RU2801057C1 - Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для анализа концентрации биопатогенных субмикронных частиц в жидкости и газе. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой содержит блок управления, одновременно соединенный, по крайней мере, с одним источником света для возбуждения флуоресценции и источником света для возбуждения рассеяния, и с устройством формирования анализирующего потока, соединенным с кварцевой трубкой, по которой проходит поток жидкости или газа, включающий дисперсные частицы; анализирующий блок, соединенный, по крайней мере, с одним приемником флуоресцентного света, приемником рассеянного света, и источником питания. При этом оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц дополнительно содержит также канал лазерной доплеровской анемометрии, включающий приемник рассеянного света с доплеровской частотой, соединенный с анализирующим блоком, и источник света для измерения скорости движения дисперсных частиц, соединенный с блоком управления, при этом анализирующий блок выполнен с возможностью выполнять нормировку скорости движения частицы, полученной из длительности оптического импульса сигнала рассеянного из канала рассеяния света, а также и скорости движения частицы, полученной из длительности оптического импульса сигнала флуоресцентного света, на значение фактической скорости движения частицы, полученное из канала доплеровского анемометра. Технический результат - повышение точности измерений оптического анализатора биопатогенных субмикронных частиц за счет самокалибровки путем учета в реальном времени разности скоростей потока жидкости или газа и самой частицы. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для анализа концентрации биопатогенных субмикронных частиц в жидкости и газе.

Знание концентрации биопатогенных субмикронных частиц в жидкости и газе и динамики ее изменения важно для определения биологической опасности изучаемых образцов или окружающей среды (воздух в помещениях или атмосферный воздух, питьевая вода).

Известно техническое решение по патенту US 9500591 (B12) (опубл. 22.11.2016), в котором измерение концентрации биологических частиц производится в потоке аэрозоля путем анализа рассеянного и флуоресцентного света от биологических частиц.

Приборы подобного типа используют времяпролетный метод анализа дисперсных частиц. Размер частиц во времяпролетном приборе определяется по длительности оптического импульса, который пропорционален размеру частицы и обратно пропорционален скорости пролета этой частицы через лазерный луч. Скорость определяется из средней скорости движения потока жидкости или газа, которая измеряется простейшим интегральным измерителем скорости потока. При этом отсутствует возможность учета имеющейся разности скоростей потока жидкости или газа и скорости самой частицы, на которой рассеивается или флуоресцирует свет (например, из-за эффекта проскальзывания частицы относительно потока). Это приводит к неизбежным ошибкам измерения, которые можно скорректировать только периодической поверкой данного прибора, желательно для внешних условий близких к ожидаемому режиму проведения измерений.

Недостатком технического решения, использованного в приборах подобного типа, является то, что они основаны на относительном принципе измерений, что требует проведения периодических калибровочных процедур. Кроме того, при быстром изменении условий проведения измерений, в том числе изменении количества биопатогенов, точность измерений уменьшается. Быстрые изменения представляют особо важное практическое значение, например, при своевременном выявлении в больнице или в метро, очага заражения он может быть немедленно купирован.

Технический результат, на получение которого направлено изобретение, заключается в повышении за счет самокалибровки путем учета в реальном времени разности скоростей потока жидкости или газа и самой частицы, точности измерений оптического анализатора биопатогенных субмикронных частиц, в том числе, при быстром изменении условий измерений и количества биопатогенов.

Технический результат достигается в оптическом анализаторе биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой, содержащем, по крайней мере, один флуоресцентный канал идентификации биопатогенных белков, канал рассеяния света, анализирующий блок, источник питания, а также канал лазерной доплеровской анемометрии.

Канал флуоресценции является основным каналом времяпролетного прибора. Физическое явление флуоресценции позволяет идентифицировать биопатогенные частицы в потоке газа или жидкости. Известно, что практически все биологические частицы флуоресцируют при возбуждении их в соответствующем оптическом диапазоне. Например, белок триптофан, входящий в состав большинства биопатогенных частиц, флуоресцирует в диапазоне длин волн около 360 нм при возбуждении ультрафиолетовым светом с длиной волны порядка 280 нм. Измерительный флуоресцентный канал для идентификации триптофана входит в состав практически всех современных анализаторов биопатогенных частиц. Аналогично работают другие флуоресцентные каналы, предназначенные для идентификации других белков, входящих в состав биопатогенных частиц, например, NADH, Ovalbumin, Riboflavin, Tyrosine и др. Увеличение числа флуоресцентных каналов в приборе позволяет более точно идентифицировать конкретные виды биопатогенных частиц.

