WO2022098264A1 - Безлинзовый голографический осмометр - Google Patents
Безлинзовый голографический осмометр Download PDFInfo
- Publication number
- WO2022098264A1 WO2022098264A1 PCT/RU2021/050357 RU2021050357W WO2022098264A1 WO 2022098264 A1 WO2022098264 A1 WO 2022098264A1 RU 2021050357 W RU2021050357 W RU 2021050357W WO 2022098264 A1 WO2022098264 A1 WO 2022098264A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- sample
- osmometer
- properties
- holographic
- radiation source
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 29
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 11
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000013425 morphometry Methods 0.000 claims description 6
- 238000001093 holography Methods 0.000 claims description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 2
- 230000004304 visual acuity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 53
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 238000002103 osmometry Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 244000203593 Piper nigrum Species 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 3
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 3
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008045 co-localization Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000003562 morphometric effect Effects 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- 208000003556 Dry Eye Syndromes Diseases 0.000 description 1
- 206010013774 Dry eye Diseases 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000002790 cross-validation Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005206 flow analysis Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 206010023332 keratitis Diseases 0.000 description 1
- 201000010666 keratoconjunctivitis Diseases 0.000 description 1
- 238000000960 laser cooling Methods 0.000 description 1
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000001073 sample cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
- G01N13/04—Investigating osmotic effects
Definitions
- the invention relates to the field of research on the physical and chemical properties of matter, and in particular to methods and devices for measuring osmotic pressure in liquid and partially ordered media [G01N13/04, G01L11/02, G03H1/00],
- osmometers with fiber and a grating are known [CN 2938032 Y, publ.: 06/26/2006], [CN 201016745 Y, publ.: 12/21/2006], containing a pressure-transmitting transducer and a sensor element, a container with a membrane, a guide fitting (connected to a container and, accordingly, a membrane), a gauge fiber optic grating assembly, or a functionalized grid, with one end of the path fixed to the guide fitting.
- optical osmometers with a fiber optic probe and a simple diaphragm illuminated by light focused from the fiber optic probe, part which is returned through this probe to the optical detector.
- the pressure changes, which acts on the diaphragm and modulates the light flux that enters the detector in proportion to the change in pressure, and the change in pressure is interpreted in the mathematical software of the metrological process as a measure of the concentration of the analyzed substances in a liquid.
- This principle of optical osmometry is considered as a prototype of optical osmometers with a fiber-optic Bragg grating [CN101603873A, 07/14/2009], therefore, it has the same disadvantages, namely, it does not lead to obtaining many characteristics of phase transitions in a medium, does not characterize the phase structure or kinetics transformations; is not a position sensitive method.
- This method also does not work well for non-Newtonian liquids, the viscosity of which depends on the velocity gradient, especially in high-speed measurement modes, accompanied by reaction-diffusion processes in the osmometered system.
- optical osmometric device for ophthalmological (lacrimological) studies, based on the principles of SPR (surface plasmon resonance), which involves sampling for keratoconjunctivitis (dry eye syndrome) with a micropipette or other probe, after which the sample from the surface of the eye is applied to the sensitive surface of the prism, included in the optical registration system of surface plasmon resonance, the data from which are used for computer-mediated measurement of tear osmolarity [US20050159657A1, publ.: 08.01.2004].
- SPR surface plasmon resonance
- osmometer compatible with optical technology at the registration stage is a film osmometer on a chip.
- Sample osmolarity is measured on a chip by depositing an aliquot of the sample on a substrate, introducing liquid into the area of the substrate sample, and measuring the energy properties of the sample on the chip [US7017394B2, publ.: 06.08.2002]. It is possible to combine electrical impedance, cryoscopic and optical (including fluorescence) measurements of a single sample dose ( ⁇ 20 ⁇ l) in a chip in a synchronized mode.
- the disadvantages of this type of osmometers are the impossibility of position-sensitive measurements in the sample volume, the impossibility of establishing the colocalization of impedance, thermal and optical-fluorescent parameters in the sample space, the impossibility of using flow analysis methods.
- cryoscopic osmometers with optical control including a video microscope with a CCD camera and a backlight source made in the form of an LED, between which there is a measuring cell fixed in the heating-cooling unit.
- This configuration makes it possible to visualize phase transitions (from liquid to solid state) and enter their optical (morphometric) characteristics (descriptors) into the PC memory, where the phase transition point is detected using specialized software, which is used to determine the melting point, which, in turn, turn, is used to determine the osmolality in the NANOLITER OSMOMETER [US 20060245466 A1, publ.: 27.04.2005].
