PL183725B1

PL183725B1 - Urządzenie do określania zawartości analitu w próbce, zwłaszcza biologicznej, za pomocą pola magnetycznego

Info

Publication number: PL183725B1
Application number: PL97328792A
Authority: PL
Inventors: Hans Koch; Hartmut Matz; Roman Koetitz; Dietmar Drung; Lutz Trahms; Werner Weitschies; Wolfhard Semmler
Original assignee: Diagnostikforschung Inst
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 2002-07-31
Also published as: KR20000005555A; HUP9901377A2; BR9708780A; DK0898706T3; US6123902A; AU718523B2; NZ331772A; WO1997040377A1; AU2885497A; CN1216613A; CA2250087A1; SK143598A3; CN1105917C; PL328792A1; UA41476C2; TW356519B; DE29780349U1; ES2192269T3; IL126067A; EP0898706A1

Abstract

1. Urzadzenie do okreslania zawartosci ana- litu w próbce, zwlaszcza biologicznej, za pomoca pola magnetycznego, zlozone z ukladu magnesuja- cego, do generacji pola magnetycznego w obszarze badanej próbki, oraz z ukladu detekcji pola magne- tycznego namagnesowanej próbki, do pomiaru jej wlasciwosci magnetycznych, i wyposazonego przy- najmniej w jeden czujnik pola magnetycznego, znamienne tym, ze uklad detekcji pola magnetycz- nego jest umieszczony w obudowie chlodzacej, oraz sklada sie z cewki rejestrujacej pole magnetyczne, w bezposrednim sasiedztwie której, lecz poza scianka obudowy chlodzacej, znajduje sie obszar pomiarowy badanej próbki (12), i z polaczonego z ta cewka rejestrujaca czujnika (71, 20) pola magnetycznego, przymocowanego do zawieszenia (6), oraz polaczo- nego z ukladem elektronicznym (1) z petla sprzeze- nia zwrotnego, a ponadto, urzadzenie jest wyposazo- ne w gradiometr odniesienia (8), znajdujacy sie w obudowie chlodzacej nad cewka rejestrujaca ukladu detekcji pola magnetycznego, oraz polaczony z ukladem elektronicznym (1) z petla sprzezenia zwrot- nego, przy czym uklad magnesujacy (11, 11', 11") badana próbke (12) znajduje sie poza obudowa chlodzaca. Fig. 1 PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do określania zawartości analitu w próbce, zwłaszcza biologicznej, za pomocą pola magnetycznego, złożone z układu magnesującego, do generacji pola magnetycznego w obszarze badanej próbki, oraz z układu detekcji pola magnetycznego namagnesowanej próbki, do pomiaru jej właściwości magnetycznych, i wyposażonego przynajmniej w jeden czujnik pola magnetycznego.

Chociaż znane są różne rozwiązania urządzeń do oznaczania zawartości analitu w próbce, zwłaszcza biologicznej, to jednak tylko nieliczne bazują na pomiarze właściwości magnetycznych badanych próbek.

Ze stanu techniki znany jest na przykład sposób oznaczania odporności organizmu za pomocą nadprzewodnikowego interferometru kwantowego SQU1D, obejmujący magnetyczne znakowanie przeciwciał, lub antygenów, poddanie reakcji przeciwciał i antygenów, oddzielenie od siebie składników oznaczonych magnetycznie od nieoznaczonych, oraz pomiar namagnesowania oddzielonych składników oznaczonych magnetycznie.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych A. P. nr US 4 913 883 przedstawione jest urządzenie do oceny odporności organizmów za pomocą odczynu aglutynacji. Bazuje ono na pomiarze aglutynów przeciwciał znakowanych cząsteczkami magnetycznymi o wymiarach rzędu mikrometra. Urządzenie jest wyposażone w układ do izolacji aglutynu. oraz w układ do jego transportu przez układ detekcji, za pomocą strumienia płynu.

W japońskim opisie patentowym nr JP 3-220442-A przedstawione jest urządzenie do oznaczania odporności organizmów za pośrednictwem odczynu aglutynacji, w którym część aglutyny stanowią przeciwciała określane za pomocą pomiaru wielkości cząsteczek magnetycznych tworzących aglomeraty (skupiska, zlepki). Stacjonarną próbkę płynu poddaje się działaniu pola magnetycznego, a następnie, w aglomeratach namagnesowanych cząsteczek mierzy się resztkową indukcję magnetyczną

Przedstawione w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych A.P. nr US 5 486 457 urządzenie służy do określania ruchliwości cząsteczek magnetycznych w komórkach organizmów żywych, za pomocą pomiaru pól magnetycznych w obecności słabego zewnętrznego pola magnetycznego, które podlega rotacji w zakresie kąta 90° w stosunku do pola magnesującego.

W publikacji Valbeg'a i innych w magazynie naukowym Science (1984. vol. 424, str. 513-516) przedstawiony jest sposób pomiaru pola magnetycznego z wykorzystaniem rotacji cząsteczek magnetycznych o typowych wymiarach 0,7 pm. Do zwiększenia czułości pomiaru została wykorzystana tak zwana modulacyjna technika pomiarowa w wąskim paśmie widmowym.

W innej publikacji, przedstawionej w magazynie Rev. Sci. Instrum. (1977. vol.48. str. 1529-1536) przez Philo'a i innych, opisany jest sposób pomiaru podatności magnetycznej z wykorzystaniem nadprzewodnikowego interferometru kwantowego SQU1D, charakteryzującego się bardo dużą czułością pomiarową.

