НОУ ИНТУИТ | Интеллектуальные сенсоры. Лекция 24: ППР-сенсоры Spreeta. Съемные рецепторные чипы. ППР-иммуносенсоры и волоконно-оптические сенсоры

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1593 / 256 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00

ISBN: 978-5-9963-0124-9

Темы: Искусственный интеллект и робототехника, Аппаратное обеспечение

Специальности: Разработчик аппаратуры

|

Вам нравится? Нравится 35 студентам

| Поделиться |

Поддержать курс

| Скачать электронную книгу

Упражнение 24.2.

Вариант 1. Технология работы со съемными рецепторными чипами предназначена для выполнения массовых анализов в тех областях применения, где требуется высокая производительность и минимальная стоимость проведения анализов. Работа с проточными ячейками в этой области не является оптимальной из-за значительных затрат времени на анализ и его относительно высокой себестоимости.

Вариант 2. Конструкция простейшего съемного рецепторного чипа такова:

Подложка 1 из стекла с высоким показателем преломления и тонкая металлическая плёнка 2 на ней необходимы для того, чтобы создать условия наблюдения ППР. А слой лиганда 3 обеспечивает избирательную чувствительность сенсора к тому или иному аналиту. Такая конструкция, конечно же, не является единственно возможной. Например, стеклянная подложка 1 может быть и не плоскопараллельной, а иметь некоторую клиновидность, чтобы исключить влияние паразитных отражений от границ раздела с иммерсионным слоем. Стеклянная подложка 1 может иметь также форму оптической призмы и т.д.

Вариант 3. Технология работы ППР сенсора со сменными рецепторными чипами предполагает установку такого чипа в сенсор только на время измерения. После проведения измерения чип снимается, а на его место устанавливают следующий. Измерения выполняют одно за другим, что обеспечивает максимальную производительность и низкую стоимость анализов. При этом достигаются следующие преимущества при проведении массовых анализов. Отмывание и восстановление чувствительной поверхности отделяются от процесса измерения. Это позволяет применить групповые процессы отмывания и регенерации слоя лиганда, когда одновременно обрабатываются десятки-сотни таких чипов. Значительно уменьшаются удельные затраты специальных реактивов, повышается производительность и снижается стоимость этих процедур. При проведении массовых анализов, когда не требуется снимать сенсограмму, а надо лишь обнаружить наличие аналита или определить его концентрацию, из цикла измерения можно исключить также и время, требуемое для взаимодействия аналита с лигандом. Ведь исследуемая жидкость может быть нанесена на чувствительную поверхность рецепторного чипа заблаговременно и выдержана на ней вне прибора в течение нужного времени. И лишь "созревший" рецепторный чип с пробой устанавливают в прибор для измерения. Благодаря этому измерения выполняют одно за другим значительно производительнее.

Вариант 4. Основные проблемы, возникающие при работе ППР сенсора со съемными рецепторными чипами на практике, таковы: обеспечение надежного оптического контакта между призмой и чипом; борьба с паразитным отражением света от границ раздела оптических сред; с этой целью – согласование показателей преломления призмы, подложки рецепторного чипа и иммерсионной жидкости; возможность попадания пылинок между призмой и рецепторным чипом в реальных условиях работы; необходимость преодоления сил капиллярного сцепления при снятии рецепторного чипа; взаимозаменяемость съемных рецепторных чипов. Все эти проблемы надо исследовать потому, что от их правильного решения зависит точность проведения анализов, надежность их результатов, производительность процесса измерений и стоимость анализов.

Вариант 5. При работе со съёмными рецепторными чипами их надёжный оптический контакт с призмой обеспечивают с помощью промежуточного слоя иммерсионной жидкости. Схема прохождения световых лучей в такой структуре имеет следующий вид:

Нежелательным побочным явлением является при этом отражение света от границ раздела 1 (между призмой и иммерсионной жидкостью) и 2 (между иммерсионной жидкостью и стеклянной основой рецепторного чипа). Этот свет отражается в том же направлении, что и свет, отраженный от рабочей области. И поэтому тоже попадает на фотоприемник, создавая вредный фон.

Вариант 6. Требование, чтобы показатели преломления оптической призмы n_1 , стеклянной подложки съёмного рецепторного чипа n_C и иммерсионной жидкости n_i точно совпадали, не является достаточно обоснованным. Ведь выполнить его практически очень трудно. Расчеты показывают, что вполне можно обойтись и без такого требования. Оптимальное соотношение указанных показателей преломления таково: n_1 < n_i < n_C . При этом желательно, чтобы значения показателей преломления n_1 и n_C были поближе.