- the main technical problem of the prototype is the low accuracy of determining the melting point (phase transition point), due to the need to introduce an optical circuit with a lens into the cryoscopic osmometer circuit, on which moisture can condense from the cell, the impossibility of visualizing the distribution of phases in a three-dimensional format in the volume of the cell, the need to focus the microscope to view each individual structure or level of the sample surface, which affects the quality of the processed image.
- the objective of the invention is to eliminate the disadvantages of the prototype.
- the technical result of the invention is to improve the metrological quality and resolvometric characteristics of optical lensless recording of the properties of a substance when their temperature changes.
- a lensless holographic osmometer characterized by determining the change in the properties of the sample during cryoscopic exposure to it by the position of the beam from the radiation source passing through the sample on a position-sensitive matrix, characterized in that the change in the properties of the sample is detected by the formation of crystals sample, visualized when scanning the holographic projection of the sample on the plane of the position-sensitive matrix, at least one radiation source moving along the goniometric scale in several different discrete-stationary positions, while determining the non-optical properties and osmotic characteristics of the sample that change under cryoscopic exposure , thin-film elements are placed in the container with the sample.
- the osmotic characteristics of the sample are determined from the data of holographic volumetric morphometry of the response patterns of thin-film elements made in the form of membrane shells.
- thin-film elements are made in the form of thin-film converters of a non-optical analytical signal.
- the off-axis holography geometry is used to register the sample structure.
- the goniometric scale is 3D.
- the goniometric scale is made in the form of a protractor.
- the curvature of the goniometric scale is arbitrary.
- the gradation of the goniometric scale differs from the linear one.
- the radiation source is made in the form of a semiconductor laser source of tunable power and/or wavelength.
- the radiation source is made in the form of a matrix of coherent radiation sources with different wavelengths with tunable power and wavelength.
- the radiation source is made in the form of a multi-chip or phosphor LED.
- the figure shows a schematic representation of a lensless holographic osmometer, which shows: 1 - cryoscope capacity, 2 - sample cooling and thermal cycling unit, 3 - temperature controller, 4 - position-sensitive matrix, 5 - radiation source, 6 - goniometric scale, 7 - control unit, 8 - temperature sensor, 9 - angular positions of the light source.
- the lensless holographic osmometer contains a transparent container of a cryoscope 1, a cooling and thermal cycling unit 2, a temperature controller 3, a position-sensitive matrix 4, at least one radiation source 5 mounted on a goniometric scale 6, a control unit 7, and at least one temperature sensor eight.
- the cooling and thermal cycling unit 2 is mounted around the side walls of the cryoscope tank 1 and is made in the form of a solid element, for example, a Peltier element.
- the cooling and thermal cycling unit 2 is made in the form of an element based on the principles of laser heating and cooling of solids.
- the cooling and thermal cycling unit 2 is made in the form of a liquid cooler, for example, a microfluidic element.
- the position-sensitive matrix 4 made in the form of a CMOS matrix, a CCD matrix, a bolometric matrix, a scintillation position-sensitive detector, etc., is mounted under the capacitance of the cryoscope 1 in such a way that the light from the radiation source 5, mounted above the position-sensitive sensitive matrix 4, passing through the mentioned container 1, fell on the position-sensitive matrix 4.
- the radiation source 5 is made in the form of a single laser or a matrix of several lasers with different wavelengths, providing holography of the sample for several spectral ranges corresponding to the spectra of the sample components.
- the implementation of the radiation source 5 is made in the form of a single an LED or array of LEDs with a high collimation and, accordingly, a sharp radiation pattern at one or more wavelengths.
- the radiation source 5 is movably mounted on a goniometric scale 6 mounted above the surface of the position-sensitive matrix 4.
- the goniometric scale 6 is made with the possibility of movable positioning of the radiation source 5 with respect to the sample in the container of the cryostat 1 and can be made in the form of a protractor, while the movement is made around the axis lying in the projection zone on the plane of the position-sensitive matrix 4.
- the implementation the goniometric scale 6 is made in the form of any multiaxial system that provides the projection of the sample structures onto the position-sensitive matrix 4 with the center of symmetry in the plane of the said matrix 4.
