На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА Алина Александровна

УДК 681.518.3(04)+616.1-07(04)

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО

КОНТРОЛЯ ТРОПОНИНА

Специальность:

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (ИжГТУ)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор ГОУ ВПО ИжГТУ Загребин Леонид Дмитриевич, г. Ижевск

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО ИжГТУ Куликов Виктор Александрович, г. Ижевск доктор технических наук, профессор УГТУ УПИ Поршнев Сергей Владимирович, г. Екатеринбург

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт электронной техники (технический университет)», г. Москва

Защита состоится 26 июня 2009 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при УрО РАН Институте прикладной механики по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УрО РАН «Институт прикладной механики»

Автореферат разослан «26» мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В. В. Тарасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа относится к области науки и техники, предметом которой является изучение методов анализа, основанных на электрохимических взаимодействиях и разработка на этой основе новых средств автоматизированного контроля веществ.

Актуальность темы. Лабораторная диагностика, включающая совокупность физико-химических, биохимических методов контроля, исследующих отклонение в составе биологических жидкостей, дает до 70% информации о состоянии здоровья человека. Согласно концепции развития службы клинической диагностики РФ на 2003-2010 гг. стратегическим направлением развития лабораторной диагностики является совершенствование методов и повышение качества исследований на базе внедрения новой автоматизированной техники, информатизация и интеграция на основе развития компьютерных технологий. В связи с чем, реализация новых конструкторских решений, объединяющих сенсорные, процессорные и исполнительные элементы в едином приборе, совмещающих считывающие и аналитические функции, основанные на модульности, заменяемости, возможности модификации представляется перспективным направлением развития средств контроля веществ, и способствует разработке автоматизированных устройств, сравнимых по чувствительности измерительных процедур с лабораторными установками.

Изучению теоретических и практических проблем электрохимического определения состава растворов посвящено значительное число работ: Э. Тернер, И.

Карубе, Б. Эггинс, Г. К. Будников, Г. А. Евтюгин, Т. М. Зимина, В. В. Лучинин, А. И. Желонкин, Гришин М. В и др. Вместе с тем, несмотря на востребованность автоматизированных аналитических устройств, современная техническая база для таких разработок практически отсутствует.

Тропонин крови является маркером инфаркта миокарда, при котором нарушается функция клеточных мембран и вещество, в норме содержащееся внутри клетки, поступает в общий кровоток. Инфаркт миокарда является одной из самых распространенных сердечно-сосудистых патологий, приводящих к летальному исходу. Согласно рекомендациям ВОЗ (1979 г.), постановка диагноза основывается на: клинической картине, ЭКГ-исследовании, гиперферментемии.

В 2000 г. ведущие кардиологические сообщества Европы и США опубликовали ряд совместных документов, согласно которым, главным диагностическим критерием инфаркта миокарда является содержание тропонина крови.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития современного лабораторного оборудования, и связана с разработкой новых методов и средств автоматизации аналитических измерений диагностически значимых веществ в составе биологической пробы. Индекс критических технологий - 2.6.1. Приборы с ранее недостижимыми показателями и функциональными параметрами: аналитико-технологические микросистемы для контроля и диагностики микро- и наноколичеств веществ. Индекс приоритетных направлений – 7. Технологии живых систем.

Объектом исследования является первичный преобразователь в составе устройства, предназначенного для обнаружения тропонина.

Предметом исследования является разработка автоматизированного устройства контроля тропонина.

Целью работы является автоматизация процедуры контроля тропонина.

Достижение этой цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Сравнение характеристик современных средств измерения веществ в растворах и выбор первичного преобразователя контроля тропонина.

2. Формирование специфической чувствительности к тропонину с использованием биологического материала в конструкции распознающего элемента.

3. Исследование процессов, формирующих выходной сигнал датчика.

4. Разработка методики проведения испытаний и построение математической модели выходного сигнала датчика по экспериментальным данным.

5. Разработка автоматизированного устройства контроля тропонина и рекомендаций по его использованию в диагностических целях.

Методы исследования. Для построения автоматизированного устройства используется амперометрический метод, комбинированный с иммунноферментным анализом. Проведение эксперимента базируется на теории планирования эксперимента. Построение математической модели основано на методах математической статистики и группового учета аргументов.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется корректным использованием математических методов, подтверждением теоретических выводов экспериментально и их воспроизводимостью.

