Технология №108
Способ исследования многокомпонентных жидкостей и устройство для его реализации 
Идентификация жидкостей путем количественного сравнения с соответствующими эталономи. Сравниваемый параметр - динамика молекулярной самосборки компонентов жидкости в высыхающей капле с помощью акустической импедансометрии.
Подробное описание

            В основе технологии лежат исследования динамических процессов самоорганизации высыхающих капель жидкостей разного состава, проводимые авторами в течение последних лет [1-10]. Экспериментально установлено, что капля жидкости, высыхающая на твердой подложке, представляет собой естественную модель самоорганизующейся системы с очень большим набором вариантов течения процесса в зависимости от состава жидкости, условий испарения и свойств подложки. При одинаковых внешних условиях процесс высыхания капли определяется исходными физико-химическими параметрами раствора: поверхностным натяжением, смачиванием, вязкостью, внутренней структурой, дисперсностью (для коллоидов), теплопроводностью, ионной силой, pH. Эти факторы интегрально влияют на такие динамические процессы как агрегация, преципитация, седиментация, гелеобразование и кристаллизация, сопровождающие процесс высыхания жидкостей сложного состава. Динамика фазовых переходов в высыхающей капле сопровождается изменением ее интегральных механических свойств, таких как плотность, вязкость, эластичность. Эти свойства отражаются в динамике акустического и механического импедансов высыхающей капли, которые могут быть измерены с помощью нашей технологии.

            Измерительное сенсорное устройство представляет собой кварцевый резонатор прямоугольной формы, совершающий колебания сжатия – растяжения по длине с постоянной (генерируемой) частотой 60 Кгц, равной резонансной частоте ненагруженного резонатора. Капля исследуемой жидкости объемом 3 μL высыхает на поверхности сенсора. В процессе регистрации сигнала в капле возбуждается сдвиговая волна, чрезвычайно чувствительная к возникновению и росту новой фазы на границе «капля – кварц».

            Регистрируемой величиной является комплексная электрическая проводимость системы «резонатор — сохнущая капля». В процессе регистрации измеряемая величина автоматически пересчитывается в расчетные единицы АМИ и регистрируется прибором в виде кривых в режиме реального времени. При этом измеряется сумма акустического и механического импедансов (АМИ), каждый из которых имеет свой «весовой коэффициент». Исходные величины этих коэффициентов и их временные изменения, сопровождающие процесс высыхания капли, тесно связаны с  физико-химическими особенностями жидкости (составом, структурой). Нами было показано, что при одинаковых внешних условиях (включая подложку), динамика акустомеханического импеданса (АМИ) является паспортной характеристикой жидкости. Уникальность метода заключается в его исключительно высокой чувствительности к составу и структуре жидкости, поскольку он базируется на динамическом процессе — самоорганизации высыхающей капли.

            Проведённые исследования, результаты которых опубликованы в работах [2,3,5-10], демонстрируют высокую универсальность метода, простоту его технической реализации и использования, а также его высокую чувствительность. Продолжительность анализа определяется временем высыхания капли (минуты). Результат соответствия (или несоответствия) тестируемой жидкости данным эталона предъявляется сразу же после высыхания капли. Пользование прибором не предполагает специального обучения пользователя (достаточно следовать инструкции, которая будет адаптирована к конкретным вариантам исполнения прибора). Лабораторный вариант прототипа прибора в настоящее время выполнен в виде компактной приставки к ноутбуку. Техническая простота прибора и малое энергопотребление позволяет выполнить его в виде портативной приставки к смартфону или агрегировать его в конструкцию смартфона или планшетного компьютера. А это, в свою очередь, позволяет организовать «сетевой» вариант использования технологии, при котором пополняемая база «эталонных» характеристик жидкостей, структурированная по различным предметным областям, хранится на сетевом сервере, на котором может проводиться и более полное сопоставление исследуемого образца по многим предметным областям.

            В качестве конкурирующих на рынке приборов наиболее близкими функциональными аналогами являются спектрофотометры, газовые и жидкостные хроматографы, масс-спектрометры, ЯМР — спектрометры. Прямые конкуренты:

  • ХроматографияHigh Performance Liquid Chromatography (HPLC)

отличает:  высокая точность,  большое время анализа большие габариты, высокая стоимость.

  • Спектроскопия — Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy

отличает:  высокая скорость анализа, высокая чувствительность, относительная простота (система имеет одну подвижную часть – зеркало) относительно большие габариты.

