defects can affect both signals differently, which leads to a deterioration in the reproducibility of measurements.

Таким образом, недостатками рассмотренных методов является либо недостаточная чувствительность, в том числе из-за чувствительности к паразитным засветкам, и/или ограниченный динамический диапазон различных каналов регистрации, что приводит к необходимости использовать различные приборы и условия измерения при необходимости измерения мутности в широком диапазоне значений.Thus, the disadvantages of the methods considered are either insufficient sensitivity, including due to sensitivity to spurious illumination, and / or a limited dynamic range of different recording channels, which leads to the need to use various instruments and measurement conditions if it is necessary to measure turbidity in a wide range of values .

Однако, есть задачи, в которых необходимо наблюдать за процессами, происходящими с изменением мутности в широком диапазоне значений, например, при регистрации кривых роста микроорганизмов в питательной среде, в том числе с антибиотиками, что реализуется, например, в биотехнологических и диагностических системах, связанных с ростом микрофлоры, а также, например, при регистрации латексной агрегации или дезагрегации с участием частиц размером, сравнимым или более длины зондирующего света.However, there are tasks in which it is necessary to observe the processes occurring with a change in turbidity over a wide range of values, for example, when recording the growth curves of microorganisms in a nutrient medium, including antibiotics, which is implemented, for example, in biotechnological and diagnostic systems related with the growth of microflora, as well as, for example, when registering latex aggregation or disaggregation involving particles with a size comparable to or greater than the length of the probe light.

Ни один из рассмотренных методов не позволяет совмещать процессы регистрации мутности (т.е. интенсивности рассеянного и/или прошедшего света) и морфологии частиц в процессах агрегации, дезагрегации, деления, лизиса и т.д., регистрация которых усложняется изменяющейся полидисперсностью исследуемых систем. Возможность контролировать мутность и морфологию частиц одновременно в широком интервале мутностей и морфологий расширяет возможности при изучении и идентификации сложных структур в жидкостях, прежде всего живых систем.None of the methods considered makes it possible to combine the registration of turbidity (i.e., the intensity of scattered and / or transmitted light) and the morphology of particles in the processes of aggregation, disaggregation, division, lysis, etc., the registration of which is complicated by the varying polydispersity of the studied systems. The ability to control the turbidity and morphology of particles simultaneously in a wide range of turbidity and morphology expands the possibilities for studying and identifying complex structures in liquids, especially living systems.

Известен способ измерения концентрации частиц в широком диапазоне мутностей [Научный журнал: Приборы и техника эксперимента. Научная статья по теме: «Когерентная флуктуационная нефелометрия: Высокочувствительный метод детектирования частиц в жидкости». Автор Растопов С.Ф.], в котором зондирующий пучок когерентного излучения проходит через кювету с исследуемым образцом, после чего интенсивности прямого прошедшего излучения и рассеянного излучения регистрируются при помощи фотоприемных устройств (ФПУ), при этом измеряют интенсивность прямого прошедшего через кювету с исследуемым образцом излучения Т (турбидиметрия) и флуктуации интенсивности рассеянного света ФИРС на двух углах рассеяния. Данный способ позволяет достичь чувствительностей измерений до 103-104 частиц/мл при достаточно простой конструкции прибора.A known method of measuring particle concentration in a wide range of turbidity [Scientific journal: Instruments and experimental equipment. Related scientific article: “Coherent fluctuation nephelometry: A highly sensitive method for detecting particles in a liquid”. The author Rastopov SF], in which a probe beam of coherent radiation passes through a cell with the sample under study, after which the intensities of the direct transmitted radiation and scattered radiation are recorded using photodetectors (FPU), while the intensity of the direct transmitted through the cell with the studied sample is measured radiation T (turbidimetry) and fluctuations in the intensity of scattered light FIRS at two scattering angles. This method allows to achieve measurement sensitivities up to 103-104 particles / ml with a fairly simple device design.

Недостатком прототипа является то, что указанный способ детектирования микронных и субмикронных частиц в жидкости основан на измерении флуктуаций интенсивности рассеянного на частицах когерентного излучения и не позволяет оценивать морфологию частиц. Также в известном способе отсутствует возможность измерения частотных характеристик ФИРС.The disadvantage of the prototype is that this method of detecting micron and submicron particles in a liquid is based on measuring fluctuations in the intensity of coherent radiation scattered on the particles and does not allow to evaluate the morphology of the particles. Also in the known method there is no possibility of measuring the frequency characteristics of the FIRS.

Наиболее близким к заявляемому способу является анализатор [DOI: http://dx.doi.org/10.15789/2220-7619-2016-4-395-398], в котором одновременно используются один канал регистрации КФН и один канал Т для расширения динамического диапазона, причем угол наблюдения выбран оптимальным для бактериальных клеток размером около 1 мкм и выбранного диапазона концентраций (104-108 КОЕ/мл для КФН) около 7 градусов.Closest to the claimed method is the analyzer [DOI: http://dx.doi.org/10.15789/2220-7619-2016-4-395-398], which simultaneously uses one channel of registration of the FSC and one channel T to expand the dynamic range, and the viewing angle is chosen optimal for bacterial cells with a size of about 1 μm and the selected concentration range (10 4 -10 8 CFU / ml for CFN) about 7 degrees.