Вариант 7. При наблюдении ППР в технологии съёмных рецепторных чипов, когда измерения проводятся не в стерильно чистых лабораторных, а в обычных и, тем более, в полевых условиях, приходится считаться с наличием пыли. Очень вероятное попадание пылинки между поверхностью оптической призмы и рецепторным чипом приводит к неконтролируемым изменениям в ориентации чипов. И хотя эти изменения невелики и оцениваются примерно в $\pm$ 0,3 $\deg$ , для ППР сенсоров это оказывается существенным. Одним из способов уменьшения этих рисков является формирование на рабочей поверхности оптической призмы хорошо отполированной выемки глубиной 1-2 мм, которую во время работы заполняют иммерсионной жидкостью. Площадь контакта рецепторного чипа непосредственно с поверхностью призмы уменьшается при этом в десятки раз. И пропорционально уменьшается вероятность попадания между ними пылинки. Если же пылинка попадает не на контакт, а на поверхность выемки, то остается внутри иммерсионной жидкости и не может изменить положение рецепторного чипа. Другой способ – это использование системы точной автоматической ориентации рецепторного чипа. Для этого может быть использован, например, предельный угол преломления рассеянного внешнего света.

Вариант 8. Одним из вариантов оптоэлектронной схемы, позволяющей решить задачу точной автоматической ориентации рецепторного чипа, является, например, следующий:

Съемный рецепторный чип 1, выполненный в виде стеклянной призмы, устанавливают на опорную основу 4. В неё вмонтированы пружина 5 и узел микроперемещения 6, которые фиксируют рецепторный чип 1 в определенном положении. Когда на верхнюю грань чипа 1 падает рассеянный внешний свет, то, входя в стекло, он преломляется и распространяется дальше под углами к нормали, которые не превышают предельный угол. Падая на правую боковую грань и преломляясь на ней, свет проходит сквозь линзу 7, которая собирает параллельные пучки света в своей фокальной плоскости. Тут размещена линейка фотодетекторов 8, на которой формируется изображение светлой полосы с резким переходом к темноте. Край светлой полосы соответствует свету, распространяющемуся в рецепторном чипе 1 под предельным углом. Если чип поворачивать, то край светлой полосы перемещается вдоль линейки фотодетекторов 8. Сигналы от нее поступают на регулятор 9, который управляет работой узла микроперемещения 6. Перемещение происходит до тех пор, пока граница между светом и темнотой на линейке фотодетекторов 8 не попадет в заведомо заданную точку. Это положение чипа фиксируется. Теперь чувствительная поверхность чипа точно сориентирована под нужным углом. Для проведения анализа корпус прибора закрывают непрозрачной крышкой и включают источник поляризованного света, который состоит из светодиода или полупроводникового лазера 10 и поляризатора 11. Расходящийся в пределах $\sim$ 3 $\deg.$ ..5 $\deg$ пучок поляризованного света 12 проходит сквозь левую грань рецепторного чипа, падает под нужным углом на чувствительную поверхность 2 и, отразившись от нее, выходит через правую грань чипа и направляется к линейке фотодетекторов 13. С нее снимаются сигналы распределения интенсивности отраженного света по углам отражения (кривая ППР).

Упражнение 24.3.

Вариант 1. Используя закон преломления света (24.1), находим: $\sin\alpha=(n_c\sin\theta)/n_1$ . Подставляя данные задачи, находим: $\sin\alpha = (1,6\times; \sin 65^{\circ})/1,52 = 0,954$ . Отсюда $\alpha = 72,6 \deg$ .

Вариант 2. Используя формулу, выведенную в варианте 1, и подставляя данные задачи, находим: $\sin\alpha = (1,52\times \sin 68 \deg)/1,6 = 0,8808$ . Отсюда $\alpha = 61,7^{\circ}$ . В данном случае угол $\alpha$ меньше угла $\theta$ .

