Диссертация (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде), страница 19

рт. стВибрации и ударыОтсутствие4.6. Выводы к главе 41.В результате серии теоретических и экспериментальных исследованийпроведено статистическое исследование водопроводной воды и показано, что величина погрешности невелика по сравнению с величиной сигнала лазера, и неорганические компоненты раствора не вносят дополнительных максимумов в диапазоне длин волн 870-1130 нм. Определены величины статистических поправок(среднеквадратичное отклонение величины сигнал/шум не превышает 0,5 дБ), необходимые для разработки программы создания эталонных распределений. Погрешность величины максимума лоренцевой линии частоты лазерной моды непревышает 0.03 % и может не учитываться при создании стандартных образцов.2.На основе проведенных нанометрологических исследований на ими-таторах патогенных микроорганизмов – люминесцентных наномаркерах, былиопределены пороговые значения мощности источников лазерного излучения,определены особенности спектральных распределений регистрируемого эффектаВРМБ и определены основные информативные параметры.

Во-первых, за счет потерь мощности излучения в растворителе (питьевой воде, не содержащей наноразмерные биоструктуры) необходимо использовать источник излучения не менее270 мВт, а, во-вторых, приемник излучения должен обладать порогом чувствительности не более -50 дБ.3.Для произвольной наноразмерной биоструктуры информативнымипараметрами являются: количество дополнительных линий в спектре; разностьдлин волн между лоренцевыми линиями рассеянного и возбуждающего излуче-137ний; отношение интенсивностей максимумов лоренцевых линий стоксовой составляющей и лазерного излучения.

Дисперсия параметра разности информативных длин волн не превышает ±0,55 нм.4.Результаты серии экспериментов с растворами патогенных возбудите-лей находятся в соответствии с теоретическим исследованием [114, 118, 119].График зависимости интенсивности максимума моды рассеяния патогенногомикроорганизма от логарифма его концентрации представлен на Рис. 4.35. Среднеквадратичное отклонение параметра интенсивности дополнительного максимума находится в пределах 1,32 дБм.Рис. 4.35. График зависимости интенсивности максимума дополнительной модыот концентрации патогенного микроорганизма5.Анализ проведенных исследований спектральных характеристик двухтипов патогенных организмов (E.coli и сальмонеллы) в воде в количестве, необходимом для первоначального распознавания с вероятностью 95%, показал, что вслучае создания эталона по спектральным распределениям ВРМБ надо рассматривать области излучения лазера и ВРМБ объекта.

Это объясняется сохранением138разности между центральной частотой лазерной моды и максимумом Лоренцевойлинии, характерной для патогенного микроорганизма.6.В результате анализа выявлено, что отношение величины максимумалазерной моды к интенсивности люминесцентных пиков патогенных микроорганизмов не является информативным параметром, поскольку существует передачаэнергии от одной моды к другой. В результате спектр излучения лазера, прошедшего через раствор, приобретает дополнительную моду, поэтому при использовании непрерывного лазера метод позволяет только отвечать на вопрос о наличииагента, а не о его концентрации.7.Исследование динамических характеристик лазерных источников по-казало, что появление пика объекта запаздывает, поэтому при использовании импульсного лазера возможно обобщение метода для измерения концентраций [78].8.Разработаны рекомендации по созданию лабораторного образца при-бора, в полной мере реализующего разработанный ВРМБ метод для контроля патогенных микроорганизмов в питьевой воде, а, именно, обоснованы требования клазерному источнику, приемнику излучения и элементам оптоволоконного тракта, необходимые для подбора оборудования для встраивания в прибор контролямикробиологических параметров питьевой воды, проанализированы и подобраныпараметры цикла регистрации, оцифровки оптического сигнала, и определены оптимальные параметры первичной обработки.

Требования к метрологическим характеристикам прибора сведены в Таблицу 14.9.В результате анализа динамики возникновения и затухания резонанс-ной люминесценции патогенных микроорганизмов были выделены корреляцияобнаружения сигнала по времени и дрейф частот спектральных линий, разработаны на данной базе рекомендации для автоматизации алгоритма распознаванияспектров, присущих патогенным возбудителям.

На основе полученных результатов выданы рекомендации по частоте снятия сигнала для предупреждения возможности ошибки второго рода – допустимый интервал измерения 3,5-7 мин.139Таблица 14.Требования к метрологическим характеристикам прибораИсточник лазерного излученияСредняя мощность лазерного излучения, мВт 250Ширина спектральной линии лазерного излу- 10чения, МГцРазмер выходного пучка лазерного излучения от 2,1 до 3,1на расстоянии 60 см, ммРасходимость лазерного излучения, рад10-3Температура среды, °Сот 30 до 60Приемник излученияДиапазон длин волнот 600 до 1700 нм±0,002 нмВоспроизводимость 1 минМинимальная спектральная точность0,05 нмПараметры захвата излученияМаксимальное время захвата излучениядля интервала длин волн в 20 нм: 290-320 мсдля интервала длин волн в 50 нм: 420-480 мсВремя формирования результата измерения от 75 с до 6 минутпрограммным обеспечением(в зависимости от используемогоприемника излучения и диапазонаизмерения)10.

