Разрабатываемые приборы
Готовы разработать уникальное оборудование для исследовательской вашей лаборатории
Лаборатория комплексных экологических исследований ПсковГУ совместно с кафедрой биофизики биологического факультета МГУ осуществляет разработку линейки биофизических приборов на основе нового оригинального компактного флуориметра «Fluorescence kinetic system» (FKS), предназначенного для измерения трех типов кинетических кривых флуоресценции хлорофилла (ФХ) высокого разрешения в широком диапазоне концентраций хлорофилла: от 0.1 мкг Хл/л до 10 мг Хл/л.
Объекты исследований: лабораторные культуры микроводорослей, фитопланктон в естественных концентрациях.
Область применения:
— изучение механизмов адаптации микроводорослей к изменяющимся условиям внешней среды и механизмов токсического воздействия на фотосинтез (лабораторные исследования);
— биотестирование качества воды в лабораторных и полевых условиях;
— экспресс биоиндикация состояния водных систем в целях экологического мониторинга.
Типы регистрируемых кинетических кривых ФХ:
— световая индукции быстрой ФХ (кривая OJIP) (20 мкс – 10 с) при плотности потока фотонов 15000 мкмоль фотонов·м-2·с-1 (448 нм);
— темновая релаксация переменной ФХ (100 мкс – 20 с);
— световая индукция замедленной ФХ (20 мс – 10 с).
Характеристики первичных реакций фотосинтеза.
Анализ кинетических кривых ФХ позволяет автоматически определять ключевые характеристики первичных реакций фотосинтеза, которые являются чувствительными индикаторами воздействия факторов внешней среды:
1. OJIP кривая: максимальный квантовый выход фотохимического преобразования энергии в ФС2 (FV/FM), квантовый выход электронного транспорта в ФС2 (φE0) (ссылка на обзор);
2. Темновая релаксация переменной ФХ: скорость переноса электронов из ФС2 в пул пластохинонов (ссылка);
3. Световая индукция замедленной ФХ: способность фотосинтетических мембран генерировать электрический потенциал и рН градиент (ссылка).
Уникальность. Впервые в одном приборе реализована возможность измерения трех типов индукционных кривых ФХ высокого разрешения в широком диапазоне концентраций хлорофилла (патент на полезную модель №218148). FKS делает возможным получение исчерпывающей информации о состоянии первичных реакций фотосинтеза у фототрофных микроорганизмов в лабораторных и естественных условиях.
Преимущества. Флуориметр характеризуется компактностью, высокой чувствительностью, простотой использования, высокой скоростью измерений, простым интерфейсом, автоматическим анализом данных, возможностью индивидуальной настройки протокола измерений и выбора конфигурации прибора (измерение только быстрой ФХ или только замедленной ФХ). Высокая чувствительность прибора обусловлена не только техническими характеристиками, но и возможностью накопления измерений на одном образце с последующим усреднением сигнала; встроенная в измерительную камеру магнитная мешалка препятствует оседанию клеток.
- Установка несъемной кюветы для исключения образования конденсата и других загрязнений на внешних стенках, что в результате дает высокую воспроизводимость величины фоновых аппаратных сигналов БФ и ЗФ и возможность их вычитания.
- Материал кюветы – акриловое стекло, с малым уровнем длительного послесвечения (в сравнении с минеральными стеклами).
- Цилиндрическая форма кюветы для удобства чистки, герметизации и термостатирования.
- Теплообменный контур в металлическом корпусе прибора (рубашка) для циркуляции жидкости-теплоносителя и стабилизации температурного режима кюветы и детекторов.
- Увеличенный диаметр возбуждающего светового пучка – 22…25 мм для увеличения количества клеток ФП, одновременно попадающих в зону облучения. На пробах с низким содержанием ФП это существенно уменьшает флуктуации сигнала флуоресценции, которые связаны с хаотичным перемещением клеток или крупных колоний клеток по кювете.
- С этой же целью вместо одного возбуждающего светодиода установлено два с противоположных сторон кюветы. Также, в сравнении с одним светодиодом, это позволяет удвоить соотношение сигнал/шум БФХ в 2 раза и частично скомпенсировать уменьшение плотности потока квантов на пучке увеличенного диаметра. Суммарная пиковая интенсивность возбуждения 15000 мкмольм-2с-1 (448 нм).
- Привод магнитной мешалки для проведения длительных повторных измерений, что дает увеличение сигнал/шум на кривых БФХ и ЗФХ в 4…5 раз за приемлемое время.
- Использование мощных светоизлучающих диодов с минимальным тепловым сопротивлением кристалл-подложка.