W niemieckich zgłoszeniach patentowych nr DE 195 03 664 i nr DE 195 08 772 przedstawiony jest sposób i składniki do określania zawartości analitu w próbce za pomocą pomiarów magneto-relaksometrycznych, lub pomiarów pozostałości magnetycznej. Do określania zawartości analitu w próbce będącej w fazie ciekłej, lub stałej, z wykorzystaniem wiązania ligandu receptora, wykorzystuje się znakowanie koloidalnymi cząsteczkami ferro- lub ferrimagnetycznymi (do pomiarów magneto-relaksometrycznych), lub stabilnymi, względnie quasi-stabilnymi cząsteczkami ferro- lub ferrimagnetycznymi, których mierzona jest odpowiednio relaksacja namagnesowania i pozostałość magnetyczna.

Sposób określania zawartości analitu w próbce, przedstawiony w powyższych niemieckich zgłoszeniach patentowych, bazuje na pomiarze: relaksacji magnetycznej (czasu zaniku namagnesowania) próbki zaraz po wyłączeniu, lub usunięciu pola magnetycznego; namagnesowania próbki w funkcji częstotliwości przyłożonego pola magnetycznego; oraz pozostałości magnetycznej próbki, po jej uprzednim namagnesowaniu.

Opisane powyżej urządzenia i sposoby określania zawartości analitu w próbce, za pomocą pola magnetycznego, nie tłumią dostatecznie pól magnetycznych zakłócających pomiar, a pochodzących głównie od sieci zasilającej i fluktuacji pola magnetycznego ziemi. W urzą4

183 725 dzeniach tego typu konieczne jest stosowanie szeregu trudnych do wytworzenia i kosztownych ekranów magnetycznych, a zmiana badanych próbek jest czasochłonna.

Istotą wynalazku jest urządzenie do określania zawartości analitu w próbce, zwłaszcza biologicznej, za pomocą pola magnetycznego, które charakteryzuje się tym, że układ detekcji pola magnetycznego jest umieszczony w obudowie chłodzącej, oraz składa się z cewki rejestrującej pole magnetyczne, w bezpośrednim sąsiedztwie której, lecz poza ścianką obudowy chłodzącej, znajduje się obszar pomiarowy badanej próbki, i z połączonego z tą cewką rejestrującą czujnika pola magnetycznego, przymocowanego do zawieszenia, oraz połączonego z układem elektronicznym z pętlą sprzężenia zwrotnego. Urządzenie jest ponadto wyposażone w gradiometr odniesienia, znajdujący się w obudowie chłodzącej nad cewką rejestrującą układu detekcji pola magnetycznego, oraz połączony z układem elektronicznym z pętlą sprzężenia zwrotnego. Układ magnesujący badaną próbkę znajduje się poza obudową chłodzącą..

Korzystnym jest, jeżeli układ magnesujący urządzenia znajduje się poza obudową chłodzącą w odległości, przy której natężenie pola magnesującego w obszarze pomiarowym badanej próbki jest mniejsze od natężenia tego pola w obszarze magnesowania badanej próbki przynajmniej dziesięciokrotnie, korzystnie tysiąckrotnie.

Czujnik pola magnetycznego składa się korzystnie przynajmniej z jednego nadprzewodnikowego interferometru kwantowego (SQUID).

Gradiometr odniesienia urządzenia jest połączony na wyjściu korzystnie z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, oraz z filtrem.

Układ magnesujący urządzenia jest korzystnie połączony z obwodem elektrycznym przerywającym generację pola magnesującego, oraz znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie cewki rejestrującej układu detekcji pola magnetycznego.

Urządzenie jest korzystnie wyposażone w ruchomą taśmę przenośnikową, na której są umieszczane badane próbki, oraz znajdującą się między obszarem magnesowania układu magnesującego, a obszarem pomiarowym badanej próbki.

Układ detekcji pola magnetycznego jest korzystnie wyposażony w gradiometr detekcyjny, którego przynajmniej jedna cewka stanowi cewkę rejestrującą układu detekcji pola magnetycznego.

Dodatkowe korzyści uzyskuje się w przypadku, kiedy urządzenie jest wyposażone w cewkę kompensacyjną o zmiennym położeniu, znajdującą się poza obudową chłodzącą i obszarem pomiarowym badanej próbki, oraz sprzężoną synchronicznie z układem magnesującym.

Urządzenie jest korzystnie wyposażone w magnetometr wektorowy, znajdujący się w pobliżu cewki rejestrującej układu detekcji pola magnetycznego, połączony na wyjściu z układem elektronicznym z pętlą sprzężenia zwrotnego, oraz z filtrem kompensacyjnym.

Korzystnym jest, jeżeli urządzenie jest wyposażone w cewkę Helmholtza, umieszczoną poza obudową chłodzącą wokół cewki rejestrującej układu detekcji pola magnetycznego.

Urządzenie według wynalazku do określania zawartości analitu w próbce, zwłaszcza biologicznej, za pomocą pola magnetycznego, umożliwia wykonanie trzech różnych pomiarów: pozostałości magnetycznej, relaksacji pola magnetycznego, oraz magnetyzacji w funkcji częstotliwości.

Urządzenie upraszcza procedurę pomiarową, przez wyeliminowanie konieczności oddzielania od siebie cząsteczek oznaczonych magnetycznie od nieoznaczonych, oraz możliwość automatycznej zmiany badanych próbek, które mogą być przygotowane w innym laboratorium. Urządzenie według wynalazku umożliwia badanie dynamiki wiązań analitów w próbce, badanie wielu próbek w jednym cyklu pomiarowym, a także określenie ilościowej zawartości złożonych substancji, z jednoczesnym wyznaczeniem przestrzennego rozkładu kilku analitów w jednym związku. Badane próbki mogą być w stanie ciekłym, albo stałym.