            Решение задачи установления степени соответствия тестируемой жидкости эталону с помощью данных приборов решается путем измерения концентрации отдельных компонентов, входящих в состав жидкости, и последующего сравнения полученного спектра данных с показателями эталона. Использование нашего прибора позволяет решить эту задачу в один прием, без выяснения компонентного состава жидкости, с не меньшей (а может быть и большей) степенью достоверности. Для этого снимается динамика АМИ высыхающей капли тестируемой жидкости и сравнивается с аналогичными данными показателей эталона, хранящимися в памяти компьютера. Таким образом, очевидно преимущество в простоте анализа.

            Вторым явным преимуществом является цена прибора.

Например, отечественный однолучевой быстродействующий компактный спектрофотометр СФ-2000  стоит $147 000. Этот прибор рекомендуется для определения показателей качества воздуха, воды, контроля содержания химических веществ в почве, определения подлинности и состава готовых лекарственных препаратов и сырья, контроля качества пищевых продуктов и пр.

            Двухканальный отечественный газовый хроматограф "ЛХМ-2000М" выпускается в нескольких модификациях и может быть адаптирован под конкретную задачу потребителя. Прибор рекомендуется использовать в химической, микробиологической и нефтегазовой промышленности, в медицине, фармакологии, для охраны окружающей среды, в научных исследованиях. Его цена составляет в зависимости от комплектации $10000-$15000. Вес устройства – 60 кг.

            Хроматограф для высокоэффективной жидкостной хроматографии «Стайер-1Р» в базовой комплектации стоит от -$15000. Приведенные цены на отечественное оборудование являются минимальными. Цены на зарубежные аналоги и усовершенствованные отечественные образцы превышают указанные в десятки раз.

            По нашим расчетам, себестоимость нашего прибора будет зависеть от объёмов его производства и при самых минимальных объёмах не будет выше $400, вес – 500 г, а себестоимость одного анализа будет не более $ 0.5, что должно способствовать конкурентоспособности технологии на рынке услуг по экспресс — диагностике жидкостей.

            Первый лабораторный прототип устройства был создан в 2000 году и прошел испытания в лаборатории ИПФ РАН. С 2003 по 2005 год прибор проходил независимую экспертизу в США (Оберлинский медицинский колледж и Технологический инкубатор “Magnet” г. Кливленда, штат Огайо).

            За время испытаний получены результаты, свидетельствующие о перспективности использования технологии в следующих областях:

            Оценка аутентичности и качества воды и напитков (алкогольных, безалкогольных, пива, молока и молочных продуктов, соков и нектаров) [5-7];

            Оценка подлинности фармацевтической продукции [3];

            Оценка влияния низкоинтенсивных факторов физической природы на жидкие среды [2,3,8];

            Медицинская экспресс-диагностика [9,10];

            Оценка физических свойств цементных взвесей и их модификаций аддитивами (неопубликованные данные).

            Оценка физических свойств автомобильного топлива (бензинов) различных марок (неопубликованные данные).

Предполагаемые сферы использования метода

 Экспресс-метод контроля качества жидких пищевых и технических продуктов;

Выявление фальсификатов фармакологической продукции;

 Медицинская экспресс-диагностика;

 Ветеринарная экспресс-диагностика;

Криминалистика;

Строительная индустрия;

Парфюмерная промышленность;

Бытовое использование.

            и т. д.

 

