Автореферат (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде)

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)».Научный руководитель:кандидат технических наук, старшийнаучный сотрудникМогильная Татьяна ЮрьевнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,заведующий кафедрой электронныхприборов ФГБОУ ВО «Рязанскийгосударственный радиотехническийуниверситет»Чиркин Михаил Викторовичкандидат физико-математических наук,доцент кафедры биомедицинскихтехнических систем ФГБОУ ВО «МГТУим. Н.Э.

Баумана»Змиевской Григорий НиколаевичВедущая организация:Научно-производственное предприятие«Полигон-МТ»Защита диссертации состоится «» _______ 2017 г. в _____ часов назаседании диссертационного совета Д 212.141.18, на базе федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегообразования «Московский государственный технический университет имениН.Э. Баумана» по адресу 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.

5, стр. 1.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогогосударственного технического университета имени Н.Э. Баумана и насайте: www.bmstu.ru.Автореферат разослан «» ________ 2017 г.Ученый секретарь диссертационногосовета Д 212.141.18, доктор техническихнаук, профессорЦветков Юрий БорисовичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫТема данной диссертации связана с повышением качества метрологического обеспечения процесса измерения состава питьевой воды.Под качеством метрологического обеспечения процесса измерения параметров питьевой воды в работе понимается совокупность свойств, которыми характеризуется достоверность измерений.

В рамках рассматриваемой научной работы целесообразно выделить следующее три свойства: точность результатов измерений, характеризуемая погрешностямисредств измерений; сходимость, отражающая близость друг к другу результатов повторных измерений, осуществляемых в одинаковых условиях; быстрота получения результатов, зависящая от методики измерений,уровня автоматизации измерений и обработки полученных данных.Так как в работе решаются задачи узкорегионального характера (район,город), то вопросы воспроизводимости, отражающие близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных регионах, не рассматриваются.Естественно, в работе соблюдаются нормы и правила Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).Если с метрологическим обеспечением первых двух свойств (точности исходимости) положение в развитых странах можно считать в той или иной степени приемлемым, то с обеспечением третьего свойства (быстрота получения результатов) ситуация носит катастрофический характер.

А это значит, что в настоящее время в целом качество метрологического обеспечения процесса измерениясостава питьевой воды является неудовлетворительным.Именно поэтому темой данной диссертационной работы является разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде.Актуальность работыИз сказанного выше следует, что в настоящее время большое значениеприобретает мониторинг микробиологических параметров состава питьевой воды.Системы водоснабжения являются ключевыми в обеспечении жизнедеятельностигородов, в связи с чем, все острее стоит вопрос о реализации контроля параметровпитьевой воды непосредственно в трубопроводном потоке в режиме реальноговремени. Проблема осложняется тем, что предельно-допустимая концентрацияпатогенных микроорганизмов может находиться в пределах даже несколько молекул на 100 мл.

В связи с чем, большое внимание уделяется разработке принци-1пиально новых и высокоэффективных методов и инструментов измерений,относящихся к нанометрологии.На сегодняшний день контроль производится лабораторными методами,процесс которых занимает в зависимости от метода от нескольких часов до нескольких дней. Кроме того, для измерения требуются лабораторные условия иквалифицированный персонал, что обуславливает необходимость разработкиприбора, имеющего возможность быть встроенным в автоматизированную линиюконтроля питьевой воды.Таким образом, значительную актуальность приобретает проблема оценкикачества питьевой воды на предмет гарантированного отсутствия в ней опасныхили вредных биологических и химических веществ, в том числе в малых и сверхмалых концентрациях, в реальном масштабе времени.Степень разработанности темыПроблема автоматизированного контроля параметров питьевой воды втрубопроводах в настоящее время не решена, несмотря на существующий рядприборов и приборных комплексов для контроля жидких сред.

Это вызвано следующими причинами:1. Значительным количеством измеряемых параметров и низкими концентрациями объектов микробиологии в водном растворе.2. Резким падением точности и надежности в автоматизированных линиях, вследствие известного экспоненциального падения этих параметров с ростом числа датчиков для их определения.3. Высокой стоимостью оборудования линии вследствие необходимостиприменения прецизионных анализаторов спектральных распределений рассеянного излучения.4. Очень сложным программным обеспечением, которое должно управлять не только информацией о качестве воды, но также компенсировать шумыанализаторов и обрабатывать отказы, происходящие как вследствие неисправностей не только каждого из датчиков, но и логических ошибок программного обеспечения.