Eliminacja wszelkich pól zakłócających czyni urządzenie według wynalazku możliwym w zastosowaniu w różnych środowiskach, zarówno w laboratorium, jak i poza nim, a także w bezpośrednim badaniu organizmów żywych, zwłaszcza ludzi i zwierząt.

Urządzenie umożliwia zastosowanie bardzo silnego pola magnesującego badaną próbkę, co znacznie ułatwia wykrycie namagnesowanych cząsteczek, zapewnia bardzo wysoką czu183 725 łość pomiarową, oraz wybór techniki pomiarowej, na przykład bezpośredniej, porównawczej, lub uśredniającej.

Zminimalizowanie ilości ekranów magnetycznych, oraz zastosowanie cewek indukcyjnych i magnesów trwałych upraszcza konstrukcję urządzenia, oraz zmniejsza zużycie energii.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do określania zawartości analitu w próbce, zwłaszcza biologicznej, fig. 2A - schemat rozmieszczenia w urządzeniu badanych próbek, w widoku z góry, fig. 2B -schemat rozmieszczenia w urządzeniu czujników pola magnetycznego, w widoku z góry, fig. 3 - schemat odmiany urządzenia do określania zawartości analitu w próbce, fig. 4 - schemat fragmentu innej odmiany urządzenia do określania zawartości analitu w próbce, a fig. 5 - schemat jeszcze innej odmiany urządzenia do określania zawartości analitu w próbce.

Do pomiaru pola magnetycznego, wytwarzanego przez wiązania oznaczonej magnetycznie substancji o określonej strukturze, wykorzystuje się następniące układy detekcji: nadprzewodnikowe interferometry kwantowe (czujniki SQUlD), zarówno o wysokiej, jak i niskiej temperaturze nadprzewodnictwa; cewki indukcyjne, wyposażone korzystnie w rdzeń magnetyczny, analogiczny do rdzenia głowic do odczytu taśm magnetycznych; detektory strumienia magnetycznego (typu flux-gate), oraz magnetorezystory, pracujące w korzystnie w układzie głowicy magnetorezystywnej (GMR).

W celu określenia możliwie najmniejszej ilości analitu związanego w roztworze, układy detekcji pola magnetycznego winny charakteryzować się bardzo dużą rozdzielczością energetyczną. Jednym z najbardziej czułych detektorów pola magnetycznego są czujniki nadprzewodnikowe SQUID wyposażone w cewki nadprzewodzące, które przy określonych warunkach brzegowych mogą pracować nawet przy dużych polach magnetycznych. Oczywiście zamiast czujników SQUlD mogą być wykorzystane inne, wymienione wyżej detektory pola magnetycznego.

W urządzeniu według wynalazku do określania zawartości analitu w próbce, zwłaszcza biologicznej, wykorzystuje się pomiar pozostałości magnetycznej i relaksacji pola magnetycznego za pomocą tego samego układu detekcji pola magnetycznego. Różnice w sposobie pomiaru badanej próbki polegają głównie na sposobie namagnesowania tej próbki i na trybie pracy układu detekcji pola magnetycznego. Odmiana konstrukcyjna urządzenia umożliwia ponadto pomiar magnetyzacji w funkcji częstotliwości.

Przedstawione na fig. 1 urządzenie według wynalazku do jakościowego i ilościowego określania analitu w próbce, zwłaszcza biologicznej, wyposażone jest w kriostat 14, czyli termostat niskotemperaturowy, w którym znajduje się ciecz chłodząca, na przykład ciekły hel, lub ciekły azot, zapewniający uzyskanie warunków nadprzewodnictwa. Zamiast kriostatu 14 może być wykorzystany inny układ chłodzący. Kriostat 14 jest zakryty pokrywą Dewara 4, w której znajduje się przyłącze próżniowe 2, kanał przelewowy 5, wchodzący do wnętrza kriostatu 14, oraz: układ elektroniczny FLL 1, pracujący razem z czujnikiem nadprzewodnikowym SQUID w trybie zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Pod pokrywą Dewara 4 znajduje się zespół ograniczników ciepła 3, oraz prętowe zawieszenie 6, rozciągające się między pokrywą Dewara 4, a przeciwległą ścianką kriostatu 14. Na zawieszeniu 6 jest zamocowany przynajmniej jeden czujnik 71 pola magnetycznego, korzystnie czujnik nadprzewodnikowy SQUlD, który otoczony jest ekranem magnetycznym 7. Wewnątrz kriostatu znajdują się: gradiometr odniesienia 8 wyposażony w cewkę rejestrującą pole magnetyczne, magnetometr wektorowy 9, oraz gradiometr detekcyjny 10, również wyposażony w cewkę rejestrującą pole magnetyczne. Tuż pod cewką rejestrującą pole magnetyczne gradiometru detekcyjnego 10, lecz poza kriostatem 14, znajduje się badana próbka 12 wzbudzana magnetycznie cewką układu magnesującego 11, również znajdującego się poza kriostatem 14. Urządzenie jest ponadto wyposażone w znajdującą się poza kriostatem 14 cewkę kompensacyjną 13 o zmienianym położeniu.

