CC BY
2ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ИКРЫ
ОСЕТРОВЫХ РЫБ
Титова Н.В.
Национальный транспортный университет, г. Киев, доцент кафедры информационных систем и технологий, кандидат технических наук, доцент
PRINCIPLES OF CONSTRUCTION OF THE MEASURING SYSTEM CHEMILUMINESCENCE OF
STURGEON
Titova N.
National Transport University, Kyiv, Department of Information systems and technologies, Cand.Sc. (Eng.), Assist.Prof.P
Аннотация
В статье анализируются методы контроля отклика биологических объектов при воздействии на них физических факторов. Особое внимание уделяется основным направлениям и тенденциям развития современных методов измерения биохемилюминесценции. Произведен анализ устройств для ее измерения. Сделано обоснование функциональной схемы для измерения биохемилюминесценции икры осетровых рыб. Также предоставлено сравнение эффективности различных методов регистрации фотонов. Целью автора является решение научной проблемы усовершенствования инкубационного процесса за счет измерения хемилюминесценции икры.
Abstract
The article analyzes the methods of controlling the response of biological objects when exposed to physical factors. Particular attention is paid to the main directions and trends in the development of modern methods for measuring biochemical luminescence. Analysis of devices for its measurement. The substantiation of the functional scheme for measuring the biochemiluminescence of sturgeon caviar was made. A comparison is also made of the effectiveness of various photon registration methods. The aim of the author is to solve the scientific problem of improving the incubation process by measuring the chemiluminescence of caviar.
Ключевые слова: хемилюминесценция, биохемилюминесценция, фотоэлектронный умножитель, гидробионты, методы измерения, фотоны, фотоэлектроны.
Keywords: Сhemiluminescence, Вiochemiluminescence, photoelectron multiplier, ^droMonfe, measurement methods, photons, photoelectrons.
Взаимодействия биологических систем с физическими факторами электромагнитной природы приводит к физическим, химическим и биологическим превращениям [2, 6]. Под превращениями следует понимать изменение состояния: нагрев биообъектов, разрыв химических связей, изменение окраски, изменение электрических свойств, биологическую реакцию на облучение. Таким образом, к параметрам, характеризующим состояние биологического объекта при воздействии физических факторов, следует отнести изменения: температуры, электрического импеданса, разности биопотенциалов, диэлектрической проницаемости, биомагнитных полей, хемилюминесценции, газообмена с окружающей средой. Из многочисленных методов измерения заслуживают внимания люминесцентные методы, позволяющие наблюдать за изменением состояния как отдельных биомолекул, так и субклеточных и клеточных структур. Даже при самом корректном измерении люминесцентного параметра, его косвенная связь со свойствами макро-молекулярного образования сохраняется [4].
С помощью люминесцентных методов можно на целых клетках, тканях и органах наблюдать за локальными изменениями в биомембранах [4].
Измерение параметров биохемилюминесцен-ции имеет ряд особенностей, связанных с весьма малой интенсивностью (порядка 10-10-3 квантов
света в 1 с с 1 см2 поверхности биологических объектов) [10, 11] этого свечения. Для регистрации свечения такой интенсивности используемая установка должна обеспечивать большой светосбор, обладать высокой чувствительностью при малом уровне шумов, иметь достаточно стабильный коэффициент усиления и подходящую спектральную характеристику. Наиболее полная систематизация свечений по одноэлектронным фотоприемникам содержится в работах [1, 3, 5, 7, 8, 11].
Анализ материала по данному вопросу показывает, что в последнее время количество работ, посвященных биохемилюминесценции резко возрастает [7, 10].Во многих научных центрах и за рубежом разработаны и серийно выпущены хемилюминометры [9, 12], однако в нашей стране они еще не включены в широкое коммерческое производство и изготавливаются малыми партиями.
