Диссертация (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде), страница 13

Начальные эталонные спектры должны формироваться посредствомопределения среднего арифметического отклонения подобранных вручную типовых спектров, явно характеризующих заранее известные образцы исследуемых коллоидных растворов.После сравнения текущего спектра с эталонным распределением определяется параметр СКО, вычисляемый по формуле:1СКО = √ ∙ ∑=1(э − ̅ )2(3.14)Если значение текущего СКО находится в заданном допуске, то измеренное спектральное распределение считается типовым и заносится в базу эталонных спектральных распределений, и в последующем может быть выделено изобщей картины спектров.843.4.

Выводы к главе 31.В результате описанной в данной главе серии теоретических и ана-лиза экспериментальных исследований получены следующие результаты:1.1 Определена требования к метрологическим параметрам источниковизлучения. Для лабораторных исследований рабочий диапазон рассеяния находится в пределах от 0,6 до 1,37 мкм. Для автоматизированной системы: излучение от источников диапазона от 0,8 до 1,017мкм, для стабильной работы во время длительной эксплуатации оборудования, основанного на разрабатываемом методе, следует использовать твердотельные источники излучения.1.2 Определены требования к метрологическим параметрам оптическойсхемы, волноводного тракта. Оптическое волокно должно соответствовать диапазону длин волн от 0,85 до 1,3 мкм и иметь широкополосность порядка 160-500 МГц∙км.

В лабораторном стенде для исследования ВРМБ-метода рекомендуется использовать кюветы изкварцевого стекла КИ, имеющие следующие параметры: диапазон длин волн, нм — от 190 до 2000; длина оптического пути, мм — 5; ширина щели, мм — 10.1.3 Определены требования к метрологическим параметрам анализатораспектральных линий: точность измерения длины волны ±0.05 нм; разрешимость для длины волны в диапазоне от 0.02 до 10 нм; порог чувствительность не более -80 дБ; динамический порог не менее 60 дБ.1.4 Разработана лабораторная установка для определения спектров в неподвижной воде и стенд для определения динамических параметровспектральных характеристик объектов микробиологии.1.5 Разработаны методики проведения эксперимента и обработки результатов измерений.

Методика проведения измерений содержит85обоснования каждого шага получения экспериментальных данных, атакже необходимые требования техники безопасности на каждомэтапе, включая подготовку растворов исследуемых патогенных возбудителей, безопасную работу с источниками лазерного излучения иэлектроприборами.2.В соответствии с требованиями государственных стандартов РФ,введенными постановлением от 23 мая 1996 г.

в РФ соответствующего Госстандарта № 329, в котором регламентирован комплекс методических указаний [36,81], показано, что при проведении исследования разрабатываемого метода ВРМБневозможно получить максимальный набор параметров с помощью сертифицированных приборов, в связи с чем необходимо провести сертификацию по методикам, соответствующим Российским ГОСТам и давать полную информациюдля расчета параметров надежности и вероятности измерения.3.В результате разработки методики обработки результатов измеренийпоказано, что предварительные испытания приборов, основанных на разрабатываемом методе контроля патогенных микроорганизмов необходимо оценивать пометодике, связанной с обработкой результатов косвенных измерений. Для проведения измерений необходимо выбрать как минимум два прибора для контроляодного или комплекса параметров.4.Аттестация методик измерений и обработки результатов проведена в«Центре специальной лабораторной диагностики и лечения особо опасных и экзотических инфекционных заболеваний» при учреждении «Вирусологическийцентр научно-исследовательского института микробиологии Министерства обороны Российской Федерации».86ГЛАВА 4.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВСПЕКТРАЛЬНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ДЛЯ ПАТОГЕННЫХМИКРООРГАНИЗМОВИсследование модели распространения когерентного излучения в растворах патогенных возбудителей проведено в несколько этапов. Первое – экспериментальное исследование системы шума, вызванного рассеянием возбуждающегоизлучения непосредственно водной средой. Следующий шаг – экспериментальноеподтверждение возможности достижения порога ВРМБ на разработанном впредыдущей главе лабораторном стенде.

Далее следует серия экспериментов, связанных с регистрацией спектральных распределений различных штаммов патогенных микроорганизмов, необходимых для составления набора информативныхпараметров. Заключительный этап – на основе анализа результатов выработкатребования к устройству, режимам и условиям эксплуатации опытного образцаприбора на основе разработанного метода ВРМБ.4.1. Экспериментальное исследование шумов для питьевой водыВажной проблемой на данном этапе является отсутствие эталонных спектральных распределений для растворов большинства микробиологических объектов, подвергаемых контролю. Данная проблема решается в процессе накоплениябазы данных в процессе экспериментального этапа работ, тем не менее, данныйфактор ставит жесткие условия по качеству подготовки коллоидных растворов.Погрешность концентрации патогенных микроорганизмов не должна превышать30 колониеобразующих единиц на 100 мл раствора для вирусов и бактерий, а длявозбудителей инфекций не более 10 спор на 50 мл раствора.Одной из главных проблем, возникающих при анализе и преобразованиеинформации, заключается в том, что оптическая информация поступает практически от всех частиц, молекул, атомов коллоидного раствора, тем самым определяяих форму, размер и состав и таким образом полностью характеризует состояние87системы [46].