Вариант 3. Сначала, используя закон преломления света (24.1) и данные задачи, находим углы падения света $\alpha$ и : $\sin\alpha = (1,6\times\sin 64^{\circ})/1,52 = 0,946;\; \alpha = 71,1^{\circ};\; \sin u = (1,6\times; \sin 64^{\circ})/1,55 = 0,9278;\; u = 68,1^{\circ}$ . Теперь, используя формулу Френеля (24.3), находим коэффициенты отражения света от границ раздела 1 и 2: $r_1 = (\tg 3^{\circ}/\tg 139,2^{\circ})^2 = 2,12%; r_2 = (\tg 4,1^{\circ}/\tg 132,1^{\circ})^2 = 0,42%$ . Суммарный коэффициент отражения света от границ раздела оптических сред r = 2,12% + 0,42% = 2,54% .

Вариант 4. Находим $\sin\alpha = (1,6\times \sin 62^{\circ})/1,52 = 0,9294; \alpha = 68,3^{\circ}; \sin u = (1,6\times\sin 62^{\circ})/1,59 = 0,8885; u = 62,7^{\circ}$ . Теперь, используя формулу Френеля (24.3), находим коэффициенты отражения света от границ раздела 1 и 2: r_1 = 0,73%; r_2 = 0,01% . Суммарный коэффициент отражения света от границ раздела оптических сред r = 0,73% + 0,01% = 0,74% . Когда $\theta = 65^{\circ}$ , то: $\sin\alpha = (1,6\times \sin 65^{\circ})/1,52 = 0,9540; \alpha = 72,6^{\circ}; \sin u = (1,6\times \sin 65^{\circ})/1,59 = 0,9120; u = 65,8^{\circ}; r_1 = 1,52%; r_2 = 0,01%$ . Суммарный коэффициент отражения света от границ раздела оптических сред r = 1,52% + 0,01% = 1,53% . С увеличением угла $\theta$ коэффициент отражения возрастает.

Вариант 5. Сначала, используя закон преломления света (24.1) и данные задачи, находим углы падения света $\alpha$ и : $\sin\alpha = (1,56\times \sin 63^{\circ})/1,62 = 0,8580; \alpha = 59,1^{\circ}; \sin u = (1,56\times \sin 63^{\circ})/1,6 = 0,8687; u = 60,3^{\circ}$ . Теперь, используя формулу Френеля (24.3), находим коэффициенты отражения света от границ раздела 1 и 2: $r_1 = (\tg 1,2^{\circ}/\tg 119,4^{\circ})^2 = 0,01%; r_2 = (\tg 2,7^{\circ}/\tg 123,3^{\circ})^2 = 0,10%$ . Суммарный коэффициент отражения света от границ раздела оптических сред r = 0,01% + 0,10% = 0,11% .

Вариант 6. Сначала по данным задачи находим углы падения света $\alpha$ и : $\sin\alpha = (1,6\times \sin 64^{\circ})/1,52 = 0,9461; \alpha = 71,1^{\circ}; sin u = (1,6\times sin 64^{\circ})/1,55 = 0,9278; u = 68,1^{\circ}$ . Теперь, используя формулу Френеля (24.3), находим коэффициенты отражения света от границ раздела 1 и 2: $r_1 = (\tg 3^{\circ}/\tg 139,2^{\circ})^2 = 0,37%; r_2 = (\tg 4,1^{\circ}/\tg 132,1^{\circ})2 = 0,42%$ . Суммарный коэффициент отражения света от границ раздела оптических сред r = 0,37% + 0,42% = 0,79% . При n_і = 1,53 имеем: $\sin u = (1,6\times \sin 64^{\circ})/1,53 = 0,9399; u = 70,0^{\circ}; r_1 = (\tg 1,1^{\circ}/\tg 141,1^{\circ})^2 = 0,06%; r_2 = (\tg 6^{\circ}/\tg 134^{\circ})^2 = 1,03%$ . Суммарный коэффициент отражения света от границ раздела оптических сред r = 1,03% + 0,06% = 1,09% . При n_і = 1,59 имеем: $\sin u = (1,6\times \sin 64^{\circ})/1,59 = 0,9044; u = 64,7^{\circ}; r_1 = (\tg 6,4^{\circ}/\tg 135,8^{\circ})^2 = 1,33%; r_2 = (\tg 0,7^{\circ}/\tg 128,7^{\circ})^2 = 0,01%$ . Суммарный коэффициент отражения света от границ раздела оптических сред r = 1,33% + 0,01% = 1,34% . Т.о., при n_і = 1,53; 1,55 и 1,59 соответственно имеем = 1,09%; 0,79% и 1,34%. Видно, что суммарный коэффициент отражения имеет минимум при среднем значении показателя преломления иммерсионной жидкости.

