Фотометрические детекторы иммунного и химического экспресс-анализа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ
Евстрапов, Анатолий Александрович
АВТОР
|
||||
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
1994
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ АНАЛИТИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Для служебного пользования
ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ ИННУННОГО И ХИНИЧЕСКОГО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА
01.04.01 - Техника Физического эксперимента. Физика приборов, автоматизация Физических исследований
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
На правах рукописи
ЕВСТРАПОВ Анатолий Александрович
УДК 535. Н'И.б
Санкт-Петербург 1994
Работа выполнена в Институте аналитического приборостроения РАН
Научный руководитель: кандидат технических наук,
Курочкин в. е.
Официальные оппоненты: доктор Физико-математических наук,
Козлов М. Г.
кандидат технических наук, доцент Неделин П. Н.
Ведущая организация - Фирма "Аналитические приборы"
АО "Научные приборы"
Зашита состоится " ¥ " ию/иА 1994 г. в /¿5час,
на заседании специализированного совета к 003.053.01 в Институте аналитического приборостроения РАН, 196103, С.-Петербург, Рижский проспект. 26
С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке Института аналитического приборостроения РАН.
Автореферат разослан " 1994 г.
Ученый секретарь специализированного
совета, к. Ф. -м. н. гт^^Т А. Г. Каменев
ОЬ'ЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Практическая потребность медицины. Фармакологии, биотехнологии, химии. электрохимии, сельского хозяйства, экологии п простых экспрессных и высокоеелективных методах анализа и контроля компонентов твердых и жидких сред вызвала интенсивное развитие комбинированных и гибридных методов анализа, основанных на совмещении стадий селективного выделения, концентрирования и количественного определения искомого компонента. Наибольшее развитие получили достаточно дешевые, не требуюшие особой квалификации при подготовке и проведении, но тем не менее точные нетоды анализа. Такие методы, сочетающие передовые достижения в разных областях науки и техники (в тон числе: биохимии, оптики. электроники), являются наукоемкими. Примерами могут служить "слайдовые" системы Фирмы KodaK (США), многослойные аналитические пленки Фирмы Boehrlnger Hannhelm GmbH (Германия), предназначенные для клинических анализов и требуюшие относительно недорогостоящих и надежных специализированных приборов и устройств.
Наряду с развитием гибридных методов анализа по-прежнему велика роль классических вариантов иммунного и биохимического анализа. Широкое внедрение различных методик иммуноферментного и биохимического микроанализа и практику лабораторных исследований, выпуск большого ассортимента коммерческих препаратов для этих вариантов анализа определили возросшую потребность в аппаратурном обеспечении. Требования к высокой производительности приборов обусловили появление многоканальных детектирующих устройств, таких как Vmax Kinetic Microplate Reader Фирны Molecular Devices (США). Создание отечественных приборов подобного класса приводит к необходимости освоения новых технологий, использования прогрессивной элементной базы или разработки иных концепций построения Фотометрических детекторов. Контроль технологических процессов ряда промышленных произ-
водсти непосредственно основан на проведении дискретного анализа проб, включающего этапы пробоотбора. длительной и многостадийной пробоподготовки анализируемого раствора и процесс детектирования. Проведение такого анализа, особенно в случае токсичных, агрессивных и комплексообразуюших сред, трудоемко и требует определенной квалификации обслуживающего персонала. Некоторые этапы анализа, такие как подготовка пробы и детектирование, удается автоматизировать, но при этом используются механические, гидравлические или пневматические системы, обладающие невысокой надежностью при эксплуатации. Применение гибридных методов анализа дает возможность устранить от неченные недостатки.
В Институте аналитического приборостроения РАН получены гонко слойные оптически прозрачные чувствительные элементы (ЧЭ) - нласги Фицированные индикаторные мембраны (ИИМ), обеспечивающие проведение селективного извлечения, концентрирования и образования окрашенного комплекса с искомым компонентом. Такой ЧЭ, помешенный в оправу, представляет собой сенсор, предназначенный для определения данного компонента. Специфической особенностью ЧЭ являются малые, ограниченные разнеры тонкого слоя. Геометрические и оптические характеристики ЧЭ как объекта Фотометрирования. определяют требования, предъявляемые к измерительному прибору. Использование тонкого слоя приводит к необходимости измерений ЧЭ в отраженном свете.