Między czujnikami 71 pola magnetycznego SQUID, pracującymi w bardzo niskich temperaturach, a badaną próbką 12, winna znajdować się odpowiednia izolacja cieplna, utworzona na przykład przez ściankę kriostatu 14. W celu uzyskania najkorzystniejszego sprzęże6

183 725 nia magnetycznego między analitem w badanej próbce 12, a cewką rejestrującą gradiometru detekcyjnego 10, odległość między badaną próbką 12, a tą cewką winna być jak najmniejsza, korzystnie mniejsza niż efektywna średnica cewki rejestrującej. ... ,

W celu uniknięcia zamarznięcia badanej próbki 12 będącej w fazie ciekłej, może być ona dodatkowo podgrzewana, na przykład laserem.

Jeżeli detektorem pola magnetycznego jest inny czujnik niż SQUID, wówczas zamiast kriostatu może być zastosowana inna obudowa.

Usytuowana na zewnątrz kriostatu 14 cewka układu magnesującego 11, służąca do namagnesowania próbki 12, jest przewodnikowa. Natomiast cewki znajdujące się wewnątrz kriostatu 14 mogą być cewkami zarówno przewodnikowymi, jak i nadprzewodnikowymi. Podczas pomiaru relaksacji magnetycznej i pozostałości magnetycznej w próbce 12 w funkcji czasu, badana próbka 12 winna być umieszczona w przestrzeni wolnej od pola magnetycznego. W celu określenia absolutnej wielkości pola magnetycznego w obszarze badanej próbki 12 wykorzystuje się czujnik odniesienia, mający postać detektora strumienia magnetycznego (flux-gate). lub ruchomej cewki rejestrującej. Wykryte pole magnetyczne, będące dla pomiarów polem zakłócającym, eliminuje się cewką kompensacyjną 13.

Natomiast w przypadku pomiaru magnetyzacji w funkcji częstotliwości badaną próbkę 12 poddaje się działaniu zmiennego pola magnetycznego. W obszarze badanej próbki 12 wzbudzone pole magnetyczne winno być jednorodne.

Zmierzony za pomocą cewki rejestrującej (pełniącej funkcję anteny) sygnał pola magnetycznego próbki 12 przechodzi do czujnika 71 pola magnetycznego SQUID. Taka antenowa konfiguracja cewki rejestrującej ma korzystnie postać płaskiego gradiometru detekcyjnego 10 złożonego z dwóch cewek kompensujących pole magnetyczne, o możliwie identycznej geometrii, oraz połączonych ze sobą szeregowo, albo równolegle. Badana próbka 12 jest umieszczana wewnątrz, albo też pod jedną z cewek rejestrujących pole magnetyczne. Największą czułość pomiarową uzyskuje się przypadku, kiedy odległość między magnetycznie aktywnymi obszarami próbki 12, a cewką rejestrującą jest jak najmniejsza. Aby uzyskać możliwie najmniejszą odległość między cewką rejestrującą, a próbką 12, korzystne jest zmniejszenie w obszarze próbki 12 grubości ścianki kriostatu 14, która poza tym obszarem może być większa.

W przypadku czułych pomiarów magnetycznych szczególnie ważna jest kalibracja gradiometru detekcyjnego 10, mająca na celu uzyskanie symetrii geometrii urządzenia i symetrii pola magnesującego. Ta kalibracja może być zrealizowana przez pomiar kompensacyjny, z wykorzystaniem pola kompensującego cewki kompensacyjnej 13, która sterowana jest synchronicznie razem z cewką układu magnesującego 11. Kalibracja gradiometru detekcyjnego 10 w polu magnesującym może być wykonana na przykład, za pomocą potencjometru sterowanego komputerem, lub przez trwałe jego wyrównanie. Kalibracji gradiometru detekcyjnego 10, a wiec i c^ł^tego urządzenia, dokonuje się bez b^<^ianej pjrtóbi^^ Yl, przez jednoczesne wzbudzenie cewki układu magnesującego 11 i cewki kompensacyjnej 13 takim samym prądem zmiennym, oraz taką manipulację cewki kompensacyjnej 13, aby w czujniku 71 pola magnetycznego SQUID uzyskać minimalny sygnał wyjściowy. Tak skalibrowane urządzenie wykorzystuje się następnie do pomiaru badanej próbki 12. W razie konieczności dokonuje się również kalibracji fazy sygnału wyjściowego czujnika 71 pola magnetycznego.

Pomiary kalibracyjne maksymalnie minimalizują nieprecyzyjności w ustawieniu geometrycznym cewki rejestrującej, oraz asymetrii pola magnesującego w stosunku do pola cewki rejestrującej. Dodatkowo kalibracja urządzenia sprawia, że mierzone sygnały są prawie niezależne od zmian w czasie pola magnesującego. Nawet jeżeli podczas pomiaru pojawią się w urządzeniu nieprzewidziane przesunięcia w jego geometrii, lub jeżeli kalibracyjna nie jest wystarczająco precyzyjna, wówczas powstałe błędy pomiarowe można wyeliminować przez umieszczenie badanej próbki 12 pod drugą cewką gradiometru detekcyjnego 10. W pewnych przypadkach na przykład w czasie pomiaru natężenia namagnesowania, nawet nie jest korzystna całkowita kompensacja gradiometru detekcyjnego 10.

Opisane powyżej cechy urządzenia według wynalazku umożliwiają pomiar słabego namagnesowania próbki 12 w funkcji częstotliwości, w obecności silnego zmiennego pola ma183 725 gnesującego, oraz pomiar relaksacji magnetycznej próbki 12 niezwłocznie po wyłączeniu pola magnesującego eliminując w ten sposób zakłócenia mierzonego sygnału.