На защиту выносятся:

- метод контроля тропонина крови с использованием амперометрического преобразователя модифицированного биологическим материалом;

- математическая модель выходного сигнала датчика, учитывающая условия проведения измерений;

- автоматизированное устройство определения тропонина, методика измерений с его использованием.

Научная новизна:

- решена задача определения содержания тропонина амперометрическим методом;

- проведена структурно - параметрическая идентификация выходного сигнала датчика с использованием многорядного метода группового учета аргументов;

- построена автоматизированная система контроля тропонина, позволившая упростить процесс измерения и сократить время проведения анализа.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что разработанное устройство контроля тропонина при сохранении чувствительности традиционно используемых аналитических методов, позволяет сократить время проведения измерений, значительно упростить процедуру исследования, свести к минимуму влияние пользователя на результаты исследований, которые заносятся в компьютер для последующей обработки и хранения. Разработанные методики диагностики, с использованием устройства, позволяют повысить оперативность и надежность контроля тропонина для своевременного принятия решений в экстренных случаях при подозрении на инфаркт миокарда, оценить его размер, прогнозировать риск развития осложнений и дифференцировать от других патологий.

По результатам работы зарегистрирована заявка № 2008118769 от 12.05.2008 «Способ электрохимического определения специфических биомолекул, устройство для его осуществления и его вариант».

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде автоматизированного устройства использованы в практической и учебной деятельности ГОУ ВПО ИжГТУ, ГОУ ВПО УдГУ. Работа ведется в рамках национального проекта «Образование» по программе «Участник молодежного научно-исследовательского конкурса» (№ - 14р/07), поддержана грантами РФФИ (№06-08-03072, №06-08-00699а).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XXXIV технической конференции молодежи (г. Ижевск, Ижевский мотозавод «Аксион-холдинг», 2005 г.), Научной школе-семинаре «КоМУНанотехнологии и наноматериалы» (г. Ижевск, УрО РАН ФТИ, 2005 г.), Научной конференции-семинаре "Теория управления и математическое моделирование" (Ижевск, ИжГТУ, 2006 г.), XII Всероссийской научной конференции студентов–физиков и молодых учёных (Новосибирск, 2006 г.), 3-ей научнотехнической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, ИжГТУ, 2006 г.), Международной конференции "Качество образования 2006" (Ижевск, ИжГТУ, 2006 г.), Всероссийской конференции в рамках конкурсного отбора инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению "Живые системы" (Киров, ВятГУ, 2006 г.), Всероссийской конференции в рамках конкурсного отбора инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению "Живые системы" (г. Зеленоград, МИЭТ, 2006 г.), 10-ой международной специализированной выставке электронных компонентов и технологического оборудования EXPO ELECTRONICA (г. Москва, 2007 г.), 4-ой научнотехнической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, ИжГТУ, 2007), XIV Всероссийской научной конференции студентов–физиков и молодых учёных (г. Уфа, 2008 г.), семинар группы лазерной спектроскопии (г. Ижевск, ИПМ УрО РАН, 2009 г.) Публикации. Результаты работы отражены в 15 научных публикациях, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 в сборнике трудов форума с международным участием, 6 в сборниках всероссийских конференций, 4 в других научно-технических журналах и сборниках.

Материал диссертации отражен также в отчетах НИР и НИОКР. Зарегистрирована заявка на способ электрохимического определения специфических биомолекул, устройство для его осуществления и его вариант.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста. В работу включены 64 рисунка и 31 таблица, список литературы содержит 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, определены основные положения, выносимые на защиту, показана новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрены предпосылки создания автоматизированного устройства контроля тропонина. Показано, что биохимическая диагностика некроза сердечной мышцы сводится к задаче определения информативного вещества в жидкой биологической среде, в качестве которого выбран тропонин - структурный белок тропомиозинового комплекса, сердечная изоформа которого абсолютно кардиоспецифична.

