Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине (стр. 29 )

2. Телевизионные системы для визуализации продуктов ПЦР

ТСС «Люмен», ТСС «Гель». Структурные схемы и особенности конструкции. Технические характеристики.

Телевизионная спектральная система «Люмен»

ТСС «Люмен» предназначена для визуализации и документирования электрофореграмм ДНК в гелях при геномной дактилоскопии. ТСС обеспечивает чувствительность на порядок превышающий визуальный метод (до 1 нг ДНК) и оперативность документирования результатов исследований.

Рис. 3.2.1. Телевизионная спектральная система «Люмен»

Состав:

1)  Анализатор;

2)  Трансиллюминатор;

3)  Устройство ввода изображений;

4)  Программное обеспечение;

5)  ПК.

Технические характеристики:

Чувствительность анализатора: до 1 нг ДНК

Рабочее поле зрения: 90х120 мм;

Разрешающая способность ПЗС датчика: 450 тел. лин.

Время экспозиции не более: 0,5 с;

Питание от сети: 220 В, 50 Гц

Габаритные размеры: 335 ´ 286 ´ 122 мм;

Масса: 3,5 кг

ТСС «Люмен»обеспечивает:

–  Защиту персонала от УФ-облучения;

–  Наблюдение изображения геля на экране ПК или дополнительном телевизионном мониторе;

–  Регулировку уровня «черного» и размаха видеосигнала;

–  Ввод изображений в ПК с накоплением;

–  Документирование полученных изображений.

Аппаратно-программный комплекс «Гель»

Рис. 3.2.2. Аппаратно-программный комплекс «Гель»

Комплекс предназначен для визуализации сверхмалых количеств продуктов ПЦР и автоматизированной обработки их изображений в медико-биологических исследованиях.

Достоинства:

–  превышает возможность визуального контроля в 100 раз за счёт применения импульсного источника возбуждения люминесценции и высокочувствительной телевизионной камеры на базе ЭОПа;

–  позволяет проводить анализ электрофореграмм ДНК непосредственно на рабочем столе эксперта (исследователя);

–  защищает персонал от ультрафиолетового излучения;

–  обеспечивает оперативное получение результатов исследований.

Состав:

1)  анализатор;

2)  устройство ввода изображения;

3)  программное обеспечение;

4)  ПК.

Технические характеристики:

Чувствительность анализатора: до 0,1 нг ДНК

Разрешающая способность ПЗС-датчика: 450 тел. лин.

Поле зрения анализатора: 150 ´ 200 мм

Напряжение питания: 220 В

Мощность потребления от сети переменного тока (без учета ЭВМ): 50 Вт

Комплекс обеспечивает:

–  ввод телевизионного изображения в ПК с накоплением;

–  вывод изображения на дисплей с возможностью масштабирования;

–  контрастирование введенного изображения;

–  построение профилограмм яркости (оптической плотности) изображения;

–  автоматизированную разметку осей профилограмм и оценку количества и молекулярной массы ДНК, содержащихся в исследуемых фрагментах.

Функциональная схема и конструктивные особенности анализаторов
ТСС «Люмен», «Гель»

Функциональная схема ТСС «Люмен», «Гель» приведена на рис. 3.2.3.

 

Рис. 3.2.3. Функциональная схема ТСС «Люмен», «Гель»:

1 – предметный столик с источником проходящего УФ-света; 2 – светозащитный бокс; 3 – высокочувствительный БКТ

ТСС «Люмен», «Гель» являются типичными примерами моноспектральных систем. Особенностью конструкции ТСС «Люмен», «Гель» является наличие предметного столика для исследуемого геля с источником проходящего ультрафиолетового света (1) в качестве ИВЛ, светозащитного бокса (2) для размещения в нем исследуемого геля и высокочувствительного БКТ (3).

Отличие ТСС «Люмен» от ТСС «Гель» состоит в том, что в ИВЛ ТСС «Гель» применен высокоинтенсивный импульсный источник света, а в ИВЛ ТСС «Люмен» – люминесцентные эритемные лампы.

Рассмотрим более подробно функциональную схему высокочувствительного БКТ ТСС «Люмен», приведенную на рис. 3.2.4.

 

Рис. 3.2.4. Функциональная схема высокочувствительного БКТ ТСС «Люмен»:

1 – светофильтр; 2 – входной объектив; 3 – ЭОП; 4 – фотодатчик; 5 – схема защиты ЭОП; 6 – объектив переноса; 7 – фотоприемник; 8 – преобразователь напряжения

В БКТ обеспечивается работа на фиксированном поле зрения 120 ´ 90 мм, определяемом размером исследуемого геля с помощью объектива (2). Перед объективом располагается светофильтр (1), выделяющий красную область спектра, в которой люминесцируют окрашенные бромидом этидия ПЦР-продукты. В БКТ использован отечественный ЭОП второго поколения «Белка» (3) с чувствительностью до 0,001 лк. Полученное на экране ЭОП изображение проецируется на мишень фотоприемника (7) через объектив переноса (6). В качестве фотоприемника используется черно-белая бескорпусная телевизионная камера с повышенной чувствительностью. Питание ЭОП осуществляется через преобразоваот напряжения 12 В. Для предохранения ЭОП от прожога в случае пересветки в БКТ введена схема защиты (5), выключающая ЭОП при срабатывании фотодатчика (4).

