Диссертация (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде), страница 3

Средства реализации методов контроля жидких сред обычно классифицируются по методу,положенному в его основу, и разделяют также на лабораторные установки и полевые лаборатории универсального применения [10]:- спектрометры: атомно-абсорбционные и атомно-эмиссионные;- рентгено-флуоресцентные устройства;- электрохимические устройства;- фото-, спектро-, УФ-спектрометры и т.д.;- спектрометры инфракрасной области;15- спектрометры ядерно-магнитного резонанса;- жидкостные хроматографы;- масс-спектрометры;- хроматографические масс-спектрометры:- медицинские, биолюминесцентные и др.Общие характеристики методов следующие. Все методы основаны на линейности логарифма интенсивности от состава.

Методы отличаются высокой чувствительностью (нижняя граница диапазона измерений 0,005 мг/дм3), экспрессностью, малыми объемами анализируемой пробы и отсутствием значимых мешающих влияний остальных компонентов. Методика определения оптическим методом изложена в нормативных документах. Принцип работы базируется на взаимодействии показателей (плотности мощности, диапазона частот) электромагнитного поля с составом контролируемой водной среды. При распространении возбуждающего света в объеме воды его плотность мощность снижается за счет процессов абсорбции (поглощения), отражения света и рассеяния средой.

Дисперсионные устройства анализа [70] используют источник излучения с рабочей частотой и применяя монохроматоры (дифракционные решетки и т.д.); в недисперсионных устройствах анализа применены диоды, излучающие некогерентное излучение. Существуют анализаторы, работающие в следующих областях спектраэлектромагнитного поля: ультрафиолетовой (λ< 0,55 мкм), видимой части спектра(λ= 0,42-0,73 мкм), ближней и средней инфракрасной (λ= 0,73-20,5 мкм), а такжедлинноволновой части (λ> 20,5 мкм).Методы хорошо поддаются математической обработке и автоматизации,однако зависят от конструкции прибора и оптических характеристик источникаизлучения.

Рассмотрим более подробно наиболее распространенные существующие оптические методы.Атомно-абсорбционный анализ. Атомно-абсорбционный анализ [12, 42](атомно-абсорбционная спектрометрия) – метод количественного элементногоанализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции).16Существующие на Российском рынке атомно-абсорбционные спектрометры представлены современными анализаторами серии № 14650-95 Госреестра РФ,«ЭРИДАН-500». Данные анализаторы решают задачу мониторинга наибольшегонабора загрязняющих параметров питьевой воды [73], в том числе различных металлов и неметаллов, органических веществ, объектов микробиологии, продуктовпитания, медицинских растворов с регламентируемой оперативностью и воспроизводимостью.

Однако по величине порога распознавания даже примесей небиологического характера Сr, Аl, Нg, Аs, Ni, Рb составляют 1-20 мкг/л при величинеотносительная погрешности порядка 1-2%. Для микробиологических объектовприборы на данном методе не удовлетворяют требованиям точности.Люминесцентный анализ. Современный химический анализ люминесценции составляющих водного раствора базируется на явлении уникальностипризнаков и оптических свойств излучающих веществ, наиболее точно определяющих состав исследуемого раствора [17].Люминесцентные устройства предназначены косвенного анализа по показателям водной среды, таких как интенсивность свечения, обусловленного воздействием света на составляющие раствора, подвергшегося облучению и химических реакций, происходящих в нем, называемых хемилюминесценция [9].

Применяя данный тип устройств возможно идентифицировать различные компонентыраствора в пределах 10-5-10-6 масс%. Основные недостатки данной группы методов является сложность подбора источников лазерного излучения, вызвано этотем, что люминесценция возникает в конкретных областях спектра, уникальныхдля конкретного вещества. Распознавание люминесценции конкретного компонента или его составляющих имеет место и при использовании эффекта сдвигалюминесценции при внесении в раствор специализированных агентов.

Для многокомпанентных растворов люминесцентное распознавание выполняется припредварительной пробоподготовке – химическом разделении компонентов раствора или с биологическим выделением (иммуноанализ, метод полимеразнойцепной реакции – ПЦР). Действие флуоресцентных анализаторов базируется навычислении интенсивности и продолжительности свечения водной среды или17входящих в ее состав компонентов; при этом рабочий интервал длин волн, какправило, выбирается в пределах 0.2-1.2 мкм. Число определяемых элементов порядка 60 из списка веществ, подлежащих контролю в соответствии с требованиями СанПиН, предел обнаружения патогенных микроорганизмов в питьевой воде10-8-10-9 мкг/мл.

