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

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 макет-ного 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 микро-организмов 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.92.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 проводитьчисленноемоделированиераспространениякогерентногоизлучениявколлоидных 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 излуче-ний ВРМБ патогенных микроорганизмов и основной лазерной моды, связанноетолько с типом микроорганизма, позволяет получать информацию о наличии патогенных примесей, существующих в исследуемом водном растворе. 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 распростране-ния 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, полу-ченных в процессе исследования растворов патогенных микроорганизмов.103.Результатами испытаний разработанного лазерного метода в Феде-ральном 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)».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.11ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГОСОСТОЯНИЯ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ РАЗРАБОТКИ НОВОГОМЕТОДА КОНТРОЛЯКонтроль патогенных микроорганизмов в питьевой воде является совокупностью технологических методов, применяемых для контроля компонентов нанодиапазона, то есть, частным случаем нанотехнологий в соответствии с понятием,установленным в [92].Наноразмерные структуры (НРС) по топологии классифицируются на непрерывные НРС, дискретные НРС и комбинированные, в том числе многофункциональные НРС [101].По нанобазису НРС подразделяют на классические твердотельные, синтетические и наноразмерные биоструктуры.

Классификация по нанобазису отражаетпроисхождение нанокомпонента (Tаблица 1).Таблица 1.Классификация наноструктур по нанобазису«Классические» твердотельные НРС Синтетические НРСНаноразмерные биоструктурыНаночастицыНанотрубкиМе, п/п, диэл. тонкие пленкиКвазиодномерные проводникиКвазинульмерные Ме,п/п, диэл. объектыНанокристаллы и т. дБиомолекулярные комплексыМодифицированные вирусыОрганические наноструктурыНанополимерыСинтетическиенановолокнаСинтетические тонкиепленкиНаноколлоидыНанокристаллыПоскольку повышение качества метрологического обеспечения процессаизмерения микробиологических параметров питьевой воды требует разработкинового метода контроля, в его основу следует заложить принципы и методологию,учитывающую возможность унификации разрабатываемого метода для контроляне только наноразмерных биоструктур, но также синтетических и твердотельныхНРС.

Для примера, концепция построения унифицированных рядов измерительных приборов, а также вариант реализации представлен в работе [91].121.1. Проблемы контроля патогенных микроорганизмовОбеспечение населения доброкачественной питьевой водой – одна из центральных государственных задач в области здравоохранения. Водно-санитарноезаконодательство имеет специальные законодательно-нормативные документы:1.Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: Санитарные правила и нормы [33];2.Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ вводе водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытовоговодопользования [43].

Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ)химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевогои культурно-бытового водопользования [40]. Предельно-допустимыеконцентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, прописанные в [62];3.Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения.

Контроль качества. Изменения 2 к [33].В соответствии с законодательством Российской Федерации предусматриваются следующие виды нормативов: предельно допустимые концентрации (ПДК); ориентировочные допустимые уровни (ОДУ).К настоящему времени разработаны и включены в нормативные документы [40, 43, 56] свыше 1800 ПДК и ОДУ веществ в воде.Во всех нормативных документах в перечнях гигиенических нормативовпомимо нормативных величин обязательно указываются лимитирующие показатели (признаки) вредности – органолептический, санитарно-токсикологический иобщесанитарный, т.е. критерии качества питьевой воды, которые были определяющими при их обосновании.13Согласно принятой терминологии «критерий качества воды – признак, покоторому проводится оценка качества воды по видам водопользования» [20].Около 750 гигиенических нормативов выбраны для контроля качества питьевой воды и приведены в [33].

Количество нормативов в данном документеменьше общего количества ПДК и ОДУ, разработанных в области гигиены воды.Это объясняется тем, что для оценки безвредности химического состава питьевойводы не используются нормативы, установленные по общесанитарному показателю вредности, и в очень ограниченном объеме используются временные величины – ОДУ веществ в воде.В соответствии с требованиями документов водно-санитарного законодательства питьевая вода должна быть безопасна в эпидемиологическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства.Для определения микробиологических параметров питьевой воды в настоящее время контроль производится химическими методами с применением заборапроб.

В связи с этим основной задачей, которую необходимо решить, является повышение уровня метрологического обеспечения путем разработки метода контроля данных параметров в питьевой воде непосредственно в потоке. Существующие методы на основе измерения оптических и электрических параметров необеспечивают требуемой точности и оперативности обнаружения патогенныхмикроорганизмов.В результате основной задачей, поставленной в области контроля патогенных микроорганизмов в питьевой воде является необходимость повышения качества измерений – совокупности свойств средств измерений микробиологическихпараметров питьевой воды, обеспечивающих информирование в регламентированный период о результатах измерений с доверительной вероятностью, точностью измерения, воспроизводимостью и сходимостью [69].Рассмотрим подробнее существующие методы, имеющие возможностьприменения для контроля патогенных микроорганизмов в питьевой воде.141.2.

Обзор методов контроля питьевой водыВ основе всех приборов для контроля воды лежат жидкостные анализаторы [35, 48, 57, 89]. Предельная точность таких приборов зависит от метода контроля, заложенного в анализаторе. Помимо этого именно анализаторы определяют степень аппаратурного резервирования системы контроля.Анализаторы жидкостей – устройства, осуществляющие контроль наличияи, если требуется, концентрацию регламентированных составляющих в потокахжидкостей [17].

Современные варианты исполнений данных устройств чаще всегоавтоматизированы, обладают компьютерным интуитивным интерфейсом дляпользователя и вычислителем для обработки результатов проведенных измерений, имеют вспомогательные сервисные механизмы, в частности для предварительной подготовки растворов, которые будут подвергаться непосредственнопроцессу исследования состава. Далее представлен обзор на наиболее перспективные методики, которые могут быть реализованы как в лабораторном, так и впромышленном исполнении.Основными методами количественного анализа, применяемыми в настоящее время в воде, являются ИК-спектроскопический, газохроматографический ифлуориметрический.Подавляющее количество анализаторов жидких сред и содержащихся в ихсоставе примесей построено на методах, основанных на химических принципахвыполнения процесса измерения, таких как колориметры, фотометры и комбинированные оптико-химические методы, такие как спектрофотометры.