Вариант 7. Сначала по данным задачи находим углы падения света $\alpha$ и : $\sin\alpha = (1,6\times \sin 64^{\circ})/1,52 = 0,9461; \alpha = 71,1^{\circ}; \sin u = (1,6\times sin 64^{\circ})/1,55 = 0,9278; u = 68,1^{\circ}$ . Теперь, используя формулу Френеля (24.3), находим коэффициенты отражения света от границ раздела 1 и 2: $r_1 = (\tg 3^{\circ}/\tg 139,2^{\circ})^2 = 0,37%; r_2 = (\tg 4,1^{\circ}/\tg 132,1^{\circ})^2 = 0,42%$ . Суммарный коэффициент отражения света от границ раздела оптических сред r = 0,37% + 0,42% = 0,79% . При n_1 = 1,46 имеем: $\sin\alpha = (1,6\times\sin 64^{\circ})/1,46 = 0,9850; \alpha = 80,1^{\circ}; \sin u = (1,6\times \sin 64^{\circ})/1,55 = 0,9278; u = 68,1^{\circ}; r_1 = (\tg 12^{\circ}/\tg 148,2^{\circ})2 = 11,75%; r_2 = (\tg 4,1^{\circ}/\tg 132,1^{\circ})2 = 0,42%; r = 11,75% + 0,42% = 12,2%$ . При n_1 = 1,58 имеем: $\sin\alpha = (1,6\times \sin 64^{\circ})/1,58 = 0,9102; \alpha = 65,5^{\circ}; \sin u = (1,6\times \sin 64^{\circ})/1,55 = 0,9278; u = 68,1^{\circ}; r_1 = (\tg 2,6^{\circ}/\tg 133,6^{\circ})2 = 0,19%; r_2 = (tg 4,1^{\circ}/ tg 132,1^{\circ})2 = 0,42%; r = 0,19% + 0,42% = 0,61%$ . Т.о., при n_1 = 1,46; 1,52 и 1,58 соответственно имеем = 12,2%; 0,79% и 0,42%. Видно, что суммарный коэффициент отражения тем меньше, чем меньше разница в показателях преломления призмы и подложки рецепторного чипа.

Вариант 8. Сначала по данным задачи находим углы падения света $\alpha$ и : $\sin\alpha = (1,6\times \sin 64^{\circ})/1,52 = 0,9461; \alpha = 71,1^{\circ}; \sin u = (1,6\times sin 64^{\circ})/1,55 = 0,9278; u = 68,1^{\circ}$ . Теперь по формуле Френеля (24.3) находим коэффициенты отражения света от границ раздела 1 и 2: $r_1 = (\tg 3^{\circ}/\tg 139,2^{\circ})2 = 0,37%; r_2 = (tg 4,1^{\circ}/\tg 132,1^{\circ})2 = 0,42%$ . Суммарный коэффициент отражения света от границ раздела оптических сред r = 0,37% + 0,42% = 0,79% . При n_С = 1,55 имеем: $\sin\alpha = (1,55\times \sin 64^{\circ})/1,52 = 0,9165; \alpha = 66,4^{\circ}; \sin u = (1,55\times \sin 64^{\circ})/1,55 = 0,8988; u = 64^{\circ}; r_1 = (\tg 2,4^{\circ}/\tg 130,4^{\circ})^2 = 0,13%; r_2 = (\tg 0^{\circ}/\tg 128^{\circ})2 = 0%; r = 0,13% + 0% = 0,13%$ . При n_С = 1,62 имеем: $\sin\alpha = (1,62\times \sin 64^{\circ})/1,52 = 0,9579; \alpha = 73,3^{\circ}; \sin u = (1,62\times \sin 64^{\circ})/1,55 = 0,9394; u = 69,9^{\circ}; r_1 = (\tg 3,4^{\circ}/\tg 143,2^{\circ})^2 = 0,63%; r_2 = (\tg 5,9^{\circ}/\tg 133,9^{\circ})^2 = 0,99%; r = 0,63% + 0,99% = 1,62%$ . Т.о., при n_С = 1,55; 1,6 и 1,62 соответственно имеем = 0,13%; 0,79% и 1,62%. Видно, что суммарный коэффициент отражения тем меньше, чем меньше разница в показателях преломления призмы и подложки рецепторного чипа.

Дальше >>

Авторизоваться

Интеллектуальные сенсоры

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

Вопросы и ответы