Обзор автоматизированных средств контроля содержания тропонина в крови, показал, что для решения этой задачи в основном используются оптические методы, основанные на изменении спектра поглощения пробы, вследствие протекания химической реакции. Недостатком существующих анализаторов является необходимость предварительной обработки пробы, сложность в эксплуатации, а также то, что рассчитаны они на определение ряда параметров в нескольких пробах одновременно, то есть, ориентированны на централизованные лаборатории. Для решения задач экспресс-анализа используются тест-полоски, которые имеют многослойную структуру и выполняют функцию резервуара, фильтра и оптической поверхности, они отчасти устраняют недостатки стационарных автоматизированных устройств. Однако тест-полоски являются одноразовыми, что увеличивает стоимость анализа, а точность измерения зависит от условий хранения.

На рис. 1 представлена классификация существующих методов контроля состава жидких сред, среди которых произведен поиск альтернативного метода для контроля тропонина.

Рис. 1. Классификация методов контроля состава жидких сред Проведенный анализ показал, что электрохимические методы обеспечивают достаточную точность измерения, не требуют сложной дорогостоящей аппаратной реализации, поэтому выбор первичного преобразователя следует провести среди датчиков, реализующих этот принцип контроля.

Выявленные недостатки существующих методов и средств контроля тропонина позволили сформулировать цели и задачи исследования, а также предполагаемые пути решения задач настоящей работы.

Во второй главе обоснован выбор средств обнаружения тропонина. Проведен анализ электрохимических методов определения концентрации веществ в растворах, показавший, что амперометрический метод позволяет устранить недостатки оптических методов измерений, упростить и удешевить процедуру анализа для пользователя при сохранении необходимой точности.

Вместе с тем, прямое обнаружение тропонина представляется сложной задачей, так как иммунная реакция, обладая высокой специфичностью, не является электрохимически активной. Амперометрический метод основан на обнаружении в жидкой пробе водорода, который является нестабильным химическим соединением, и служит источником заряженных частиц, поэтому для обнаружения тропонина предложено использовать химическую реакцию ферментативной метки с пероксидом водорода, в результате которой выделяется водород, формирующий выходной сигнал датчика, пропорциональный концентрации тропонина крови.

Таким образом, введением биологического материала в конструкцию распознающего элемента датчика, задача контроля тропонина сведена к задаче обнаружения водорода. Такая схема проведения измерения включает распознавание биоэлементом специфического для него вещества в многокомпонентной смеси с последующим сопряжением биохимической и электродной реакций, с дальнейшим преобразованием электрического сигнала в форму, приемлемую для обработки (рис. 2).

Рис. 2. Амперометрический преобразователь: а) устройство первичного преобразователя:

1-электрод сравнения; 2-электролит; 3-рабочий электрод; 4-пленочный носитель; 5биологический объект; б) схема проведения измерений Рассмотрены физические процессы, сопровождающие работу датчика, в основе которых лежит диффузия молекул водорода к поверхности электрода, основной вклад вносят концентрационные изменения в приэлектродном пространстве в результате протекания химической реакции. Поэтому исследования ограничены системой: двойной электрический слой рабочего электрода – диффузионная зона электролита. Формирование сигнала происходит в две стадии:

адсорбирование водорода на поверхности электрода H 2 2 H Pt и ионизация молекулярного водорода PtH e + H + в области потенциалов от - 400 до - мВ, позволяющая определить концентрацию продукта реакции.

Рис. 3. Схема обмена заряженными частицами на границе раздела сред По результатам анализа составлена схема обмена заряженными частицами на границе раздела сред в измерительной ячейке (рис. 3). Поверхность электрода и проводящий раствор с устойчивой концентрацией ионов образует систему заряженных частиц, содержащую источник, сток, динамический и статический накопители заряженных частиц. Составлены эквивалентные электрические схемы, моделирующие такую систему.

Рис. 4. Эквивалентная схема датчика: а - полная; б - упрощенная Схема замещения датчика (рис. 4а) включает:

- напряжение U, подаваемое на рабочий электрод;

- сопротивление Rф, характеризующее фарадеевскую стадию (кинетический параметр реакции);

- диффузионный импеданс zди = ( Rди, Cди ), характеризующий изменения концентрации в диффузионной зоне (диффузионный параметр реакции);

- активное сопротивление электролита Rэ ;

- емкость плотной части двойного электрического слоя Сдэс (вызвана специфической адсорбцией ионов в поверхностном слое);

- Сд - емкость, определяемая диффузионной составляющей двойного электрического слоя (зависит от концентрации внешней обкладки);

- сопротивление Rпэ, характеризующее потери в объеме электролита (паразитные электродные процессы).