- the goniometric scale 6 can have any orientation that does not prevent the formation of a beam from the radiation source 5 in the projection plane as axial and off-axis holograms with different in the sequence of registration points modes of movement of the radiation source 5 and scanning of the sample.
- the position-sensitive matrix 4 is connected to the control unit 7, which is configured to collect and process data from the position-sensitive matrix 4, in particular, to restore holographic patterns of the sample structure from sequential scan files by the radiation source 5 in different angular positions of the light source 9, as well as the formation of control signals to the temperature controller 3 depending on the change in the structure of the sample, crystallized and thermally cycled in the cryoscope tank 1 under the control of the temperature sensor 8, made, for example, in the form of a film thermosensor mounted in the cryoscope tank 1. Temperature sensor 8, regulator temperature 3 and the cooling and thermal cycling unit 2 are also connected to the control unit 7.
- a lensless holographic osmometer is used as follows.
- the freezing temperatures of analytes in the cryoscopy mode and data on osmolality in the osmometry mode are recorded, and the freezing temperature of the sample is detected by the control unit 7 by the formation of crystals in the capacity of the cryoscope 1, visualized in various scanning modes and holographic projections of the sample on the plane of the position-sensitive matrix 4 by a radiation source 5 moving along a goniometric scale 6 or by a matrix of radiation sources 5 of the same type in several discrete-stationary positions 8.
- cryoscopy modes or Pfeffer osmometry modes for mutual validation of the van't Hoff coefficient morphometry changes in the volume of membrane sensitive elements (shells) in the cryoscope 1 according to the morphometry of membrane shells pre-loaded into the mentioned container 1, equivalent to semipermeable films or membranes in Pfeffer osmometry and osmometry ic-active environment.
- the position-sensitive matrix 4 in this case works as a lensless microscope, and the position and configuration of the membrane shells are independent of the position of the radiation source 5, but are within the field of view of the lensless microscope.
- phase transition points are detected and the nature of said transition.
- the transition through the Curie point may be of interest, in particular, when irradiated with a source of coherent radiation, especially when the properties of electrical and magnetic symmetry in ferroelectrics and ferromagnets change abruptly; for antiferromagnets, the transition through the Neel point may also be of interest. , i.e.
- the measurement data can be localized on a single position-sensitive matrix of a flexible configuration without the introduction of electrodes and other additional sensors that prevent sample visualization.
- EFFECT improvement of metrological quality and resolvometric characteristics of optical lensless recording of the properties of a sample of a substance when its temperature changes, is achieved by mapping a plurality of sample properties in the process of detecting the sample temperature by visualizing in a volumetric format a sample placed in a cryoscope container 1 due to a lensless holographic projection of the sample on the plane of the position-sensitive matrix 4 passing through the volume of the sample, including thin-film elements placed in the specified volume, by a coherent or partially coherent radiation source 5 moving along a goniometric scale 6 or by a matrix of radiation sources 5 of the same type in several angular positions light source 9, while the measurement accuracy is limited only by the resolution of the position-sensitive matrix 4.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области исследований физических и химических свойств вещества, а именно к способам и устройствам для измерения осмотического давления в жидких и частично упорядоченных средах. Техническим результатом изобретения является повышение метрологического качества и резольвометрических характеристик оптической безлинзовой регистрации свойств вещества при изменении их температуры, который достигается за счет того, что безлинзовый голографический осмометр, характеризующийся определением изменения свойств образца при криоскопическом воздействии на него по положению луча от источника излучения, проходящего через образец на позиционно-чувствительной матрице, отличающийся тем, что изменение свойств образца детектируют по формированию кристаллов образца, визуализируемых при сканировании голографической проекции образца на плоскости позиционно- чувствительной матрицы, по крайней мере, одним источником излучения, движущимся по гониометрической шкале в нескольких отличных дискретно-стационарных позициях, при этом для определения неоптических свойств и осмотических характеристик образца, изменяющихся при криоскопическом воздействии, в емкость с образцом помещают тонкопленочные элементы.