Недостатками прототипа являются следующее:The disadvantages of the prototype are the following:

- регистрация сигналов в прототипе немонотонна в широком динамическом диапазоне измеряемых мутностей и морфологических параметров частиц, т.е. размеры частиц, которые могут быть проанализированы, ограничены.- the registration of signals in the prototype is nonmonotonic in a wide dynamic range of the measured turbidity and morphological parameters of the particles, i.e. particle sizes that can be analyzed are limited.

- невозможность регистрации рассеянного света под различными углами, что необходимо для оптимизации детектирования частиц в широком диапазоне размеров;- the impossibility of recording scattered light at different angles, which is necessary to optimize the detection of particles in a wide range of sizes;

- прототип также не позволяет оценивать морфологию частиц, что важно, например, для агрегации частиц и изменениях структуры клеток крови.- the prototype also does not allow to evaluate the morphology of the particles, which is important, for example, for the aggregation of particles and changes in the structure of blood cells.

- также затруднительно отделить изменение сигналов КФН и Т, вызванное либо изменением количества частиц, либо изменением их морфологии.- it is also difficult to separate the change in the signals of the QPS and T caused by either a change in the number of particles or a change in their morphology.

Целью заявляемого изобретения является расширение динамического диапазона измеряемой мутности и оценки морфологического состава частиц в исследуемом образце, что достигается за счет одновременной регистрации Т, флуктуаций интенсивности рассеянного света (ФИРС) на различных углах рассеяния (как минимум на двух), вычисления линейной комбинации исходных сигналов ФИРС на различных углах рассеяния и сигнала турбидиметра Т предпочтительно в степени от 2 до 4 с различными весовыми коэффициентами, которые определяют по калибровке для суспензии анализируемых частиц каждого типа, а по вычисленной линейной комбинации сигналов судят о концентрации частиц, по соотношению сигналов ФИРС на различных углах судят о морфологии частиц в образце. Зависимость такого результирующего сигнала от концентрации частиц монотонна в широком диапазоне концентраций и морфологий частиц. Регистрация сигналов ФИРС одновременно под несколькими углами позволяет обнаруживать частицы различных размеров с максимальной чувствительностью. Регистрация соотношения сигналов ФИРС позволяет оценивать морфологию частиц, например, в процессах агрегации частиц.The aim of the invention is to expand the dynamic range of the measured turbidity and assess the morphological composition of the particles in the test sample, which is achieved by simultaneously registering T, fluctuations in the scattered light intensity (FIRS) at different scattering angles (at least two), calculating a linear combination of the initial FIRS signals at different scattering angles and the signal of the turbidimeter T, preferably to a degree of 2 to 4 with different weights, which are determined by calibration for the suspension uu each type of particle being analyzed and calculated by a linear combination of signals is judged on particle concentration ratio PIS signal at different angles are judged on the particles morphology in the sample. The dependence of such a resulting signal on the concentration of particles is monotonous in a wide range of concentrations and morphologies of particles. Registration of FIRS signals simultaneously at several angles allows detecting particles of various sizes with maximum sensitivity. Registration of the FIRS signal ratio allows one to evaluate the particle morphology, for example, in particle aggregation processes.

Дополнительно измеряются частотные спектры частотные спектры ФИРС предпочтительно в полосе более 1 Гц и частотные спектры Т предпочтительно в полосе менее 1 Гц с целью отделить изменения в морфологии частиц от изменений их количества, а также для обнаружения влияния крупных загрязняющий частиц на результирующий сигнал. Указанные пределы частот оптимизированы на основании экспериментальных данных.Additionally, the frequency spectra are measured, the FIRS frequency spectra are preferably in the band of more than 1 Hz and the frequency spectra of T are preferably in the band of less than 1 Hz in order to separate the changes in the morphology of the particles from the changes in their number, as well as to detect the effect of large polluting particles on the resulting signal. The indicated frequency limits are optimized based on experimental data.

Устройство по заявляемому способу (пример реализации) содержит источник когерентного излучения, выполненный в виде лазера, кювету с исследуемым образцом и регистратор интенсивностей прямого прошедшего и рассеянного излучения, выполненный в виде фотоприемных устройств (ФПУ), отличающийся тем, что три или более ФПУ расположены на различных углах относительно оси пучка излучения лазера, причем первый ФПУ расположен на оси пучка излучения (нулевой угол), а его выход соединен со входом измерителя интенсивности, выходы остальных ФПУ соединены с входами измерителей флуктуаций интенсивности через подавители постоянной составляющей сигнала, при этом выход измерителя интенсивности и выходы измерителей флуктуаций интенсивности соединены с вычислительным устройством, которое вычисляет линейную комбинацию сигналов ФИРС и сигнала Т предпочтительно в степени от 2 до 4.The device according to the claimed method (implementation example) contains a coherent radiation source made in the form of a laser, a cuvette with a test sample and a direct transmitted and scattered radiation intensity recorder made in the form of photodetector devices (FPU), characterized in that three or more FPU are located on different angles relative to the axis of the laser beam, the first FPU is located on the axis of the radiation beam (zero angle), and its output is connected to the input of the intensity meter, the outputs of the remaining FPU are connected with inputs meters intensity fluctuations across the constant component of the signal cancellers, the output intensity and output intensity fluctuations meter gauges are connected to a computing device which calculates a linear combination of the PIS signal and the signal T is preferably a degree of from 2 to 4.