Полезный сигнал датчика формируют параметры, обусловленные кинетическими и диффузионными процессами, поэтому схема замещения датчика в может быть сведена к RC – цепи ( рис. 4б), где емкость остается постоянной, т. к. зависит от площади поверхности электрода и проводимости среды, и составляет мкФ. Сопротивление является переменным, т. к. обратно пропорционально расходу носителей заряда в приэлектродной зоне, количество которых пропорционально концентрации водорода и изменяется в интервале (105 106) Ом. ЭДС в цепи составляет порядка 600 мВ и определяется типом используемой химической реакции. Теоретическая зависимость тока от времени, построенная при анализе работы упрощенной эквивалентной электрической схемы показана на рис. 5. в виде семейства кривых при четырех различных концентрациях носителей заряда. Чем выше концентрация заряженных частиц, тем выше максимальное значение тока и тем меньше времени требуется для его достижения. Экспериментально полученная зависимость тока от времени при подаче постоянного опорного напряжения - 600 мВ, при температуре +22 0С, скорости перемешивания 300 об/сек и концентрации 10-6 г/л представлена на рис. 6, и подтверждает правильность предложенной теоретической модели.

ke Рис. 5. Теоретическая зависимость тока от Рис.6. Экспериментальная зависимость тока При подаче напряжения, достаточного для протекания электрохимической реакции, основной вклад в величину тока вносит ток, вызванный электрохимической реакцией водорода на поверхности платины и ток, вызванный скоростью диффузии вещества к электроду. При наложении потенциала на электрод в системе начинаются переходные процессы, в результате которых устанавливается состояние, близкое к стационарному. На участке 1-2 графика ток обусловлен накоплением заряда в слое на границе электрода с раствором. При увеличении потенциала, растет ток окисления и уменьшается диффузионная составляющая сигнала, что приводит к возрастанию общего тока. В точке 3 ток достигает максимального значения, а затем падает в связи с уменьшением концентрации вещества в приграничном слое и ограничением скорости переноса из раствора к рабочему электроду. На участке 4-5 кривой величина тока окисления мала, а диффузионный ток практически не меняется. Уравнение, связывающее диффузионный ток I d с концентрацией C на этом участке, принимает вид I d = nFAD1/ 2C, где - толщина диффузионного слоя, n - количество электронов, участвующих в переносе зарядов на поверхности электрода, F - константа Фарадея, A - площадь электрода, D - коэффициент диффузии. Участок, на котором диффузионный ток линейно связан с концентрацией вещества (вследствие относительного постоянства поверхностных концентраций реагирующих веществ) составляет рабочий диапазон дальнейших исследований, и позволяет проводить изучение характеристик системы при ее возбуждении управляемыми факторами.

Результаты моделирования с использованием эквивалентных схем замещения дают лишь качественные характеристики, вместе с тем, случайный характер процессов влияет на достоверность измерений, что может быть учтено при использовании статистического подхода для построения математической модели.

В третьей главе построена математическая модель выходного сигнала датчика водорода по результатам проведенного эксперимента. Проведен обзор методов идентификации объектов в условиях неопределенности и выбраны регрессионный метод для обработки результатов пробных испытаний, метод группового учета аргументов для уточнения структуры модели, полученной по результатам предварительного эксперимента.

Известные математические модели физико-химических процессов, протекающих в электрохимических ячейках, основаны на использовании уравнения диффузионной кинетики. В них входит ряд параметров: коэффициенты диффузии, растворимости, толщина диффузионного слоя и т.д., измерение которых с требуемой точностью является сложной задачей. При построении таких моделей приняты допущения, снижающие точность результатов.

Предложенный подход основан на построении регрессионной модели, исходные данные для которой получены при проведении испытаний первичного преобразователя с использованием теории планирования эксперимента, позволяющей минимизировать количество экспериментов, необходимое для извлечения информации. Варьировалась температура x1, концентрация x2, скорость перемешивания x3 раствора, подаваемые на вход датчика. Область планирования представлена в виде куба, вписанного в шар (рис. 7).