Литературный обзор показал отсутствие работ, посвященных Фотометрическим измерениям селективно поглошаюших тонкослойных объектов ограниченного размера. Поэтому, при разработке специализироканного детектора, первоочередной задачей являлось рассмотрение процессов распространения светового потока в ЧЭ при фотометрировании и определение адекватности получаемой при измерении оценки светопоглоше-ния ее истинному значению в зависимости от концентрации образовавшихся комплексов, что оказалось ранее неисследованным случаем. Существенным является изучение влияния оптических и геометрических
характеристик ЧЭ и отражающей подложки на получаемую оценку и нахождение соотношений, позволяющих выбрать углы регистрации светового потока и поля зрения Фотоприемного устройства.
Проектирование специализированных Фотометрических детекторов требует оптимизации оптоэлектронного тракта с целью получения не только необходимых точностных характеристик, но и обеспечения низкой стоимости и малых габаритов детектора. Литературный обзор выявил отсутствие работ, посвященных оптимизации реального оптоэлектронного тракта детектора при учете спектральных характеристик источника излучения с ограниченной мощностью. Фотоприемного устройства с конечной чувствительностью, исследуемого объекта в заданном диапазоне светопропускания и выбранной разрядности аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Комплекты средств для экспресс-анализа выпускаются некоторыми зарубежными фирмами, такини как Boehrmeer Hannhelm GmbH (Германия). HILES Laboratories Inc. (США), Macherey-Haeel GmbH (Германия), и предназначены, в-основном, для биохимических исследований. Аналогичных отечественных разработок на данный монент времени не выявлено.
Из вышеприведенного очевидна актуальность темы диссертации как в теоретическом, так и в прикладной аспектах. Проработка отнеченных положений позволяет внести вклад в развитие научных основ проектирования Фотометрических детекторов, выработать нетодику расчета и оптимизации гибридного детектора и создать основу для нового класса приборов инмунного и химического экспресс-анализа.
Цель работы.
Разработка научных основ проектирования Фотометрических детекторов иммунного и химического экспресс-анализа. . их применение при создании приборов и внедрение разработанных приборов в производство.
Цель работа достигается путей решения следующих задач: - исследование в ранках геометрической оптики распространения све-
товог'о потока в оптически прозрачном селективно ноглошаюшем тонко-слойном чувствительном элементе ограниченного размера сопряженном с отражавшей подложкой;
- исследование влияния условий регистрации отраженного светового потока, геометрических и Физико-химических характеристик чувстви тельного элемента и подложки на величину информативного сигнала;
- разработка новой модели и метода оптимизации оптоэлектронного тракта фотометрических детекторов в условиях мтлниченных мощности источника излучения, чувствительности фотоприемного устройства, разрядности АШ1 при учете спектральных характеристик элементов тракта и измеряемого объекта;
- разработка гибридных детекторов для нового класса приборов химического и иммунного экспресс-анализа;
- внедрение приборов с Фотометрическими детекторами в производство и в практику лабораторного химического и иммунного анализа.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на методах геометрической оптики и методах численного моделирования, экспериментальные исследования представлены результатами натурного и полунатурного моделирования. Научная новизна работы.
Решена научно-практическая задача, заключающаяся в создании и развитии основ построения гибридных Фотометрических детекторов нового класса приборов для химического и иммунного экспресс-анализа, а именно:
1. Исследовано распространение светового потока в оптически прозрачном селективно ноглошаюшем тонкослойном чувствительном элементе ограниченного размера, сопряженном с отражающей подложкой, в приближениях геометрической оптики, как ранее неизученного случая. Получены выражения, связывающие величину отраженного светового потока с оптическини и геометрическими характеристиками ЧЭ и подложки.