Также с целью отделения изменения в морфологии частиц от изменений их количества, а также для обнаружения влияния крупных загрязняющий частиц на результирующий сигнал устройство дополнительно включает измеритель частотных спектров Т предпочтительно в полосе менее 1 Гц и измеритель частотных спектров ФИРС предпочтительно в полосе более 1 Гц.Also, in order to separate the changes in the morphology of particles from changes in their number, as well as to detect the effect of large polluting particles on the resulting signal, the device further includes a frequency spectrometer T, preferably in the band of less than 1 Hz and a FIRS frequency spectrometer in the band of more than 1 Hz.

Также с целью повышения устойчивости к флуктуациям интенсивности источника излучения ФПУ, регистрирующие ФИРС, выполнены предпочтительно в виде двух фоточувствительных элементов (ФЧЭ) для каждого угла рассеяния, расположенных симметрично относительно оси лазерного пучка, и выходы этих ФЧЭ соединены с различными входами соответствующих дифференциальных усилителей.Also, in order to increase the resistance to fluctuations in the intensity of the radiation source, FPUs that register FIRS are preferably made in the form of two photosensitive elements (PSEs) for each scattering angle located symmetrically relative to the axis of the laser beam, and the outputs of these PSEs are connected to different inputs of the corresponding differential amplifiers.

Также для детектирования частиц различных размеров с целью оптимизации углов детектирования кювета и/или ФПУ расположены с возможностью движения вдоль оси пучка излучения.Also for detecting particles of various sizes in order to optimize the detection angles, the cuvette and / or FPU are arranged to move along the axis of the radiation beam.

Изобретение поясняется семью фигурами.The invention is illustrated by seven figures.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства по заявляемому способу, где 1 - лазер; 2 - кювета с исследуемым образцом; 3 - ось лазерного пучка, 4 - ФПУ сигнала Т; 5, 6 - ФПУ сигналов ФИРС; 7 - вычислительное устройство (ВУ); 8 - измеритель интенсивности сигнала Т; 9, 10 - измерители интенсивности сигналов ФИРС; 11, 12 - подавители постоянной составляющей сигналов.In FIG. 1 presents a block diagram of a device according to the claimed method, where 1 is a laser; 2 - a cuvette with a test sample; 3 - axis of the laser beam, 4 - FPU signal T; 5, 6 - FPU signals FIRS; 7 - computing device (WU); 8 - signal intensity meter T; 9, 10 - signal intensity meters FIRS; 11, 12 - suppressors of the constant component of the signals.

На фиг. 2 представлена блок - схема вычитания сигналов ФИРС в данном угле рассеяния (вид устройства сверху), где 5а и 5в - различные фоточувствительные элементы (ФЧЭ) ФПУ.In FIG. 2 shows a block diagram of the subtraction of FIRS signals in a given scattering angle (top view of the device), where 5a and 5c are various photosensitive elements (PSE) of the FPU.

На фиг. 3 представлены экспериментальные данные регистрации роста бактерий Е. coli, где 13 - сигнал Т; 14 - сигнал ФИРС в одном угле рассеяния; 15 - результирующий сигнал по формуле (1) ниже для этого угла.In FIG. 3 presents experimental data on the growth of bacteria E. coli, where 13 is the signal T; 14 - signal FIRS in one angle of scattering; 15 - the resulting signal according to the formula (1) below for this angle.

На фиг. 4 схематически представлены результирующие сигналы (1) при различных углах рассеяния без изменения размеров частиц в процессе роста (сплошные линии) и при их агрегации (штриховые линии).In FIG. Figure 4 schematically shows the resulting signals (1) at different scattering angles without changing the particle size during growth (solid lines) and during their aggregation (dashed lines).

На фиг. 5 представлены экспериментальные данные регистрации роста и «клампинга» бактерий Staphylococcus aureus, 16 - сигнал Т; 17 - сигнал ФИРС на одном угле рассеяния.In FIG. 5 presents experimental data on the registration of growth and “clumping” of bacteria Staphylococcus aureus, 16 — signal T; 17 - signal FIRS at one angle of scattering.

На фиг. 6 представлены экспериментальные частотные спектры ФИРС на одном угле рассеяния для измерения мутности суспензии частиц без загрязнений (слева) и при прохождении крупной посторонней частицы через пучок излучения (справа).In FIG. Figure 6 shows the experimental FIRS frequency spectra at one scattering angle for measuring the turbidity of a suspension of particles without pollution (left) and when a large foreign particle passes through a radiation beam (right).

На фиг. 7 представлены экспериментальные сигналы ФИРС на четырех различных углах рассеяния для суспензии эритроцитов, которые оседают и агрегируют со временем.In FIG. Figure 7 shows the experimental FIRS signals at four different scattering angles for a suspension of red blood cells that settle and aggregate over time.

Сущность заявляемого способа измерения концентрации и морфологии частиц в широком диапазоне мутностей состоит в прохождении зондирующего пучка когерентного излучения через кювету с исследуемым образцом, регистрации интенсивностей прямого прошедшего и рассеянного излучения при помощи фотоприемных устройств (ФПУ), при этом одновременно измеряют интенсивность прошедшего через кювету с исследуемым образцом света Т и ФИРС на нескольких углах рассеяния. По соотношению интенсивностей ФИРС различных углах можно судить о размерах исследуемых частиц по индикатрисе рассеяния. Например, при увеличении размера частиц во времени (агглютинация) рассеянный свет концентрируется в основном в меньших углах, что определяется по соотношению сигналов на различных углах.The essence of the proposed method for measuring the concentration and morphology of particles in a wide range of turbidity consists in passing a probe beam of coherent radiation through a cuvette with the sample to be studied, recording the intensities of the direct transmitted and scattered radiation using photodetector devices (FPU), while simultaneously measuring the intensity of the transmitted through the cuvette with the studied light sample T and FIRS at several scattering angles. By the ratio of the intensities of the FIRS at different angles, one can judge the sizes of the particles under study by the scattering indicatrix. For example, with an increase in particle size over time (agglutination), the scattered light is concentrated mainly at smaller angles, which is determined by the ratio of signals at different angles.