Należy zwrócić uwagę na fakt, czujniki 71 nadprzewodnikowe SQUID (z jednym, lub dwoma złączami Josephsona) są zależne od wielkości pola magnetycznego, które może zmienić ich punkt pracy w niekontrolowanych warunkach, zwłaszcza w obecności bardzo silnych pól magnesujących. W celu zagwarantowania natychmiastowego strojenia układu elektronicznego FLL 1 pracującego w pętli sprzężenia zwrotnego z czujnikami SQUID, oraz zachowania ciągłości pomiarów, czujniki 71 pola magnetycznego SQUID są oddalone od pola cewki rejestrującej (fig. 1). Czujniki 71 pola magnetycznego SQUID są ponadto zamknięte wewnątrz ekranu magnetycznego 7 (w stosownej odległości od jego ścianek), korzystnie nadprzewodnikowego prostopadłego do kierunku pola magnesującego. Połączenie między cewką rejestrującą pole magnetyczne, a czujnikami 71 pola magnetycznego SQUID może być wykonane za pomocą skręconych wyprowadzeń nadprzewodnikowych, korzystnie ekranowanych magnetycznie (w postaci wyprowadzeń kapilarnych). Urządzenie jest ponadto wyposażone w nieuwidocznioną na rysunku cewkę rozmagnesowującą, umieszczoną wokół ekranu magnetycznego 7, oraz przez którą płynie część prądu pochodząca od cewki układu magnesującego 11. Celem cewki rozmagnesowującej jest zredukowanie natężenia pola magnetycznego w sąsiedztwie ekranu magnetycznego 7, oraz pola błądzącego. Nadprzewodnikowy ekran magnetyczny 7 i cewka rozmagnesowującą winny być tak rozmieszczone, aby zniekształcenia pola magnetycznego w obszarze cewki rejestrującej i badanej próbki 12 były jak najmniejsze.

W celu uzyskania możliwie największej rozdzielczości mierzonego pola magnetycznego, oraz liniowej zależności między natężeniem sygnału wyjściowego, a mierzonym polem magnetycznym, czujniki 71 pola magnetycznego SQUID winny pracować w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego (FLL). Czujniki 71 pola magnetycznego SQUID pracują w trybie tak zwanej zerowej detekcji pola magnetycznego, to znaczy, że każda detekcja różnego od zera pola magnetycznego, kompensowana jest w kierunku przeciwnym za pomocą układu elektronicznego FLL 1, wytwarzającego w cewce rejestrującej pole kompensacyjne. Ten sygnał kompensacyjny jest korzystnie dostarczany do ekranu nadprzewodnikowego za pomocą odpowiedniej cewki sprzęgającej, połączonej szeregowo z cewką rejestrującą. W ten sposób minimalizuje się odkształcenia pola magnetycznego w zakresie regulacji układu elektronicznego 1.

Zastosowanie odsprzęgającego, nadprzewodnikowego ekranu magnetycznego zapobiega wnikaniu do czujników 71 pola magnetycznego SQUID przeciwnego sygnału sprzęgającego. W celu uzyskania zwiększonego zakresu kontrolnego cewki rejestrującej gradiometru detekcyjnego 10, pracującego w trybie zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, wystarczająca jest kontrola strumienia magnetycznego w zakresie jednego, lub kilku fluksonów oraz ich wprowadzenie do czujnika SQU1D. Analizę sygnałów pomiarowych przeprowadza się przez zliczanie skoków ilości fluksonów w czujniku 71 SQUID. Dzięki temu zwiększa się również dynamiczny zakres regulacji układu elektronicznego 1 sterującego czujnikami 71 SQUID, a także dynamiczny zakres przetwornika analogowo-cyfrowego A/C, który może okazać się potrzebny podczas analizy pomiaru. Zakres dynamiczny wykorzystywanego przetwornika analogowo-cyfrowego może być oczywiście mniejszy, ale tylko w przypadku, kiedy w liczniku są zliczane duże wielkości bitów.

Urządzenie według wynalazku umożliwia ponadto kompensację zewnętrznych pól zakłócających w obszarze cewki rejestrującej gradiometru detekcyjnego 10, pochodzących głównie od przewodów zasilających i ziemskiego pola magnetycznego. Dzięki temu nie jest konieczne stosowanie złożonych konstrukcyjnie, kosztownych i trudnych do wykonania ekranów magnetycznych, co zmniejsza koszty wytwarzania całego urządzenia. Do tego celu wykorzystuje się gradiometr odniesienia 8, umieszczony symetrycznie i w pewnej odległości od pola magnesującego. Najkorzystniejszy punkt pracy układów elektronicznych gradiometru odniesienia 8 i gradiometru detekcyjnego 10 uzyskuje się po odjęciu od siebie napięć wyjściowych tychże gradiometrów w układzie elektronicznym FLL 1. Te wstępnie przetworzone sygnały wyjściowe mogą być następnie wprowadzone do przetwornika analogowo8

183 725 cyfrowego, po uprzedniej, sterowanej komputerowo kompensacji. W celu dalszego wyeliminowania zakłóceń mierzonych sygnałów, wyjściowy sygnał gradiometru odniesienia 8 przetwarza się na sygnał cyfrowy z wykorzystaniem drugiego kanału, oraz specjalnych filtrów (na przykład kompensujących różnice czasu opóźnienia optymalizacyjne, oraz korygujące pasmo częstotliwościowe).