Description
БЕЗЛ ИНЗОВЫЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ОСМОМЕТР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области исследований физических и химических свойств вещества, а именно к способам и устройствам для измерения осмотического давления в жидких и частично упорядоченных средах [G01N13/04, G01L11/02, G03H1/00],
Из предшествующего уровня техники известны осмометры с оптоволокном и решеткой (плоской диафрагмой) [CN 2938032 Y, опубл.: 26.06.2006], [CN 201016745 Y, опубл.: 21.12.2006], содержащие передающий давление трансдьюсер и сенсорный элемент, контейнер с мембраной, направляющий штуцер (соединенный с контейнером и, соответственно, мембраной), манометрическую оптоволоконно-решеточную сборку или функционализированную решетку, причём один конец тракта закреплен на направляющем штуцере. Подобную конструкцию и те же принципы преобразования сигнала имеют все так называемые «Брэгговские осмометры» или «осмометры с распределенным брэгговским отражателем (волоконной брэгговской решеткой)» в которых мембрана является сенсором давления, жидкость действует на мембрану, вызывая её деформацию, при вызываемом деформацией сжатии или растяжении решетки, в соответствии с законом Брэгга (условием Вульфа-Брэгга), изменяется длина волны излучения, поскольку меняется период решетки. Аналогичное происходит в случаях теплового изменения длины структуры, сдвигающего спектр отражения на решетке [CN101603873A, опубл.: 14.07.2009]. Технические различия осмометров этого типа заключаются в геометрии, схемах крепления деталей и типах уплотнения [CN104931190B, опубл.: 30.04.2009), но физические основы детектирования и преобразования осмотического давления в оптический сигнал для всех конструкций таких устройств идентичны.
Недостатки подобных технических решений заключаются в том, что использование волоконной брэгговской решетки может давать информацию о давлении и температуре, но не приводит к получению иных характеристик фазовых переходов в среде, и соответственно, не характеризует структуру фаз и кинетику превращений, не являясь позиционно-чувствительным методом.
Известны также оптические осмометры с оптоволоконным зондом и простой диафрагмой, освещаемой фокусируемым из оптоволоконного зонда светом, часть
которого возвращается через данный зонд на оптический детектор. При прохождении реакции в камере, в которой находится диафрагма и в которую вводится оптоволоконный зонд, давление изменяется, что действует на диафрагму и модулирует световой поток, попадающий на детектор, пропорционально изменению давления, а изменение давления интерпретируется в математическом обеспечении метрологического процесса как мера концентрации анализируемого вещества в жидкости. Этот принцип оптической осмометрии, как правило, рассматривается как прототип оптических осмометров с оптоволоконной брэгговской решеткой [CN101603873A, 14.07.2009], поэтому обладает теми же недостатками, а именно не приводит к получению многих характеристик фазовых переходов в среде, не характеризует структуру фаз или кинетику превращений; не является позиционно-чувствительным методом. Этот метод также плохо работает для неньютоновских жидкостей, вязкость которых зависит от градиента скорости, особенно на скоростных режимах измерений, сопровождающихся реакционно-диффузионными процессами в осмометрируемой системе.
Известен также оптический осмометрический прибор для офтальмологических (лакримологических) исследований, основанный на принципах SPR (поверхностного плазмонного резонанса), предусматривающий забор пробы на кератоконъюнктивит (синдром сухого глаза) микропипеткой или иным зондом, после чего образец пробы с поверхности глаза наносится на чувствительную поверхность призмы, входящей в оптическую систему регистрации поверхностного плазмонного резонанса, данные с которой используются для компьютерно-опосредованного измерения осмолярности слезы [US20050159657A1, опубл.: 08.01.2004].
Исследования с использованием данного прибора также не являются позиционночувствительными (картирующими образец). Кроме того, недостатками такого типа приборов являются необходимость частой замены призмы (поверхностей), обусловленная связыванием жидкого аналита с металлом напыленного слоя призмы, обусловливающим сигналы поверхностного плазмонного резонанса, измерение свойств не нативного образца, а продуктов его сорбционного взаимодействия с активной поверхностью (металлом), отсутствие возможности объёмной характеризации образца, связанное с характером сорбционного взаимодействия, затрагивающим только поверхностный слой пробы; сравнительно узкая биохимическая специфичность метода, связанная с разработкой баз данных SPR для не исчерпывающего потребности практики
числа аналитов и их неполной совместимости, связанной с спецификой различных методов измерения, в частности - отличиями конфигураций Отто и Кречмана.