Рис. 7. Область планирования и расположение точек плана Для трехфакторной модели необходимо определить четыре коэффициента и, следовательно, достаточно четырех опытов. Поэтому на этапе предварительного экспериментирования входные переменные можно варьировать по программе насыщенного симплекс-плана D1. Тогда план сосредоточен с равными весами в точках, лежащих на поверхности шара в вершинах правильного симплекса. В реальных условиях сила воздействия одного фактора может зависеть от уровня, на котором находится другой фактор, тогда имеет место эффект взаимодействия, который изучаем на неполной кубической модели при проведении эксперимента по схеме полного факторного плана D.

Схема проведения испытаний представлена на рис. 8. Объектом моделирования является выходной сигнал в диффузионном режиме работы преобразователя, который используется для извлечения информации. Сигнал представляется в виде суммы линейно независимых составляющих. Так как система базисных функций задается, то набор весовых коэффициентов, составляющих спектр сигнала полностью описывает его поведение на заданной длительности.

По результатам трехфакторного эксперимента, проведенного по схеме полного факторного плана по 8 дублирующим опытам для нормированных экспериментальных данных при варьировании температуры (6 25)0С, концентрации (10-5 10-3) г/л,, скорости перемешивания (50 300) об/мин раствора получено уравнение регрессии y = 0,95 x1 + 0,37 x1 x2 + 0,16 x3 + 0,11x2 + 0,06 x1 x2 x3 0,04 x2 x3 + 0,02 x1 x3.

Значимость коэффициентов подтверждена только для двух первых членов, вместе с тем, проверка адекватности модели показала целесообразность сохранения третьего и четвертого членов. Возможно, предположить, что действие оставшихся факторов не проявилось на фоне помех, либо структура модели, выбранная произвольно не обеспечивает достоверных результатов. Для уточнения проведена структурно-параметрическая идентификация сигнала с применением самоорганизующегося метода группового учета аргументов.

Аналитическим аппаратом построения модели является метод критических дисперсий, позволяющий получить структуру оптимальной сложности при минимальном количестве априорной информации. Моделирование осуществляется последовательным по заданному критерию апробированием моделейкандидатов, в качестве которых используются полиномиальные опорные функции в виде полинома Колмогорова-Габора:

где x = ( x1,..., xn ) - вектор входных переменных, a = (a0,..., an ) - вектор коэффициентов слагаемых. Вектор коэффициентов находим по обучающей выборке с помощью метода наименьших квадратов. В работе использован многорядный алгоритм метода группового учета аргументов. Из всех независимых переменных образуется комбинация, в каждую из которых входит только два аргумента, правило итерации остается для всех рядов одним и тем же. На первом шаге По экспериментальным данным проводится последовательный выбор всех возможных комбинаций входных переменных xi, x j (всего 3 сочетания).

На первом шаге по обучающей выборке, содержащей первые 20 значений последовательности, вычислены коэффициенты полиномов первого уровня по формуле функций, а также среднеквадратические отклонения остатков. Для нахождения коэффициентов полинома второго уровня, в качестве переменных использованы первые два полинома, полученные на первом шаге и вычислены среднеквадратические отклонения остатков модели второго уровня. Значения коэффициентов для полиномов, их погрешности, среднеквадратические отклонения остатков моделей первого и второго уровня представлены в табл. 1.

При переходе от модели первого уровня к модели второго уровня дисперсия остатков увеличилась, а следовательно усложнение модели приводит к снижению ее точности. Значимость коэффициентов регрессии оценивается исходя из условия ai > t0,975 (64 6 1) Sbi, где Sbi = i=1 bii, bii – диагональные Таким образом, среднеквадратические отклонения остатков модели для полиномов 1, 2 оказались равны, однако полином 2 противоречит физическому смыслу, так как в отсутствие реагирующих веществ выходной сигнал датчика равен нулю, не подтверждена и значимость коэффициентов этого полинома.

Эффект взаимодействия температуры и перемешивания выявляется при построении модели второго уровня где в качестве входных переменных используются полиномы 1 и 3. Однако, после проверки гипотезы о равенстве нулю коэффициентов оставшихся полиномов первого уровня, фактор перемешивания исключен. Окончательное выражение для математической модели сигнала датчика, получено после установления адекватности уравнения на экзаменационной выборке при уровне значимости q = 0, Структура модели выходного сигнала датчика отличается компактным описанием и имеет наименьшую чувствительность к данным внешней выборки.