2. Получены оценки отражательной способности ЧЭ-подложка и доказа
по. что при проведении измерений светопоглошения элемента в отраженном еноте достигается большая чувствительность по сравнению с измерениями в проходящем свете, при этом обеспечивается возможность получения большего динамического диапазона измерений. .5. Выявлено влияние условий регистрации отраженного светового потока, оптических и геометрических характеристик элемента и подложки на величину информативного сигнала. Получены соотношения, определявшие значения угла поля зрения и угла регистрации светового потока в зависимости от характеристик элемента и подложки. 'I. Предложена новая модель оптоэлектронного тракта фотометрических детекторов с учетом: ограниченной мощности источника излучения, конечных спектральной чувствительности Фотоприенного устройства и разрядности ЛИН, известных спектральных зависимостей продукта химического или иммунного взаимодействия, позволяющая проводить оптимизацию детекторов.
Практическая ценность. Для целей практики в работе были получены следующие результаты:
на основе теоретических положений настоящей работы разработана инженерная методика расчета гибридных Фотометрических детекторов;
получена модель оптоэлектронного тракта, позволяющая оптимизировать детектор по критерию достижения минимальной погрешности Фотометрических измерений в условиях ограниченных мощности источника излучения и разрядности ЛШ1, с учетом спектральных характеристик оптических элементов. Фотоприемного устройства и объекта измерений; - предложена базовая оптическая схема многоканального Фотометрического детектора, отличающаяся простотой используемых элементов, не требующих сложных технологий при изготовлении, и позволяющая получить ряд конструкций высокочувствительных многоканальных детекторов с малым энергопотреблением, небольшими габаритами и массой;
разработан Фотометрический детектор для нового класса приборов
химического и иммунного экспресс-анализа на основе использования тонкослойных чувствительных элементов.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы получены при выполнении:
-опытно-конструкторской работы т. 1558/905 "Многоканальный фотометр для имнуноФерментного анализа", осуществленной в рамках Постановления Совета Министров СССР N 80Т от 26 августа 1985 г.; -научно-исследовательской работы т. 0191/153 НИР-И "Разработка методических основ по созданию приборов твердофазного иммунного анализа". проведенной в соответствии с Комплексной Программой Научно-технического прогресса стран-членов СЭВ (задание 1.4.1 и 1.4.2. п. 10 -"Кинетические системы контроля и анализа на основе различных видов Физической регистрации иммуноспецифических взаимодействий"); -научно-исследовательской работы т. 0122/1вг НИР-И "Комплекс средств контроля и анализа иммуноспецифических взаимодействий на основе Физических методов регистрации", выполненой в соответствии с Комплексной Программой Научно-технического прогресса стран-членов СЭВ (задание 1. 4. 1 и 1. 4. г. п. Ю);
-научно-исследовательской работы т. 0150/141 НИР-И "Научные основы перфузионно-экстракционных мембранных процессов. Комбинированные и гибридные методы индикации веществ, основанные на их использовании". осуществленной по заказу ННТК "Научные приборы".
Результаты работы в части создания и оптимизации базовой оптической схемы многоканального Фотометрического детектора использованы: -в многоканальном Фотометре "Линкей". внедренном в серийное производство на НПК "Аналитические системы и ИФА" АО "Научные приборы";
-в восьмиканальных -астрах (трех различных модификациях: с высокой, средней и низкой производительностью измерений), внедренных на НГП "Недис".
Методика расчета гибридного детектора применена при разработке
Фотометра отраженного света, входящего в комплект средств для химического экспресс-анализа, изготовленного малой серией ТОО "СКАН" , совнестно с Институтом аналитического приборостроения РАН. Защищаемые положения.
1. Теоретические основы проектирования гибридных детекторов для иммунного и химического экспресс-анализа с использованием тонкослойных оптически прозрачных чувствительных элементов ограниченного размера, сопряженных с отражающей подложкой и обладающих селективной спектральной зависимостью.
