Устройство для измерения скорости перемещения микроорганизмов

Устройство для измерения скорости перемещения микроорганизмов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование, в микробиологии, а именно при исследовании поведения микроорганизмов под воздействием внешних голей Сущность изобретения устройство содержит последовательно установленные источник лазерного излучения 1, кювету для размещения микроорганизмов 2, рассеивающую линзу 3 и трехгранную призму 4, вершиной обращенную к выходной плоскости рассеивающей линзы, а боковыми 1ранями оптически связанную с входом соответствующего фотоэлемента 5. Вход каждого из двух фотоэлементов 5 соединен с соответствующим входом коррелятора 7, к выходу которого подключен регистрирующие прибор 8.Трехгранная призма 4 установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси устройства . 3 ил.

соlОз сОВе тских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УВЛИК (51)5 С 12 М 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОЬРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4937475/13 (22) 20.05.91 (4G) 15,11.92 Ьюл. ¹ 42 (71) Киевский центр научно-технического творчества молодежи "Контакт" (72) А.А.Адаменко, IO.Í,Левчук, B,ß.Óñîe, Н.В.Косинов и А.Г,Заец (56) Лебедев А.Д. и др, Лазерная корреляционная спектроскопия. в биологии, Киев, 1987, с. 65 — 66. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ П ЕРЕМЕ ЩЕНИЯ М И КРООРГАНИЗМОВ (57) Использование: в микробиологии. а именно при исследовании поведения микроорганизмов под воздействием внешних

БЫ 1775468 А1 г:олей. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно установленные источник лазерного излучения 1, кювету для размещения микроорганизмов 2, рассеивающую линзу 3 и трехгранну1о призму 4, вершиной обращенную к выходной плоскости

- рассеивающей линзы, а боковыми 1ранями оптически связанную с входом соответствующего фотоэлемента 5. Вход каждого из двух фотоэлементов 5 соединен с соответствующим входом коррелятора 7. к выходу которого подключен регистрирующий прибор 8.Трехгранная призма 4 установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси устройства. 3 ил.

1775468

35

50

Изобретение относится к микробиологии, в частности к аппаратуре для микробиологических исследований, и может быть использовано при исследовании поведения микроорганизмов под воздействием внешних полей, Актуальность предлагаемого технического решения определяется критическим состоянием экологии, некоторых направлений медицины и сельского хозяйства. В перечисленных областях возникает ряд задач, решение которых может быть эффективным лишь при неразрушающих методах получения информации о внутренней структуре исследуемых химических, биохимических и биологических объектов. Такие объекты обычно представляют собой различные суспензии, характеризующиеся наличием подвижных частиц, в качестве которых могут быть растения, биоорганизмы, коллоидные частицы. При оценке состояния экологии среды или решении частных задач медицины и биологии возникает необходимость получения экспресс-информации без химического разрушения образца (т. е. химическое воздействие на пробу является недоступным), в силу чего особую ценность приобретают оптический метод неразрушающего контроля и устройства, его реализующие. Хаиболее высокую информативность могут иметь устройства, основанные на измерении скорости подвижных частиц, поскольку они позволя-. получать информацию о локальных объемах пробы. Кроме того, упомянутые устройства позволят определить экспресс-реакцию на внешние воздействия, в качестве которых наибольший интерес представляют внешние поля: радиационное, электромагнитное, электрическое, а также биологическое.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, предназначенное для измерения скорости перемещения мифоорганизмов и состоящее из источника двух параллельных пучков лазерного излучения, отличающихся длиной волны либо плоскостью поляризации и взаимодействующиХ с помещенными в кювете микроорганизмами, блока детектирования рассеянного излучения, выполненного в виде двух фотодетекторов, снабженных фильтрами либо поляризаторами, ког релятора и регистрирующего прибора.

-Прототип имеет следующий недостаток: низкая точность измерения скорости перемещения микроорганизмов. Этот недостаток обусловлен следующей причиной; отсутствие возможности регулирования разрешающей. способности устройства, апределяемой, в частности, расстоянием между рабочими лучами, отсутствием возможности выбора его оптимального значения, обусловленного размерами и длиной свободного пробега микроорганизмов.

Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении точности устройства путем обеспечения возможности регулировки разрешающей способности в зависимости от вида микроорганизмов.

Поставленная цель достигается тем, что устройстводля измерения скорости перемещения микроорганизмов, содержащее источник лазерного излучения, кювету для размещения микроорганизмов, а также два фотоэлемента, выходами соединенных с соответствующим входом коррелятора, к выходу которого подключен регистрирующий и рибор, введены последовател ьно установленные на оптической оси устройства по ходу светового луча за кюветой рассеивающая линза и трехгранная призма, обращенная вершиной, расположенной на оптической оси устройства, к выходной плоскости рассеивающей линзы, а боковыми гранями оптически связанная соответственно с фотоэлементами, при этом трехгранная призма установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси устройства.

Предлагаемая установка рассеивающей линзы и трехгранной призмы на оптической оси устройства. вершиной обращенной к выходной плоскости рассеивающей линзы, боковыми гранями оптически связанной с соответствующим фотоэлементом и имеющей возможность перемещения вдоль оптической оси, позволяет произвести избирательное выделечие двух симметрических относительно оптической оси световых потоков (лучей), расстояние а между которыми удовлетворяет соотношению .. Р а < Щ где В-длина свободного пробега микроорганизма.

Это позволяет с большой степенью точности выявить коррелированную миграцию микроорганизмов под воздействием внешнего поля, и произвести точное измерение скорости стимулированного перемещения микроорганизмов т. к. предлагаемое регулируемое в процесСе эксплуатации положение трехгранной призмы обеспечивает в зависимости от вида микроорганизмов выделение той пары лучей, расстояние между которыми больше одной длины Р свободного пробега микроорганизма, но меньше двух длин Р.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения скорости стимулированного

1775468

20

50 перемещения микроорганизмов: 1 — источник лазерного излучения; 2 — кювета с исследуемыми микроорганизмами; 3 рассеивающая линза; 4 — трехгранная призма; 5, 6 — фотоэлементы; 7, 8 — диафрагмы; .9 — коррелятор; 10 — регистрирующий прибор: а — расстояние между рабочими лучами

11; на фиг. 2 представлена зависимость амплитуды корреляционной функции от измеренного времени корреляции и вычислительной скорости направленнага движения микроорганизмов: кривая 12 — отсутствие направленного движения; кривые

13 — 14 — наличйе направленногодвижения; на фиг, 3 — схема, поясняющая принцип регулирования расстояния ме>кду рабочими лучами:

11 — рабочие лучи в пучке лазерного излучения: 2 — кювета с исследуемыми микроорганизмами; 3 — рассеивающая линза, 4— трехгранная призма, 5, 6 — фотоэлементы, III, IV — положения трехгранной призмы и соответствующие I u II пары рабочих лучей; a/2 — расстояние лежду рабочим лучом и осью пучка;.а — расстояние между рабочими лучами.

Функциональная схема предлагаемого устройства для измерения скорости перемещенйя микроорганизмов представлена на фиг. 1.

Устройство содер>кит источник лазерного излучения 1, кювету с исследуемыми микроорганизмами 2, рассеивающую линзу или коллиматор — 3, трехгранную призму,4, фотодиоды 5, 6, диафрагмы 7, 8, коррелятор

9, регистрирующее устройство 10. На фиг, 1 также показано расстояние между рабочими лучами 11. Устройство для измерения скорости перемещения микроорганизмов работает следующим образом. Источник лазерного излучения 1 испускает пучок лазерного излучения, содержащий условно обозначенные на чертеже рабочие лучи 11, Пучок излучения поступает в кювету 2, содержащую исследуемые микроорганизмы, После прохождения сквозь кювету 2 пучок излучения попадает на рассеивающую линзу (или каллиматор) 3, где происходит расширение пучка, который, попадая на трехгранную призму 4, острой вершиной обращенную к выходной плоскости рассеива ащей линзы 3, разделяется на два симметрических относительно оптической оси— световых потока (луча), отражаемых боковыми гранями призмы на входы фатодиодов через диафрагмы 7, 8;

Выходные сигналы фотодиодов 5, 6, пропорциональные интенсивности рабочих лучей, поступают на вход коррелятора 9, в катарам определяется взаимосвязь изменений интенсивности рабочих лучей. В данном устройстве интенсивность рабочего луча, регистрируемого одним из фотодиодов

5, изменяется тогда, когда подвижный микроорганизм пересекает траекторию луча в к авете 2, Если через время t (см. фиг, 2) происходит аналогичное изменение интенсивности второго рабочего луча, регистрируемого вторым фотадиодом 6, то в корреляторе регистрируется событие, зависящее от времени t, Количество таких событий, накопленных в течение заданного временного интервала r (обычно т>> t, см. фиг. 2}, представляет собой корреляционну а функцию A(t) При отсутствиии направленного движения микроорганизмов коррелятор регистрирует случайную функцию 12, которая отражает

I- вную веро ITHQGTb для любых промежутков времени между регистрируемыми изменениями интенсивности рабочих лучей. При наличии направленного движения микроорганизмов реализуется распределение 13; наблюдаемое среднее значение времсни корреляции связано со средней скоростью перемещения микроорганизмов следу ощим соотношением: t = а/ч.. где а — расстояние между рабочими лучами.

Точность определения среднего времени t и, соответственно, точность вычисления средней скорости микроорганизмов v, зависит ат соотношения между расстоянием а и длиной свободного пробега микроорганизма /3, Максимально возможная точность реализуется в том числе, если расстояние а находится в оптимальном промежутке

/3< а< 2Р, при этом реализуется распределение 14 (см. фиг, 2), отличающееся острым максимумом в точке с = t, благодаря чему обеспечивается воэможность оценки значения с достаточной точностью. Если значение расстояния а выходит за пределы указанного промежутка, распределение 13 сглаживается и переходит в распределение

14; при этом острый максимум не наблюдается и точность определения 1 снижается. В известном устройстве отсутствует возможность плавной подстройки параметра и поэтому оптимальное соотношение 3< а< 2)3 реализуется лишь для определенного вида микроорганизмов, длина свободного пробега которых удовлетворяет оптимальному соотнаыению, В предлагаемом устройстве, благодаря наличи а воэможности плавной подстройки параметра а, существует возможность повышения точности определения t, а в конечном счете и v, практически для всех видов микроорганизмов, используемых в лабораторной практике.

Принцип плавной регулировки расстояния между рабочими лучами показан с по1775468 мощью схемы, представленной на фиг. 3.

Пучок лазерного излучения. исходящий из источника 1, содержит набор мыслимых рабочих лучей, равноотстоящих от оси пучка, например, на расстоянии а/2; и при этом расстояние между рабочими лучами равно а. Плавное изменение расстояния а осуществляется путем использования различных пар лучей в качестве рабочих из всего мыслимого набора лучей в исходном пучке, Выбор необходимой пары рабочих лучей осуществляется путем плавного перемещения призмы 4. Предположим, что призма 4 находится в положении IV, при этом рабочие лучи 1 после прохождения сквозь кювету 2 попадают на рассеивающую линзу 3, отражаются от поверхностей призмы и попадают в фотодиоды 5, 6 через диафрагмы

7, 8.

При необходимости увеличения .расстояния а осуществляется перемещение призмы 4 вправо. Например, в положении П! в качестве рабочих служит пара лучей 11; при этом отражение рабочих лучей поверхности призмы происходит в других точках, однако отраженные лучи по-прежнему попадают на фотоэлементы. Принцип действия данной конструкции основан на том, что при перемещении призмы изменяется расстояние между отражаемыми ее боковыми гранями лучами, которые неизменно попадают на входы фотодиодов 5, 6. Таким путем осуществляется выбор пары рабочих лучей, расстояние между которыми удовлетворяет оптимальному соотношению Pg а< 2Р .

Практическое применение предлагаемого устройства может быть показано на следующем примере: используется лазер

ЛГН-221, кювета размером 10 мм из кварцевого стекла, рассеивающая линза (коллиматор) 3, обеспечивающая 20-кратное расширение пучка, трехгранная призма 4 с напыленными зеркальными гранями размером 10 х 20 мм, фотоэлементы 5, 6 — фотодиоды ФД-24. коррелятор — Ф вЂ” 38, регистрирующий прибор-стандартное цифропечатающее устройство, Исследовалась скорость стимулированного перемещения зеленых водорослей под дистанционным воздействием источника электромагнитного излучения миллиметрового диапазона.

При этом,В = 50 мк, следовательно расстояние между рабочими лучами должно удовлетворять следующему соотношению: 50< а < 100 мк. Изменение величины а достигается путем перемещения призмы

4, при этом учитывается коэффициент расширения лучей в рассеивающей линзе 3.

Например, при значении этого коэффициен10 та 20, необходимо установить призму 4 в таком положении, чтобы расстояние вдоль оси детекторов между точками отражения рабочих лучей составляло 1,5 мм, при этом будет выбрана пара рабочих лучей, расстояние между которыми уменьшено в 20 раз, т. е. à = 75 мк, что соответствует условию оптимальности, Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом: более вы15

20 сокая точность при измерении скорости перемещения микроорганизмов, что достигается путем оптимизации расстояния между рабочими лучами, Степень готовности предлагаемого уст25 ройства: изготовлен макет, проведены лабораторные испытания. последовательно установленные источник лазерного излучения и кювету для размещения микроорганизмов, два фотоэлемента, выходы которых соединены с соответствую35 щим входом коррелятора, а выход последнего подключен к регистрирующему прибору, ол и ча ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено последовательно установленными на

40 одной оптической оси за кюветой рассеивающей линзой и трехгранной призмой, при этом последняя расположена таким образом, что вершина обращена к выходной плоскости рассеивающей линзы, а каждая боковая ее грань оптически соединена с входом соответствующего фотоэлемента, при этом трехгранная призма установлена с воэможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси устрой50 ства.

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости пе30 ремещения микроорганизмов, содержащее

1775468

d,с.

Составитель Г.Богачева

Техред М,Моргентал Корректор П,Гереши

Редактор В.Трубченко

Заказ 4022 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101