Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
фибробласты цыпленка [86]. Этот хорошо разработанный метод, очевидно,
можно успешно применять и во многих не менее интересных приложениях.
28.6. Акустическая резонансная денситометрия (АРД)
Идея определения массы по демпфированию колеблющегося резонатора
принадлежит Релею [70, 71]. Хотя вибрирующие вискозиметры были описаны в
30-х гг. (см., например, [68]), лишь в конце 60-х гг. зависимость
демпфирования механического
Пьезоэлектрические преобразователи и акустические методы
453
резонатора от массы стали использовать для регистрации измерений массы,
причем с высокой чувствительностью [54].
В приборах для АРД измерительная ячейка представляет собой трубчатую (см.
рис. 28.6) или сферическую камеру фиксированного объема. Она
изготавливается из упругого, но достаточно прочного материала с низким
температурным коэффициентом (например, из кварца, нержавеющей стали или
никелевого сплава), чтобы свести к минимуму термическое расширение и
напряжения. Механический резонанс в камере возбуждается и поддерживается
с помощью двух соленоидов. Соленоиды связаны в замкнутый колебательный
контур, включающий усилитель переменного тока с фиксированным усилением.
Усилитель обеспечивает резонансное смещение камеры с образцом в пределах
его линейного диапазона, предотвращая негармонические колебания
(радиальные и продольные) и оставляя почти исключительно поперечные
смещения, требуемые для нормального функционирования трубчатой ячейки
(рис. 28.6). В таких условиях существует прямая связь между плотностью
образца и квадратом частоты колебаний, что исключает такие параметры, как
вязкость образца. Наиболее простой подход заключается в термостатировании
измерительной камеры и преобразования частоты (период т) в плотность (р)
при помощи двух калибровочных постоянных А и В:
Р = "(т2 - В).
А
В противном случае в формулы необходимо вводить соответствующие
температурные поправки.
Удивительно, что точность (4-6 знаков) измерений плотности,
обеспечиваемая этими приборами, долго не находила сколько-нибудь
заметного применения в биологии. Недавно, однако, показано [7-10], что
АРД-приборы могут функционировать как линейные измерители биомассы
микробов в исключительно широком интервале плотностей культур (рис.
28.6). Следовательно, их можно применять как для контроля выросших
культур, так и для мониторинга их роста [10]. Преобразователь достаточно
Микро-
процессор
Дисплей
Ж.
X
Соленоид
а
Рис. 28.6. Непрерывный контроль биомассы микробов методом акустической
резонансной денситометрии (АРД). а: схема АР-денситометра; б: корреляция
между плотностью микробной суспензии, определяемой методом АРД, и
обычными измерениями оптической плотности (подробности см. в тексте).
Частото-
мер
Усилитель
переменного
тока Ў
разе и,
А
Оптическая плотность
454
Глава 28
прочен и не повреждается при паровой стерилизации. Собственный резонанс
измерительной камеры, по-видимому, ослабляет микробные загрязнения; можно
также ввести периодическую очистку, звуковую или в токе пара.
Поскольку у большинства микроорганизмов плотность выше, чем у среды, в
которой они суспендированы, увеличение числа микроорганизмов приводит к
линейному росту плотности. Культуры, подвергаемые различным процедурам
разрушения клеток, сохраняют ту же плотность [10]. Это свидетельствует о
том, что акустический резонансный денситометр измеряет истинное изменение
массы на единицу объема жидкости, а не более тонкие перемещения масс
внутри клеточной структуры. Сама по себе плотность среды также меняется в
ходе роста некоторых культур. В таких случаях, следовательно, необходимо
одновременно контролировать и изменения плотности среды, с тем чтобы
вычитать их из измеряемых изменений плотности всей культуры [9, 10].
Чтобы предотвратить заражение исследуемой культуры, для таких измерений
можно использовать систему с двумя измерительными камерами, одна из
которых снабжена проточным фильтром. Однако надежные устройства,
обеспечивающие точный учет динамических изменений плотности среды, пока
только разрабатываются [7, 8, 20].
28.7. Заключение и перспективы методов
Хотя акустические методы и не применяют столь широко, как другие
биосенсорные методы, в настоящее время разрабатывается ряд новых
принципов и методик, которые могут упростить биологические измерения.
Следует отметить, что акустические свойства биологических материалов
изучены недостаточно и в дальнейшем для этого придется применять более
сложные методы измерения, моделирования и обработки данных. Значительное
внимание уделяется разработке химических пьезоэлектрических сенсоров.
Наряду с этим можно ожидать и создания ряда пьезоэлектрических
биосенсоров, обладающих биохимической специфичностью. Как и в случае
биосенсоров, основанных на других принципах, особое внимание необходимо
уделять улучшению способов сопряжения биочувствительного материала и
детектора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Alder J. F., McCallum J. F. Piezo-electric crystals for mass and
