RU2695889C1 - Устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к приборостроению. Устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб содержит корпус, установочный узел для размещения микропланшета с лунками для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором, который выполнен с возможностью зажима микропланшета при перемещении установочного узла относительно внешнего упора, расположенного на корпусе, считывающий узел, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения микропланшета фотоприемником и излучателем, подключенным к источнику питания, два шаговых привода, жестко установленные на корпусе, съемный фильтр, расположенный перед фотоприемником, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления, а с выходом соединены приводы, причем первый привод выполнен с возможностью перемещения установочного узла вдоль первой оси. В устройство введен дополнительный съемный фильтр. Оба фильтра объединены в блок фильтров, связанный со вторым приводом, выполненным с возможностью его перемещения вдоль второй оси, перпендикулярной первой, а фотоприемник и излучатель выполнены в виде жестко установленной на корпусе линейки оптопар, соосных с лунками микропланшета в направлении второй оси. Технический результат заключается в обеспечении повышения точности результатов измерений. 4 ил.

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения оптической плотности жидких растворов, в том числе биологических материалов, а также в метеорологии для определения водности облаков и туманов.

Известно устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб [Pat. 4 580 895 United States, МПК⁴ G01N 33/48. Sample-Scanning Photometer [Text] / Shailen S. Patel.; assignee Dynatech Laboratories, Incorporated-№546 451; Filed Oct. 28, 1983; Date of Patent Apr. 8, 1986], содержащее корпус, установочный узел для размещения микропланшета с пробами, два шаговых привода для перемещения установочного узла по двум взаимно перпендикулярным осям, неподвижный считывающий узел, содержащий излучатель и фотоприемник с фильтром, размещенные по разные стороны от плоскости перемещения установочного узла с микропланшетом. Устройство также содержит блоки обработки, регистрации и управления.

Указанный аналог имеет сложную систему центрировки микропланшета, что предопределяет невысокую точность измерений.

Этот недостаток частично преодолен в устройстве, наиболее близком по технической сущности к предлагаемому [Пат. 2035716 Российская Федерация, MПК⁶G01N 21/01, 21/13, 21/25, 21/59, 33/48. Устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб [Текст] / Машковцев А.Н., Осипов Л.С., Пилипенко К.Н.; заявители и патентообладатели Машковцев А.Н., Осипов Л.С., Пилипенко К.Н. - №92001686/25; заявл. 21.10.92; опубл. 20.05.95, Бюл. №14. -5 с: ил.], которое и выбрано в качестве прототипа.

В прототипе повышена точность измерений за счет однозначной ориентации микропланшета в системе координат узла считывания с помощью подпружиненного фиксатора, что уменьшает погрешность, связанную с несовпадением оптической оси узла считывания и оси лунки микропланшета в процессе фотометрирования.

Прототип содержит корпус, установочный узел для размещения микропланшета с лунками для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором, который выполнен с возможностью зажима микропланшета при перемещении установочного узла относительно внешнего упора, расположенного на корпусе, считывающий узел, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения микропланшета фотоприемником и излучателем, подключенным к источнику питания, два шаговых привода, жестко установленные на корпусе, съемный фильтр, расположенный перед фотоприемником, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления, а с выходом соединены приводы, причем первый привод выполнен с возможностью перемещения установочного узла вдоль первой оси. Кроме того, второй привод выполнен с возможностью перемещения считывающего узла вдоль второй оси, перпендикулярной первой.

Считывающий узел представляет собой U-образную конструкцию, в верхней части которой расположен фотоприемник со съемным фильтром, а в нижней части расположен излучатель таким образом, что установочный узел с микропланшетом имеет возможность перемещения между ними. Размещение съемного фильтра в верхней части U-образной конструкции обеспечивает удобный доступ оператора к нему.

Прототип работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии считывающий узел посредством своего шагового привода установлен в крайнее положение напротив ряда "1" лунок микропланшета. Установочный узел посредством своего шагового привода перемещен в позицию загрузки, то есть находится вне считывающего узла, который не препятствует установке (или съему) микропланшета. В этой позиции установочный узел расположен вплотную к корпусу, и упор, воздействуя на подпружиненное плечо фиксатора, отжимает его, позволяя установить (или снять) микропланшет. Таким образом, в исходном состоянии устройства микропланшет доступен для съема и установки. В считывающий узел установлен съемный фильтр, соответствующий применяемому методу исследования.

Приступая к работе, оператор помещает очередной микропланшет в установочный узел, выбирает одну из имеющихся в приборе программ и запускает измерение. Все остальные операции прототип осуществляет автоматически.