Для обеспечения монотонности выходного сигнала вычисляется линейная комбинация исходных сигналов ФИРС на различных углах и сигнала турбидиметра Т, взятого в степени от 2 до 4, с различными весовыми коэффициентами, которые определяются по калибровке для суспензий анализируемых частиц каждого типа.To ensure the monotonicity of the output signal, a linear combination of the initial FIRS signals at various angles and the turbidimeter signal T, taken to the power from 2 to 4, with different weighting coefficients, which are determined by calibration for suspensions of the analyzed particles of each type, is calculated.

Исходные сигналы ФИРС на различных углах и Т можно суммировать по формуле:The initial signals of the FIRS at different angles and T can be summarized by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где,

Figure 00000002
- среднеквадратичное отклонение сигнала ФИРС на i-м ФПУ, IT - интенсивность сигала Т, αi - весовые коэффициенты, k - степенной коэффициент, находящийся в диапазоне значений от 2 до 4.Where,
Figure 00000002
is the standard deviation of the FIRS signal at the ith FPU, I T is the signal strength T, α i are weight coefficients, k is a power coefficient, which is in the range from 2 to 4.

Таким образом, сформированная комбинация сигналов позволяет расширить динамический диапазон измеряемых концентраций за счет того, что результирующий сигнал монотонно зависит от концентрации частиц. Такое суммирование сигналов ФИРС также приводит к увеличению чувствительности измерений при низких концентрациях. Кроме того, по результирующему сигналу судят о концентрации рассеивающих частиц данного типа, а по соотношению сигналов ФИРС на различных углах судят о размерах частиц.Thus, the generated combination of signals allows you to expand the dynamic range of the measured concentrations due to the fact that the resulting signal monotonically depends on the concentration of particles. This summation of the FIRS signals also leads to an increase in the sensitivity of measurements at low concentrations. In addition, the concentration of scattering particles of a given type is judged by the resulting signal, and the particle sizes are judged by the ratio of the FIRS signals at different angles.

Для определения абсолютной концентрации частиц проводят предварительную калибровку результирующего сигнала от концентрации для конкретных Образцовы частиц различной морфологии.To determine the absolute concentration of particles, a preliminary calibration of the resulting signal from the concentration is carried out for specific sample particles of different morphology.

В реальном образце помимо исследуемых частиц могут встречаться различные загрязнения относительно большого размера, а также воздушные пузырьки, которые искажают сигналы Т и ФИРС. Для уменьшения влияния таких посторонних частиц на измеряемую концентрацию исследуемых частиц вычисляют также частотные спектры сигналов. Регистрация спектров сигнала ФИРС позволяет увеличить надежность и точность измерения. Например, при пересечении пучка крупномасштабными загрязнениями, или при образовании микропузырьков воздуха на стенках кюветы, нарушается стандартная форма спектра Фурье сигнала ФИРС. Экспериментально показано, что такие нарушения для Т проявляются предпочтительно на частотах менее 1 Гц, а для ФИРС - предпочтительно на частотах более 1 Гц. Причем, как правило, в этих случаях нарушается сигнал не от всех ФПУ, расположенных на различных углах. В таких измерениях сигналы с нарушенным спектром Фурье могут быть исключены из результирующего сигнала, тем самым уменьшается влияние загрязнений и пузырьков. Кроме того в некоторых процессах, например при регистрации роста бактерий Staphylococcus aureus, общее количество бактерий непрерывно возрастает, однако сигналы ФИРС и Т начинают уменьшаться. Это связно с массивной агрегаций бактерий, известной под названием «клампинг». Возрастание низкочастотных флуктуаций сигнала Т позволяет зарегистрировать этот процесс и отличить его от гибели бактериальной культуры, которая также приводит к падению сигналов ФИРС и Т, но без возрастания низкочастотных флуктуаций сигнала Т. Таким образом, предлагаемый способ и устройство позволяет собирать многопараметрическую информацию о процессах, протекающих в исследуемой взвеси частиц. Эта информация связана с количеством частиц (что определяется сигналами ФИРС и Т), с их морфологией (что определяется соотношением сигналов ФИРС на разных углах), и динамикой движения частиц в кювете (что определяется спектральными Фурье распределениями сигнала ФИРС и Т). Указанная многопараметричность дает возможность контролировать процессы, протекающие в исследуемой взвеси частиц, в формате распознавания образов, формируемых нейросетью и позволяющих идентифицировать тип частиц, участвующих в исследуемых процессах, и их количество.In a real sample, in addition to the particles under investigation, various contaminants of a relatively large size can be found, as well as air bubbles that distort the T and FIRS signals. To reduce the influence of such foreign particles on the measured concentration of the studied particles, the frequency spectra of the signals are also calculated. Registration of the FIRS signal spectra allows to increase the reliability and accuracy of measurement. For example, when a beam is crossed by large-scale contaminants, or when microbubbles of air form on the walls of a cell, the standard form of the Fourier spectrum of the FIRS signal is violated. It has been experimentally shown that such violations for T are preferably manifested at frequencies less than 1 Hz, and for FIRS, preferably at frequencies greater than 1 Hz. Moreover, as a rule, in these cases, the signal from not all FPUs located at different angles is disturbed. In such measurements, signals with a disturbed Fourier spectrum can be excluded from the resulting signal, thereby reducing the effect of contaminants and bubbles. In addition, in some processes, for example, when the growth of bacteria Staphylococcus aureus is registered, the total number of bacteria continuously increases, however, the signals of FIRS and T begin to decrease. This is due to the massive aggregation of bacteria known as "clamping." An increase in the low-frequency fluctuations of the signal T allows one to register this process and distinguish it from the death of a bacterial culture, which also leads to a decrease in the FIRS and T signals, but without an increase in the low-frequency fluctuations of the signal T. Thus, the proposed method and device allows collecting multi-parameter information about the processes taking place in the investigated suspension of particles. This information is related to the number of particles (which is determined by the FIRS and T signals), their morphology (which is determined by the ratio of the FIRS signals at different angles), and the dynamics of particle motion in the cell (which is determined by the Fourier spectral distributions of the FIRS and T signal). The indicated multiparametricity makes it possible to control the processes occurring in the studied suspension of particles in the recognition format of patterns formed by the neural network and allowing to identify the type of particles involved in the studied processes and their number.