Ещё одной разновидностью осмометров, совместимой с оптической техникой на этапе регистрации, является пленочный осмометр на чипе. Измерение осмолярности пробы осуществляется на чипе путем осаждения аликвоты образца на подложку, введения жидкости в зону образца субстрата, измерением энергетических свойств образца на чипе [US7017394B2, опубл.: 06.08.2002]. Возможно совмещение электроимпедансных, криоскопических и оптических (в том числе - флуоресцентных) измерений одной дозы образца (<20 мкл) в чипе в синхронизированном режиме. Недостатками данного типа осмометров являются невозможность позиционно-чувствительных измерений в объёме пробы, невозможность установления колокализации импедансных, термических и оптико-флуоресцентных параметров в пространстве пробы, невозможность использования проточных методов анализа.
Наиболее близкими по технической сущности являются криоскопические осмометры с оптическим контролем, включающие видеомикроскоп с ПЗС-камерой и источником контрового освещения, выполненным в виде светодиода, между которыми располагается измерительная ячейка, фиксируемая в узле нагрева-охлаждения. Данная конфигурация позволяет визуализировать фазовые переходы (из жидкого в твердое состояние) и вводить их оптические (морфометрические) характеристики (дескрипторы) в память ПЭВМ, где с помощью специализированного программного обеспечения детектируется точка фазового перехода, что используется для определения точки плавления, которая, в свою очередь, используется для определения осмоляльности в ОСМОМЕТРЕ НАНОЛИТРОВОМ [US 20060245466 А1, опубл.: 27.04.2005].
Основной технической проблемой прототипа является низкая точность определения точки плавления (точки фазового перехода), обусловленная необходимостью ввода в схему криоскопического осмометра оптической схемы с объективом, на котором может конденсироваться влага из ячейки, невозможностью визуализации распределения фаз в трёхмерном формате в объёме ячейки, необходимостью фокусирования микроскопа для просмотра каждой отдельной структуры или уровня расположения поверхности образца, что влияет на качество обрабатываемого изображения.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в повышении метрологического качества и резольвометрических характеристик оптической безлинзовой регистрации свойств вещества при изменении их температуры.
Указанный технический результат достигается за счет того, что безлинзовый голографический осмометр, характеризующийся определением изменения свойств образца при криоскопическом воздействии на него по положению луча от источника излучения, проходящего через образец на позиционно-чувствительной матрице, отличающийся тем, что изменение свойств образца детектируют по формированию кристаллов образца, визуализируемых при сканировании голографической проекции образца на плоскости позиционно-чувствительной матрицы, по крайней мере, одним источником излучения, движущимся по гониометрической шкале в нескольких отличных дискретно-стационарных позициях, при этом для определения неоптических свойств и осмотических характеристик образца, изменяющихся при криоскопическом воздействии, в емкость с образцом помещают тонкопленочные элементы.
В частности, осмотические характеристики образца определяют по данным голографической объёмной морфометрии паттернов отклика тонкопленочных элементов, выполненных в виде мембранных оболочек.
В частности, для определения неоптических свойств образца тонкопленочные элементы выполнены в виде тонкопленочных преобразователей неоптического аналитического сигнала.
В частности, при регистрации структуры образца используют геометрию внеосевой голографии.
В частности, гониометрическая шкала выполнена объемной.
В частности, гониометрическая шкала выполнена в форме транспортира.
В частности, кривизна гониометрической шкалы выполнена произвольной.
В частности, градация гониометрической шкалы отличается от линейной.
В частности, источник излучения выполнен в виде полупроводникового лазерного источника перестраиваемой мощности или/и длины волны.
В частности, для когерентной голографической регистрации на нескольких длинах волн источник излучения выполнен в виде матрицы когерентных источников излучения с различными длинами волн с перестраиваемой мощностью и длиной волны.
В частности, для некогерентной голографической регистрации на нескольких длинах волн источник излучения выполнен в виде многокристального или люминофорного светодиода.
На фигуре показано схематичное изображение безлинзового голографического осмометра, на котором показано: 1 - емкость криоскопа, 2 - блок охлаждения и термоциклирования образца, 3 - регулятор температуры, 4 - позиционно-чувствительная матрица, 5 - источник излучения, 6 - гониометрическая шкала, 7 - блок управления, 8 - температурный датчик, 9 - угловые позиции источника света.
Осуществление изобретения.
Безлинзовый голографический осмометр содержит прозрачную емкость криоскопа 1, блок охлаждения и термоциклирования 2, регулятор температуры 3, позиционночувствительную матрицу 4, по крайней мере, один источник излучения 5, смонтированный на гониометрической шкале 6, блок управления 7 и, по крайне мере, один температурный датчик 8.
