Арт. VisiSens TD
В природе повсюду встречаются градиенты и неоднородности концентраций. При измерении содержания кислорода (O₂), pH, CO₂ и других аналитов в разных точках образца зачастую обнаруживаются значительные различия — независимо от того, исследуется ли природная или искусственно созданная система.
Во многих экспериментах исследователи стремятся устранить неоднородность среды с помощью перемешивания, встряхивания или других методов смешивания, чтобы обеспечить одинаковые условия реакции по всему объему образца. Однако при изучении естественных процессов важно не нарушать природную структуру исследуемой среды.
Во многих образцах существуют локальные зоны — так называемые горячие точки (hot spots), где происходит основная часть химических или биологических процессов. Это характерно при исследовании следующих поверхностей:
- вода — донные отложения;
- корень растения — почва;
- почва — воздух;
- жидкость — газ;
- жидкость — жидкость.
В этих областях формируются градиенты концентраций, обусловленные процессами потребления вещества или диффузии. Изучение таких градиентов позволяет лучше понимать происходящие процессы, контролировать их и оптимизировать.
Методы исследования градиентов концентрации
Для анализа пространственной неоднородности применяются различные методы:
- одновременные измерения в нескольких точках образца (Оценка влияния потоков pH на границе раздела «осадок–вода» на придонный слой воды у побережья Намибии; Мониторинг динамики кислорода на границе «осадок – вода»);
- профилирование, при котором один датчик последовательно перемещается между различными точками измерения (Динамика O₂, pH и CO₂ в приливных солончаковых водоёмах);
- двумерная визуализация (2D imaging) с использованием планарных оптодов (Измерение pH и содержания кислорода в донных отложениях методом планарной оптической визуализации).
Многоточечные измерения требуют либо ручного перемещения считывающего устройства, либо использования нескольких датчиков или многоканальной системы регистрации. Это увеличивает сложность эксперимента, требует дополнительного пространства вокруг образца и значительно повышает затраты времени.
Методы микропрофилирования подробно рассматриваются отдельно. В данной статье внимание уделено преимуществам двумерной визуализации с использованием люминесцентных химических оптических сенсоров.
Что представляет собой 2D-визуализация с помощью планарных оптодов
Двумерная визуализация (Analyte Mapping или Imaging) основана на использовании матричного детектора, который одновременно регистрирует тысячи измерительных точек в пределах исследуемой области (O. S. Wolfbeis, BioEssays, 2015). В отличие от обычных фотодетекторов применяется специализированная люминесцентная камера, позволяющая считывать сигнал со всей поверхности сенсорной пленки.
Система 2D-визуализации состоит из трех основных компонентов:
- Камера-детектор, которая формирует возбуждающее освещение и регистрирует люминесцентный сигнал по всей площади сенсора.
- Планарный оптический сенсор, содержащий чувствительный краситель, обратимо взаимодействующий с исследуемым аналитом.
- Программное обеспечение, преобразующее зарегистрированные световые сигналы в двумерную карту распределения концентрации аналита.
Преимущества двумерной визуализации
Метод позволяет одновременно регистрировать тысячи измерительных точек, формируя двумерные карты распределения кислорода, pH или CO₂ в выбранной области.
Автоматическая запись временных серий дает возможность наблюдать изменение концентраций во времени и анализировать пространственно-временную динамику процессов.
Полученные результаты отображаются в виде:
- цветовых карт;
- изображений;
- последовательностей кадров;
- видеороликов.
Такой формат позволяет быстро выявлять:
- локальные зоны высокой метаболической активности;
- участки интенсивного потребления кислорода;
- области изменения pH;
- зоны накопления CO₂;
- пространственные градиенты.
Кроме наглядной визуализации, каждый пиксель изображения является самостоятельной измерительной точкой и содержит количественное значение концентрации аналита.
Пользователь может:
- выделять произвольные области интереса (ROI);
- сравнивать различные участки образца;
- анализировать сразу несколько градиентов;
- отслеживать изменения в разные моменты времени.
Расширенные возможности метода
В отличие от классического подхода, когда вся площадь изображения покрывается одним сенсором, технология визуализации позволяет значительно расширить возможности эксперимента.
В одном поле зрения можно одновременно разместить:
- несколько сенсоров для различных участков одного образца;
- несколько независимых образцов;
- сенсоры одного аналита с различными диапазонами измерений для расширения рабочего диапазона;
- сенсоры разных аналитов (например, O₂, pH и CO₂), считываемые одной системой в рамках одного эксперимента;
- целые массивы сенсоров.