Высокочувствительный БКТ на базе ЭОП в ТСС «Люмен» в сочетании с дополнительной аналоговой обработкой в УКВС и цифровым шумоподавлением при вводе в ПЭВМ обеспечил возможность обнаружения люминесценции продуктов ПЦР в геле при их количестве до 1 нг, что в 10 раз ниже порога в непосредственном визуальном обнаружении и соответствует порогу, достигаемому в результате фотографирования геля на специальную фотопленку типа МИКРАТ-1 с экспозицией 30 с.

Глава 4

Телевизионная визуализация газоразрядного свечения

1. Структурная схема и особенности конструкции телевизионной системы
для визуализации газоразрядного свечения

Составные части системы. Особенности конструкции электронно-оптического блока. Генератор импульсов высокого напряжения.

Основные составные части системы представлены на рис. 4.1.1.

Рис. 4.1.1. Обобщенная структурная схема телевизионной системы для визуализации газоразрядного свечения:

1 – исследуемый объект; 2 – блок электронно-оптический (БЭО); 3 – генератор импульсов высокого напряжения; 4 – блок управления режимами работы генератора; 5 – устройство ввода изображений; 6 – ЭВМ

Исследуемый объект (1) размещается вблизи или на поверхности электрода, являющегося частью БЭО (2). В переменном электрическом поле высокой напряженности, возникающем при подаче на электрод высоковольтных импульсов, образуется газовый разряд (поверхностный или объемный), который служит усилителем сверхслабых эмиссионных процессов, протекающих на поверхности объекта.

Изображение газоразрядного свечения, несущее в себе комплексную информацию о характеристиках объекта, формируется с помощью телевизионного датчика, входящего в состав БЭО. Сигнал изображения преобразуется в цифровую форму с помощью устройства ввода изображений (5) и запоминается в ЭВМ (6). Импульсы высокого напряжения для БЭО вырабатываются генератором (3), режимы работы которого через блок управления (4) задаются от ЭВМ.

Введенное в ЭВМ изображение обрабатывается специальными программами с целью повышения информативности сюжета и количественного анализа. Рассмотрим более подробно компоненты системы.

Электронно-оптический блок

В электронно-оптическом блоке (БЭО) интегрированы высоковольтный электрод, оптическая система и телевизионный датчик. Могут быть использованы различные конструкции БЭО. Наиболее удобен вариант исполнения с оптически прозрачным электродом и диэлектриком [71].

Электрод располагается между диэлектриком и телевизионным датчиком. На диэлектрик, который служит в качестве изолятора, помещается исследуемый объект. Свечение объекта возникает либо на поверхности диэлектрика, либо в узком зазоре между объектом и диэлектриком. При рассмотренном выше варианте конструкции исключается возможность закрытия объектом части свечения.

Наилучшая оптическая прозрачность электрода достигается при напылении на диэлектрик. В качестве напыляемого материала используется двуокись олова или трехокись индия. К качеству напыления, производимому в вакууме, предъявляются определенные требования по чистоте и однородности. Недопустимы разрывы покрытия и попадание посторонних включений, которые могут служить очагами электрической эрозии, разрушающей электрод в процессе подачи на него импульсов высокого напряжения.

Проецирование свечения на мишень фотоприемника (ПЗС-матрицы) осуществляется обычной оптической системой – объективом. В варианте исполнения БЭО содержит оптическое волокно, сопряженное с ПЗС-матрицей, электрод выполнен в виде металлической сетки и все компоненты устройства жестко закреплены в одном корпусе.

Целесообразно уменьшение расстояния между мишенью фотоприемника и поверхностью электрода для сокращения потерь света. Предпочтительно для этих целей использование короткофокусных объективов, однако, их применение ограничивается допустимыми геометрическими искажениями. На рис. 4.1.2 приведена конструктивная схема БЭО.

Рис. 4.1.2. Вариант конструктивного исполнения БЭО

1 – объект; 2 – газоразрядное свечение; 3 – прозрачный диэлектрик; 4 – прозрачный электрод; 5 – прозрачное опорное стекло; 6 – компаунд; 7 – объектив; 8 – фотоприемник; 9 – высоковольтный вывод; 10 – корпус

Диэлектрик (оптическое стекло) должен иметь толщину, обеспечивающую достаточную изоляцию объекта от электрода. Вместе с тем его толщина должна быть минимальной для уменьшения потерь напряженности электрического поля. Оптимальная толщина для оптического стекла составляет 1,5–2 мм.

Для обеспечения равномерного радиального распределения электрического поля вокруг исследуемого объекта на токопроводящий слой напыляется кольцевая контактная площадка из меди, к которой подсоединяется высоковольтный провод, подключаемый к генератору импульсов высокого напряжения (рис. 4.1.3.).