          Избранные публикации

  1. Т.А. Яхно, В.Г. Яхно, А.Г. Санин, И.И. Шмелев. Исследование динамики фазовых переходов жидкостей разного типа методом регистрации акустомеханического импеданса высыхающей капли. Биофизика, 47, 6, 1101-1105, 2002.
  2. Т.А. Яхно, В.Г. Яхно, А.Г. Санин, О.А. Санина, А.С. Пелюшенко. Белок и соль: пространственно-временные события в высыхающей капле. ЖТФ, 49, 8, 1055-1063, 2004.
  3. T.A. Yakhno, V.G. Yakhno, A.G. Sanin, O.A. Sanina, and A.S. Pelyushenko, A Method for Liquid Analysis by means of Phase Transitions during drop drying. Proc. SPIE, Bioengineered and Bioinspired Systems, 19-21 May 2003, Maspolamas, Gran Canaria, Spain, 5119, 87-99, 2003.
  4. T.A. Yakhno, V.G. Yakhno, A.G. Sanin, O.A. Sanina, A.S. Pelyushenko. Experimental study of phase transitions in drying drops of multi-component liquids. A new approach and useful applications. // Proc. International Symposium “Topical Problems of nonlinear wave physics”, NWP-1, 2-9 August 2005, St.-Petersburg-Nizhny Novgorod, Russia, N.Novgorod, P. 109-110.
  5. Т.А. Яхно, В.Г. Яхно, А.Г. Санин и др. «Высыхающая капля» — новая технология интегральной оценки качества жидких продуктов. Партнеры и конкуренты, РИА «Стандарты и качество», 4, 29-33, 2003.
  6. T. Yakhno, V. Yakhno, A. Sanin, et al. New universal Electronic Tongue + Nose and its Possibilities in Food Examination. Proc. Euro Food Chem XII, Strategies for safe food, Brugge, Belgium, 24-26 Sept. 2003, vol.1, pp.342-345.
  7. Т.А. Яхно, А.Г. Санин, А.С. Пелюшенко, Д.А. Тихомиров, В.Г. Яхно. Перспективность использования метода «высыхающей капли» в оценке качества соков. // Сборник материалов VI Международной конференции «Вода, напитки и соки», 27-30 сентября 2005, Москва, С.66.
  8. T.A. Yakhno, V.G. Yakhno, A.G. Sanin, O.A. Sanina, A.S. Pelyushenko. Dynamics of phase transitions in drying drops as an information parameter of liquid structure. // Nonlinear Dynamics, 2005, 39, P. 369-374.
  9. T. Yakhno, A. Sanin, V. Yakhno, A. Pelyushenko, N.A. Egorova, I.G. Terentiev, S.V. Smetanina, O.V. Korochkina, and E.V. Yashukova. The informative-capacity phenomenon of drying drops. Aptitude test in medical diagnostics. // IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 2005, V. 24, N 2, P. 96-104.
  10. T. Yakhno, A. Sanin, V. Yakhno, A. Pelyushenko, M. Dowell, C. Vacca, and V. Goutarova. Drying drops of biological liquids: dynamics of optical and mechanical properties. Application in rapid medical diagnostics. // Proc. of  SPIE, v. 5692, BIOS-2005, Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic Systems III, 20-26 January 2005, San Jose, California, USA, 2005, P. 188-198.
  1. T. Yakhno, A. Sanin, V. Yakhno, A. Pelyushenko, N.A. Egorova, I.G. Terentiev, S.V. Smetanina, O.V. Korochkina, and E.V. Yashukova. The informative-capacity phenomenon of drying drops. Aptitude test in medical diagnostics. // IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 2005, 24, 2, 96-104.
  2. Т.А. Яхно, В.Г. Яхно, А.В. Соколов. Процессы формообразования в высыхающих каплях сыворотки крови в норме и патологии. Биофизика, 2005, 50, 4, 726-734.
  3. Т.А. Яхно, А.Г. Санин, А.С. Пелюшенко, О.Б. Шапошникова, А.С. Чернов, В.Г. Яхно. Кварцевый резонатор без специального покрытия как универсальный биосенсор. Труды 2й Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине», // Альманах клинической медицины, 2006, XII, С.139.
  4. T. Yakhno, A. Sanin, A. Pelyushenko, V. Kazakov, O. Shaposhnikova, A. Chernov, V. Yakhno, C. Vacca, F. Falcone, B. Johnson. Uncoated quartz resonator as a universal biosensor. // Biosensors and Bioelectronics, 2007, 22, 9-10, 2127-2131.
  5. Т.А. Яхно, В.В. Казаков, А.Г. Санин, О.Б. Шапошникова, А.С. Чернов. Сравнительная оценка механических свойств адсорбционных слоев в растворах белков сыворотки крови человека. // ЖТФ, 2007, 77, 4, 119-122.
  6. Т.А. Яхно, В.В. Казаков, А.Г. Санин, О.Б. Шапошникова, А.С. Чернов. Динамика фазовых переходов в высыхающих каплях растворов белков сыворотки крови человека. // ЖТФ, 2007, 77, 4, 123-127.
  7. Т.А. Яхно, В.Г. Яхно, А.Г. Санин, А.С. Пелюшенко, О.Б. Шапошникова, А.С. Чернов. Феномен высыхающей капли и возможности его практического использования. // Нелинейный мир, 2007, 1-2, 47-54.
  8. Т.А. Яхно, А.Г. Санин, В.Г. Яхно. Динамика фазовых переходов в высыхающих каплях биологических жидкостей:физико-химические основы, способ регистрации и извлечения диагностической информации. Сб. «Медицина в зеркале информатики», М: Наука, 2008, 63-78.
  9. T. Yakhno. Salt-induced Protein Phase Transitions in Drying Drops. // Journal of Colloid and Interface Science, 2008, 318, 225-230.
  10. Т.А. Яхно, А.Г. Санин, C.V. Vacca, F. Falcione, О.А. Санина, В.В. Казаков, В.Г. Яхно. Новая технология исследования многокомпонентных жидкостей с использованием кварцевого резонатора. Теоретическое обоснование и приложения. // ЖТФ, 2009, 79,10, 22-29.

Дата создания профайла технологии:27 ноября 2013

Вход в систему Регистрация →
Забыли пароль?