На основе проведенного исследования динамики оптического сигналапатогенных микроорганизмов в набор характеристик для распознавания образовдобавлен дополнительный параметр разности частот максимумом лоренцевыхлиний лазерной моды и суперлюминесценции патогенных микроорганизмов. Исходя из анализа базы данных составленной динамической модели, погрешностьпо данному параметру не превышает 0,052 нм. Полный список исследованных патогенных микроорганизмов представлен в Таблице 15. База данных разработанного программно-аппаратного комплекса содержит стандартные образцы спектральных распределений для более 70 штаммов различных типов объектов микробиологии (бактерий, вирусов и некоторых грибов и паразитов).140Таблица 15.Список идентифицируемых патогенных микроорганизмовБактерии – 17 типовCampylobacter jejuniChlamydia psittaciChlamydia trachomatisEnterococcusHelicobacter pyloriM. tuberculosis hominisM.

tuberculosis aviumM. tuberculosis bovisMycoplasma hominisNeisseria gonorheaeNeisseria meningitidesPeptostreptococcus anaerobiusProteus mirabilisВирусы – 10 типовHuman herpes virus type IHuman herpes virus type IIVirus herpes Varicela-zosterEpstein-Barr virusCytomegalovirusHepatitis virus АHepatitis virus ВHepatitis virus С genotype 1ВHepatitis deltaHuman Immunodeficiency VirusГрибы и паразиты – 4 типаCandida albicans141ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИИтогизаявленныепроведенногопреимуществаисследованияразработанногоподтверждаютлазерногоактуальностьметодаВРМБидляобнаружения патогенных микроорганизмов в питьевой воде.Результатами диссертационной работы являются:1.Подтверждена возможность применения лазерного метода дляконтроля патогенных микроорганизмов, позволяющего производить мониторингнепосредственно в водопроводном потоке в режиме реального времени.2.Впервые представлена рабочая методика не нарушающего составконтроля питьевой воды, дающая возможность непрерывного проведенияизмерений, обработки результатов и анализа патогенности состава коллоидногораствора непосредственно в водопроводном потоке, что решает задачуавтоматизации измерений и таким образом выводит качество метрологическогообеспечения всего процесса на новый уровень.3.Разработанматематическийаппаратраспознаванияобразов,позволяющий определять наличие активных патогенных возбудителей, несмотряна наличие в растворе инактивированных клеток патогенных микроорганизмов.Показано, что величина информативного параметра (инвариантности частотосновной лазерной моды и максимума резонансной линии рассеяния патогеннымимикроорганизмами) остается в пределах допуска 0,05 нм.4.Впервыепредставленодостижениепороговыхмощностейвозникновения ВРМБ патогенных микроорганизмов, что позволило разработатьметрологические требования к опытному образцу прибора, позволяющему наоснове оценки характеристик рассеянного излучения обнаруживать в питьевойводе присутствие данных микроорганизмов.

Минимальная мощность лазерногоисточника для достижения порогового эффекта 270 мВт.5.Представлен опытный образец прибора, позволяющий производитьмониторинг объектов микробиологии в питьевой воде с доверительнойвероятностью0.95,регламентированнойдляданногоконтроля.Для142идентификациипатогенныхвозбудителейдлякоторыхнесодержитсястандартных образцов в базе программного комплекса необходимо провестирегистрацию спектральных характеристик интересующего типа патогена, послечего стандартный образец добавляется в базу данных и последовательновыделяется из общей картины спектральных распределений в диапазоне 800-1370нм, и далее может быть использован для автоматического мониторингасодержания данного патогенного микроорганизма. База данных программногообеспеченияприборасодержитстандартныеобразцыспектральныхраспределений для более 70 штаммов различных типов объектов микробиологии.6.В результате выполненного в диссертации анализа выявлена, какпредполагается, возможность не только детектирования в составе водыпатогенныхмикроорганизмов,ноивычислениятипаобнаруженныхмикроорганизмов с точностью до штамма.Результаты численного моделирования и экспериментальные данныеиспользованы компанией ОАО «СЭРВЭТ-М» при выполнении НИОКР по заказу№ 197-Н/20/14 «Разработка автоматизированной линии контроля параметровпитьевой воды» Федеральной службы охраны Российской Федерации (ФСО РФ).Полученные теоретические результаты использованы в учебном процессекафедры «Технологии производства приборов и информационных системуправления летательных аппаратов» «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)».Работоспособностьметодикиитехническихсредствреализацииразработанного метода подтверждена также для наноразмерных структурнебиологическогонаноструктуры,происхожденияТаблица1.1).В–частицнаносеребраГосударственном(твердотельныенаучномучреждении«Всероссийский научно-исследовательский институт ветеринарной санитарии,гигиены и экологии Российской академии сельскохозяйственных наук» припроведении исследований антибактериальных свойств авиационных деталей,изготовленных из специальной резины с вкраплениями частиц наносеребра,143контроль содержания данных частиц и измерение их концентрации проводились сприменением метода, разработанного в диссертации.Также разработанный метод адаптирован для определения концентрациинаноразмерных структур в потоке газа.