- Минимизация тепловых искажений амплитуды световых импульсов и искажений переходной характеристики флуориметра за счет эффективного отведения тепла от светодиодов и их питания от стабилизированных драйверов тока.
- Применение малошумящих детекторов — ФЭУ с мультищелочным фотокатодом и кремниевого PIN-фотодиода большой площади с малым темновым током и паразитной емкостью.
- Использование высоко-линейных малошумящих усилителей фототока с высоковольтным питанием (+37 В) для увеличения динамического диапазона. В составе усилителей применен каскад на полевом транзисторе для компенсации шунтирующего действия паразитной емкости детектора на глубину общей отрицательной обратной связи.
- Использование высоко-линейного и малошумящего 16-битного АЦП (2.5 MSPS).
- Цифровая обработка сигнала (множественное сэмплирование сигнала быстродействующим АЦП, программное сглаживание).
Разработанные приборы
Компактная переносная измерительная установка
Portable spectral and fluorescence kinetic system (PSFKS) — компактная переносная измерительная установка для использования в лабораторных и полевых исследованиях. Измерительными модулями установки являются флуориметр FKS и спектрофотометр на базе ПЗС-спектрометра USB2000+ (OceanOptics, США) с проточной измерительной камерой в виде интегрирующей сферы. Работа установки в полевых условиях осуществляется за счет питания от встроенной аккумуляторной батареи, обеспечивающей до 3 ч. непрерывных измерений с возможностью подзарядки от автомобильной розетки. Все блоки установки надежно закреплены внутри алюминиевого кейса, обеспечивающего удобную и безопасную доставку к месту проведения измерений.
Регистрируемые характеристики: три типа кинетических кривых ФХ высокого разрешения (ссылка на соответствующий пункт описания FKS), спектры поглощения (400-750 нм, чувствительность: 10 мкг Хл/л – 100 мг Хл/л).
Область применения. Установка PSFKS предназначена для проведения биотестирования образцов воды с использованием зеленых микроводорослей в качестве тест-культур. Анализ кинетических кривых ФХ позволяет определять высокочувствительные к загрязнению параметры первичных реакций фотосинтеза, такие как электронный транспорт в ФС2 и электрохимический потенциал фотосинтетических мембран (ссылка на соответствующий пункт описания FKS). Анализ спектра поглощения микроводорослей позволяет оценивать плотность культур. Также установка PSFKS может быть использована для биоиндикации водных объектов в целях экологического мониторинга.
Стационарная измерительная установка
Automatic fluorescence kinetic system (AFKS) — стационарная измерительная установка для продолжительной работы в автоматическом режиме непосредственно у водоема. Измерительным модулем установки является флуориметр FKS. Управление установкой и обмен данными происходят дистанционно посредством мобильной связи. Ввод и вывод образца производятся автоматически с помощью вакуумного насоса через 4 м шланг в защитном чехле. Предусмотрена автоматическая очистка измерительной камеры специальным раствором в ежедневном режиме. Встроенный автомобильный аккумулятор обеспечивает до 30 дней непрерывной работы без подзарядки. Все компоненты установки надежно закреплены внутри герметичного компактного пластикового корпуса.
Регистрируемые характеристики: три типа кинетических кривых ФХ высокого разрешения (ссылка на соответствующий пункт описания FKS).
Область применения. Установка ASFKS предназначена для проведения длительного мониторинга состояния фитопланктона в естественных условиях при температуре выше 5оС. Анализ кинетических кривых ФХ позволяет определять высокочувствительные к неблагоприятным факторам параметры первичных реакций фотосинтеза, такие как электронный транспорт в ФС2 и электрохимический потенциал фотосинтетических мембран (ссылка на соответствующий пункт описания FKS). В первую очередь, AFKS рекомендуется использовать для непрерывного экологического мониторинга крупных водных объектов, подверженных сукцессиям, периодическому цветению и загрязнениям токсическими веществами. Рекомендуемое время измерений – ночь или время перед рассветом во избежание эффекта фотоингибирования. В случае обнаружения резкого снижения фотосинтетической активности фитопланктона, не связанного с действием очевидных внешних факторов, рекомендуется дополнительно провести биотестирование и гидрохимический анализ образцов в месте измерения. При высоком содержании растворенного органического вещества в воде, которое влияет на выход быстрой ФХ, рекомендуется периодически измерять фоновое значение выхода ФХ в образцах без фитопланктона и вносить соответствующую поправку при расчете максимального квантового выхода фотохимического преобразования энергии в ФС2 — FV/FM.