ППР-сенсоры Spreeta. Съемные рецепторные чипы. ППР-иммуносенсоры и волоконно-оптические сенсоры
Цель лекции: показать, что для проведения массовых анализов и обследований значительно более перспективной, чем технология проточных ячеек, является технология съемных рецепторных чипов. Описать организацию работы с такими чипами. Обосновать рекомендации по выбору показателей преломления стеклянной основы чипов, оптической призмы и иммерсионной жидкости, способы минимизации влияния запыленности при работе с ППР-сенсорами в полевых условиях. Ознакомить с устройством и функционированием ППР-сенсоров семейства Spreeta, одного из ППР-иммуносенсоров, ориентированного на выявление вирусного лейкоза коров, с интеллектуальными волоконно-оптическими ППР-сенсорами.
24.1. Микроэлектронные ППР сенсоры семейства Spreeta
Описанный в "Принципы работы ППР-сенсоров. Промышленные ППР-сенсоры" интегральный оптоэлектронный модуль MISL, изготовленный с применением микросистемных технологий, дал старт работам по созданию портативных ППР сенсоров, рассчитанных на массовое применение. Заметной вехой на этом пути стало разработанное американской фирмой Texas Instruments семейство микроэлектронных ППР сенсоров Spreeta [ [ 125 ] ], с помощью которых можно строить разнообразные ППР сенсоры.
На рис. 24.1 показан общий вид и основные размеры (в дюймах) модуля Spreeta. Конструкция выводов соответствует стандартному корпусу DIP, число выводов – 16. Оптическая схема модуля изображена на рис. 24.2.
Рис. 24.2. Оптическая схема модуля Spreeta: 1 – светодиод; 2 – поляризатор; 3 – проточная ячейка; 4 – термистор; 5 – чувствительная поверхность; 6 – зеркально отражающий слой; 7 – линейка фотодетекторов
В монолитный модуль Spreeta интегрированы светодиод 1, поляризатор 2, чувствительная золотая пленка 5, зеркально отражающий слой 6, линейка 7, содержащая 128 фотодетекторов, и соединенный с нею 128-разрядный регистр сдвига. Модуль залит прозрачным компаундом с высоким показателем преломления, который заполимеризован и функционирует в качестве призмы. К чувствительной поверхности 5 модуля Spreeta извне герметически присоединяется проточная ячейка 3. Термистор 4 позволяет при необходимости поддерживать заданную температуру прокачиваемой жидкости. Светодиод 1 излучает пучок света с угловым расхождением около 5 
. Поляризатор 2 выделяет из него составляющую, поляризованную в требуемой для наблюдения ППР плоскости.
Взаимодействуя с чувствительной поверхностью 5, свет отражается от нее, потом – от зеркальной поверхности 6 и попадает на линейку фотодетекторов. На каждый элемент этой линейки падают лучи, отраженные от чувствительной поверхности 5 под своим углом. Поэтому на каждом элементе формируется электрический сигнал, пропорциональный интенсивности света, отраженного в соответствующем направлении. А совокупность этих электрических сигналов содержит информацию об угловом распределении интенсивности отраженного света, т.е. о кривой ППР.
Функциональная электрическая схема модуля Spreeta показана на рис. 24.3.
Тактовые импульсы, которые подаются через вывод 5, синхронизируют всю работу сенсора. Стартовые импульсы через вывод 13 инициируют начальную установку, после чего начинается измерительный цикл. Светодиод излучает свет в течение всего измерительного цикла, а в другие интервалы времени отключается, ток через светодиод задается внешним резистором. С каждым тактовым импульсом на выходы 7-8 выдается аналоговый электрический сигнал от следующего фотодетектора. После 129-го тактового импульса цикл измерения заканчивается. Таким образом, исходные данные состоят из 128 аналоговых сигналов, которые снимаются фотодетекторами – линейкой приборов с зарядовой связью. Выходное напряжение каждого из фотодетекторов находится в диапазоне от 0,1 В до 3 В. Модули Spreeta калибруют на производстве. Данные калибровки хранятся во внутренней электрически программируемой (EEPROM) памяти объемом 4 К. Запись корректирующего кода осуществляется через последовательный интерфейс.
Модуль Spreeta, как видим, выдает "сырые", не обработанные данные о кривой ППР в аналоговой форме. Для обработки этих данных фирма Texas Instruments разработала и поставляет специальные стационарные "модули расширення" на основе персональной ЭВМ, которые управляют работой модуля Spreeta, поддерживают интерфейс с ним и обрабатывают данные измерений по специально разработанным программам.
Проточная ячейка 3 через патрубки присоединяется к системе контроля потока исследуемой жидкости с использованием перистальтического насоса и инъекционного клапана. Для измерения показателя преломления исследуемую жидкость закачивают в проточную ячейку и проводят измерение.
Чувствительная поверхность сенсора в результате эксплуатации с течением времени деградирует. Да и тонкая золотая пленка, имея не очень высокие механические свойства, со временем заметно разрушается, вследствие чего чувствительность сенсора падает. В зависимости от состава растворов и технологии отмывания и регенерации, количество анализов, которые можно провести на одном модуле Spreeta, составляет от 10 до 50. А дальше весь модуль Spreeta приходится заменять вместе со всей его оптоэлектроникой, что существенно удорожает анализ.
Эксплуатационные параметры сенсоров на основе модулей Spreeta приведены в табл. 24.1.
| Наименование параметров | Ед-ца измер. | Значение параметров | ||
|---|---|---|---|---|
| Миним. | Номинал | Максим. | ||
| Напряжение питания, VDD | В | 4,5 | 5.0 | 5.5 |
| Ток светодиода | мА | 20 | - | 270 |
| Мощность светодиода | мВт | - | - | 50 |
| Тактовая частота | кГц | 5 | 25 | 2000 |
| Размер чувствительной поверхности | мм | - | 14x1 | - |
| Диапазон рабочих температур |
С |
0 | 20 | 70 |
| Диапазон температур хранения |
С |
- 25 | 20 | 85 |
| Диапазон измерения коэффициента преломления | RIU | 1,320 | - | 1,368 |
| Разрешающая способность (по показателю преломления) | RIU | - | 5x10-6 | - |
Предложенный фирмой Texas Instruments подход к построению ППР сенсоров позволяет быстро и просто применить модули Spreeta для решения многих научных и практических задач. Но имеются и недостатки. Во-первых, это довольно ограниченный диапазон углов наблюдения ППР (от 62 до 66 ) и относительных показателей преломления (от 1,320 до 1,368). При фиксированной длине волны это суживает диапазон возможных применений этого модуля. Если резонансный угол выходит за указанные пределы, модуль применить уже нельзя. Во-вторых, информацию, полученную от модуля Spreeta, надо потом обрабатывать на персональном компьютере с использованием специальных, довольно дорогих (>4500 долл. США), "модулей расширения".
Поэтому такой подход рассчитан на применение лишь в хорошо оснащенных лабораториях. И, наконец, предложенная технология требует довольно значительных затрат времени на измерение и предопределяет высокую стоимость исследований.