В рассмотренном диапазоне изменений входных воздействий наблюдается влияние температуры, концентрации вещества, а также эффекта их взаимодействия на величину тока. В практическом плане это свидетельствует о необходимости контроля температуры раствора в проточном режиме измерения, так как при малых объемах исследуемой пробы этот фактор может искажать показания датчика и влиять на количественные оценки концентрации специфического вещества. Полученное уравнение позволяет прогнозировать величину отклика в рассмотренной области изменения воздействующих факторов.

В четвертой главе предложена аппаратная реализация автоматизированного устройства контроля тропонина. Изучена температурная зависимость выходного сигнала датчика, выявленная при математическом моделировании. Известно, что выходной ток амперометрического датчика зависит от температуры на поверхности рабочего электрода (рис. 11). Источником локального увеличения температуры рабочего электрода датчика тропонина является ферментативная реакция в приэлектродной зоне (рис. 12), что ведет к дополнительному приращению выходного тока. Таким образом, эффект взаимного влияния подтвержден экспериментально.

ток, мА Рис. 11. Температурная зависимость выходного Рис. 12. Рост температуры поверхности тока амперометрического датчика в отсутствии датчика при протекании ферментативводорода [Гришин М. В.] ной реакции на ней при различных Проанализировано влияние параметров пленочного носителя модифицированного биологическим материалом на выходные характеристики датчика.

Показано, что материал носителя и толщина пленки влияет на скорость отклика датчика, вследствие ограничения процессов диффузии водорода в приэлектродной зоне, в связи с чем выбран нитроцеллюлозный пленочный носитель толщиной 50 мкм.

Построена структурная схема автоматизированного устройства (рис. 9), включающая процедуру забора пробы крови, которая помещается в измерительную ячейку, включающую датчик контроля тропонина, температурный датчик и стержень магнитной мешалки для ускорения процесса подвода исследуемого вещества к рабочему электроду. Опорный потенциал датчика формируется генератором напряжения, выходной ток поступает на блок усиления и преобразуется в цифровой, для дальнейшей работы на компьютере.

Рис.9. Структурная схема автоматизированного устройства Исследования проводятся в измерительной ячейке (рис. 10), которая состоит из корпуса 1 с раствором электролита в резервуаре 8, в который погружены электроды: рабочий 2, вспомогательный 4 и электрод сравнения 3, образующие первичный преобразователь. Рабочий электрод изолирован от анализируемой среды пленочным носителем 6, на котором осаждается биологический материал. Вспомогательный электрод служит для поддержания напряжения, достаточного для протекания электрохимической реакции на поверхности рабочего электрода. Электрод сравнения, вводится для корректировки подаваемого напряжения. В непосредственной близости от рабочего электрода помещен датчик температуры 9. Между рабочим электродом и пленочным носителем находится тонкий слой буферного раствора 7, обеспечивающий доступ продукта реакции к поверхности электрода.

Рис. 10. Общий вид измерительной ячейки Рис. 13. Блок-схема электронного модуля обработки информации: ВЭ- вспомогательный электрод, ЭС - электрод сравнения, РЭ – рабочий электрод, М- мембрана, БФП – блок формирования потенциала, ПТН – преобразователь ток-напряжение Для сопряжения измерительной части с компьютером в составе электронного модуля обработки информации использован микроконвертер, содержащий на кристалле одновременно АЦП и ЦАП, которые обладают близкими к предельным на сегодняшний день характеристиками для подобного класса микросхем. АЦП под управлением микроконтроллера МК осуществляет поочередное преобразование напряжения в код, который в дальнейшем обрабатывается в соответствии с программой обработки измерительной информации. Ввод и вывод информации контроллера осуществляется с помощью внешней программы, исполняемой на компьютере.

Опорное напряжение формируется под управлением МК в двух режимах.

Первый – режим развертки потенциала, т. е. напряжение циклически меняется в программно заданном диапазоне от -1 В до +1 В (рис. 14). В отсутствии водорода в пробе значение выходного тока при изменении напряжения остается на нулевом уровне. При наличии растворенного водорода в измерительной ячейке возникает ток, связанный с изменением градиента концентраций в диффузионной зоне в результате протекания электрохимической реакции. Второй – режим фиксации потенциала на уровне, соответствующем достижению постоянства поверхностных концентрации реагирующих веществ, в котором при подаче фиксированного потенциала – 0,6 В получена зависимость выходного тока датчика от времени при измерении концентрации водорода в модельном растворе (рис. 15).