2. Модель и способ оптимизации оптоэлектронного тракта Фотометрических детекторов с учетом: ограниченной мощности источника излучения, конечных спектральной чувствительности Фотоприемного устройства и разрядности АЦП, известных спектральных зависимостях оптичес-ских элементов тракта и объекта измерений.
3. Нетодика расчета Фотометрических детекторов с использованием чувствительных элементов с заданными характеристиками.
4. Конструкции гибридных фотометрических детекторов для иммунного и химического экспресс-анализа, их реализация и внедрение в практику лабораторного анализа.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на сенинарах лаборатории ИАП РАН, а также были представлены на следующих конференциях:
- European conference on analytical chemistry "Euroanalysls VII". Vienna, Austria. August 26-31, 1990;
- Ill Всесоюзная конференция по методам концентрирования в аналитической химии, пос. Черноголовка, 16-20 сентября 1990 г. ;
- VI Всесоюзная конференция по аналитической химии органических веществ "КАХОВ-91", Носква. 23-25 января 1991 г.;
- Всероссийская научно-техническая конференция "Информационно-управляющие и вычислительные комплексы на основе новых технологий. Нау-
ка и маркетинг". С.Петербург. 4-6 сентября 1992 г. ; - international organic substances solvent extraction conference, ISECOS'92. Voronezh. Russia. September 22-25. 1992.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ и получено авторское свидетельство.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков. 7 таблиц и 107 библиографических ссылок на литературу. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.
СОДКРХАНИК РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, перечислены защищаемые положения, отмечена научная новизна и практическая значимость, приведены сведении об апробации.
В первой главе на основе литературных данных рассмотрены нето ды химического и иммунного анализа и перспективы их развития. Обсуждены основные преимущества комбинированных и гибридных методов. Фотометрические измерения в отраженном свете тонкослойных оптически прозрачных хемо- или иммуночувствительных элементов дают возможность реализовать экспрессность и высокую чувствительность при определении искомого компонента. Отмечено, что фотометрия тонкослойных объектов ограниченного размера, обладающих селективной зависимостью светопоглошения. является ранее неизученным случаем и требует исследования распространения светового потока в измеряемом объекте и получения оценок светопоглошения, адекватных его истинному поглощению. Анализ существующих методов и средств измерений оптических характеристик тонких слоев показал необходимость разработки правил, позволяющих на основе полученных оценок светопоглошения объекта создавать оптимальные гибридные детекторы.
Во второй главе в ранках геометрической оптики рассмотрено ра-
снространение светового потока в оптически прозрачной тонкослойной среде ограниченного размера, селективно поглотавшей излучение в узком диапазоне длин волн и сопряженной с отражающей подложкой.
Показано, что световой поток, отраженный сенсором, в-основнон, определен составляющими первого отражения от подложки и многократных отражений с большой яркостью, вклад которых в результирующий поток зависит от полного внутреннего отражения от границ раздела сред ЧЭ-воздух, геометрических и оптических характеристик ЧЭ и подложки. При рассмотрении распространения потока получено, что оценка отражательной способности сенсора, с определенными допущениями, выражается следующим образом:
и
где 0 -угол внутри ЧЭ, образованный норналыо к поверхности элемен-
?=тт-е . и»
¿0=
правлением, относительно которого определяется оценка;
Ве~2£е р- г1 с/6 & р-2££/смв¿д
£ коэффициент экстинкции поглощающих комплексов в ЧЭ; Е. -толщина чэ;рв(&]-Функция отражения подложки; -коэффициент полного внутреннего отражения;р/0(&/ -коэффициент отражения от границы раздела ЧЭ-воздух; 6{ -значения углов, определяемые геометрическими
и оптическими характеристиками ЧЭ и подложки. Исследована зависимость полученной оценки отражательной способности сенсора от геометрических и оптических характеристик ЧЭ и отражающей подложки. Из Формулы (1) следует, а в работе подробно показано, что при определенных параметрах ЧЭ и подложки, а также условиях регистрации отра-
женного светового потока достигается:
- выигрыш в чувствительности при измерениях сенсора в отраженном свете по сравнению с измерениями в проходящем свете по крайней мере в ( д- > Раз во всем диапазоне изменений £{. за счет увеличения длины оптического пути, обусловленного свойствами подложки;
- дополнительное увеличение чувствительности измерений в интервале малых поглощений элемента за счет увеличения длины оптического пути, обусловленного полным внутренним отражением от границ раздела ЧЭ-воздух.