Принцип измерения
Для считывания сигнала в системе VisiSens применяется метод Fluorescence Ratiometric Imaging (FRIM) — флуоресцентная ратиометрическая визуализация. Ратиометрический метод позволяет компенсировать большинство факторов, способных влиять на качество измерений, например, неоднородность освещения, геометрические изменения положения сенсора и различия интенсивности возбуждающего света.
Сенсорная пленка содержит чувствительный к аналиту индикаторный краситель и опорный (референсный) краситель. Оба красителя иммобилизованы в проницаемой полимерной матрице. Индикаторный краситель испускает красное или зеленое свечение (в зависимости от типа сенсора), интенсивность которого изменяется при изменении концентрации исследуемого вещества. Референсный краситель излучает стабильный сигнал, не зависящий от концентрации аналита. Эти сигналы соответствуют красному и зеленому каналам RGB-матрицы цифровой камеры.
Метод FRIM в системе VisiSens™
Метод Fluorescent Ratiometric Imaging (FRIM) используется для референсного считывания сигнала флуоресцентных химических сенсоров (Tschiersch и соавт. Planar oxygen sensors for non-invasive imaging in experimental biology, 2011). RGB-матрица цифровой камеры независимо регистрирует сигналы индикаторного и опорного красителей. Полученное цветное изображение содержит информацию сразу в двух каналах. После ратиометрической обработки отношения интенсивностей красного и зеленого каналов формируется корректный двумерный отклик сенсора, устойчивый к большинству внешних факторов.
Рис. 1. Принцип работы системы визуализации VisiSens (слева) и принцип работы флуоресцентной сенсорной пленки для двумерной регистрации (справа).
Бесконтактные измерения через прозрачные стенки
Планарная сенсорная пленка может непосредственно наноситься на исследуемую поверхность и закрепляться на внутренней стороне прозрачного или полупрозрачного сосуда. Поскольку световые сигналы проходят через прозрачные стенки емкости, измерения выполняются без нарушения условий эксперимента и без контакта считывающей системы с исследуемой средой.
Какую систему VisiSens выбрать?
|
Возможность |
VisiSens A1 |
VisiSens TD |
|
Малое поле зрения (до 3 × 2 см) |
х | |
|
Среднее поле зрения (до 8 × 6 см) |
х | |
|
Большая область (до формата A4) |
х(с комплектом Big Area Imaging Kit) | |
|
Работа с микроскопом |
х |
х (с комплектом TD MIC Kit) |
|
Измерение одного аналита |
х |
х |
|
Измерение O₂, pH и CO₂ одной системой |
х | |
|
Одновременная работа с несколькими сенсорами |
х | |
|
Модульное расширение системы новыми аналитами |
х | |
|
Высококачественный детектор |
х | |
|
Полностью готовая к работе система |
х |
х |
|
Портативность |
xUSB-питание |
PoE-питание |
Конфигурации систем VisiSens
Система 2D-визуализации кислорода VisiSens A1 O₂ Imaging
Комплект включает:
- VisiSens DU01;
- сенсорную пленку SF-RPSu4;
- программное обеспечение VisiSens AnalytiCal 1;
- адаптерные тубусы (опционально).
Cистемы 2D-картирования O₂, pH и CO₂ VisiSens TD
Базовая система VisiSens TD
Комплект включает:
- базовую систему VisiSens TD;
- сенсорные пленки SF-RPSu4, SF-HP5R, SF-LV1R и/или SF-CD1R;
- программное обеспечение VisiSens ScientifiCal;
- программные модули для измерения O₂, pH и/или CO₂.
Система VisiSens TD для регистрации на большой площади
Комплект включает:
- базовую систему VisiSens TD;
- сенсорные пленки SF-RPSu4, SF-HP5R, SF-LV1R и/или SF-CD1R;
- VisiSens ScientifiCal;
- модули измерения O₂, pH и/или CO₂;
- комплект Big Area Imaging Kit;
- монтажную стойку.
VisiSens TD Mic Configuration
Комплект включает:
- базовую систему VisiSens TD;
- сенсорную пленку SF-RPSu4;
- программное обеспечение VisiSens ScientifiCal;
- модуль измерения кислорода;
- комплект VisiSens TD Mic Kit.
VisiSens TD Basic System для Imaging Sensor Plates (ISP)
Комплект включает:
- базовую систему VisiSens TD;
- планшетные сенсоры ISP96-RPSu4-S, ISP24-RPSu4-S (для O₂) или ISP96-HP5R-S, ISP24-HP5R-S (для pH);
- программное обеспечение VisiSens ScientifiCal;
- программные модули для измерения O₂ и/или pH;
- адаптер для сенсорных планшетов.