Поскольку методы регистрации анализаторов для контроля биологических параметров принципиально нелинейные, необходимо применять теориюраспознавания образов.Несмотря на это, во многих странах все большее внимание уделяется возможности создания автоматизированных линий для контроля питьевой воды. Задача осложнена тем, что определение наличия патогенных возбудителей в питьевой воде в настоящее время производится исключительно методами выращиванияколониеобразующих единиц объектов микробиологии из данных проб воднойсреды. Однако данные методы не имеют возможности быть встроенными в авто2матизированную линию контроля, требуют лабораторных условий для проведения анализа состава питьевой воды и участие высококвалифицированного персонала в его проведении.Цели и задачи исследованийЦель диссертационной работы – повышение качества метрологическогообеспечения процесса измерения микробиологических параметров путем разработки лазерного метода контроля питьевой воды на основе люминесцентного метода контроля и метода вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.Достижение поставленной цели требует решения следующих задач: теоретический анализ применимости спектроскопии вынужденногорассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) для обнаружения примесных ДНКструктур патогенных микроорганизмов; разработка методики проведения измерений и экспериментальноеподтверждение применимости нового метода; анализ полученных данных и выработка критериев регистрации содержания патогенных микроорганизмов в питьевой воде; анализ эффективности решений и выбор информативных параметровдля реализации предложенного метода ВРМБ; разработка требований к метрологическим характеристикам опытногообразца прибора, основанного на разработанном комплексном лазерном методе.Методология и методы исследованияПри решении поставленных задач использованы теория молекулярногорассеяния света в жидкостях, методы исследования спектрального состава деполяризованного рассеяния, регрессионный анализ, а также методы математического моделирования.

Для моделирования и проведения расчетов на ЭВМ примененыпрограммные пакеты ANSYS и MatLab/Simulink.Научная новизна результатов1. Разработан лазерный метод контроля патогенных микроорганизмов наоснове люминесцентного анализа и явления вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна для мониторинга непосредственно в потоке питьевой воды.2. Впервые определены пороговые значения плотности мощности достижения эффекта ВРМБ для растворов бактериофаг (E.coli), шигеллы (Sh.flex),индикатора свежего фекального загрязнения, способного образовывать цепочки(Enterococcus faecalis), возбудителей пищевой инфекции (споры B.subtilisvar.niger), а также смесей двух микроорганизмов, в том числе инактивированныхи смесей, содержащих, помимо патогенных возбудителей, высокомолекулярныебиоорганические соединения (белки и нуклеиновые кислоты).33.

Впервые получена зависимость оптических параметров рассеянногоизлучения для ряда патогенных микроорганизмов в питьевой воде с учетом ихконцентраций, показывающая уникальность набора данных параметров для каждого типа микроорганизмов.4. Получена база данных стандартных образцов рассеянного патогенными микроорганизмами излучения, позволившая выявить информативные параметры, необходимые для автоматического контроля объектов микробиологии впитьевой воде.Теоретическая и практическая значимость работы1.

Разработана математическая модель лазерного метода для контролямикробиологических параметров в питьевой воде, основанного на люминесцентном анализе и ВРМБ-спектроскопии. Данная модель связывает параметры излучения от источника и рассеянного патогенными микроорганизмами излучения.2.

Разработан лабораторный стенд и введен в опытную эксплуатацию всоответствии с заказом № 197-Н/20/14 Федеральной службы охраны РоссийскойФедерации «Разработка автоматизированной линии контроля питьевой воды».3. На основе теоретических расчетов и проведенных экспериментальныхисследований выработаны требования к метрологическим характеристикам лабораторной установки для контроля патогенных микроорганизмов в питьевой воде.4. Разработаны требования к метрологическим характеристикам макетного образца прибора и программное обеспечение, позволяющие производитьконтроль патогенных микроорганизмов в режиме реального времени, на основеисследований динамики возникновения стоксовых и антистоксовых составляющих рассеянного излучения.Положения, выносимые на защиту1. Впервые разработанный лазерный метод контроля патогенных микроорганизмов в питьевой воде, применяющий эффект ВРМБ, позволяет осуществлять непрерывный мониторинг патогенных микроорганизмов, и таким образомрешает задачу повышения качества метрологического обеспечения процесса измерения микробиологических параметров питьевой воды.2.

Впервые определены требования к метрологическим характеристикамприбора для контроля патогенов в питьевой воде непосредственно в потоке: лазерный источник с длиной волны в диапазоне от 0,8 до 1,37 мкм и мощностью неменее 225 мВт, приемник излучения с порогом чувствительности не более -50 дБ,динамическим порогом не менее 60 дБм и спектральным разрешением не менее0,02 нм. Полный список требований представлен в диссертации.3.

Разработанная математическая модель среды матричного типа ивключенными в матрицу рассеивающими микрочастицами позволяет проводить4численное моделирование распространения когерентного излучения вколлоидных растворах и сравнивать результаты моделирования с результатамифизических экспериментов.4. Впервые математическая модель взаимодействия лазерного излученияс вынужденной люминесценцией патогенных микроорганизмов составлена в приближении антенной модели нелинейной оптики, что позволяет связать параметрыизлучений от источника и рассеянного патогенными микроорганизмами.5. Обнаруженное явление инвариантности разности длин волн излучений ВРМБ патогенных микроорганизмов и основной лазерной моды, связанноетолько с типом микроорганизма, позволяет получать информацию о наличии патогенных примесей, существующих в исследуемом водном растворе.