При малых величинах поглощения ЧЭ достигается большая чувствительность измерений, что является важным фактором при определении пороговых значений концентрации и при исследованиях в кинетическом ре жиме измерений. При больших значениях светопоглошения ЧЭ влияние эффектов ПВО на отражательную способность сенсора падает и выигрыш в чувствительности несколько ниже, чем при малых поглощениях, но это позволяет проводить измерения в области больших поглощений ЧЭ. Таким образом, существует потенциальная возможность получения широкого динанического диапазона при определении концентраций искомого компонента методой фотометрии в отраженном свете тонкослойных хомо-и иммлючувствительных элементов ограниченного размера, сопряженных с отражающей подложкой.
Показано, что отмеченное преимущество реализуется при определении оценки отражательной способности, связанной с характеристиками Фотоприемного тракта соотношением:
^ = е /»С/6 *в ' (2)
6j-.cC>
где -угол регистрации светового потока, сд -угол поля зрения фотоприемного устройства, из выражения (2) следует, что выбор угла регистрации отраженного света определяется требуемой чувствительностью измерений, а угла поля зрения - величинами оценки отражатель-
ной способности при максимальном светоноглошении ЧЭ и точностными характеристиками Фотометрического детектора.
Получены границы области опенок сенсора для всего динамического диапазона концентраций определяемого веиества, что позволяет выбрать необходимые параметры фотоприенного тракта. Отмечено, что при использовании материалов подложки с диффузным (или близким к диффузному) отражением удается получить высокое значение логарифма опен-л
ки Ч за счет эффективного увеличения длины оптического пути и. тен самый, повысить чувствительность измерений.
Предложена модель оптоэлектронного тракта Фотометрического детектора и рассмотрены правила его оптимизации по критерию достижения минимальной погрешности при измерениях селективно поглощающего
/уП7
объекта в выбранном диапазоне светопропускания ( • в усло-
виях ограничений мощности источника излучения, чувствительности Фотоприемного устройства и разрядности АШ1. Оптимизация сводится к нахождению параметров тракта, доставляющих минимальную погрешность:
где к-2т-((Л): Тоо, -истинное значение светопропускания
'Ч/й ^
исследуемого объекта в максимуме поглощения Ар," Ту-(А) -спектральная функция коэффициента светопропускания объекта; /7/7^ -спектральная аппаратная функция детектора; Ш -разрядность АПП; и -значения длин волн, соответствующих гр шинам анализируеной спектральной области; (р - 1. 2.
Модель оптоэлектронного тракта позволяет учитывать влияние спектральных характеристик оптических элементов, источника излучения, Фотоприемного устройства, параметров АЦП на величину систематической составляющей погрешности измерений при заданном динамичес-кон диапазоне светопоглошения и известных спектральных характеристиках изнеряеного объекта. Приведены нодельные функции для описания
спектральных характеристик элементов тракта.
Разработанная модель использована для оптимизации оптоэлектро-нных трактов многоканального фотометрического детектора и гибридного детектора нетодои компьютерного моделирования, что дало возможность получить высокочувствительные компактные устройства с малым энергопотреблением.
В третьей главе изложена нетодика расчета гибридного детектора с использованием тонкослойных прозрачных чувствительных элементов, основанная на модификации известной нетодики расчета оптоэлектрон-ного тракта абсорбционных Фотометров.
В методике использованы полученные в настояшей работе теоретические оценки светопоглошения сенсора, правила выбора и соотношения. определяющие параметры Фотоприенного устройства, нодель и способ оптимизации оптоэлектронного тракта по критерию достижения наименьшей погрешности измерений. Нетодика позволяет определить требования к элементам гибридного детектора, рассчитать основные конструктивные параметры, обеспечивающие заданные чувствительность, динамический диапазон и погрешность измерений.