Установочный узел с микропланшетом перемещается соответствующим шаговым приводом вдоль первой оси, то есть вдоль направления (А-Н) лунок микропланшета. Одновременно фиксатор выходит из контакта с упором и зажимает микропланшет. При достижении номинальной позиции пересечения линии центров лунок ряда А с оптической осью считывающего узла шаговый привод установочного узла останавливается, а считывающий узел перемещается своим шаговым приводом вдоль второй оси, перпендикулярной первой, то есть вдоль ряда А1-А12 лунок микропланшета. В моменты номинального совмещения оптической оси узла считывания с каждой очередной лункой указанного ряда, в которой находится исследуемая проба, включается излучатель и выполняется измерение (по принципу вертикальной фотометрии). После сканирования лунок ряда А установочный узел перемещается шаговым приводом вдоль первой оси до следующего ряда (В). Далее снова перемещается считывающий узел и выполняется сканирование лунок В1-В12 микропланшета. Этот процесс повторяется до завершения сканирования всех лунок микропланшета.

По окончании сканирования микропланшета считывающий узел посредством своего шагового привода возвращается в исходное положение, то есть напротив ряда "1" лунок микропланшета, а установочный узел посредством своего шагового привода, перемещаясь в сторону корпуса, возвращается в положение загрузки. Упор, воздействуя на фиксатор, отжимает его, микропланшет освобождается, он может быть снят и заменен следующим. При этом блоки обработки, регистрации и управления обеспечивают обработку и регистрацию полученной первичной измерительной информации.

Реальные конструктивные параметры узлов прототипа выбраны так, что сканирование осуществляется лучом диаметром 1 мм с шагом 0,04 мм. Это дополнительно расширяет область применения устройства, и допускает использование его не только при сканировании микропланшетов, но и, в частности, при непрерывном сканировании пленочных образцов (фореграмм).

Прототип позволяет производить измерения растворов, находящихся в лунках микропланшетов, в следующих режимах работы: измерение оптической плотности относительно воздуха или холостой пробы; определение концентрации анализируемых веществ по заранее известным коэффициентам; определение концентрации анализируемых веществ с использованием стандартных проб; измерение оптической плотности до и после химической реакции с последующим пересчетом в единицы концентрации по известным коэффициентам или с помощью стандартов.

Из представленного описания видно, что прототип обеспечивает фотометрирование микропланшетов с уменьшением погрешности от несовпадения оси лунки и оптической оси считывающего узла благодаря устранению неопределенности положения микропланшета на установочном узле с помощью фиксатора.

В то же время необходимо отметить, что прототипу присущи два вида погрешности измерения.

Первый из них вызван неточностью взаимного позиционирования установочного и считывающего узла в сочетании с мениском жидких проб. Верхняя граница таких проб имеет, как правило, вогнутую форму, которая изменяет апертуру измерительного светового потока, выходящего из пробы [Кострова О.Б., Ландау И.Б., Сафьянников Н.М. Комплекс метрологического обеспечения иммуноферментных и биохимических анализаторов. / О.Б. Кострова, И.Б. Ландау, Н.М. Сафьянников. // Биотехносфера. Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы - 2015. - №5(41). - С. 20 - 25]. Изменение светового пятна на фотоприемнике весьма чувствительно к форме мениска, особенно при несоосном расположении лунки микропланшета относительно считывающего узла. Смещение светового пятна за пределы светочувствительной площадки фотоприемника может привести к непредсказуемо большим отклонениям фототока и способно стать причиной недостоверного результата измерения пробы в данной лунке.

Второй вид погрешности связан с влиянием дефектов дна лунки микропланшета и загрязнениями пробы. Эти погрешности позволяет снизить двухволновой метод фотометрирования (см., например, [Медицинские лабораторные фотометрические приборы и комплексы / А.Н. Алипов, Л.М. Муравник, Н.Л. Ронжина, Н.М. Сафьянников. - С-Пб.: Реноме, 2010. - 504 с, ил.; С. 98]). Однако прототип не ориентирован на работу с двумя фильтрами в едином цикле измерения.

Таким образом, недостатком прототипа является невысокая точность, ограниченная значительной чувствительностью к погрешности позиционирования его электромеханической системы и отсутствием двухволнового режима измерения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, выполняющего более точное измерение проб за счет меньшей, чем в прототипе, чувствительности к неточности позиционирования и обеспечения двухволнового режима измерения.

Техническим результатом является повышение точности устройства.