Погрешность люминесцентного анализа для микробиологическихпараметров не превышает уровня 5%.Для возможности сравнения с другими дадим краткое описание основныхзакономерностей излучения, характерных для люминесцентных методов.Закон вариативности распределения линий люминесценции от частоты лазерного источника излучения.

При возникновении люминесценции под действиемотличных частот возбуждающего излучения компоненты водного раствора, поглощая кванты разной уникальной для каждого компонента величины, совершаютпереход на колебательные уровни соответствующего возбужденного состояния. Всвязи с чем наблюдается ситуация, когда спектральная линия люминесценцииимеет строгую зависимость также и от частоты источника возбуждающего излучения. Помимо этого наблюдается, что всем компонентам водного раствора вовзвешенном состоянии соответствуют и совершенно конкретные спектральныеполосы люминесценции, в свою очередь не имеющие прямой зависимости от изменения частоты лазерного источника.Как известно данное обстоятельство характеризуется тем, что атомы, перешедшие на метастабильных колебательных уровнях в результате накачки средылазерным источником теряют за период, меньший по величине, чем усредненноевремя нахождения в возбужденного состоянии , часть колебательной энергии,образуя при этом сложную систему равновесно распределенных возбужденныхмолекул, находящихся в прямой зависимости от температуры.

Конкретные величины температур для данных возбужденных состояний устанавливаются за счетпереходов молекул обратно в невозбужденное состояние, при этом процессе выделяются фотоны. В результате на практике наблюдается уникальный спектр люминесценции, слабо зависящий от частоты возбуждающего лазерного источника.18Независимость набора полос люминесценции от частоты лазерного источника решает практическую задачу применения в качестве источников несколькихдиодов с увеличенным спектральным диапазоном излучения.

В случае отсутствиявторичной адсорбции представляется возможным пренебречь спектральным составом возбуждающего света, что на порядок упрощает задачу оптического контроля, основанного на люминесцентном анализе.Закон Стокса-Ломмеля. Закон, сформулированный Стоксом, описывает зависимость расположения полос люминесценции, указывает на то, что длина волны люминесценции всегда выше чем длина волны, на которой испускалось возбуждающее среду излучение [7]. На практике закон Стокса-Ломмеля не всегдавыполняется. Это явление возникает из-за того, что полосы поглощения различных веществ и люминесценции могут полностью или частично накладыватьсядруг на друга.В согласии с законом вариативности спектра люминесценции от возбуждающей частоты источника излучения, как правило, происходит регистрация полного набора полос люминесценции, имеющего целый спектр частот, превышающих частоту облучающего излучения. Часть набора полос люминесценции, имеющая в составе частоты по величине превышающие частоты облучающего излучения, получило название антистоксовой [76].

Как известно, данный эффект объясняется наличием некоторого запаса колебательной энергии у рассеивающихкомпонент водного раствора помимо той энергии, которая была поглощена имиво время облучения внешним источником излучения. Сложение плотности мощности возбуждающего излучения и колебательной энергии предоставляет возможность испустить кванты люминесценции, большие поглощаемых, что и объясняет эффект возникновения в рассеянном спектре антистоксовой компоненты.Ломмель уточнил закон Стокса, выдвинув следующее: спектральное распределение рассеянного света в общем, также как и локальный максимум всегда сдвинуты по сравнению со набором полос поглощения и его максимумом в направлениибольших значений длин волн.19Закон Вавилова.

Применительно к поставленной в диссертации задачеможно сформулировать следующим образом. Плотность мощности люминесценции вещества в водном растворе вначале увеличивается в пропорции к длине волны облучающего излучения, после чего в определенном спектральном диапазонесохранится неизменным, и затем в диапазон наложения длин волн для наборовполос поглощения и полос люминесценции возникает его резкий спад [7].Правило зеркальной симметрии набора полос поглощения компонент в составе водной среды и люминесценции этих компонент. Обширный список компонент в водном растворе, в том числе различных красителей, ароматизаторов и т.д.,удовлетворяет заявленному В. Л.

Левшиным правилу зеркальной симметрии [37].В соответствии с этим правилом наборы полос поглощения и люминесценции,входящихвсоставфункциидлинволн,предполагаютсязеркально-симметричными относительно оси, направленной перпендикулярно точке пересечения обоих спектров и направлениям их распространения: Л   П  2 0или П  Л  2( П  0 ) ,(1.1)здесь П — частота поглощаемого света;Л — симметричная частота люминесценции;0 — частота линии симметрии.ПЦР-методНаиболее эффективным методом контроля на сегодняшний день являетсяметод ПЦР (полимеразная цепная реакция), позволяющий не только выявитьналичие ГМО в продуктах, но и определять их количество[1].