Ekrany elektryczne czujników 71 pola magnetycznego SQUID i ich wyprowadzeń są korzystnie ekranami częstotliwości radiowej RF. W większości przypadków, wystarczającym ekranem elektrycznym są bardzo dobrze izolowane ścianki kriostatu 14. Kierunek podlegających wyeliminowaniu zakłócających pól magnetycznych jest korzystnie mierzony za pomocą magnetometru wektorowego 9. Wszelkie inne pola zakłócające, pochodzące głównie od namagnesowanych przedmiotów znajdujących się otoczeniu urządzenia, mogą zostać wyeliminowane przez stosowny dobór materiałów i konstrukcję urządzenia, albo określone podczas pomiarów kalibracyjnych i uwzględnione w analizie badanej próbki 12.

W urządzeniu według wynalazku może być mierzonych jednocześnie więcej niż jedna próbka 12. Jest to uwidocznione na fig. 2A i B, gdzie badane próbki 12 są rozłożone w postaci matrycy 15 (fig. 2A), a ich jednoczesny pomiar realizowany jest za pomocą kilku kanałów pomiarowych. W tym przypadku, czujniki 71 pola magnetycznego SQUID są rozmieszczone w jednej płaszczyźnie, na przykład w postaci matrycy, względnie linii 16 (fig. 2B). Takie rozwiązania pozwala na określenie przestrzennego rozkładu analitu w badanej próbce 12, co jest szczególnie korzystne podczas badań wykonywanych na żywych organizmach (in vivo).

W celu określenia zawartości analitu w badanej próbce 12 przez pomiar relaksacji namagnesowania, konieczna jest gwałtowna zmiana pola magnetycznego. Im bardziej gwałtowna jest ta zmiana, tym mniejszy czas relaksacji może być zmierzony.

Cykl pomiarowy próbki 12 w urządzeniu według wynalazku, przedstawionym na fig. 1 i 2, jest następujący:

W pierwszym etapie, w badanej próbce 12 wytwarza się za pomocą cewki układu magnesującego 11 pole magnesujące, przy czym badana próbka 12 winna znajdować się pod jedną z cewek gradiometru detekcyjnego 10.

W drugim etapie wyłącza się pole magnetyczne układu magnesującego 11, za pomocą połączonego z nim, nieuwidocznionego na rysunku obwodu elektrycznego przerywającego generację pola magnesującego, oraz mierzy się sygnał wyjściowy regulacyjnego układu elektronicznego FLL 1. Podczas pomiaru, czujniki 71 pola magnetycznego SQUID pracują razem z układem elektronicznym FLL 1 w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Jeżeli szybkość zmian gradientu pola magnetycznego w gradiometrze detekcyjnym 10 jest większa niż szybkość zmian sygnału wyjściowego układu elektronicznego FLL 1, wówczas w najpierw zamyka się (automatycznie) pętlę regulacyjną, tuż po wyłączeniu pola magnesującego.

W trzecim etapie analizuje się sygnał wyjściowy czujników 71 pola magnetycznego SQUID, na przykład za pomocą komputera.

W czwartym etapie, po zaniku pola magnetycznego i dokonaniu pomiarów powtarza się pierwszy i drugi etap oraz wylicza się wartości średnie. Powtarzanie pierwszego i drugiego etapu może być realizowane za pomocą pola magnesującego o przeciwnej polaryzacji.

W piątym etapie, w razie potrzeby, powtarza się powyższe etapy pomiarowe dla próbki 2 umieszczonej pod drugą cewką gradiometru detekcyjnego 10.

W szóstym etapie cyklu pomiarowego, pod cewką rejestrującą gradiometru detekcyjnego 10 umieszcza się następną próbkę 12, korzystnie automatycznie.

Natomiast w siódmym etapie, możliwe jest równoczesne porównanie pomiarów pochodzących od dwóch próbek 12 umieszczonych pod każdą z płaskich cewek gradiometru detekcyjnego 10.

Przed dokonaniem pomiaru badanej próbki wskazane jest dokonanie kalibracji urządzenia, przez dokonanie pomiarów bez badanej próbki 12, względnie przy użyciu próbki odniesienia, która umożliwia dokonanie korekty pomiarów badanej próbki 12.

W opisanym powyżej urządzeniu według wynalazku do określania zawartości analitu dokonuje się również pomiaru pozostałości magnetycznej badanej próbki, który jest następujący:

183 725

Próbkę 12 umieszczoną w, lub pod jedną z cewek rejestrujących gradiometru detekcyjnego 10 poddaje się okresowemu działaniu pola magnesującego (z małą częstotliwością) w przeciwnych kierunkach i korzystnie przy zmiennej amplitudzie. W wyniku działania pola magnesującego uzyskuje się krzywą namagnesowania w funkcji czasu, której zaletą jest wyeliminowanie możliwości przekroczenia maksymalnej szybkości zmian sygnału układu elektronicznego FLL 1, oraz możliwość pracy (podczas pomiarów) gradiometru detekcyjnego 10 w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. W krótkich okresach czasowych, kiedy próbka 12 nie jest poddana działaniu pobudzającego pola magnesującego, na krzywej namagnesowania powstają przerwy. Podczas pomiaru próbki 12, układ elektroniczny FLL 1 pozostaje w trybie regulacyjnym. Przejściowe pola zakłócające wykrywa się za pomocą szybkiego gradiometru odniesienia 8, którego sygnał wyjściowy sprzęga się zwrotnie z gradiometrem detekcyjnym 10. Małe odstrojenie gradiometru detekcyjnego 10 może być jednocześnie wykorzystane do pomiaru amplitudy pola magnetycznego. Pomiaru pozostałości magnetycznej w badanej próbce 12 dokonuje się w przerwach namagnesowania. Układ detekcji pola magnetycznego jest w tym rozwiązaniu urządzenia według wynalazku połączony z nieuwidocznionym na rysunku obwodem elektrycznym przerywającym pomiar pola magnetycznego namagnesowanej próbki 12.