Канал рассеяния света необходим для контроля общего числа дисперсных частиц в потоке жидкости или газа. Сопоставление данных, полученных в канале рассеяния света с флуоресцентными данными, позволяет отдельно фиксировать частицы биологической и не биологической природы.

Канал лазерного доплеровского анемометра позволяет измерять фактическую скорость любой анализируемой частицы, что дает возможность самокалибровки времяпролетного прибора путем нормировки скорости движения частицы, полученной из длительности оптического импульса сигнала рассеянного или флуоресцентного света, на значение фактической скорости движения частицы, полученное методом лазерной доплеровской анемометрии.

Предпочтительно выполнение флуоресцентного канала идентификации биопатогенных белков в составе источника света для возбуждения флуоресценции, фильтра, фокусирующей оптики и приемника флуоресцентного света.

Предпочтительно выполнение канала рассеяния света в составе источника света возбуждения рассеяния, оптического фильтра для выделения требуемой спектральной области анализа, фокусирующей оптики и приемника рассеянного света. В канале осуществляется измерение концентрации дисперсных частиц в анализируемом потоке.

Предпочтительно выполнение канала лазерной доплеровской анемометрии в составе источника света, оптического фильтра для выделения требуемой спектральной области анализа, фокусирующей оптики и приемника рассеянного света с доплеровской частотой. В канале осуществляется измерение абсолютного значения скорости движения каждой дисперсной частицы с целью проведения мгновенной калибровки основных времяпролетных результатов измерения с учетом измеренных значений скоростей движения дисперсных частиц методом лазерной доплеровской анемометрии.

Предпочтительно выполнение оптического анализатора биопатогенных субмикронных частиц с числом флуоресцентных каналов идентификации биопатогенных белков от одного до шести.

Предпочтительно выполнение оптического анализатора биопатогенных субмикронных частиц с устройством формирования анализируемого потока жидкости и/или газа, с целью направления потока жидкости или газа к измерительным узлам устройства.

Предпочтительно выполнение оптического анализатора биопатогенных субмикронных частиц с кварцевой трубкой, с целью изоляции потенциально опасной среды от измерительных узлов устройства.

Предпочтительно выполнение анализирующего блока с блоком мобильной связи.

Предпочтительно выполнение анализирующего блока с блоком географической привязки.

Предпочтительно выполнение анализирующего блока с возможностью подключения компьютера.

Предпочтительно выполнение источника питания с сетевым и/или аккумуляторным блоками питания.

Работа изобретения иллюстрируется на чертеже.

На фиг. 1 показана блок-схема оптического экспресс-анализатора биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой.

Изобретение может быть реализовано в устройстве, в котором 1 - Поток жидкости или газа, содержащего дисперсные частицы. 2 - Кварцевая трубка. 3 - Наблюдаемая в данный момент всеми каналами дисперсная частица. Флуоресцентный канал содержит 4.1 - источник света для возбуждения флуоресценции; 4.2 - пучок флуоресцентного света; 4.3 - оптические фильтры для выделения требуемой спектральной области анализа; 4.4 - фокусирующая оптика; 4.5 - приемник флуоресцентного света. Канал рассеяния света содержит 5.1 - источник света возбуждения рассеяния; 5.2 - пучок рассеянного света; 5.3 - оптические фильтры для выделения требуемой спектральной области анализа; 5.4 - фокусирующая оптика; 5.5 - приемник рассеянного света. Канал лазерного доплеровского анемометра содержит 6.1 - источник света для измерения скорости движения дисперсных частиц; 6.2 - рассеянный свет с доплеровской частотой; 6.3 - оптические фильтры для выделения требуемой спектральной области анализа; 6.4 - фокусирующая оптика; 6.5 - приемник рассеянного света с доплеровской частотой. 7 - Анализирующий блок, с блоком мобильной связи для передачи данных и с блоком географической привязки проводимых измерений, выполненный с возможностью подключения компьютера. 8 - источник питания, 9 - устройство формирования анализируемого потока жидкости и/или газа, 10 - блок управления.