Устройство по способу реализуется следующим образом (пример конкретной предпочтительной реализации, рис. 1). Устройство состоит из источника когерентного излучения, выполненного в виде лазера, 1, кюветы с исследуемым образцом 2, расположенной на оси пучка лазерного излучения 3, нескольких фотоприемных устройств (ФПУ) для регистрации сигнала Т 4 и сигналов ФИРС 5, 6 (изображены первые два, общее число (типично 8) зависит от необходимой детальности измерений в различных углах), и вычислительного устройства (ВУ) 7. При этом выход ФПУ 4 соединен со входом измерителея интенсивности 8 (например, операционного усилителя (ОУ)), а выходы остальных ФПУ (5 и 6) соединены с входами измерителей флуктуаций интенсивности 9 и 10 (также ОУ) через подавители постоянной составляющей сигнала 11 и 12 (в простейшем случае это просто разделительные конденсаторы). Выходы всех ОУ соединены со входами ВУ 7. В качестве ВУ может быть использован многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер либо микроконтроллер, осуществляющий необходимые вычисления, измерения спектров сигналов и отображение результатов измерений.The device according to the method is implemented as follows (example of a specific preferred implementation, Fig. 1). The device consists of a coherent radiation source made in the form of a laser, 1, a cuvette with the studied sample 2, located on the axis of the laser beam 3, several photodetector devices (FPU) for recording the T 4 signal and FIRS 5, 6 signals (the first two, the total number (typically 8) depends on the necessary detail of measurements at various angles), and the computing device (WU) 7. The output of the FPU 4 is connected to the input of the intensity meter 8 (for example, an operational amplifier (OS)), and the outputs of the remaining FPU ( 5 and 6) connected s with the inputs of intensity fluctuation meters 9 and 10 (also opamps) through the suppressors of the constant component of the signal 11 and 12 (in the simplest case, these are just isolation capacitors). The outputs of all op-amps are connected to the inputs of the VU 7. As a VU, a multi-channel analog-to-digital converter (ADC) and a computer or microcontroller can be used to perform the necessary calculations, measure the signal spectra and display the measurement results.

Для увеличения чувствительности измерений сигналов ФИРС, в частности для вычитания флуктуаций интенсивности излучения источника, соответствующие ФПУ могут быть выполнены в виде пары фоточувствительных элементов (ФЧЭ), например, 5а и 5в (рис. 2, вид устройства сверху), выходы которых соединены с различными входами ОУ 9. При этом синфазные сигналы ФЧЭ вычитаются, а сигналы ФИРС суммируются со случайными фазами, поскольку эти фазы независимы на каждом ФЧЭ, что приводит к увеличению результирующего сигнала ФИРС на выходе ОУ 9 примерно в 1,4 раза.To increase the sensitivity of measurements of FIRS signals, in particular, to subtract fluctuations in the radiation intensity of the source, the corresponding FPUs can be made in the form of a pair of photosensitive elements (PSE), for example, 5a and 5c (Fig. 2, top view of the device), the outputs of which are connected to various the inputs of op-amp 9. In this case, the common-mode signals of the PSE are subtracted, and the FIRS signals are summed with random phases, since these phases are independent at each PSF, which leads to an increase of approximately 1.4 times the resulting FIRS signal at the output of the op-amp 9.

Поскольку для частиц различных размеров предпочтительно использовать различные углы рассеяния, для изменения регистрируемых углов рассеяния кювету 2 и/или все ФПУ можно закрепить с возможностью перемещения вдоль оси пучка излучения, т.е. с возможностью изменения расстояния от кюветы 2 до ФПУ 5, 6, 7. При этом диапазон регистрируемых углов изменяется при неизменном расположении ФПУ относительно друг друга, а условия протекания процессов в исследуемой системе сохраняются.Since it is preferable to use different scattering angles for particles of different sizes, to change the recorded scattering angles of cell 2 and / or all the FPUs, you can fix it with the possibility of movement along the axis of the radiation beam, i.e. with the possibility of changing the distance from the cell 2 to the FPU 5, 6, 7. In this case, the range of recorded angles varies with the FPU being unchanged relative to each other, and the process conditions in the system under study are preserved.