Блок охлаждения и термоциклирования 2 смонтирован вокруг боковых стенок емкости криоскопа 1 и выполнен, в виде твердотельного элемента, например, элемента Пельтье. В одном из вариантов реализации блок охлаждения и термоциклирования 2 выполнен в виде элемента, основанного на принципах лазерного нагрева и охлаждения твердых тел. В другом варианте реализации блок охлаждения и термоциклирования 2 выполнен в виде жидкостного охладителя, например, микрофлюидного элемента.
Позиционно-чувствительная матрица 4, выполненная в виде КМОП-матрицы, ПЗС- матрицы, болометрической матрицы, сцинтилляционного позиционно-чувствительного детектора и т.д., смонтирована под емкостью криоскопа 1 таким образом, чтобы свет от источника излучения 5, смонтированного над позиционно-чувствительной матрицей 4, проходящий через упомянутую емкость 1, падал на позиционно-чувствительную матрицу 4.
Источник излучения 5 выполнен в виде одиночного лазера либо матрицы нескольких лазеров с различной длиной волны, обеспечивающих голографирование образца для нескольких спектральных диапазонов, соответствующих спектрам компонент образца. В другом варианте реализации источник излучения 5 выполнен в виде одиночного
светодиода или матрицы светодиодов с высокой коллимацией и, соответственно, острой диаграммой направленности при одной или нескольких длинах волн.
Источник излучения 5 подвижно смонтирован на гониометрической шкале 6, смонтированной над поверхностью позиционно-чувствительной матрицы 4.
Гониометрическая шкала 6 выполнена с возможностью подвижного позиционирования источника излучения 5 по отношению к образцу в емкости криостата 1 и может быть выполнена в форме транспортира, при этом движение производится вокруг оси, лежащей в зоне проекции на плоскости позиционно-чувствительной матрицы 4. В другом варианте реализации гониометрическая шкала 6 выполнена в виде любой многоосной системы, обеспечивающей проекцию структур образца на позиционно-чувствительную матрицу 4 с центром симметрии в плоскости расположения упомянутой матрицы 4. Гониометрическая шкала 6 может иметь любую ориентацию, не препятствующую формированию в плоскости проекции пучка от источника излучения 5 как осевой, так и внеосевой голограммы при различных по последовательности точек регистрации режимах перемещения источника излучения 5 и сканирования образца.
Позиционно-чувствительная матрица 4 подключена к блоку управления 7, выполненному с возможностью сбора и обработки данных с позиционно-чувствительной матрицы 4, в частности, для восстановления голографических картин структуры образца по последовательным файлам сканирования источником излучения 5 в отличных друг от друга угловых позициях источника света 9, а также формирования управляющих сигналов на регулятор температуры 3 в зависимости от изменения структуры образца, кристаллизируемого и термоциклируемого в емкости криоскопа 1 под контролем температурного датчика 8, выполненного например, в виде пленочного термосенсора, смонтированного в емкости криоскопа 1. Температурный датчик 8, регулятор температуры 3 и блок охлаждения и термоциклирования 2 также подключены к блоку управления 7.
Безлинзовый голографический осмометр используют следующим образом.
В прозрачную емкость криоскопа 1, расположенную над плоскостью проекции позиционно-чувствительной матрицы 4, после калибровки последней по пустой емкости криоскопа 1, вносят образец вещества. После внесения пробы вещества в блоке управления 7 задают для регулятора температуры 3 температурные режимы, по которым
блоком для охлаждения и термоциклирования 2 охлаждают или термоциклируют образец.
По результатам процессов охлаждения и термоциклирования образца с помощью температурного датчика 8 фиксируют температуры замерзания аналитов в режиме криоскопии и данные об осмоляльности в режиме осмометрии, причём температуру замерзания образца детектируют блоком управления 7 по формированию кристаллов в емкости криоскопа 1, визуализируемых в различных режимах сканирования и голографической проекции образца на плоскости позиционно-чувствительной матрицы 4 источником излучения 5, движущимся по гониометрической шкале 6 или матрицей источников излучения 5 того же типа в нескольких дискретно-стационарных позициях 8. Для реализации режимов криоскопии или режимов осмометрии по Пфефферу для взаимной валидации коэффициента Вант-Гоффа морфометрируют изменения объёма мембранных чувствительных элементов (оболочек) в криоскопе 1 по морфометрии предварительно загруженных в упомянутую емкость 1 мембранных оболочек, эквивалентных полупроницаемым пленкам или мембранам в осмометрии по Пфефферу и осмотически-активной среды. Позиционно-чувствительная матрица 4 в этом случае работает как безлинзовый микроскоп, причём положение и конфигурация мембранных оболочек независимы от положения источника излучения 5, но находятся в пределах поля зрения безлинзового микроскопа.
