Автореферат (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде), страница 2

Погрешность данной разности длин волн не превышает 0,052 нм.Степень достоверности результатовДостоверность научных положений и выводов, представленных в диссертации, подтверждается:1. Соответствием результатов численного моделирования распространения когерентного излучения в коллоидных растворах и данных, полученных впроцессе экспериментального подтверждения достижения пороговых плотностеймощностей, проведенных с использованием люминесцирующих наномаркеров –имитаторов патогенных микроорганизмов.2. Корреляцией теоретических расчетов и результатов измерений, полученных в процессе исследования растворов патогенных микроорганизмов.3.

Результатами испытаний разработанного лазерного метода в Федеральном бюджетном учреждении науки «Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии» (ФБУН ГНЦ ПМБ), а также в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт ветеринарной санитарии, гигиены и экологии Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИВСГЭ Россельхозакадемии).Реализация результатов работыРезультаты численного моделирования и экспериментальные данные использованы компанией ОАО «СЭРВЭТ-М» при выполнении НИОКР по заказу№ 197-Н/20/14 «Разработка автоматизированной линии контроля параметров питьевой воды» Федеральной службы охраны Российской Федерации (ФСО РФ).Полученные теоретические результаты использованы в учебном процессекафедры «Технологии производства приборов и информационных систем управления летательных аппаратов» «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)».5Апробация результатовРезультаты работы докладывались на: ХХХVIII, ХХХIX, XL, XLI Международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения», «МАТИ» – РГТУ им.

К.Э. Циолковского. М., 2012,2013, 2014, 2015; международной научной конференция «Новые материалы и технологии 2012», «МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского. М. 2012; международных конференциях лазерной физики LPHYS’12. Calgary(Canada). 2012; LPHYS’13. Prague (Czech Republic). 2013; LPHYS’14. Sophia(Bulgary). 2014; международной научной конференции TechConnect World Innovationconference and Expo. Washington (DC, USA).

2014.ПубликацииПо результатам проведенных исследований опубликовано 19 научных работ общим объемом 6,41 печатных листов, из них 7 публикаций в журналах изперечня ВАК РФ, и зарегистрирована заявка на патент РФ на изобретение№ 2016101990.Личный вкладИзложенные в диссертации результаты получены Томилиным В.И. лично входе научно-исследовательских работ, проведенных в период с 2011 по 2016 год.Весь заимствованный материал отмечен в работе ссылками.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и заключения, списка литературы и приложения.

Работа изложена на 167 страницах основного текста, содержит 56 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 121наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулирована постановказадачи, ее текущее состояние, представлены научные положения, выносимые назащиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных теоретических и экспериментальных результатов.В первой главе диссертации выполнены обзор литературы, исследованыограничения на параметры питьевой воды, представлен обобщенный анализсредств измерений для контроля патогенных микроорганизмов в питьевой воде, атакже проведена оценка метрологических характеристик методов, имеющих пер6спективу модификации и применения для автоматизированного мониторингамикробиологических параметров в питьевой воде.

В качестве возможных дляприменения на практике в приборе контроля параметров питьевой воды представлены методы, основанные на спектрометрии (ИК-спектрометрия, люминесцентные методы, ВРМБ-метод и т.д.) и методы, основанные на измерениях электрических параметров, поскольку их показания линейны по первой производной. Показано, что принципиальной возможностью применения для непрерывного контроляпараметров потока жидкости обладают только оптические методы. Однако существующие оптические приборы требуют адаптации под трубопровод, на которомони установлены.Для микробиологических и паразитологических параметров необходимопрактически полное отсутствие патогенных микроорганизмов в определенном количестве раствора.