В качестве иллюстрации реализации способа и устройства на фиг. 3 приведены экспериментальные данные регистрации кривых роста бактерии Е. coli в диапазоне концентраций 103-1010 КОЕ/мл, где 13 - изменение сигнала Т, 14 - изменение сигнала ФИРС (для одного угла рассеяния, около 5 градусов), 15 - результирующий сигнал для одного набора весовых коэффициентов и степени 2 сигнала Т в измеряемом сигнале.As an illustration of the implementation of the method and device of FIG. Figure 3 shows the experimental data on the registration of growth curves of E. coli bacteria in a concentration range of 10 3 -10 10 CFU / ml, where 13 is the change in the T signal, 14 is the change in the FIRS signal (for one scattering angle, about 5 degrees), 15 is the resulting signal for one set of weights and degree 2 of the T signal in the measured signal.

При многоугловой регистрации, чем больше угол рассеяния, тем меньше соответствующий сигнал 15, при этом при неизменной морфологии (размере частиц) относительная разность сигналов в разных углах не изменяется от времени, что схематично представлено на рис. 4 (сплошные кривые), однако, если, например, в процессе роста происходит агрегация частиц (объединение в крупные агрегаты), это проявляется в увеличении относительной разницы сигналов от времени (штриховые кривые).With multi-angle recording, the larger the scattering angle, the smaller the corresponding signal 15, while with a constant morphology (particle size), the relative difference of the signals at different angles does not change with time, which is shown schematically in Fig. 4 (solid curves), however, if, for example, particle aggregation occurs during growth (aggregation into large aggregates), this is manifested in an increase in the relative difference of signals from time (dashed curves).

В микробиологической практике регистрируются кривые роста микроорганизмов в жидком питательном бульоне. Например, бактериальный рост происходит за счет деления бактерий, тем самым их количество увеличивается со временем. При этом если бактерии не агрегируют, то мутность суспензии также будет увеличиваться со временем. В силу определенных обстоятельств, например, при добавлении антибактериальных препаратов в жидкость, бактерии могут начать разрушаться, в этом случае мутность суспензии начнет уменьшаться. Однако, если бактерии начнут агрегировать, при этом продолжая размножаться, мутность суспензии будет падать, и это может быть ошибочно интерпретировано как разрушение бактерий как по сигналу ФИРС, так и по сигналу Т. При этом появление относительно больших агрегатов бактерий приводит к появлению низкочастотных флуктуаций Т, по которым можно отличить гибель бактерий от их агрегации. На фиг. 5 представлены экспериментальные данные регистрации роста и «клампинга» бактерий Staphylococcus aureus, когда агрегации бактерий приводит к ложному уменьшению сигналов ФИРС и Т, и одновременно приводит к появлению низкочастотных флуктуаций сигнала Т, 16 - сигнал Т; 17 - сигнал ФИРС на одном угле рассеяния.In microbiological practice, the growth curves of microorganisms are recorded in a liquid nutrient broth. For example, bacterial growth occurs due to the division of bacteria, thereby their number increases with time. Moreover, if bacteria do not aggregate, then the turbidity of the suspension will also increase with time. Due to certain circumstances, for example, when antibacterial drugs are added to a liquid, bacteria may begin to break down, in which case the turbidity of the suspension will begin to decrease. However, if the bacteria begin to aggregate, while continuing to multiply, the turbidity of the suspension will drop, and this can be mistakenly interpreted as destruction of bacteria by both the FIRS signal and T. The appearance of relatively large bacterial aggregates leads to the appearance of low-frequency fluctuations T by which it is possible to distinguish the death of bacteria from their aggregation. In FIG. Figure 5 presents experimental data on the growth and “clumping” of Staphylococcus aureus bacteria, when bacterial aggregation leads to a false decrease in the FIRS and T signals, and at the same time leads to the appearance of low-frequency fluctuations of the T signal, 16 - T signal; 17 - signal FIRS at one angle of scattering.

При прохождении крупных загрязнений через пучок излучения, типичная форма частотного спектра сигналов ФИРС искажается. На фиг. 6 представлены экспериментальные частотные спектры ФИРС на одном угле рассеяния для измерения мутности суспензии частиц без загрязнений (6а) и при прохождении крупной посторонней частицы через пучок излучения (6б). Регистрация частотного спектра ФИРС позволяет игнорировать влияние крупных загрязнений на результирующий сигнал.When large contaminants pass through the radiation beam, the typical shape of the frequency spectrum of the FIRS signals is distorted. In FIG. Figure 6 shows the experimental FIRS frequency spectra at one scattering angle for measuring the turbidity of a suspension of particles without pollution (6a) and when a large foreign particle passes through a radiation beam (6b). Registration of the FIRS frequency spectrum allows you to ignore the effect of large contaminants on the resulting signal.

На фиг. 7 представлены сигналы ФИРС на 4-х различных углах рассеяния (18-21, углы увеличиваются с ростом номера) для суспензии эритроцитов. Клетки оседают и агрегируют со временем, динамика сигналов ФИРС на различных углах отличается, их соотношение может быть использовано для калибровки по размерам агрегатов исследуемых клеток.In FIG. 7 shows FIRS signals at 4 different scattering angles (18-21, angles increase with increasing number) for a suspension of red blood cells. Cells settle and aggregate over time, the dynamics of the FIRS signals at different angles is different, their ratio can be used for calibration by the size of the aggregates of the studied cells.