Для достижения указанного технического результата в устройство, содержащее корпус, установочный узел для размещения микропланшета с лунками для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором, который выполнен с возможностью зажима микропланшета при перемещении установочного узла относительно внешнего упора, расположенного на корпусе, считывающий узел, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения микропланшета фотоприемником и излучателем, подключенным к источнику питания, два шаговых привода, жестко установленные на корпусе, съемный фильтр, расположенный перед фотоприемником, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления, а с выходом соединены приводы, причем первый привод выполнен с возможностью перемещения установочного узла вдоль первой оси, введен дополнительный съемный фильтр, оба фильтра объединены в блок фильтров, связанный со вторым приводом, выполненным с возможностью его перемещения вдоль второй оси, перпендикулярной первой, а фотоприемник и излучатель выполнены в виде жестко установленной на корпусе линейки оптопар, соосных с лунками микропланшета в направлении второй оси.

Сущность изобретения состоит в создании точного устройства для определения характеристик газовых и жидкостных проб за счет изменения оптико-механической системы путем организации подвижного относительно корпуса блока фильтров при неподвижном блоке оптопар, и исключения, благодаря этому, влияния несоосности источника и приемника излучения по одной оси с одновременным обеспечением возможности двухволнового режима измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства в исходном состоянии, на фиг. 2 - функциональная схема считывающего узла в исходном состоянии, на фиг. 3 - функциональная схема устройства в процессе сканирования микропланшета, на фиг. 4 - функциональная схема считывающего узла в процессе сканирования микропланшета.

Предлагаемое устройство (фиг. 1, 2) содержит корпус 1, установочный узел 2 для размещения микропланшета 3 с лунками для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором 4, который выполнен с возможностью зажима микропланшета 3 при перемещении установочного узла 2 относительно внешнего упора 5, расположенного на корпусе 1, считывающий узел 6, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения микропланшета фотоприемником 7 и излучателем 8, подключенным к источнику питания 9, два шаговых привода 10 и 11, жестко установленные на корпусе 1, съемный фильтр 12, расположенный перед фотоприемником 7, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления 13, 14, 15, а с выходом соединены приводы 10 и 11, причем первый привод 10 выполнен с возможностью перемещения установочного узла вдоль первой оси. При этом в устройство введен дополнительный съемный фильтр 16, оба фильтра объединены в блок фильтров 17, связанный со вторым приводом 11, выполненным с возможностью его перемещения вдоль второй оси, перпендикулярной первой, а фотоприемник 7 и излучатель 8 выполнены в виде жестко установленной на корпусе линейки оптопар 18, соосных с лунками микропланшета 3 в направлении второй оси.

Считывающий узел 6 (фиг. 2) представляет собой U-образную конструкцию, жестко установленную на корпусе 1, в верхней части которой расположен фотоприемник 7, а в нижней части расположен излучатель 8 таким образом, что установочный узел 2 с микропланшетом 3 и блок фильтров 17 имеют возможность перемещения между ними (на фиг. 1 и 3 показана только верхняя часть U-образной конструкции). Размещение съемных фильтров 12 и 16 в верхней части U-образной конструкции обеспечивает удобный доступ к ним оператора. Объединяющая конструкция считывающего узла обеспечивает соосность фотоприемника 7 и излучателя 8 как единой линейки оптопар 18 и ее жесткую связь с корпусом 1.

Условие соосности линейки оптопар 18 с лунками микропланшета 3 выполнено путем согласованной установки считывающего узла 6 и шагового привода 10 на корпусе 1 при изготовлении устройства.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии блок фильтров 17 посредством своего шагового привода 11 установлен в крайнее положение вне блока оптопар 18. Установочный узел 2 посредством своего шагового привода 10 перемещен в позицию загрузки, то есть находится вне считывающего узла 6, который не препятствует установке (или съему) микропланшета 3. В этой позиции установочный узел 2 расположен вплотную к корпусу 1, и упор 5, воздействуя на подпружиненное плечо фиксатора 4, отжимает его, позволяя установить (или снять) микропланшет 3. Таким образом, в исходном состоянии устройства микропланшет 3 доступен для съема и установки. В блок фильтров 17 установлен рабочий фильтр 12 и референтный фильтр 16, соответствующие применяемому методу исследования.

Приступая к работе, оператор помещает очередной микропланшет 3 в установочный узел 2, выбирает одну из имеющихся в приборе программ и запускает измерение. Все остальные операции устройство осуществляет автоматически.

Установочный узел 2 с микропланшетом 3 перемещается соответствующим шаговым приводом 10 вдоль первой оси, то есть вдоль направления (А-Н) лунок микропланшета 3. Одновременно фиксатор 4 выходит из контакта с упором 5 и зажимает микропланшет 3. При достижении номинальной позиции совмещения центров лунок ряда А с соответствующими оптическими осями оптопар блока 18 шаговый привод 10 останавливается, а блок фильтров 17 перемещается шаговым приводом 11 вдоль второй оси, перпендикулярной первой, то есть вдоль ряда Al - А12 лунок микропланшета 3.