Kompensacja pól zakłócających podczas pomiaru badanej próbki 12 może być realizowana za pomocą pola pobudzającego o odwrotnej polaryzacji. W celu uzyskania możliwie największego stosunku zmierzony sygnał szum (wywołanego wibracjami, rotacją, ultradźwiękami, urządzeniami hydraulicznymi i otwieranymi drzwiami), badaną próbkę 12 w czasie pomiaru korzystnie przesuwa się. Przesuw badanej próbki 12 może zostać zrealizowany za pomocą niemagnetycznej platformy nośnej napędzanej silnikami liniowymi. Przy konstrukcji urządzenia według wynalazku jest istotne, aby nie zawierało ono żadnych ferromagnetycznych zanieczyszczeń, które mogły być zakłócić precyzyjny pomiar.

W odmianie konstrukcyjnej urządzenia według wynalazku do określania zawartości analitu w próbce, przedstawionej na fig. 3, układ magnesujący znajduje się me w sąsiedztwie układu detekcyjnego, lecz w takiej odległości od niego, aby wielkość natężenia pola magnesującego w obszarze pomiarowym badanej próbki 12 była mniejsza od wielkości tego pola w obszarze magnesowania badanej próbki 12 przynajmniej dziesięciokrotnie, korzystnie przynajmniej tysiąckrotnie. Odległość ta zależy oczywiście od wielkości stosowanego pola magnesującego. Oznacza to, że magnesowanie próbki 12 zachodzi w obszarze całkowicie oddzielonym od obszaru pomiarowego. Badana próbka 12 jest transportowana z obszaru magnesowania układu magnesującego 11', do obszaru pomiarowego odpowiednim mechanizmem transportowym, na przykład taśmą przenośnikową 17. Mechanizm transportowy może być również użyty do zmiany badanych próbek 12. Ponadto, mechanizm transportowy moduluje pole magnetyczne generowane przez badaną próbkę 12 w obszarze cewki rejestrującej gradiometru detekcyjnego 10.

W celu wyeliminowania wpływu pól zakłócających na wynik pomiaru, w urządzeniu według wynalazku zastosowano trójosiowy gradiometr. lub magnetometr wektorowy 9 generujący sygnały odniesienia, złożony z trzech, wzajemnie prostopadłych magnetometrów wyposażonych w czujniki SQUID rozmieszczone na ściankach sześcianu, oraz pracujące w trybie zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Wytłumienie pól zakłócających uzyskuje się przez stosowne ważone odejmowanie sygnałów odniesienia od sygnału wyjściowego gradiometru detekcyjnego 10, które realizuje się w dwóch etapach. W pierwszym etapie dokonuje się ręcznej kompensacji ważonych sygnałów wyjściowych magnetometru wektorowego 9 i gradiometru detekcyjnego 10, w wyniku czego redukuje się zakres dynamiczny mierzonego sygnału dla późniejszego przetwarzania analogów -cyfrowego i komputerowego. W drugim etapie, poszczególne sygnały z magnetometru wektorowego 9 przetwarza się zgodnie z określonym algorytmem w taki sposób, aby uzyskać maksymalne wytłumienie pól zakłócających, na przykład za pomocą dopasowanych filtrów optymalizacyjnych, uwzględniających istniejące zależności między tymi sygnałami.

W celu zoptymalizowania zakresu dynamicznego przetwornika analogów -cyfrowego, przed zamianą sygnału analogowego na cyfrowy dokonuje się dla każdego sygnału kompensacji przesunięcia fazowego. Do pomiaru i kompensacji pól zakłócających, magnetometr

183 725 wektorowy 9 winien charakteryzować się małą indukcyjnością. oraz szerokością, pasma regulacyjnego (w trybie FLL) w zakresie kilku MHz.

Przedstawiona na fig. 4 odmiana konstrukcyjna urządzenia według wynalazku charakteryzuje się tym. że analizy badanej próbki dokonuje się na specjalnie przygotowanej taśmie przenośnikowej 17', przez pomiar pozostałości magnetycznej cząsteczek związanych z daną próbką, podczas przejścia tej taśmy przenośnikowej 17' przez czujnik 20 pola magnetycznego (analogia do taśmy magnetycznej).

Taśmę przenośnikową 17' z przygotowanymi na niej antygenami 18 przesuwa się przez kąpiel 19 zawierającą przeciwciała oznaczone magnetycznie, następnie przez obszar cewki układu magnesującego 11, gdzie badana próbka zostaje namagnesowana, oraz przez obszar czujnika 20 pola magnetycznego. Taśma przenośnikowa 17' jest korzystnie pokryta antygenami 18 w sposób periodyczny, co prowadzi do wytworzenia rozłożonych naprzemiennie obszarów zawierających cząsteczki oznaczone magnetycznie oraz obszarów wolnych od takich cząsteczek.

Powyższy periodyczny efekt może być również uzyskany przez ciągłe pokucie taśmy przenośnikowej 17' antygenem 18 z cząsteczkami oznaczonymi magnetycznie, oraz jej przesuw przez zmienne pole magnetyczne (analogia do technologii taśm magnetycznych). W obydwu opisanych powyżej przypadkach, w czujniku 20 pola magnetycznego uzyskuje się sygnał o znanej częstotliwości i amplitudzie zależnej od ilości wiązań, który może być zmierzony za pomocą pomiaru analogicznego do zapisu taśmy magnetycznej.