Claims (6)

1. Оптический способ измерения концентрации и морфологии частиц в широком диапазоне мутностей, включающий прохождение зондирующего пучка когерентного излучения через кювету с исследуемым образцом, регистрацию интенсивностей прямого прошедшего и рассеянного излучения при помощи фотоприемных устройств (ФПУ), отличающийся тем, что одновременно регистрируют интенсивность прямого прошедшего излучения (Т) и флуктуации интенсивности рассеянного света (ФИРС) на двух или более углах рассеяния, вычисляют линейную комбинацию исходных сигналов ФИРС на различных углах и сигнала турбидиметра Т предпочтительно в степени от 2 до 4 с различными весовыми коэффициентами, которые определяют по калибровке для суспензии анализируемых частиц каждого типа, по вычисленной линейной комбинации сигналов судят о концентрации частиц, по соотношению сигналов ФИРС на различных углах судят о морфологии частиц в образце.1. An optical method for measuring the concentration and morphology of particles in a wide range of turbidity, including the passage of a probe beam of coherent radiation through a cuvette with the studied sample, recording the intensities of the direct transmitted and scattered radiation using photodetectors (FPU), characterized in that they simultaneously record the intensity of the direct transmitted radiation (T) and fluctuations in the intensity of the scattered light (FIRS) at two or more scattering angles, calculate a linear combination of the source signals FIRS at different angles and a turbidimeter signal T, preferably from 2 to 4, with different weights, which are determined by calibration for a suspension of the analyzed particles of each type, according to the calculated linear combination of signals, the concentration of particles is judged by the ratio of the FIRS signals at different angles morphology of particles in the sample. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют частотные спектры ФИРС предпочтительно в полосе более 1 Гц и частотные спектры Т предпочтительно в полосе менее 1 Гц.2. The method according to p. 1, characterized in that it further measure the frequency spectra of the FIRS preferably in the band of more than 1 Hz and the frequency spectra of T, preferably in the band of less than 1 Hz. 3. Устройство для измерения концентрации и морфологии частиц в широком диапазоне мутностей, включающее источник когерентного излучения, выполненный в виде лазера, кювету с исследуемым образцом и регистратор интенсивностей прямого прошедшего и рассеянного излучения, выполненный в виде фотоприемных устройств (ФПУ), отличающееся тем, что три или более ФПУ расположены на различных углах относительно оси пучка излучения лазера, причем первый ФПУ расположен на оси пучка излучения (нулевой угол), а его выход соединен с входом измерителя интенсивности, выходы остальных ФПУ соединены с входами измерителей флуктуаций интенсивности через подавители постоянной составляющей сигнала, при этом выход измерителя интенсивности и выходы измерителей флуктуаций интенсивности соединены с вычислительным устройством, которое вычисляет линейную комбинацию сигналов ФИРС и сигнала Т в степени от 2 до 4.3. A device for measuring the concentration and morphology of particles in a wide range of turbidity, including a source of coherent radiation, made in the form of a laser, a cuvette with an investigated sample and a recorder of intensities of direct transmitted and scattered radiation, made in the form of photodetectors (FPU), characterized in that three or more FPUs are located at different angles relative to the axis of the laser beam, the first FPU is located on the axis of the radiation beam (zero angle), and its output is connected to the input of the intensity meter vnosti, the FPU outputs remaining connected to inputs meters intensity fluctuations across the constant component of the signal cancellers, the output intensity meter and outputs intensity fluctuations gauges are connected to a computing device which calculates a linear combination of the PIS signal and T signal to the power of 2 to 4. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что вычислительное устройство дополнительно включает измеритель частотных спектров Т предпочтительно в полосе менее 1 Гц и измеритель частотных спектров ФИРС предпочтительно в полосе более 1 Гц.4. The device according to p. 3, characterized in that the computing device further includes a frequency spectral meter T, preferably in the band of less than 1 Hz and a FIRS frequency spectral meter, preferably in the band of more than 1 Hz. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что ФПУ, регистрирующие ФИРС, выполнены предпочтительно в виде двух фоточувствительных элементов (ФЧЭ) для каждого угла рассеяния, расположенных симметрично относительно оси лазерного пучка, и выходы этих ФЧЭ соединены с различными входами соответствующих дифференциальных усилителей.5. The device according to p. 3, characterized in that the FPU detecting the FIRS are preferably made in the form of two photosensitive elements (PSEs) for each scattering angle located symmetrically relative to the axis of the laser beam, and the outputs of these PSUs are connected to different inputs of the respective differential amplifiers . 6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что кювета и/или ФПУ расположены с возможностью движения вдоль оси пучка излучения.6. The device according to p. 3, characterized in that the cuvette and / or FPU are arranged to move along the axis of the radiation beam.
RU2018102138A 2018-01-19 2018-01-19 Optical method of measurement of concentration and morphology of particles in wide range of turbidity and device for its implementation RU2672534C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018102138A RU2672534C1 (en) 2018-01-19 2018-01-19 Optical method of measurement of concentration and morphology of particles in wide range of turbidity and device for its implementation
PCT/RU2019/000170 WO2019143271A1 (en) 2018-01-19 2019-03-19 Optical method and apparatus for determining the concentration and morphology of particles suspended in a liquid sample in a wide range of turbidity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018102138A RU2672534C1 (en) 2018-01-19 2018-01-19 Optical method of measurement of concentration and morphology of particles in wide range of turbidity and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2672534C1 true RU2672534C1 (en) 2018-11-15