В моменты последовательного номинального совмещения центров фильтров 12 и 16 блока 17 с оптическими осями оптопар блока 18, то есть с центром каждой очередной лунки указанного ряда, в которой находится исследуемая проба, включается канал излучателя 8 для соответствующей оптопары блока 18 и выполняется измерение (по принципу вертикальной фотометрии) на двух длинах волн, определяемых фильтрами 12 и 16. После сканирования лунок ряда А микропланшета 3 установочный узел 2 перемещается шаговым приводом 10 вдоль первой оси до следующего ряда (В) лунок микропланшета 3. Далее снова перемещается блок фильтров 17 и выполняется сканирование каждой из лунок В1-В12 микропланшета 3 на обеих длинах волн. Этот процесс повторяется до завершения сканирования всех лунок микропланшета 3. На фиг.3 и 4 показано положение установочного узла 2 и блока фильтров 18 при измерении лунки А4 на длине волны фильтра 12.

По окончании сканирования микропланшета 3 блок фильтров 17 посредством своего шагового привода 11 возвращается в исходное положение, а установочный узел 2 посредством своего шагового привода 10, перемещаясь в сторону корпуса 1, возвращается в положение загрузки.

Упор 5, воздействуя на фиксатор 4, отжимает его, микропланшет 3 освобождается, он может быть снят и заменен следующим. При этом блоки обработки, регистрации и управления 13, 14, 15 обеспечивают обработку и регистрацию полученной первичной измерительной информации.

Результат двухволнового измерения оптической плотности в каждой лунке микропланшета 3 будет представлен в виде разности оптической плотности на рабочей и референтной длине волны. При выборе одноволнового метода измерения процессы фотометрирования с использованием дополнительного фильтра 16 исключаются из цикла.

Предлагаемое устройство позволяет производить измерения растворов, находящихся в лунках микропланшетов, в следующих режимах работы: измерение оптической плотности относительно воздуха или холостой пробы в одноволновом или двухволновом режиме; определение концентрации анализируемых веществ по заранее известным коэффициентам; определение концентрации анализируемых веществ с использованием стандартных проб; измерение оптической плотности до и после химической реакции с последующим пересчетом в единицы концентрации по известным коэффициентам или с помощью стандартов.

Реальные конструктивные параметры узлов предлагаемого устройства выбраны так, что сканирование осуществляется лучом диаметром 1 мм с шагом 0,04 мм. Это дополнительно расширяет область применения устройства, и допускает использование его не только при сканировании микропланшетов, но и, в частности, при непрерывном сканировании пленочных образцов (фореграмм).

В основу построения устройства положен принцип предварительного действия, а именно, предварительного, при изготовлении, обеспечения соосности источников и приемников излучения в составе оптопар, с последовательной актуализацией спектральной характеристики каждой оптопары в рабочем цикле на двух длинах волн, в результате чего повышается точность измерения.

Как видим, в предлагаемом устройстве, во-первых, исключено позиционирование по одной из двух координат сканирования микропланшета. Соответственно снижается и вероятность ошибки, вызванной сочетанием погрешности позиционирования и формы мениска пробы в лунке. Во-вторых, в предлагаемом устройстве обеспечено выполнение двухволнового метода измерения, благодаря чему снижается влияние дефектов лунок и загрязнения проб.

Все блоки и элементы заявляемого технического решения являются хорошо известными. Фотоприемники и излучатели, фильтры, блоки обработки, регистрации и управления, источник питания, шаговые приводы могут быть выполнены аналогично прототипу.

Итак, заявляемое устройство обладает всеми функциональными возможностями прототипа, но обеспечивает более высокую точность результатов измерений.

Claims (1)

1. Устройство для определения характеристик газовых и жидкостных проб, содержащее корпус, установочный узел для размещения микропланшета с лунками для исследуемых проб, снабженный подпружиненным фиксатором, который выполнен с возможностью зажима микропланшета при перемещении установочного узла относительно внешнего упора, расположенного на корпусе, считывающий узел, выполненный с размещенными по разные стороны от плоскости перемещения микропланшета фотоприемником и излучателем, подключенным к источнику питания, два шаговых привода, жестко установленные на корпусе, съемный фильтр, расположенный перед фотоприемником, соединенным с соответствующим входом блоков обработки, регистрации и управления, а с выходом соединены приводы, причем первый привод выполнен с возможностью перемещения установочного узла вдоль первой оси, отличающееся тем, что в устройство введен дополнительный съемный фильтр, оба фильтра объединены в блок фильтров, связанный со вторым приводом, выполненным с возможностью его перемещения вдоль второй оси, перпендикулярной первой, а фотоприемник и излучатель выполнены в виде жестко установленной на корпусе линейки оптопар, соосных с лунками микропланшета в направлении второй оси.

Images