ток, мкА Рис. 14. Выходная вольтамперометриче- Рис. 15. Зависимость выходного тока от ская характеристика датчика: 1 – в от- времени при концентрациях водорода:

сутствии водорода; 2 - при концентрации 1- 100 мкг/л; 2 – 10 мкг/л; 3 – 1 мкг/л водорода 1 мкг/л Проведение измерений с использованием автоматизированного устройства контроля тропонина в диагностических целях осуществляется следующим образом:

1. Для проведения исследований устройство должно находиться в режиме готовности (после включения в сеть должно прогреться 10 мин).

2. Цикл измерения начинается с нажатия кнопки «Старт» программного обеспечения.

3. В измерительную ячейку последовательно вводится капля крови, конъюгат антигенов с пероксидазой, перекись водорода.

4. Автоматически происходит отсчет времени измерения, по окончании которого на экране высвечивается значение выходного тока.

5. Для завершения измерений необходимо нажать кнопку «Стоп» программного обеспечения.

6. Строится зависимость выходного тока датчика от времени и пересчет полученных значений в концентрацию тропонина по калибровочной кривой.

На рис. 16 представлено разработанное автоматизированное устройство, его основные технические параметры и градуировочная кривая по водороду.

Рис. 16 Автоматизированное устройство контроля тропонина:

а – внешний вид; б - градуировочная кривая по водороду; в – основные параметры В табл. 2 представлены характеристики существующих автоматизированных средств определения тропонина и разработанного устройства.

Тест – полоски экспресс-анализатор диагностика Принцип измерения пользователя Габаритные размеры Сравнительный анализ средств контроля тропонина показал, что в отличие от рассмотренных аналогов разработанное устройство позволяет использовать цельную кровь в качестве материала исследования, что значительно упрощает процедуру измерения при сохранении скорости и мобильности анализа тестполосок в объеме пробы сравнимым с объемом проб централизованных лабораторных модулей.

Разработанное устройство может быть модифицировано для других диагностических задач при минимальных затратах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе:

1. Разработано автоматизированное устройство контроля тропонина, позволяющее использовать для исследования цельную кровь, а также в три раза сократить объем и время проведения измерений по сравнению с традиционными методами экспресс-анализа.

2. Предложен первичный преобразователь для контроля тропонина, использующий амперометрический метод, отличающийся модифицированием рабочего электрода датчика биологическим объектом, позволяющим реализовать исследования по типу иммуноферментного анализа.

3. Исследовано влияние материала и толщины пленочного носителя на скорость формирования выходного сигнала датчика, определившее выбор нитроцеллюлозной пленки толщиной 50 мкм для модифицирования рабочего электрода.

4. Разработана и использована методика проведения измерений тропонина на модельном растворе, включающая забор пробы, ее помещение в измерительную ячейку, добавление конъюгата антитела к тропонину с пероксидазой и перекиси водорода; при наличии тропонина, на выходе устройство регистрирует ток, пиковое значение которого пропорционально его концентрации.

5. Разработана и использована методика проведения испытаний автоматизированного устройства, учитывающая воздействие температуры, концентрации и скорости перемешивания исследуемого раствора на выходной сигнал датчика, позволившая минимизировать количество проводимых экспериментов.

6. Проведена структурно-параметрическая идентификация сигнала с применением многорядного алгоритма метода группового учета аргументов, и установлено, что увеличение температуры приэлектродной зоны является источником дополнительного приращения выходного тока датчика тропонина, что снижает точность результатов измерений.

7. Экспериментально установлено, что источником локального увеличения температуры приэлектродной зоны до 3 0С в рабочем диапазоне концентраций является ферментативная реакция, протекающая на поверхности рабочего электрода.

8. Сформулированы практические рекомендации по использованию анализатора тропонина, среди которых выделены критические состояния, требующие оказания экстренной помощи, а также прогнозирование рисков развития осложнений в стационарах, не имеющих собственных лабораторий, при обнаружении тропонина в концентрации выше 0,1 мкг/мл, что соответствует диагностическому критерию разрушения клеток миокарда.