Главным недостатком многочисленных установок является то, что ни одно из рассмотренных устройств не позволяет наблюдать как спонтанную биохемилюминесценцию, так и индуцированную различными физическими факторами, проводить измерения в реальном масштабе времени при непосредственном воздействии электромагнитных факторов на биологические объекты, а также отсутствие унификации, единой метрологии, возможности периодического контроля чувствительности
установок. Поэтому необходимо провести теоретические и экспериментальные исследования для создания устройства, обеспечивающего измерение биохемилюминесценции икры осетровых рыб в процессе их технологической обработки светодиодным излучением. При этом основные принципы метода измерения сверхслабых световых потоков от биологических объектов сводятся к следующим:
1) устранение промежуточных рассеивающих и отражающих поверхностей и сред;
2) максимальное приближение объекта к све-токатоду;
3) разделение блока фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) и блока объекта термобарьером, что позволяет удерживать постоянную температуру ФЭУ и задавать нужную температуру объекту;
4) расположение жидких объектов над фотокатодом в кюветах с плоским оптическим дном, что позволяет полностью использовать фотокатод и защитить его от запотевания;
5) применение кассет со светофильтрами, вмонтированными в фотозатвор;
6) использование аппаратуры, работающей в импульсном режиме;
Выполнение этих требований позволит создать установку с высокой чувствительностью и сделает возможным регистрировать световые потоки от таких биологических объектов, у которых интенсивность свечения составляет один квант в 1 с.
Применение физических факторов (свет, ЭМП, лазер) с каждым годом находит все большее применение при искусственном разведении осетровых рыб. Поэтому разработка методики технических устройств, позволяющих контролировать состояние биологических объектов (икра осетровых рыб) в момент облучения и после него, является главным фактором при разработке современных технологий по выращиванию мальков из икры осетровых рыб.
С этой целью было разработано и изготовлено техническое устройство, с помощью которого можно измерять как спонтанную так и индуцированную различными физическими факторами (свет, ЭМП, лазер) биохемилюминесценцию. Разработанная система связана с компьютером, что дает возможность сразу производить обработку полученной информации. На рисунке 1 представлена функциональная схема установки. Она содержит: высоковольтный блок питания; измерительный преобразователь; усилительный блок; блок питания; осциллограф; регистрирующее устройство; интерфейсная плата; ПЭВМ; печатающее устройство.
При разработке функциональной схемы системы контроля изменения хемилюминесценции гидробионтов следует особое внимание обратить на:
- выбор метода измерения выходного сигнала ФЭУ;
- обоснование выбора фотоприемника;
- разработку усилительного блока.
При регистрации сверхслабых световых свечений биологических объектов приходится иметь дело с выходными сигналами порядка 10-103 имп/с. На фоне шума очень трудно выделить этот сигнал, поэтому при измерении как спонтанной, так и индуцированной хемилюминесценции важно правильно выбрать метод измерения выходного сигнала фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В зависимости от используемого метода наибольшее распространение находят три основных схемы включения ФЭУ:
1) схема измерения среднего анодного тока (токовая схема - ТС);
2) схема синхронного детектирования сигнала
(ДС);
3) схема счета единичных фотонов или схема счета импульсов (ФС).
Рисунок 1 - Функциональная схема установки
При измерении слабых световых потоков большинство исследователей отмечают преимущество схемы счета единичных фотонов, которые по сравнению с остальными, как правило, выражаются отношением минимальных световых мощностей
либо соотношением сигнал/шум сравниваемых методов при одинаковом времени и точности измерения. Для удобства сравнения, эффективности различных методов регистрации фотонов сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Сравнение эффективности различных методов регистрации фотонов
№ п/п Метод Условное обозначение Эффективность
1 Метод счёта фотонов Интегрирование заряда ФС ИЗ 1 0,67
0,5 (регистрация в режиме счёта) 0,33
2 Синхронное детектирование СД (регистрация интегрированием) 0,07 (узкополосная модуляция по первой гармонике)
3 Токовый ТС 0,5
Сравним счетный и токовый режимы, пользуясь сочетанием пуассоновского и биноминального ричных электронов: распределения для счетного режима [11, 7]. Вероятность P(n) достижения п фотонами катода ФЭУ представим как:
Вероятность выбивания п электронами х вто-
Pn _
nne~"
n!
:(1" « )'
(2)
Pn =-
n!
(1) где а - квантовый выход фотокатода.
Вероятность Pх выбивания х фотоэлектронов средним количеством фотонов получаем как сумму
где П - доля падающих на фотокатод фотонов произведений двух предыдущих вероятностей: или средняя эффективность собирания.
P _у PP _ е" (an )x f[n(l-a)r_ (an)
Px / / 1n1n,x I / /
na
(n - x)!
x!
(3)
Число импульсов ФЭУ за единицу времени
да
N = р , т.е. равно вероятности выбивания фо-
Х=1
тоэлектронов во всей области значений х, от 1 до
да:
N _v/ Px _v/
—Л —na
( an )
x _1
x _1
x!