Особенно возникают трудности непосредственно при априорнойоценке точности оптических методов [98].Проведем анализ возможных шумов. Поскольку метод базируется на распознавании оптического сигнала, основные погрешности с которыми связан метод – совокупность оптических шумов. Разрабатываемый метод должен учитывать погрешности, вызванные неоднородностью исследуемой среды, четырехволновым смещением в волокне, колебаниями параметров возбуждающего лазера,возможными изгибом или деформациями волокна, а также шумы, порождаемые врезультате загрязнения собирающей оптики или вибрацией оптической установкиили измерительного оборудования. Так как число возможных шумов, влияющихна общий уровень сигнала, достаточно велико, оценить вклад какого-либо из нихне представляется возможным.

Естественным решением данной проблемы можетслужить классификация возможных помех на неподдающиеся физической компенсации и шумы, которые могут быть минимизированы. На Рис. 4.1 представлена схема основных источников погрешностей. Поскольку решено определять погрешность в комплексе, то данную группу шумов мы можем оценивать по общему уровню, и, воспользовавшись законом больших чисел, показать, что эти погрешности распределяются случайным образом и в дальнейшем могут быть учтены статистической обработкой [113].Спектральные распределения используемых источников излучения в силуполупроводниковой структуры определяются функцией Лоренца, что позволяетопределить автокорреляционную функцию процесса. И поскольку оптическиешумы определяются случайным законом распределения, то увеличением степениусреднения при проведении предварительного эксперимента мы можем эмпирически подобрать оптимальные параметры эксплуатации лабораторного стенда.Анализ, основанный на законе больших чисел, показывает, что оцениватьпогрешность возможно применяя стандартные статистические методы моделирование динамических объектов со случайной составляющей, изменяющейся понормальному закону распределения.

При этом появляется возможность отделитьшум от информативного сигнала.88Рис. 4.1. Схема основных погрешностейОбщая методика должна заключаться в следующем: передаточная функцияобрабатываемого потока представляется как черный ящик, в котором интересую-89щий нас переход описывается функцией Лоренца. При этом интенсивность модуляционного сигнала от нано-составляющих системы будем считать, как случайную величину.Еще один важный момент при разработке методики – влияние углов рассеяния на определение содержания вирусов, поскольку существует возможностьпопасть в зону нечувствительности сигнала.

Поэтому серьезное внимание уделяетсяпредварительнымрасчетамдиаграммрассеянияисследуемыхобъектов [50].Для произвольной угловой зависимости нам необходимо определить относительные показатели, связанные с внутренним коэффициентом рассеяния.Известно, что в первом приближении:()00= ( ) = = 1 ∙ 2 ∙ √1 () ∙ 2 () ∞ (0)(4.1)Следовательно,√1 () ∙ 2 () =∆0∆(4.2)1 ∙2Отсюда можно вывести формулу:√1 () ∙ 2 () = 1 ∙ 2По формуле (4.1) можно рассчитать 1 и 2 , а(4.3)∆0∆определяется по диа-граммам рассеяния, полученным в ранее проведенных исследованиях, опубликованных в [24, 108, 109].Однократное измерение дифференциальной диаграммы рассеяния даетслишком большую погрешность.

Поэтому проводимый расчет выполнен по десяти диаграммам рассеяния и получены среднестатистические произведения данныхвеличин 1 ∙ 2 .Однако для дальнейшей разработки нас интересует не только совокупнаяреакция среды – рассеяние белка и нуклеиновых кислот ДНК вируса, но такжевлияние каждого исследуемого компонента отдельно.90Влияние каждого из компонентов бинарной системы можно оценить, рассчитывая относительные параметры рассеяния, следующим образом:2 =1 ∙21∗,(4.4)где 1∗ – значение, взятое из литературных источников.Аналогичным образом можно построить методику определения коэффициента поглощения и рассеяния любого биологического объекта.Вначале серии экспериментов была произведена апробация лазерного модуля.

Для этого излучение предварительно прогретого лазера подается непосредственно на вход спектроанализатора, в результате регистрируются спектральныелинии лазера, необходимые для определения флуктуаций основной моды лазера.Были сняты свыше тысячи четырехсот спектральных линий напрямую подаваемого на анализатор спектра излучения.