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

Упражнение 24.4.

Вариант 1. Одним из опасных заболеваний большого рогатого скота является вирусный лейкоз. Его возбудители относятся к классу ретровирусов, к которому принадлежат и возбудители приобретенного иммунодефицита у людей (СПИД'а). Лейкоз может передаваться от коров человеку через употребление молока. Сейчас в мире идет поиск эффективных методов борьбы с ретровирусными инфекциями. Но, к сожалению, эффективного лечения пока не существует. Основной мерой борьбы с инфекционным лейкозом являются постоянная диагностика животных, выявление больных особей и их изоляция от стада коров. Для этого нужны эффективные средства диагностики. Общепринятый сейчас иммуноферментный анализ (т.н. метод "Elisa") проб крови, взятой из шейной вены животных, требует для анализа до 6 ч. Он достаточно сложен, требует профессиональной подготовки исполнителей, нуждается в спецоборудовании и спецреагентах. Стоимость одного анализа составляет свыше 5 долларов США. Все это не позволяет вести постоянный мониторинг за состоянием животных, тогда как эффективное оздоровление стада коров в случае выявления в нем больных особей требует обследования каждой коровы через каждые 7-10 дней. Методом "Elisa" это осуществить тяжело, как из-за высокой стоимости анализов, так и из-за проблемы частого взятия проб крови. Задачу эту успешно может решить специализированный ППР иммуносенсор.

Вариант 2. Учитывая потребность массового использования портативных ППР иммуносенсоров лейкоза коров на молочных фермах, в пунктах приема молока и т.д., требования к нему должны быть таковы:

• сенсор должен обеспечивать прямой анализ, без использования дополнительных реагентов;
• анализ должен быть экспрессным;
• анализ должен проводиться без взятия крови, по капле молока;
• анализ должен быть дешевым, стоимостью меньше 1 доллара США.
• Иммуносенсор должен иметь небольшие габариты и массу;
• быть удобным для использования в полевых условиях и пригодным для обычного транспортирования;
• выполнять всю необходимую обработку данных измерений внутри прибора и выдавать результаты анализов на свой индикатор;
• не нуждаться в высококвалифицированном обслуживающем персонале;
• иметь довольно высокую производительность – порядка 50 анализов/час;
• иметь не очень высокую стоимость, доступную для фермеров и малых предприятий.

На первом этапе можно обойтись даже недорогим сенсором-индикатором, который лишь обнаруживает присутствие в молоке значительного количества ретровирусов лейкоза, возможно, определяя 1-3 степени зараженности. В нем угловая разрешающая способность может быть порядка 0,5 .

Вариант 3. Конструкция иммуносенсора для выявления заболевания коров на лейкоз может быть, например, такая:

Лазерный диод 1, поляризатор 2 и диафрагма 3 формируют параллельный пучок света с требуемой поляризацией (осветительный узел). Узел для анализа пробы состоит из оптической ретропризмы 4, съемного рецепторного чипа 5, зеркальной грани 6 и оправы 7. Фотоприемный узел состоит из фотоприемника 8 и собирающей линзы 9. Осветительный и фотоприемный узлы смонтированы внутри подвижных поворотных цилиндров 10 и 11. Они размещены в параллельных цилиндрических каналах, образованных в металлическом корпусе 12. Последний отделен от оправы 7 ретропризмы воздушным промежутком 13 шириной 2-3 мм. Упругая перемычка 14 и микрометрический винт 15 позволяют регулировать угол падения света на ретропризму в пределах приблизительно 2,50. Для защиты от загрязнений, механических повреждений и влияния внешнего света узел анализа пробы закрывают непрозрачной крышкой 16.