■_v(l - e-na )
_v
_ na i и
na + 1 + -J'
(4)
где V - количество квантов источника света.
При слабом световом потоке и одноэлектрон-
Для одноэлектронного режима счета вероятно- ной регистрации р составляет пренебрежимо сти выбивания двух фотоэлектронов с фотокатода
одним фотоном P 2 < P=i, гДе
Px_i _ na-na,
.' na л2 aPx_2 _| у
n _0,2; a _0,1; v_ 10V1; K
малую величину по сравнению с na и
N _vna
(5)
Уфэу
Для сравнения счетного и токового режима регистрации с точки зрения чувствительности регистрации слабого светового потока возьмем средний ФЭУ, в котором обеспечивается одноэлектронный режим и имеются следующие данные [11, 7]:
= 106; /т = 5,10"8 А; Щ = 20имп / с.
n_ x
2
Тогда для режима счета согласно (3.5) N=200 имп/с, а соотношение сигнал/шум:
N
JnTNT
200
Т5~
= 13 •
(6)
Для токового режима полезный сигнал на выходе ФЭУ:
Ic = NKy 1,6 -10-19 = 3,2-10-11
А (7)
В этом случае полезный сигнал будет более, чем на три порядка ниже темнового тока фотоприемника, и не может быть выделен.
Чувствительность токового режима в этом случае ниже чувствительности счетного более, чем в 1000 раз. Это важное преимущество режима счета фотонов для случая регистрации предельно слабых световых потоков характерно для биоисследований. Преимуществами импульсного метода перед токовым также являются: большая стабильность в работе, низкий уровень шумов, исключается темно-вой ток и дрейф нуля, независимость от тока анода и его нагрузочного сопротивления. Другие методы могут рассматриваться как дополнительные и дающие преимущества лишь в специфических условиях. Поэтому в разрабатываемой установке целесообразно применить метод измерения выходного сигнала фотоприемника - метод счета фотонов, что позволит проводить эффективные измерения как спонтанной биохемилюминесценции, так и индуцированной излучением световых диодов икры осетровых рыб.
Таким образом, применение люминесцентных методов контроля за изменением хемилюминесцен-ции икры осетровых рыб позволит повысить их ре-продуктивность, связанную с облучением икры излучением в нанометровом диапазоне длин волн.
Так же, на основании проведенного анализа следует, что для измерения хемилюминесценции
икры осетровых рыб необходимо применять метод счета единичных фотонов на основе использования фотоэлектронного умножителя ФЭУ-79. Для согласования электрических и временных характеристик ФЭУ-79 с регистрирующим устройством в технической системе необходимо предусмотреть быстродействующий усилитель и дискриминатор.
Список литературы
1. Александров И.Р., Дунаевская Н.В. и др. // ПТЭ. 1977, № 2, с.176-178.
2. Арбер С.И. Клеточные и молекулярные механизмы действия микроволновых и электромагнитных полей на биологические системы. ЭОМ, 1978, № 3, с. 59-65.
3. Байер В. Биофизика. - М.:Изд-во иностр. лит., 1962. - 430 с.
4. Веселовский В.А., Веселова Т.В. Люминесценция растений. - М. - Наука, 1990.-200 с.
5. Ветохин С.С., Гулаков И.Р., Перцев A.M. и др. - М.: Атомиздат, -1979. -192 с.
6. Девятков Н.Д. Миллиметровые волны в медицине и биологии. - М.: Связь, 1989, с. 242-247.
7. Журавлев А.И. и др. Теоретические и методические основы биохемилюминесценции //М.: Наука. -1986, с. 3.
8. Журавлев A.M., Горбачев С.А. Биохеми-люминесценция в медицине и сельском хозяйстве //Ташкент.: ФАИ.-1986, с. 90.
9. Коровякова Т.Н. Современные приборы для изучения биохемилюминесценции //Биохеми-люминесценция в сельском хозяйстве.-М. :МВА, 1986.-30 с.
10. Мамедов Т.Г., Попов Г.А., Конев В.В. // Биофизика.-1969,-т. 14, №6, с. 50
11. Перцев A.M., Писаревский А.Н. Одноэлек-тронные характеристики ФЭУ и их применение. -М.: Атомиздат, - 1971.-189 с.
12. Сидорик Е.П., Карнаух И.М. и др. Разработка и применение автоматизированной системы "Серийный хемилюминометр - мини-ЭВМ" в различных областях медицины и биологии. - 30 с.