Четвертая глава посвяшена проверке основных теоретических положений настояшей работы и содержит экспериментальные данные, полученные при измерениях светопоглошения имитаторов сенсоров в отраженной и в проходящем свете, а также при определении концентраций ионов металлов в жидких пробах с помошыэ хемосенсоров.
Измерения имитаторов сенсоров, с целью выявления соответствия экспериментальных оценок теоретическим, проводились на спектрофотометре SPEKOL 221 Фирмы Carl Zeiss Jena (Германия), оснашеннон специальной приставкой для измерений отраженного света. Имитаторами являлись круглые пластины из стандартизованного стекла марки НС. сопряженные с толстой отражающей подложкой из Фторопласта Ф-4. Измерения показали, что экспериментальная зависимость укладывается
между границами теоретических оценок, определяющими верхнее и нижнее значения получаемого результата. Причем, при больших величинах снетопоглошения экспериментальная оценка сходится к нижнему значению. что подтверждает выводы второй главы о преобладающем влиянии первого отражения на результирующий световой поток, относительная погрешность отклонения экспериментальных результатов от границ теоретических оценок не превышает!б г. Корреляция между оценками поглощения в отраженном и в проходящем свете соответствует полученным теоретическим зависимостям.
Определение концентраций ионов металлов н жидких средах осуществлялось с помощью хемосенсорон сш и СИЗ на Фотометре отраженного снечм. разработанном н соответствии с методикой расчета гибридного детектора. Нелыо исследований являлось подтверждение возможности экспрессного определения концентрации искомого компонента в широком динамическон диапазоне. Полученная линейная градуиропочная зависимость позволяет проводить определение концентраций лвух- и трехвалентных ионов металлов в динамическом диапазоне не менее гтух порядков за 2-3 мин. Измерение концентраций "слепых" проб показало хорошее совпадение с референтными методами: трилононетрического и иодо-метрического титрования (отклонение результатов измерений укладывалось в заданный ±5* интервал погрешности).
Полученные данные свидетельствуют о достижении поставленной пели.
Пятая глава содержит описания Фотометрических детекторов для иммунного и химического экспресс-анализа и приборов, разработанных на их основе. Приведены основные технические характеристики.
Предложена базовая оптическая схема многоканального Фотометрического детектора, позволяющая получить компактные, высокоточные, недорогостояшие приборы при использовании простых технологий и доступных комплектующих изделий. Схена использована в многоканальном Фотометре "Линкей". внедренном в крупносерийное производство на НИК "Аналитические системы и ИФА" АО "Научные приборы", и в восьмикана-
яьных Фотометрах (трех различных модификаций), внедренных в мелкосерийное производство на ИГП "Недис". Приоритет базовой оптической схемы защитен авторским свидетельством.
Приведено описание гибридного детектора, полученного в соответствии с разработанной методикой расчета. Детектор применен в комплекте средств для химического экспресс-анализа двух- и трехвалентных ионов металлов, изготовленном налой серией ТОО "СКАН" совместно с Институтом аналитического приборостроения РАН.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты позволили решить научно-практическую задачу создания и развития теоретических основ построения гибридных детекторов нового класса приборов для химического и инмунного экспресс-анализа. В этих методах анализа индикаторная реакция осуществляется на твердофазных тонкослойных хемо- или иннуночувстви-тельных эленентах при контакте с исследуеной средой, что обеспечивает минимальное наличие или полное отсутствие дорогостоящих, низконадежных механических и автоматических узлов и модулей подготовки и транспортировки пробы.