Вариант 4. Функциональную схему иммуносенсора для выявления заболевания коров на лейкоз можно представить так:

Здесь 1 – осветительный и фотоприёмный узел, 2 – ретропризма, 3 – съёмный рецепторный чип с нанесенной каплей молока. МК – микрокомпьютер, 4 – узел управления лазерным диодом; 5 – усилитель/селектор сигналов от фотоприемника; 6 – кнопки управления иммуносенсором; 7 – дисплей; 8 – внешний интерфейс. "Дозревший" съемный рецепторный чип с каплей контролируемого молока 3 устанавливают на рабочий участок ретропризмы 2, закрывают крышкой, нажимают одну из кнопок 6 ("Пуск"). Микрокомпьютер МК запускает узел 4, который пропускает ток через лазерный диод. Поляризованный свет направляется на ретропризму 2, падает под нужным углом на рецепторный чип 3, отражается от него и направляется на фотоприемник. Сигнал последнего усиливается и фильтруется в узле 5, преобразуется в цифровой код и поступает в МК. Анализируя этот сигнал, МК формирует на дисплее 7 сообщение об отсутствии или обнаружении ретровирусов лейкоза. Этот результат фиксируется также в памяти МК. Накопленные результаты анализов через интерфейс 8 могут быть переданы во внешний компьютер или в сеть связи.

Вариант 5. Принцип работы иммуносенсора для выявления заболевания коров на лейкоз состоит в следующем. Основную "работу" по выявлению вирусов лейкоза в контролируемой капле молока выполняют специфические антитела, иммобилизованные на рецепторном слое съемного чипа. После нанесения на этот слой капли молока её выдерживают в течение времени, требуемого для того, чтобы вирусы успели связаться с антителами. При установке в иммуносенсор это приводит к тому, что кривая ППР несколько смещается и поэтому интенсивность отраженного сигнала возрастает. Если вирусов лейкоза достаточно много, то сигнал возрастает значительно. И тогда микропроцессор фиксирует и выводит на дисплей сообщение о зараженности молока. По уровню интенсивности отраженного сигнала он может даже различить несколько степеней зараженности. Если вирусов лейкоза в молоке нет или их число меньше "порога", то на дисплей выводится сообщение о том, что такие вирусы "не обнаружены".

Вариант 6. Наличие пыли в полевых условиях работы иммуносенсора для выявления заболевания коров на лейкоз приводит к тому, что съемный рецепторный чип может быть установлен на рабочую область ретропризмы с некоторой погрешностью порядка 0,3 . Это уменьшает чувствительность ППР иммуносенсора. И это приходится учитывать, определяя концентрацию вирусов лейкоза. Ведь изменения интенсивности отраженного сигнала могут быть обусловлены как изменением концентрации вирусов, так и небольшими отклонениями в ориентации чипа при попадании пылинки между ним и поверхностью ретропризмы. При принятии решения микрокомпьютер должен тогда определять степень зараженности по уровням, кратным концентрации вирусов, приводящей к сдвигу кривой ППР на углы больше, чем 0,3 .

Вариант 7. Чтобы ППР иммуносенсор можно было использовать для другой цели, напр., для выявления заболевания коров туберкулезом, требуются следующие изменения в конструкции и программном обеспечении. (1) Должны использоваться съемные рецепторные чипы с чувствительным слоем, избирательно распознающим другой аналит. Для выявления заболевания коров туберкулезом на рецепторном чипе должны быть иммобилизованы антитела к палочкам туберкулёза коров. (2) Зазор между ретропризмой и блоком осветительно-фотоприёмного узла должен быть отрегулирован с учетом нового угла ППР. (3) В программном обеспечении должны быть произведены минимальные изменения, позволяющие анализировать молоко коров на наличие туберкулезных палочек.

Упражнение 24.5.

Вариант 1. Чтобы установить на оптическое волокно ППР чувствительный элемент, в заданном месте удаляют оболочку оптического волокна (механическим шлифованием и полировкой или путем химического травления). На вскрытую сердцевину волокна специальным оптическим клеем приклеивают чувствительный ППР чип, который состоит из стеклянной основы с показателем преломления, равным или больше показателя преломления сердцевины волокна, из тонкой плёнки золота и слоя соответствующего лиганда.

Вариант 2. Функциональную схему волоконно-оптического ППР сенсора можно представить в виде:

Используется источник света 1 с относительно широкой спектральной полосой ( 200 нм), излучение которого модулируется модулятором 2 под управлением микропроцессора МП. Через входное оптическое волокно 3 свет направляется к точке контроля, в которой расположен чувствительный узел 4. Он или непосредственно находится в контролируемой среде, или на него устанавливают миниатюрную проточную ячейку 5, сквозь которую прокачивают контролируемую жидкость или газ. Отраженный от чувствительной поверхности свет через оптическое волокно 6 передается в спектральный узел 7. Под управлением микропроцессора он поочередно пропускает на фотоприемник 8 спектральные компоненты с разной длиной волны. Электрические сигналы от фотоприемника 8 усиливаются и демодулируются в приемном узле 9 и с помощью АЦП превращаются в цифровой код, который передается в микропроцессор и запоминается. Когда спектр сигнала, который прошел через оптическое волокно, полностью снят, микропроцессор обрабатывает его, определяет спектральное положение минимума ППР и запоминает вместе с интервалом времени, когда снимался спектр. Через заданные пользователем интервалы времени измерения автоматически повторяются. И на дисплей 10 может быть выведена не только спектральная зависимость оптического сигнала в определенный момент времени, но и сенсограмма – зависимость положения минимума ППР от времени. Управлять работой сенсора можно с помощью кнопок управления 11. Сенсор может иметь также и внешний интерфейс.

Вариант 3. Волоконно-оптическому ППР сенсору лучше работать в режиме постоянного угла падения и снятия спектральной характеристики ППР. Ведь диапазон углов, под которыми свет свободно распространяется в оптическом волокне, довольно узок. Поэтому режим монохроматического света и снятия угловой зависимости ППР в данном случае реализовать трудно. Зато через оптическое волокно хорошо проходит свет достаточно широкого спектрального диапазона. И на выходе из волокна нетрудно осуществить спектральный анализ отраженного света.

Вариант 4. Волоконно-оптический ППР сенсор, несомненно, может быть многоканальным. Ведь в состав сенсора может входить не одно оптическое волокно, а несколько – с чувствительными узлами, настроенными на разные аналиты. Они могут быть расположены рядом или в разных точках контролируемого объекта. Широкополосный источник света может быть общим. А вот фотоприемник может быть как общим, так и отдельным на каждый канал. В случае общего фотоприемника считывание каналов может быть разделено во времени. Микропроцессор может организовать наблюдение за каждой точкой и выполнять соответствующую комплексную диагностику. Это позволяет отслеживать изменение концентраций одновременно нескольких аналитов или одного аналита, но сразу во многих местах, производить их сравнение, комплексно, по многим параметрам следить за состоянием объекта.

Вариант 5. Волоконно-оптические ППР сенсоры могут применяться во всех областях применения ППР сенсоров. Это: научные исследования в области биохимии; обнаружение опасных загрязнений, отравляющих и химически вредных примесей в питьевой воде; контроль концентрации разных ингредиентов в молоке, пиве, вине, других напитках; в бензине и моторных маслах; быстрое обнаружение вредных вирусов, бактерий, биохимических веществ в жидкостях и т.п. Волоконно-оптические ППР сенсоры позволяют делать это всё дистанционно в малодоступных или опасных для здоровья местах, причем могут работать практически незаметно. В качестве примера применения можно назвать ППР сенсор для определения концентрации в свежих фруктах или соках нарингина – вещества, придающего горький привкус цитрусовым. Избирательно чувствительным лигандом является в них естественный фермент нарингиназа. Чувствительный узел с помощью полой иглы можно вводить вглубь фрукта, или опускать оптическое волокно во фруктовый сок либо в измельченную массу. Оперативный текущий контроль концентрации нарингина позволил значительно повысить качество и улучшить вкус изделий из цитрусовых.