9. Разработанная конструкция анализатора может быть использована для обнаружения других веществ в биологических жидкостях подбором необходимого состава реагентов пленочного носителя.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Кузнецова, А. А. Иммуносенсорная нанотехнология / А. А. Кузнецова, В. Г. Сергеев, С. М. Перевозчиков, Л. Д. Загребин // Химическая физика и мезоскопия. – 2006.-Т.8.- № 4.- Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН.- С.455-460.

2. Кузнецова, А. А. Идентификация передающего тракта измерительной системы лабораторного анализатора на базе сенсорного датчика / А. А. Кузнецова, Л. Д. Загребин, В. Г. Сергеев // Измерительная техника.- 2008.- №1.- С.

64-67.

3. Кузнецова, А. А. Анализ межэлектродных процессов амперометрического датчика для целей проектирования аппаратного комплекса / А. А. Кузнецова // Вестник Ижевского государственного технического университета. – 2008.- №4(40).- Ижевск: Изд-во ИжГТУ.- С. 113-115.

4. Кузнецова, А. А. Моделирование амперометрического датчика концентрации на основе метода группового учета аргументов / А. А. Кузнецова // Вестник Ижевского государственного технического университета. – 2009.Ижевск: Изд-во ИжГТУ.- С. 116-118.

5. Кузнецова, А. А. Программа проведения исследований по оценке влияния физико-химических свойств полимерного носителя на сигнал биодатчика / А. А. Кузнецова // XII Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых: материалы конференции, тезисы докладов. – Новоибирск:

Изд-во Новосиб. гос. ун-та, 2006.-С. 532-533.

6. Кузнецова, А. А. Планирование факторного эксперимента по исследованию мембраны иммуносенсора / А. А. Кузнецова // Известия Института математики и информатики. – 2006. - №2(36). - Ижевск: Изд-во УдГУ.- С. 193-196.

7. Кузнецова, А. А. Исследование свойств электрохимического преобразователя для измерения концентрации диагностически значимых веществ крови / А. А. Кузнецова // Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства: труды III научно-технической конференции. Ижевск, 14- апреля 2006 г. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2007.- С. 94-96.

8. Кузнецова, А. А. Перспективы использования мониторных систем в кардиологии / А. А. Кузнецова // Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства: труды III научно-технической конференции.

Ижевск, 14-15 апреля 2006 г. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2007.-С. 96-100.

9. Кузнецова, А. А. Общие проблемы подготовки инженеров по медицинской технике / А. А. Кузнецова // Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования: матер. Междунар. форума "Качество образования 2006". - Т. 1. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2006.- С. 315Кузнецова, А. А. Разработка измерительной системы для количественной экспресс-диагностики инфаркта миокарда / А. А. Кузнецова // Всероссийская конференция в рамках конкурсного отбора инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Живые системы» 5-6 октября 2006 г.: Сборник докладов. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2006.-С.70-72.

11. Кузнецова, А. А. Разработка метода для количественной экспресс - диагностики инфаркта миокарда / А. А. Кузнецова // Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника - 2006»: тезисы докладов конференции. - М.:МИЭТ, 2006.-С. 86.

12. Кузнецова, А. А. Исследование структуры порождающей системы биофизического преобразователя на модели диадной свертки / А. А. Кузнецова // Chip News. Инженерная микроэлектроника.- 2008.- №1 (124). - Изд-во НПК «ТИМ».- С. 56-58.

13. Кузнецова, А. А. Цифровая обработка случайных данных, формируемых процессом переноса электронов от биологически активных молекул на электроды / А. А. Кузнецова // XIV Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых: материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т. Т.1. – Уфа: издательство АСФ России, 2008.-С. 402-403.

14. Kuznetsova, A. A. Identification of the transmitting channel of the measuring system of a laboratory analyzer based on a touch sensor / A. A. Kuznetsova, L. D.

Zagrebin, V. G Sergeev // Measurement Techniques.- 2008.-Vol. 51. - №1.- P. 102Разработка метода количественной экспресс-диагностики инфаркта миокарда: отчет о НИОКР // ООО «ТехноСтарт». – Рук. Л. Д. Загребин. – Исп.

А. А. Кузнецова – № - 14р/07. –Ижевск, 2008. – 30 с.