Изобретение работает следующим образом. Поток жидкости или газа 1, содержащий дисперсные частицы, идет по кварцевой трубке 2 и проходит через измерительный объем 3. Измерительный объем освещается тремя источниками света, содержащими соответствующую фокусирующую оптику: 4.1 - ультрафиолетовый, 5.1 - синий, 6.1 - красный (два скрещивающихся луча для измерения скорости движения частиц). Флуоресцентный свет 4.2, излучаемый биочастицами, через фильтр 4.3 и фокусирующую оптику 4.4 подается на приемник флуоресцентного света 4.5. Рассеянный на частицах свет в синей области спектра поступает через светофильтр 5.3 и фокусирующую оптику 5.4 на приемник рассеянного света 5.5. Рассеянный на частицах свет в красной области спектра поступает через светофильтр 6.3 и фокусирующую оптику 6.4 на приемник рассеянного света 6.5, обеспечивая возможность проводить независимые измерения скорости движения частиц, что позволяет получить более высокую точность измерительного прибора. Выходы фотоприемников 4.5, 5.5., 6.5 подключены к анализирующему блоку с возможностью подключения компьютера, системы мобильной связи для передачи данных и системы географической привязки проводимых измерений. Источник питания 8, содержащий сетевой и аккумуляторный блоки питания, обеспечивает возможность питания прибора как в лабораторных, так и полевых условиях. С помощью блока управления 10 регулируют мощность источников света 4.1, 5.1, 6.1 и скорость проходящего по кварцевой трубке потока 1 исследуемого образца, что позволяет оптимизировать режимы измерения концентрации биочастиц 3 в зависимости от свойств анализируемого образца жидкости или газа. В анализирующем блоке 7 осуществляют нормировку скорости движения частицы 3, полученной из длительности оптического импульса сигнала рассеянного из канала рассеяния света, а также и скорости движения частицы 3, полученной из длительности оптического импульса сигнала флуоресцентного света, на значение фактической скорости движения частицы, полученного из канала лазерного доплеровского анемометра. Указанная нормировка фактически является самокалибровкой оптического анализатора биопатогенных субмикронных частиц, что приводит к увеличению точности измерений на 30-40%. Кроме того, самокалибровка позволяет анализатору измерять количество биопатогенов в условиях их быстрого изменения. Такие быстрые изменения представляют особо важное практическое значение. Например, появление в больнице или в метро, очага заражения должно быть немедленно купировано.

Таким образом, достигается технический результат, в виде повышения точности измерений оптического анализатора биопатогенных субмикронных частиц за счет самокалибровки путем учета в реальном времени разности скоростей потока жидкости или газа и самой частицы.

Claims (9)

1. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой, содержащий блок управления, одновременно соединенный, по крайней мере, с одним источником света для возбуждения флуоресценции и источником света для возбуждения рассеяния, и с устройством формирования анализирующего потока, соединенным с кварцевой трубкой, по которой проходит поток жидкости или газа, включающий дисперсные частицы; анализирующий блок, соединенный, по крайней мере, с одним приемником флуоресцентного света, приемником рассеянного света, и источником питания; отличающийся тем, что оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц дополнительно содержит также канал лазерной доплеровской анемометрии, включающий приемник рассеянного света с доплеровской частотой, соединенный с анализирующим блоком, и источник света для измерения скорости движения дисперсных частиц, соединенный с блоком управления, при этом анализирующий блок выполнен с возможностью выполнять нормировку скорости движения частицы, полученной из длительности оптического импульса сигнала рассеянного из канала рассеяния света, а также и скорости движения частицы, полученной из длительности оптического импульса сигнала флуоресцентного света, на значение фактической скорости движения частицы, полученное из канала доплеровского анемометра.

2. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой по п. 1, отличающийся тем, что источник света для возбуждения флуоресценции содержит светофильтр и фокусирующую оптику.

3. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой по п. 1, отличающийся тем, что источник света для возбуждения рассеяния содержит светофильтр для выделения требуемой спектральной области анализа и фокусирующую оптику.

4. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой по п. 1, отличающийся тем, что канал лазерной доплеровской анемометрии содержит светофильтр для выделения требуемой спектральной области анализа и фокусирующую оптику.

5. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой по п. 1, отличающийся тем, что содержит от одной до шести пар из источника света для возбуждения флуоресценции и приемника флуоресцентного света.

6. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой по п. 1, отличающийся тем, что анализирующий блок выполнен с блоком мобильной связи.

7. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой по п. 1, отличающийся тем, что анализирующий блок выполнен с блоком географической привязки.

8. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой по п. 1, отличающийся тем, что анализирующий блок выполнен с возможностью подключения компьютера.

9. Оптический экспресс-анализатор биопатогенных субмикронных частиц со встроенной калибровкой по п. 1, отличающийся тем, что источник питания выполнен с сетевым и/или аккумуляторным блоками питания.