Основные результаты диссертационной работы: 1. Исследовано распространение светового потока в оптически прозрачном селективно поглощающей тонкослойной чувствительном элененте ограниченного размера, сопряженном с отражавшей подложкой, в приближениях геометрической оптики, как ранее неизученного случая. Получены выражения, определяющие зависимость отраженного светового потока от оптических и геометрических характеристик элемента и подложки. что дает возможность выбора характеристик для наилучшего выделения информативной составляющей сигнала. Доказано, что при проведении измерений светопоглошения элемента в отраженном свете достигается большая чувствительность по сравнению с измерениями в проходящей свете по крайней мере в ( I ) за счет увеличения длины
оптического пути, обусловленного отражающими свойствами подложки, и дополнительного увеличения длины оптического пути вследствии эффектов полного внутреннего отражения в ограниченном пространстве ЧЭ. Это позволяет использовать Фотометрию отраженного света при создании высокочувствительных детектирующих устройств и реализовать возможность изнерений в широком динамическом диапазоне определяемых концентраций искомого вещества. Теоретические положения работы подтверждены экспериментальными зависимостями натурного и полунатурного моделирования.
2. Изучено влияние оптических и геометрических характеристик элемента и подложки, а также геометрических параметров Фотоприемного устройства на величину информативного сигнала. Приведены соотношения, определяющие величины угла поля зрения и угла регистрации светового потока в зависимости от характеристик элемента и подложки, что позволяет выбрать эти величины для требуемого диапазона и заданной точности измерений поглощения элемента и использовать в методике расчета гибридного детектора.
3. Разработана новая модель и предложен способ оптимизации опто-электронного тракта фотометрических детекторов для химического и иммунного анализа, позволяющие проектировать оптоэлектронные тракты в условиях ограниченных мощности источника излучения, чувствительности фотоприенного устройства, разрядности АЦП. с учетом спектральных характеристик оптических элементов и исследуемого объекта.
4. Получена методика расчета гибридного детектора при заданных физико-химических и геометрических характеристиках чувствительного элемента и подложки, что позволяет осуществлять разработку оптимальных детекторов для выбранного сенсора.
5. Разработан гибридный детектор для Фотометрических измерений в отраженном свете результата химической реакции в оптически прозрачном тонкослойной чувствительном элементе при его взаимодействии с
жидкой пробой. Детектор использован при определении концентраций
-3 -5
двух- и трехвалентных ионов металлов в диапазоне от 2«10 до 2«10 И. Время определения концентрации не более 3 минут при объеме исследуемой пробы 70 мкл. Относительная погрешность определения концентра ций ионов металлов на краях диапазона не превышает ± 5У-. Детектор приненен в налой серии приборов, входящих в состав комплекта средств для хинического экспресс-анализа.
6. Разработана базовая оптическая схема многоканального Фотометри ческого детектора для регистрации результатов химических, иммунных и других взаимодействий с образованием светопоглошаюших комплексов, проводимых в лунках с плоским дном иммунологического планшета или стрипа. На основе базовой оптической схемы разработаны конструкции:
- 9б-канального Фотометрического детектора;
- 8-канального Фотометрического детектора.
Оптоэлектронный тракт разработанных детекторов оптимизирован в соответствии с теоретическими положениями настоящей диссертации, что позволило получить малогабаритные и относительно недорогостоя-шие конструкции приборов.
Приоритет базовой схемы фотометрических детекторов затишен авторским свидетельством N 1805353 (13.02.1909).
7. Внедрены следующие приборы:
в крупносерийное производство: - многоканальный Фотометр "Динкей" (ТУ 1Г2 851 302), предназначенный для массовой диагностики вирусных, бактериальных и других заболеваний людей, животных и растений;
в мелкосерийное производство: - 8-каналышй Фотометр (в трех различных модификациях: с высокой, средней и низкой производительностью измерений) для индивидуальной и групповой диагностики вирусных, бактериальных и других заболеваний людей, животных и растений;
-комплект средств для химического экспресс-анализа двух- и трех -валентных ионов металлов в жидких пробах.
Разработанные и внедренные в практику лабораторного анализа
приборы имеют сугасстпениое значение при использовании в медицине. Фармакологии. биотехнологии, электрохимии, геологии, сельском хозяйств, экологии.
Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Пиоаналитическип методы и приборы на принципах иммуноспенифичес-ких взаимодействий. Отчет о ПИР/НТО АН СССР: Руководитель темы Л. С. Рейфман: Исполн. И. П. Нефедов, в. н. Чечевичкин. А. л Евстрапов и др.
127 НИР-И: N ГР 01830064100; Инв. N 02860016072. -Л. ,1905. -153 с.
2. Разработка методических основ по созданию приборов твердофазного иммунного анализа. Отчет о НИР/ НТО АН СССР; Руководитель темы В. Е. курочкин; Исполн. л. л. Евстрапов. а. л. Сизов. Т. Л. Полякова и др.
153 НИР И: N ГР 01 П700'10'124; ИНВ. N 02800077225. /I. ,1908. -220 С.
3. Комплекс средств контроля и анализа иммуноспецифических взаимодействий на основе физических методов регистрации. Отчет о НИР / НТО АН СССР; Руководитель темы В. Е. Курочкин; Исполн. A.A. Евстрапов, Е. Д. Макарова и др. -132 НИР-И; H ГР 01890067381; Инв. N 02910035099. А., 1990. 190 с.
'I. Евстрапов Л. Л. , Курочкин В. Е. , Макарова Е. Д. , Сизов А. /I. Гибридный метод обнаружения ионом металлов в водных растворах // III Всесоюзная конференция но методам концентрирования в аналитической химии, нос. Черноголовка Московской обл., 16 ,'0 сентября, 1990 г.: Тез. докл. М. . ! 990. С. ЮТ.
Г). Евстрапов Л. Л. , Курочкин в. Е. , Макарова Е. Д. Отражательная Фотометрия селективных пластифицированных мембран в задачах обнаружения и оценки концентрации веществ в водных пробах // Научное приборостроение. 1991. Т 1. N '1. -С. 22 -35.
б. Келенький Е. Г. . Евстрапов Л. А. , Курочкин В. Е. . Макарова Е. Д. . Черкасов F.. Ю. Определение концентраций органических веществ в водных растворах методом отражательной Фотометрии селективных пластифицированных мембран // VI Всесоюзная конференция по аналитической
химии органических вешеств, Москва, 23-25 января. 1991 г. : Тез. докл. -М. , 1991. -с. 223.
7. Евстрапов A.A., Курочкин в.е., Сизов А.л. Моделирование оптоэле-ктронного тракта Фильтровых Фотометров // Научное приборостроение. -1992. -Т. 2, H 1. -С. 59-67.
в. Evstrapov A.A., KurochKln V.Е. and MaKarova Е. D. Compact automated unit for express detection and evaluation of substance concentrations //ISECOS'92. International organic substance solvent extraction conference, Voronezh, Russia. September, 22-25, 1992: Conference Papers. -Voronezh, 1992. -Vol. 1. -P. 342-313.
9. Евстрапов A. A. , Курочкин В. E.. Макарова E. Д. Аналитический комплекс для экологического мониторинга // всероссийская научно-техническая конференция "Информационно-управляющие и вычислительные комплексы на основе новых технологий. Наука н маркетинг", С.Петербург, 4-6 сентября, 1992: Тез. докл. -С. Пб. : СПИАП, 1992. -С. 157.
10. Научные основы перфузионно-экстракционных мембранных процессов. Комбинированные и гибридные нетоды индикации вешеств, основанные на их использовании. Отчет о НИР / ИАП РАН; Руководитель темы в. е. Курочкин; Исполн. E. Д. Макарова. A.A. Евстрапов и др. -141 НИР-И; К ГР 01920002843. -С. Пб. . 1993. -250 С.
11. А. е., 1805353 A3 СССР, НКИЗ G 01 H 21/59. Многоканальный Фотометр / М. Л. Александров, А. А. Евстрапов, в. Е. Курочкин, А. л. Сизов и др. (СССР), -опубл. в Б. И., 30.03.1993, Ы 12. -3 с. ил.
ФАП 3.488 т.100 25.04.94