Do wykonania pomiarów zespolonych właściwości magnetycznych badanej próbki w zależności od częstotliwości, wykorzystuje się urządzenie przedstawione na fig. 5, które nieznacznie różni się od urządzenia przedstawionego na fig. 1.

Układ magnesujący generuje w obszarze cewki rejestrującej gradiometru detekcyjnego 10 jednorodne pole magnesujące, którego kierunek pokrywa się z kierunkiem najmniejszej czułości cewek rejestrujących to pole. Układ magnesujący jest w tym rozwiązaniu wyposażony dodatkowo w cewkę Helmholtza 21. Zgodnie z opisanym powyżej sposobem kompensacji urządzenia, gradiometr detekcyjny 10 jest tak ustawiony w stosunku do pola magnesującego, aby uzyskać minimalną czułość.

Układ magnesujący jest pobudzany prądem zmiennym o zmiennej częstotliwości (z uwzględnieniem efektów powierzchniowych i dyspersji częstotliwościowej cewki pobudzającej). Mierzona przez czujniki pola magnetycznego magnetyzacja w funkcji częstotliwości jest korzystnie realizowana z wykorzystaniem modulacyjnej techniki pomiarowej, przez pomiar natężenia pobudzającego pola magnetycznego przy stałej fazie sygnału. W ten sposób, dla każdej częstotliwości pola pobudzającego wyznaczana jest amplituda i faza magnetyzacji badanej próbki. Dalsze zwiększenie czułości pomiarowej może być uzyskane przez porównanie pomiarów określających zawartość analitów oznaczonych magnetycznie w badanej próbce z pomiarami odniesienia. Konfiguracja urządzenia według fig. 5 umożliwia dokonanie wszystkich trzech, opisanych powyżej typów pomiarów określających zawartość analitu w badanej próbce 12.

183 725

Fig. 5

183 725

Fig. 3

183 725

17' 18 19

00000 οοοοο οοοοο οοοοο οοοοο —15

Fig. 2Β

Fig. 2Α

183 725

Fig. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do określania zawartości analitu w próbce, zwłaszcza biologicznej, za pomocą pola magnetycznego, złożone z układu magnesującego, do generacji pola magnetycznego w obszarze badanej próbki, oraz z układu detekcji pola magnetycznego namagnesowanej próbki, do pomiaru jej właściwości magnetycznych, i wyposażonego przynajmniej w jeden czujnik pola magnetycznego, znamienne tym, że układ detekcji pola magnetycznego jest umieszczony w obudowie chłodzącej, oraz składa się z cewki rejestrującej pole magnetyczne, w bezpośrednim sąsiedztwie której, lecz poza ścianką obudowy chłodzącej, znajduje się obszar pomiarowy badanej próbki (12), i z połączonego z tą cewką rejestrującą czujnika (71, 20) pola magnetycznego, przymocowanego do zawieszenia (6), oraz połączonego z układem elektronicznym (1) z pętlą sprzężenia zwrotnego, a ponadto, urządzenie jest wyposażone w gradiometr odniesienia (8), znajdujący się w obudowie chłodzącej nad cewką rejestrującą układu detekcji pola magnetycznego, oraz połączony z układem elektronicznym (1) z pętlą sprzężenia zwrotnego, przy czym układ magnesujący (11, 11', 11) badaną próbkę (12) znajduje się poza obudową chłodzącą.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ magnesujący (11', 11) znajduje się poza obudową chłodzącą w odległości, przy której natężenie pola magnesującego w obszarze pomiarowym badanej próbki (12) jest mniejsze od natężenia tego pola w obszarze magnesowania badanej próbki (12) przynajmniej dziesięciokrotnie, korzystnie tysiąckrotnie.
3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że czujnik (71) pola magnetycznego składa się przynajmniej z jednego nadprzewOdnikowego interferometru kwantowego (SQUID).
4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że gradiometr odniesienia (8) jest połączony na wyjściu z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, oraz z filtrem.
5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ magnesujący (11) jest połączony z obwodem elektrycznym przerywającym generację pola magnesującego, oraz znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie cewki rejestrującej układu detekcji pola magnetycznego.
6. Urządzenie według zastrz. 2 albo 5, znamienne tym, że jest wyposażone w ruchomą taśmę przenośnikową (17, 17'), na której są umieszczane badane próbki (12), oraz znajdującą się między obszarem magnesowania układu magnesującego (11,11', 11), a obszarem pomiarowym badanej próbki (12).
7. Urządzenie według zastrz. 2 albo 5, znamienne tym, że układ detekcji pola magnetycznego jest wyposażony w gradiometr detekcyjny (10), którego przynajmniej jedna cewka stanowi cewkę rejestrującą układu detekcji pola magnetycznego.
8. Urządzenie według zastrz. 2 albo 5, znamienne tym, że jest wyposażone w cewkę kompensacyjną (13) o zmiennym położeniu, znajdującą się poza obudową chłodzącą i obszarem pomiarowym badanej próbki (12), oraz sprzężoną synchronicznie z układem magnesującym (11,11', 11).
9. Urządzenie według zastrz. 2 albo 5, znamienne tym, że jest wyposażone w magnetometr wektorowy (9), znajdujący się w pobliżu cewki rejestrującej układu detekcji pola magnetycznego, połączony na wyjściu z układem elektronicznym (1) z pętlą sprzężenia zwrotnego, oraz z filtrem kompensacyjnym.
10. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że jest wyposażone w cewkę Helmholtza (21), umieszczoną poza obudową chłodzącą wokół cewki rejestrującej układu detekcji pola magnetycznego.

183 725