ППР-сенсоры Spreeta. Съемные рецепторные чипы. ППР-иммуносенсоры и волоконно-оптические сенсоры

Ответы

Ответы на вопросы

1. "Модуль Spreeta " – это монолитный микроэлектронный ППР сенсорный модуль размерами 41,4x29x13,5 мм. В нём интегрированы светодиод, поляризатор, зеркально отражающий слой, линейка из 128 фотодетекторов, 128-разрядный регистр сдвига и электрически программируемая память на 4 К. Модуль залит прозрачным компаундом с высоким показателем преломления, который заполимеризован и функционирует в качестве призмы. На одну из её граней нанесена золотая пленка. На ней можно установить проточную ячейку и сформировать чувствительный слой.

2. Модуль Spreeta не является законченным ППР сенсором. Он выдает "сырые", не обработанные данные о кривой ППР в аналоговой форме. Для обработки этих данных фирма Texas Instruments разработала и поставляет специальные стационарные "модули расширения" на основе персональной ЭВМ, которые управляют работой модуля Spreeta, поддерживают интерфейс с ним и обрабатывают данные измерений по специально разработанным программам. Проточная ячейка через патрубки присоединяется к системе контроля потока исследуемой жидкости с использованием перистальтического насоса и инъекционного клапана.

3. "Съемный рецепторный чип" – это отдельная прозрачная пластинка, на поверхность которой нанесена тонкая металлическая плёнка. Поверх плёнки сформирован "рецепторный" слой, избирательно чувствительный к тому или иному аналиту. Пластинка может легко сниматься с рабочей зоны ППР сенсора и легко устанавливаться на неё.

4. Основное преимущество применения "съёмных рецепторных чипов" состоит в том, что, проведя измерение, рецепторный чип можно сразу же вынуть из прибора, а на его место установить другой. Благодаря этому можно существенно повысить производительность анализов и снизить их стоимость.

5. Надёжный оптический контакт съемного рецепторного чипа с оптической призмой обеспечивается с помощью слоя иммерсионной жидкости, наносимой между чипом и оптической призмой.

6. Оптимальное соотношение таково: показатель преломления оптической призмы должен быть несколько меньше показателя преломления стеклянной подложки съемного рецепторного чипа; а показатель преломления иммерсионной жидкости должен быть промежуточным между ними.

7. Одним из эффективных способов борьбы с вредным влиянием запыленности в полевых условиях на работу ППР сенсоров является формирование на рабочей поверхности оптической призмы хорошо отполированной выемки глубиной 1-2 мм, которую во время работы заполняют иммерсионной жидкостью. Другой способ – это использование системы точной автоматической ориентации рецепторного чипа.

8. Возможность применения ППР сенсора для выявления наличия ретровирусов лейкоза в молоке коров основана на использовании для идентификации этих вирусов специфических антител, вырабатываемых организмом больных коров и выделяемых из сыворотки их крови. Будучи иммобилизоваными на поверхности золотой пленки, они делают ППР сенсор специфически чувствительным к присутствию в молоке коровы ретровирусов лейкоза.

9. ППР иммуносенсор, разработанный для выявления ретровирусов лейкоза коров в их молоке, при условии небольшой соответствующей модификации можно применить и для других целей. Например, для обнаружения в молоке палочек туберкулёза большого рогатого скота.

10. "Волоконно-оптические ППР сенсоры" – это сенсоры, в которых чувствительный элемент на основе ППР с помощью оптического волокна "вынесен" на значительные расстояния вглубь малодоступной или опасной среды. "Зондирующие" импульсы поляризованного света и отраженные от чувствительной поверхности сигналы ППР передаются в этих сенсорах по оптическому волокну на расстояния до сотни метров. Они позволяют дистанционно регистрировать изменения показателя преломления контролируемой среды, появление в ней частиц аналита, кинетику процессов связывания этих частиц с лигандом.

11. В качестве примера применения волоконно-оптического ППР сенсора можно назвать сенсор для определения концентрации в свежих фруктах или соках нарингина – вещества, придающего горький привкус цитрусовым. В качестве специфически чувствительного лиганда использован естественный фермент нарингиназа. Чувствительный узел с помощью полой иглы можно вводить вглубь фрукта, или опускать во фруктовый сок либо в измельченную массу. Не пуская на приготовление блюд из цитрусовых фрукты, содержащие слишком большую концентрацию нарингина, можно существенно улучшить и гарантировать качество этих блюд.

12. Хотя в ППР сенсорах зондирующий световой пучок можно по желанию модулировать (для защиты от помех), они всё же не являются активными. Ведь при этом не оказывается никакого воздействия на сам объект наблюдения – контролируемую среду с аналитом. Поэтому ППР сенсоры, как правило, являются пассивными сенсорами.

Ответы к упражнениям

Упражнение 24.1.

Вариант 1. В корпусе микросхемы, имеющем в плане вид оптической ретропризмы, установлены светодиод, поляризатор, зеркально отражающий слой, линейка из 128 фотодетекторов, 128-разрядный регистр сдвига и электрически программируемая память на 4 К. Модуль залит прозрачным компаундом с высоким показателем преломления, который заполимеризован и функционирует в качестве оптической призмы. На её рабочую грань нанесена золотая пленка. Предусмотрено, что к этой чувствительной поверхности извне герметически присоединяется проточная ячейка. Конструкция выводов соответствует стандартному корпусу DIP, количество выводов – 16. Модуль закрыт светонепроницаемой крышкой и представляет собой монолитную неразборную конструкцию.

Вариант 2. Оптическая схема микроэлектронного модуля Spreeta имеет следующий вид:

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 7. 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.

Вариант 3. Функциональная электрическая схема микроэлектронного модуля Spreeta имеет следующий вид:

Через вывод "Пит." на микросхему подается стабилизированное напряжение питания. Вывод "Общ." является общей точкой схемы. Тактовые импульсы, которые подаются через вывод "Синхр.", синхронизируют всю работу модуля. Стартовые импульсы через вывод "Старт" инициируют начальную установку, после чего начинается измерительный цикл. Светодиод, питаемый от источника тока извне, излучает свет в течение всего измерительного цикла, а в другие интервалы времени отключается. С каждым тактовым импульсом на вывод "Вых." 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 100 мВ до 3 В. Модули Spreeta калибруют на производстве. Данные калибровки хранятся во внутренней электрически программируемой (EEPROM) памяти объемом 4 К. Запись калибровочного кода осуществляется через последовательный интерфейс.

Вариант 4. Фирма Texas Instruments разработала и поставляет специальные стационарные "модули расширення" на основе персональной ЭВМ, которые управляют работой модуля Spreeta, поддерживают интерфейс с ним. Выдаваемые модулем Spreeta "сырые" данные измерений в аналоговой форме обрабатываются по специально разработанным программам. Модуль расширения с использованием перистальтического насоса и инъекционного клапана автоматически управляет также дозировкой и потоком используемых жидкостей через проточную ячейку. Он же выводит результаты измерений на монитор или для печати на принтер.

Вариант 5. Основные недостатки модулей Spreeta заключаются в следующем. 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 сужает 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. В-третьих, чувствительная поверхность сенсора в результате эксплуатации с течением времени деградирует. Количество анализов, которые можно провести на одном модуле Spreeta, в среднем составляет порядка 50. А дальше весь модуль Spreeta приходится заменять вместе со всей его оптоэлектроникой. что существенно удорожает анализ. Вышесказанное и "проточная" технология снятия кривых ППР, требующая довольно значительных затрат времени на измерение, предопределяют высокую стоимость исследований.