Данное требование может быть удовлетворено только биологическими, химико-оптическими (ПЦР-методы), атомно-адсорбционными и резонансными оптическими методами. Однако использование этих методов в автоматических линиях находится на стадии развития, при этом стоит заметить, что биологические и химико-оптические методы требуют забора проб, что делает невозможным применение подобного рода датчиков для мониторинга параметровнепосредственно в потоке питьевой воды. Люминесцентный анализ не приспособлен для непрерывного автоматического контроля в связи с высоким уровнемшума и сложностью идентификации примесных объектов, вызванным высокойплотностью спектральных линий различных веществ, находящихся на небольшомучастке люминесценции, а также необходимостью использования высококвалифицированного персонала для анализа полученных спектров.В результате лазерный ВРМБ метод является наиболее перспективным сточки зрения точности и оперативности для применения в качестве мониторинговой онлайн системы.В завершение главы представлено теоретическое исследование метрологических характеристик разрабатываемого метода, конкретизированы вопросы,подлежащие детальной проработке в диссертационной работе.Во второй главе изложен теоретический анализ механизмов рассеяния патогенных микроорганизмов, состоящий из анализа процессов многокомпонентного рассеяния, разработки математической модели распространения излучения вприближении нелинейной оптики, расчета пороговых эффектов в коллоидныхрастворах и анализа результатов моделирования лазерного метода.В основе разрабатываемого метода лежит анализ вектора интенсивностистоксовых и антистоксовых составляющих сигнала, которые несут информациюоб объекте.

Обработка спектров сводится к следующему: выделению Лоренцевыхсоставляющих пиков, вычислению полуширины линий каждого пика, определе7нию максимумов относительных интенсивностей и частот, соответствующих максимумам линий.Разработка математической модели распространения излучения в приближении нелинейной оптики и условий усиления ВРМБ. Для описания вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна нужно решать совместно системууравнений Максвелла и гидродинамики с учетом нелинейности среды, вызваннойбольшой интенсивностью возбуждающего света.

В исследуемой среде существуют четыре волны:1. Возбуждающая волна (частота и волновой вектор );2. Звуковая или гиперзвуковая волна (частота и волновой вектор q);3. Рассеянная волна света (частота 1 = − и волновой вектор 1 ) –стоксова компонента;4. Рассеянная волна света (частота 1 = + и волновой вектор 2 ) –антистоксова компонента.В предположении, что распространяемые электрические 1 (̅ , ), 2 (̅ , ) иакустическое (̅ , ) поля представлены плоскими волнами, бегущими в произвольных направлениях, распространение излучения в среде описывается следующим образом:11 (̅ , ) = 1 (1 )[(1 − ̅1 ̅ )] + к. с.,212 (̅ , ) = 2 (2 )[(2 − ̅2 ̅ )] + к. с.,21(1)(̅ , ) = ( )[( − ̅ ̅ )] + к. с.,2где r1, r2, rs – расстояния с учетом знака вдоль направлений распространения вол̅̅̅∙̅)(новых векторов ̅1 , ̅2 , ̅ , такие, что = .̅̅̅По данным расчета пороговых эффектов в коллоидных растворах на основе разработанной математической модели были составлены требования к метрологическим характеристикам оборудования, а также разработана методика исследования применимости комплексного ВРМБ-метода контроля микробиологических параметров непосредственно в потоке питьевой воде.Анализ результатов моделирования лазерного метода.

Поскольку методбазируется на распознавании оптического сигнала, основные погрешности с которыми связан метод – совокупность оптических шумов. Разрабатываемый методдолжен учитывать погрешности, вызванные неоднородностью исследуемой среды, четырехволновым смещением в волокне, колебаниями параметров возбуждающего лазера, возможными изгибом или деформациями волокна, а также шумы,порождаемые в результате загрязнения собирающей оптики или вибрацией оптической установки или измерительного оборудования. Так как число возможныхшумов, влияющих на общий уровень сигнала, достаточно велико, оценить вклад8какого-либо из них не представляется возможным. В качестве естественного решения данной проблемы произведена классификация возможных помех на неподдающиеся физической компенсации и шумы, которые могут быть минимизированы.

Первая группа шумов оценена по общему уровню, и, используя закон больших чисел, показано, что эти погрешности распределены случайным образом и вдальнейшем учитываются статистической обработкой.Третья глава диссертации посвящена разработке средств измерений дляисследования предложенного лазерного метода, методик исследования данногометода и обработки результатов. Вследствие серии теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:1. Вычислена принципиальная длина волны лазерных источников излучения для реализации метода и разработаны требования к метрологическим параметрам источника излучения для лабораторных исследований и для автоматической системы контроля.2. Определены требования к метрологическим параметрам оптическойсхемы, волноводного тракта и анализатору спектра. Проблема близкого по частоте расположения максимумов возбуждающего и рассеянного излучений (см.Рис. 1), решается применением анализатора спектра с высоким спектральным разрешением (0,02 нм).3.