Данный принцип регистрации позволяет детектировать характеристики фазовых переходов, сопутствующих осмотическим (осмометрируемым) изменениям в образце и вводить их комплексные (как оптические, так и неоптические) морфометрические характеристики (дескрипторы) в память блока управления 7, где, с использованием известных дескрипторов детектируют точки фазового перехода и характер указанного перехода. Например, для большинства фазовых переходов II рода может быть интересен переход через точку Кюри, в частности - при облучении источником когерентного излучения, особо - при скачкообразном изменении свойств электрической и магнитной симметрии в сегнетоэлектриках и ферромагнетиках, у антиферромагнетиков также может быть интересен переход через точку Нееля, т.е. антиферромагнитную точку Кюри, что используют для идентификации дополнительных параметров точки фазового перехода (точки плавления), которую, в свою очередь, используют при определения осмоляльности. При этом, за счет использования тонких пленок, не препятствующих голографическим режимам в заданной полосе частот (длин волн), данные измерения
могут быть локализованы на единой позиционно-чувствительной матрице гибкой конфигурации без внедрения электродов и иных дополнительных датчиков, препятствующих визуализации образца.
Технический результат - повышение метрологического качества и резольвометрических характеристик оптической безлинзовой регистрации свойств образца вещества при изменении его температуры, достигается за счет картирования множества свойств образца в процессе детектирования температуры образца путем визуализации в объёмном формате образца, помещенного в емкость криоскопа 1 за счет безлинзовой голографической проекции образца на плоскости позиционно-чувствительной матрицы 4 проходящим через объем образца, в том числе и через тонкопленочные элементы, помещенные в указанный объем, когерентным или частично когерентным источником излучения 5, движущимся по гониометрической шкале 6 или матрицей источников излучения 5 того же типа в нескольких угловых позициях источника света 9, при этом точность измерений ограничена лишь разрешающей способностью позиционночувствительной матрицы 4. При этом, если говорить о возможностях картирования множества свойств образца в процессе детектирования температуры образца путем визуализации в объёмном формате образца, то, очевидно, что изменяется не только резольвометрическая характеристика изображения (сепарабельно по каждому из свойств (каналов), но и общее метрологическое качество и возможность кросс-калибровки (кроссвалидации) измерений.
Испытания разработанного согласно описанию безлинзового голографического осмометра автором изобретения позволил не только визуализировать структуры кристаллизующегося образца или мембранных оболочек с позиционной и угловой чувствительностью в голографической визуализации без использования оптического тракта, но и сопоставить результаты измерений в криоскопическом и Пфефферовском осмометрическом режимах, а также установить колокализацию и корреляцию различных переменных в фазовой структуре исследуемой среды при различных эффективных концентрациях растворенного вещества и температурах замерзания растворов, что подтверждает достижение технического результата.
Claims
1. Безлинзовый голографический осмометр, характеризующийся определением изменения свойств образца при криоскопическом воздействии на него по положению луча от источника излучения, проходящего через образец на позиционно-чувствительной матрице, отличающийся тем, что изменение свойств образца детектируют по формированию кристаллов образца, визуализируемых при сканировании голографической проекции образца на плоскости позиционно-чувствительной матрицы, по крайней мере, одним источником излучения, движущимся по гониометрической шкале в нескольких отличных дискретно-стационарных позициях, при этом для определения неоптических свойств и осмотических характеристик образца, изменяющихся при криоскопическом воздействии, в емкость с образцом помещают тонкопленочные элементы.
2. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что осмотические характеристики образца определяют по данным голографической объёмной морфометрии паттернов отклика тонкопленочных элементов, выполненных в виде мембранных оболочек.
3. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что для определения неоптических свойств образца тонкопленочные элементы выполнены в виде тонкопленочных преобразователей неоптического аналитического сигнала.
4. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что при регистрации структуры образца используют геометрию внеосевой голографии.
5. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что гониометрическая шкала выполнена объемной.
6. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что гониометрическая шкала выполнена в форме транспортира.
7. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что кривизна гониометрической шкалы выполнена произвольной.
8. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что градация гониометрической шкалы отличается от линейной.
9. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде полупроводникового лазерного источника перестраиваемой мощности или/и длины волны.
9
10. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что для когерентной голографической регистрации на нескольких длинах волн источник излучения выполнен в виде матрицы когерентных источников излучения с различными длинами волн с перестраиваемой мощностью и длиной волны.
11. Осмометр по п.1, отличающийся тем, что для некогерентной голографической регистрации на нескольких длинах волн источник излучения выполнен в виде многокристального или люминофорного светодиода.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020136554A RU2758153C1 (ru) | 2020-11-06 | 2020-11-06 | Безлинзовый голографический осмометр |
| RU2020136554 | 2020-11-06 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2022098264A1 true WO2022098264A1 (ru) | 2022-05-12 |
Family
ID=78289781
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2021/050357 WO2022098264A1 (ru) | 2020-11-06 | 2021-10-27 | Безлинзовый голографический осмометр |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2758153C1 (ru) |
| WO (1) | WO2022098264A1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004017050A1 (en) * | 2002-08-06 | 2004-02-26 | The Regents Of The University Of California | Tear film osmometry |
| US20060245466A1 (en) * | 2005-04-27 | 2006-11-02 | Corbett Christopher J | Nanoliter osmometer and method of operation |
| CN108548798A (zh) * | 2018-03-07 | 2018-09-18 | 南京中医药大学 | 与细胞内胶体渗透压相关的生物大分子光学检测方法及其相关药物筛选方法的构建和应用 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4725142A (en) * | 1983-09-20 | 1988-02-16 | University Of Delaware | Differential holography |
-
2020
- 2020-11-06 RU RU2020136554A patent/RU2758153C1/ru active
-
2021
- 2021-10-27 WO PCT/RU2021/050357 patent/WO2022098264A1/ru active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004017050A1 (en) * | 2002-08-06 | 2004-02-26 | The Regents Of The University Of California | Tear film osmometry |
| US20060245466A1 (en) * | 2005-04-27 | 2006-11-02 | Corbett Christopher J | Nanoliter osmometer and method of operation |
| CN108548798A (zh) * | 2018-03-07 | 2018-09-18 | 南京中医药大学 | 与细胞内胶体渗透压相关的生物大分子光学检测方法及其相关药物筛选方法的构建和应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2758153C1 (ru) | 2021-10-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7033542B2 (en) | High throughput screening with parallel vibrational spectroscopy | |
| KR101983400B1 (ko) | 2차원 샘플 어레이의 검출 및 이미징을 위한 시스템 및 방법 | |
| US6594011B1 (en) | Imaging apparatus and method | |
| JP4016403B2 (ja) | 分析方法および分析装置 | |
| US6833920B2 (en) | Apparatus and method for imaging | |
| AU2001246447B2 (en) | Spr sensor system | |
| US20050214167A1 (en) | High throughput screening with parallel vibrational spectroscopy | |
| JP3579321B2 (ja) | ２次元イメージング表面プラズモン共鳴測定装置および測定方法 | |
| US7193711B2 (en) | Imaging method and apparatus | |
| JP6134719B2 (ja) | 試料配列の自己対照型検出及び撮像のためのシステム及び方法 | |
| US20050052655A1 (en) | Spr interferometer | |
| US20100027008A1 (en) | On-Chip Polarimetry for High-Throughput Screening of Nanoliter and Smaller Sample Volumes | |
| CN1144906A (zh) | 薄膜厚度和折射率的成像检测法及其设备 | |
| US10094695B2 (en) | Interferometric measurement of liquid volumes | |
| CN100575927C (zh) | 光激发彩色表面等离子体共振成像仪 | |
| RU2758153C1 (ru) | Безлинзовый голографический осмометр | |
| WO2003060446A9 (en) | Apparatus and method for imaging | |
| WO2013089624A1 (en) | Systems and methods for high throughput detection and imaging of sample arrays using surface plasmon resonance | |
| JP2004531719A (ja) | イメージングの装置及び方法 | |
| US20020093654A1 (en) | Apparatus and method for imaging | |
| KR100691528B1 (ko) | 단백질 칩 분석용 표면 플라즈몬 주사 현미경 장치 | |
| JP2004325396A (ja) | 信号読取装置の感度評価方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 21889704 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 21889704 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| 32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205 DATED 13/11/2023) |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 21889704 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |