RU137618U1

RU137618U1 - URINE PHOTOMETRIC ANALYSIS DEVICE

Info

Publication number: RU137618U1
Application number: RU2013120890/15U
Authority: RU
Inventors: Сергей Георгиевич Пепеляев
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Мед-СК"
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-02-20

Abstract

Устройство фотометрического анализа мочи, содержащее тест-полоску 14 для анализируемого вещества, градиентную линзу 13, семиканальный волоконно-оптический коллектор 12, оптико-электронный узел 8 светодиодной матрицы, содержащий светодиодную матрицу 11 из 3-х светодиодов в качестве источника оптического излучения, предварительно разделенного на три канала и подаваемого на тест-полоску через вышеуказанный коллектор и градиентную линзу, микроконтроллер 9, генератор синхронизированных импульсов 10 для подачи их на светодиодную матрицу и для включения соответствующего светодиода, оптико-электронный узел 1 фотоприемника, содержащий одноканальный фотоприемник 5 для преобразования отраженного от тест-полоски и подаваемого через градиентную линзу и вышеуказанный коллектор оптического сигнала в электрический, предварительный усилитель 4 полученного электрического сигнала, синхронный детектор 3 для подавления основных шумовых составляющих сигнала и аналого-цифровой преобразователь 2 для получения сигнала в цифровом виде.A urine photometric analysis device comprising a test strip 14 for an analyte, a gradient lens 13, a seven-channel fiber optic collector 12, an optoelectronic node 8 of an LED array, comprising an LED array 11 of 3 LEDs as a source of optical radiation previously separated into three channels and fed to the test strip through the above collector and gradient lens, microcontroller 9, synchronized pulse generator 10 for supplying them to the LED matrix and for the corresponding LED, an optoelectronic node 1 of the photodetector containing a single-channel photodetector 5 for converting the optical signal reflected from the test strip and supplied through the gradient lens and the above collector into an electrical signal, a pre-amplifier 4 of the received electrical signal, a synchronous detector 3 for suppressing the main noise components signal and analog-to-digital Converter 2 for receiving a signal in digital form.

Description

Полезная модель относится к медицинскому лабораторному оборудованию в котором используется фотометрический анализ, а именно, количественное определение диагностически важных компонентов, таких как белок, кровь, лейкоциты, глюкоза, уробилиноген, кетон, билирубин, нитрит, аскорбиновая кислота, pH и др. Предложенный способ может быть использован при лабораторном анализе мочи и других биологических жидкостей человека и животных.The utility model relates to medical laboratory equipment in which photometric analysis is used, namely, the quantitative determination of diagnostically important components, such as protein, blood, white blood cells, glucose, urobilinogen, ketone, bilirubin, nitrite, ascorbic acid, pH, etc. The proposed method can be used in laboratory analysis of urine and other biological fluids of humans and animals.

Известно устройство, способ фотометрического детектирования, в котором излучение от источника света через конденсорную линзу попадает на образец с анализируемым веществом, в зависимости от состава и количества которого меняется интенсивность оптического излучения. Затем это излучение проходит через входную щель и направляется на вогнутую дифракционную решетку, где происходит спектральное разделение излучения в пространстве. Одновременно с этим вогнутая дифракционная решетка фокусирует отраженный свет и направляет его на регистрирующую фотодиодную матрицу, состоящей, как правило, из 128 элементов (US 20060066850 A1 US kl. 356/328, Int. Cl: G01J 3/28, 2006 г.).A device is known, a method for photometric detection in which radiation from a light source through a condenser lens is incident on a sample with an analyte, depending on the composition and amount of which the intensity of optical radiation changes. Then this radiation passes through the entrance slit and is directed to a concave diffraction grating, where the radiation is spectrally separated in space. At the same time, a concave diffraction grating focuses the reflected light and directs it to a recording photodiode array, which usually consists of 128 elements (US 20060066850 A1 US kl. 356/328, Int. Cl: G01J 3/28, 2006).

Недостатком устройства, является низкая чувствительность элемента фотодиодной матрицы, обусловленная многократным делением светового потока, в 128 раз при пространственном спектральном разделении излучения на дифракционной решетке. Большинство химических соединений в видимой области спектра имеют не более 2-3-х полос поглощения и для их фотометрического анализа вполне достаточно трех спектральных точек. Особенно это касается рутинного анализа, где состав веществ в смеси заведомо известно и в 128-ми спектральных точках или элементах фото диодной матрицы нет необходимости. В результате снижаются быстродействие и другие показатели надежности способа.The disadvantage of this device is the low sensitivity of the element of the photodiode array, due to the multiple division of the light flux, 128 times with spatial spectral separation of radiation on the diffraction grating. Most chemical compounds in the visible region of the spectrum have no more than 2-3 absorption bands and three spectral points are sufficient for their photometric analysis. This is especially true for routine analysis, where the composition of substances in the mixture is known to be known and there is no need for 128 spectral points or elements of a photo diode matrix. As a result, the performance and other indicators of the reliability of the method are reduced.

Требуемый технический результат заключается в повышение показателей надежности фотометрического анализа и имеет в 5-10 раз более высокую чувствительность, чем у аналогов, при в 4-5 раз большем быстродействии и более высоких показателях надежности фотометрического анализа, из-за значительного уменьшения передаваемого и обрабатываемого объема информации.The required technical result is to increase the reliability parameters of photometric analysis and has 5-10 times higher sensitivity than analogs, with 4-5 times higher speed and higher reliability indicators of photometric analysis, due to a significant reduction in the transmitted and processed volume information.

Дополнительным техническим результатом является снижение количества спектральных точек со 128-ми до 3-х, а, значит, и соответствующих им значений оптической плотности вещества для упрощения цифровой обработки, визуализации и хранения данных.An additional technical result is the reduction in the number of spectral points from 128 to 3, and, therefore, the corresponding values of the optical density of the substance to simplify digital processing, visualization and data storage.

Требуемый технический результат достигается тем, что, в способе фотометрического анализа с помощью светодиодной матрицы и волоконной оптики, перед передачей спектрального излучения от светодиодной матрицы через образец, излучение собирается от различных по спектру источников излучения светодиодной матрицы и по волоконно-оптическому коллектору передается на тестовую полоску. Далее излучение от 3-х последовательно включающихся светодиодов, каждый их которых имеет свою спектральную полосу, взаимодействует с анализируемым веществом, и затем регистрируется фотоприемником.The required technical result is achieved by the fact that, in the method of photometric analysis using an LED matrix and fiber optics, before transmitting spectral radiation from the LED matrix through the sample, the radiation is collected from various sources of radiation of the LED matrix and transmitted through a fiber-optic collector to a test strip . Next, the radiation from 3 sequentially switched on LEDs, each of which has its own spectral band, interacts with the analyte, and then is detected by a photodetector.

Для качественного анализа анализируемого вещества используется способ управления светодиодной матрицы, при котором в течение цикла измерения работает один из трех светодиодов матрицы на заданной длине волны.For a qualitative analysis of the analyte, a LED matrix control method is used, in which one of the three matrix LEDs at a given wavelength operates during the measurement cycle.

Для количественного анализа смеси используется способ управления светодиодной матрицы, при котором в течение цикла измерения работают поочередно три светодиода матрицы на различных длинах волн.For quantitative analysis of the mixture, a LED matrix control method is used, in which three matrix LEDs at different wavelengths work alternately during the measurement cycle.

На чертежах представлен Способ фотометрического анализа: Фиг.1 - устройство для определения диагностически важных компонент в составе мочи.The drawings show the method of photometric analysis: Figure 1 - device for determining diagnostically important components in the composition of urine.

Способ фотометрического анализа реализуется с помощью устройства для фотометрического анализа мочи, представленного на прилагаемом чертеже Фиг.1, где 1 - оптико-электронный узел фотоприемника, включающий аналого-цифровой преобразователь 2, синхронный детектор 3, предварительный усилитель 4, одноканальный фотоприемник 5; 6 - USB порт связи с компьютером; 7 - внешнее электропитание +5В; 8 - оптико-электронный узел светодиодной матрицы в том числе: 9 - микроконтроллер; 10 - генератор синхронизированных импульсов; 11 - светодиодная матрица из 3-х светодиодов; 12 - семиканальный волоконно-оптический коллектор с видом сечения А; 13 - градиентная линза; 14 - тест - полоска с анализируемым веществом.The method of photometric analysis is implemented using the device for photometric analysis of urine, shown in the attached drawing, Fig. 1, where 1 is an optoelectronic node of a photodetector, including an analog-to-digital converter 2, a synchronous detector 3, a preamplifier 4, a single-channel photodetector 5; 6 - USB port for communication with a computer; 7 - external power supply + 5V; 8 - optoelectronic node of the LED matrix including: 9 - microcontroller; 10 - synchronized pulse generator; 11 - LED matrix of 3 LEDs; 12 - seven-channel fiber-optic collector with a view of section A; 13 - gradient lens; 14 - test - strip with the analyte.

Предложенный способ работает следующим образом. На тест - полоску 14 после процедуры пробоподготовки с помощью автоматического дозатора (на чертеже не показан) попадает анализируемое вещество. Одновременно с этим из многоканального волоконно-оптического коллектора 12 через градиентную линзу 13, на тест - полоску 14 попадает и отражается оптическое излучение разного спектрального состава, которое определяется включением определенного светодиода в светодиодной матрице 11.The proposed method works as follows. On the test strip 14 after the sample preparation procedure using an automatic dispenser (not shown in the drawing), the analyte enters. At the same time, from a multichannel fiber-optic collector 12 through a gradient lens 13, an optical radiation of different spectral composition, which is determined by the inclusion of a certain LED in the LED matrix 11, enters and reflects on the test strip 14.

В процессе отражения оптических лучей от тест - полоски происходит частичное оптическое поглощение излучения анализируемым веществом, вследствие чего меняется интенсивность отраженного света на разных длинах волн, которое попадает по волоконно-оптическому коллектору 12 на одноканальный фотоприемник 5 в составе оптико-электронного узла фотоприемника 1, где оптический сигнал преобразуется в электрический, последний усиливается на предварительном усилителе 4, после чего подается на синхронный детектор 3, в котором подавляются основные шумовые составляющие сигнала и после аналого-цифрового преобразователя 2 сигнал в цифровом виде попадает на микроконтроллер 9 в составе оптико-электронного узла светодиодной матрицы 8, который кроме контроля над аналого-цифровым преобразователем 2, управляет генератором синхронизирующих импульсов 10, который в свою очередь посылает импульсы на светодиодную матрицу 11 для включения соответствующего светодиода и одновременно с этим на синхронный детектор 3 для управления электронным ключом.In the process of reflection of optical rays from the test strip, a partial optical absorption of the radiation by the analyte takes place, as a result of which the intensity of the reflected light at different wavelengths changes, which falls through the fiber-optic collector 12 to a single-channel photodetector 5 as part of the optoelectronic node of photodetector 1, where the optical signal is converted into electrical, the latter is amplified by the pre-amplifier 4, and then fed to a synchronous detector 3, in which the main the main components of the signal and after the analog-to-digital converter 2, the signal is transmitted in digital form to the microcontroller 9 as part of the optoelectronic node of the LED matrix 8, which, in addition to controlling the analog-to-digital converter 2, controls the synchronization pulse generator 10, which in turn sends pulses on the LED matrix 11 to turn on the corresponding LED and at the same time on the synchronous detector 3 to control the electronic key.

К фотометрическому анализатору через USB-порт связи 6 подключается компьютер для общего управления анализатором и сбора измерительных данных с последующей визуализацией на мониторе компьютера, при внешнем электропитании 7, которое осуществляется от источника постоянного тока +5В.A computer is connected to the photometric analyzer via a USB communication port 6 for general control of the analyzer and the collection of measurement data with subsequent visualization on a computer monitor, with external power supply 7, which is supplied from a DC + 5V source.

Светодиодная матрица, состоящая из трех светодиодов, каждый из которых способен излучать фиксированную длину волны с полушириной 10-15 нм в спектральном диапазоне 300-900 нм. Интенсивность свечения светодиодов регулируют стабилизатором тока, который встроен в генератор синхронизирующих импульсов.An LED matrix consisting of three LEDs, each of which is capable of emitting a fixed wavelength with a half-width of 10-15 nm in the spectral range of 300-900 nm. The intensity of the LEDs is regulated by a current stabilizer, which is built into the clock generator.

Возможны два способа управления светодиодной матрицей. В первом режиме синхронизирующий импульс от генератора поступает только на один заданный светодиод. В результате его свечения через тест - полоску проходит только одна спектральная длина волны, которую регистрирует фотоприемник. В этом режиме за 1 сек. синхронизирующий детектор измеряет сигнал 35 раз с постоянной времени измерения 2 мсек, при этом фотометрический шум составляет 2×10-5 единиц оптической плотности.There are two ways to control the LED matrix. In the first mode, the synchronizing pulse from the generator is supplied to only one given LED. As a result of its luminescence, only one spectral wavelength passes through the test strip, which the photodetector registers. In this mode for 1 sec. a synchronization detector measures the signal 35 times with a measurement time constant of 2 ms, while the photometric noise is 2 × 10-5 units of optical density.

В ходе фотометрического анализа возможно переключение работающего светодиода на любой другой из трех возможных в составе матрицы, и, значит, возможна автоматическая смена длины волны в ходе анализа. Это особенно важно при биохимическом анализе сложных смесей, когда необходимо в течение анализа менять длину волны линии поглощения, а, следовательно, и чувствительность метода для разных веществ в составе анализируемой смеси.During photometric analysis, it is possible to switch a working LED to any of the three possible in the matrix, and, therefore, it is possible to automatically change the wavelength during the analysis. This is especially important in the biochemical analysis of complex mixtures, when it is necessary to change the wavelength of the absorption line during the analysis, and, consequently, the sensitivity of the method for different substances in the composition of the analyzed mixture.

Во втором режиме синхронизирующий импульс от генератора поступает на все три светодиода в матрице. Светодиоды поочередно циклически включаются, в результате чего через тест - полоску поочередно за 1 скан проходит три длины волн, которые поочередно регистрирует одноканальный фотоприемник. Синхронно с включением светодиодов сигнал от генератора импульсов попадает на синхронный детектор 3, который детектирует соответствующую длину волны, и таким образом позволяет микропроцессору вычислить соответствующую плотность вещества по каждой из трех длин волн, излучаемых светодиодной матрицей. В этом режиме за 1 сек. синхронизирующий детектор измеряет 5 сканов (в каждом скане по три измерения на разных длинах волн) с постоянной времени измерений 2 мсек, при этом фотометрический шум составляет 5×10-5 единиц оптической плотности.In the second mode, the synchronizing pulse from the generator is supplied to all three LEDs in the matrix. The LEDs turn on alternately cyclically, as a result of which three wavelengths pass through the test strip one after another scan, which are recorded by the single-channel photodetector in turn. Synchronously with the LEDs on, the signal from the pulse generator enters the synchronous detector 3, which detects the corresponding wavelength, and thus allows the microprocessor to calculate the corresponding density of the substance for each of the three wavelengths emitted by the LED matrix. In this mode for 1 sec. a synchronization detector measures 5 scans (in each scan three measurements at different wavelengths) with a measurement time constant of 2 ms, while the photometric noise is 5 × 10-5 units of optical density.

Этот режим особенно востребован при многокомпонентном биохимическом анализе смеси, когда требуется практически одновременное измерение оптической плотности веществ на трех длинах волн.This mode is especially in demand in multicomponent biochemical analysis of a mixture, when almost simultaneous measurement of the optical density of substances at three wavelengths is required.

Таким образом, благодаря предложенному техническому решению достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышение показателей надежности фотометрического анализа и имеет в 5-10 раз более высокую чувствительность, чем у аналогов, при в 4-5 раз большем быстродействии и более высоких показателях надежности фотометрического анализа, из-за значительного уменьшения передаваемого и обрабатываемого объема информации и снижение количества спектральных точек со 128-ми до 3-х, а, значит, и соответствующих им значений оптической плотности вещества для упрощения цифровой обработки, визуализации и хранения данных.Thus, thanks to the proposed technical solution, the required technical result is achieved, which consists in increasing the reliability parameters of photometric analysis and has 5-10 times higher sensitivity than analogs, with 4-5 times faster performance and higher reliability parameters of photometric analysis, due to a significant reduction in the transmitted and processed amount of information and a decrease in the number of spectral points from 128 to 3, and, therefore, the corresponding values of the optical plane NOSTA substance to simplify the digital processing, visualization and data storage.

Claims

A urine photometric analysis device comprising a test strip 14 for an analyte, a gradient lens 13, a seven-channel fiber optic collector 12, an optoelectronic node 8 of an LED array, comprising an LED array 11 of 3 LEDs as a source of optical radiation previously separated into three channels and fed to the test strip through the above collector and gradient lens, microcontroller 9, synchronized pulse generator 10 for supplying them to the LED matrix and for the corresponding LED, an optoelectronic node 1 of the photodetector containing a single-channel photodetector 5 for converting the optical signal reflected from the test strip and supplied through the gradient lens and the above collector into an electrical signal, a pre-amplifier 4 of the received electrical signal, a synchronous detector 3 for suppressing the main noise components signal and analog-to-digital Converter 2 for receiving a signal in digital form.