Family

ID=64328028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018102138A RU2672534C1 (en) 2018-01-19 2018-01-19 Optical method of measurement of concentration and morphology of particles in wide range of turbidity and device for its implementation

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2672534C1 (en)
WO (1) WO2019143271A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI788958B (en) * 2021-08-18 2023-01-01 中國鋼鐵股份有限公司 Method for measuring turbidity of liquid

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4843021A (en) * 1986-07-30 1989-06-27 Shino-Test Laboratory Inc. Immunological assay method
RU2235310C1 (en) * 2003-04-03 2004-08-27 Уфимский государственный авиационный технический университет Noncontact turbidimeter
US8462340B2 (en) * 2008-03-19 2013-06-11 Toru Obata Gel particle measuring apparatus
RU2516193C2 (en) * 2012-05-14 2014-05-20 Алексей Юрьевич Волков Optical method of registration of kinetics of particle aggregation in turbid suspensions

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2132635C1 (en) * 1996-09-30 1999-07-10 Алексеев Сергей Григорьевич Method and device for diagnosing oncological diseases
US6567166B2 (en) * 2001-02-21 2003-05-20 Honeywell International Inc. Focused laser light turbidity sensor
RU2228522C1 (en) * 2002-10-25 2004-05-10 Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая академия Device establishing concentration and average size of particles in crystallized solutions of saccharose
JP2008032548A (en) * 2006-07-28 2008-02-14 Shimadzu Corp Light scattering detection device
RU2525605C2 (en) * 2012-10-26 2014-08-20 Вячеслав Геннадьевич Певгов Method and apparatus for optical measurement of distribution of size and concentration of dispersed particles in liquids and gases using single-element and matrix laser radiation photodetectors

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4843021A (en) * 1986-07-30 1989-06-27 Shino-Test Laboratory Inc. Immunological assay method
RU2235310C1 (en) * 2003-04-03 2004-08-27 Уфимский государственный авиационный технический университет Noncontact turbidimeter
US8462340B2 (en) * 2008-03-19 2013-06-11 Toru Obata Gel particle measuring apparatus
RU2516193C2 (en) * 2012-05-14 2014-05-20 Алексей Юрьевич Волков Optical method of registration of kinetics of particle aggregation in turbid suspensions

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Научный журнал: Инфекция и иммунитет. Научная статья по теме: "Быстрый скрининг мочи на бактериурию у детей с использованием микробиологического анализатора, совмещающего в себе методы фотометрии и когерентной флуктуационной нефелометрии". Авторы Гурьев А.С. и др., т.6 N4, с.395-398, 2016. Научный журнал: Приборы и техника эксперимента. Научная статья по теме: Когерентная флуктуационная нефелометрия: Высокочувствительный метод детектирования частиц в жидкости. Автор Растопов С.Ф., т.6, с.95-99, 2011. *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019143271A1 (en) 2019-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0102726B1 (en) Method and apparatus for characterizing microparticles or measuring their response to their environment
US5194909A (en) Apparatus and method for measuring volume and hemoglobin concentration of red blood cells
US20190195791A1 (en) Cuvette For Detecting Bacteria And Determining Their Susceptibility To Antibiotics
Fenili et al. The automation of sediment urinalysis using a new urine flow cytometer (UF-100™)
US7209231B2 (en) Optical detection of particles in a liquid medium
CA2448390C (en) Semen analysis
AU2005273482B2 (en) Detection of bacteria in fluids
KR970048449A (en) Highly sensitive and accurate automated method for identifying and quantifying platelets and determining platelet activation using whole blood samples
Martsenyuk et al. Multispectral control of water bodies for biological diversity with the index of phytoplankton
Altamore et al. Dual channel detection of ultra low concentration of bacteria in real time by scanning fluorescence correlation spectroscopy
RU2672534C1 (en) Optical method of measurement of concentration and morphology of particles in wide range of turbidity and device for its implementation
US5846759A (en) Method of detecting live microorganisms
Rastopov Coherent fluctuation nephelometry: A high-sensitivity method for detecting particles in liquids
Gur’ev et al. Coherent fluctuation nephelometry as a promising method for diagnosis of bacteriuria
Oliveira et al. Development and characterization of a low cost sediment concentration optical sensor
Thomas et al. A twelve-channel automatic device for continuous recording of cell aggregation by measurement of small-angle light-scattering
Alexandrov et al. 4π light scattering flow cytometry: enhancing the identification and characterization of individual cells
EP1366409B1 (en) Light scattering determination of treatment potencies
Pérez-Pacheco et al. Basic optical sensor for monitoring leukocyte properties in suspension
RU2650424C1 (en) Concentration meter of mobile infusoria in liquid media
Nejad Uncovering details of the electrical properties of cells
SU857869A1 (en) Method of determination of microparticle content in dairy
CN105334191A (en) Hemoglobin concentration and volume correction method and apparatus for individual erythrocyte
CA2741544C (en) Semen analysis
SU1390539A1 (en) Method of deterrining average size and concentration of suspended particles