Диссертация (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде), страница 5

Методы, основанные на ИК-спектроскопии, могут достичь идентификации даже типа конформационных изомеров, исследовать внутреннюю структуру и определить функцию распределения зарядов в исследуемых молекулах, кинетические особенности протекающих реакции, и даже исследовать геометрическую форму конкретных компонент в составе молекул, поулчая данные для решения задач термодинамики [5].Спектроскопия в инфракрасной области каждой химической группировкеорганических объектов соответствует конкретный состав линий поглощения, несмотря на то, что они хорошо изучены и имеются в справочных материалах, ихколичество усложняют проведение мониторинга.25Спектральное распределение в инфракрасной области для биообразца характеризуется суммарной линией излучения, в которой наблюдается суперпозиция линий поглощения исследуемых функциональных наборов биологическихрастворов, а также водной среды, содержащей такие растворы.

В инфракраснойобласти люминесцирует огромное количество веществ, в том числе неорганических, что принципиально делает невозможным использование метода в качествеосновы для автоматизированной линии контроля. Так как контроль автоматически возможно производить, но только при предварительной очистке – выделении«чистых» компонент, содержащихся в растворе [5]. Данное обстоятельство снижает оперативность проведения измерений до 4 часов, необходимых в том числедля забора образцов и пробоподготовку.Инфракрасная спектроскопия в настоящее время активно используется длямониторинга бактериологических жидких сред, на пример в крови крупного рогатого скота, а также ее компонент и взвесей. Используется метод также и для диагностики и предсказания вирусных инфекций, для чего измерения проводятся дляротовой жидкости или смешанной слюны человека, тем не менее, задача распознавания результатов измерений слабо реализуема в автоматическом режиме, таккак среда исследования чрезмерно многокомпанента для данного метода.

Внастоящее время метод имеет модификации для использования его в качестве метода анализа различных генетических и структурных преобразований белков,фосфолипидов биоорганизмов и т.д., применяя при этом различные существующие аттестованные волоконно-оптические методики. Погрешность настоящегоспособа анализа составляет порядка 0,5-1% для объектов микробиологии в жидкости.Спектроскопия вынужденного комбинационного рассеяния. Неупругоерассеяние света называется комбинационным (КР), или Рамановским. При комбинационном рассеянии свет и вещество обмениваются энергией.

В результате, частота рассеянного света может, как уменьшаться (при этом энергия переходит отсвета к веществу - это Стоксовое рассеяние), так и увеличиваться (при этом энергия переходит от вещества к свету - это Анти-Стоксовое рассеяние) [6]. Недостат-26ком спектроскопии КР является то, что она не является количественным методом– в ней нельзя измерять абсолютные интенсивности (сечения рассеяния). Это возможно только в специально поставленных экспериментах. Поэтому если, например, необходимо определить концентрацию, приходится пользоваться относительными интенсивностями, когда в качестве опорного сигнала используетсявнутренний или внешний стандарт (источник) или другая линия в спектре.

Поэтому для количественного контроля чаще используется вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР).Вынужденное комбинационное рассеяние света представляет собой рассеяние на элементарных возбуждениях среды, индуцированных рассеянной волной[66]. Поскольку процесс рассеяния стимулируется самим рассеянным оптическимизлучением, рассеянное излучение характеризуется высокой степенью когерентности, узкими диаграммами направленности отдельных компонентов и интенсивностью, сопоставимой с интенсивностью падающего света. Таким образом, привозбуждении среды мощным световым источником происходит модуляция ее параметров, что приводит к амплитудной модуляции рассеянного света, а, следовательно, к появлению в нем новых спектральных компонентов.Линии фотолюминесценции значительно интенсивнее линий ВКР. Однако,в некоторых случаях спектр фотолюминесценции может накладываться на спектрВКР, что является в данном случае нежелательным эффектом [105].Преимущества ВКР-спектроскопии перед ИК-спектроскопией применительно к исследованиям при высоких температурах и давлениях заключается втом, что она позволяет наблюдать полный спектр колебательных мод.

Хотя частоты колебаний отвечают инфракрасной области спектра, ВКР спектр регистрируется в видимой области, в которой сапфир (кварцевое стекло, алмаз и т.д.) совершенно прозрачны [24].Как правило, ВКР наблюдается только при распространении мощных лазерных импульсов. Важнейшей особенностью вынужденного комбинационногорассеяния является то, что оно наблюдается только при достижении некоторого27порогового значения плотности мощности волны накачки, величина которого зависит от характеристик среды [109].Это обстоятельство делает подобные анализаторы очень дорогими, и онииспользуются, как правило, в тех областях, где другие методы дают большие погрешности. Помимо того, что резонансные методы отличаются высокой точностью, они могут применяться без аппаратурного резервирования [115].Метод вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

Эффектрассеяния Мандельштама-Бриллюэна – процесс нелинейного рассеяния, при котором свет рассеивается на акустической колебательной моде, приобретая сдвигпо частоте, соответствующий частоте этой моды. Возникновение рассеянного излучения достигается вследствие модуляции параметра преломления водной средой, которая возникает под действием акустической волны.

В случае, когда световое излучение имеет высокую интенсивность и степень когерентности возникаетэлектрострикция, которя в свою очередь генерирует когерентное звуковое возмущение. Вследствие данного эффектав воде возникают временная и пространственная вариативность параметра преломления, мощность рассеяния резонансноувеличивается, вследствие чего и наблюдается эффект вынужденного рассеянияМандельштама-Бриллюэна (ВРМБ).В обоих методах анализ стоксовой и антистоксовой составляющей позволяет с большой точностью определять не только вещество, но и его концентрацию. Однако в настоящее время этот метод используется только для контроля оптических линий связи. Стоит заметить, что в водных растворах порог ВРМБ надва-три порядка ниже, чем порог Рамановского рассеяния, что позволяет выбирать менее мощные и более дешевые источники излучения [108].

Однако Рамановские спектрографы в настоящее время распространены шире, потому чтоимеют более широкий диапазон линейности. Этот метод часто применяется дляконтроля биологических объектов, поскольку не имеет вышеуказанного недостатка ИК спектроскопии. Резонансные методы слабо зависят от турбулентности и ненуждаются в аппаратурном резервировании. Недостатком является высокая ценаанализаторов такого типа.28Методы на основе измерения электрических параметров. Полезно также рассмотреть еще одну разновидность методов, закладываемых в приборы дляпромышленного контроля – методы, основанные на измерении изменения электрических параметров в зависимости от концентрации веществ.

Эти методы такжеимеют разновидности в зависимости от того параметра, который подвергаетсяконтролю [28]. В зависимости от этого меняется точность анализатора (от 0,01%для водородного показателя pH и до 5-10% для объектов микробиологии). Краткорассмотрим эти методы.Кондуктометрия. С помощью приборов такого типа регистрируют зависимость содержания неорганических компонент водного потока от диэлектрической проницаемости, при этом значящая сфера применения также и мониторингпитьевой воды на предмет наличия органических веществ.

Однако предел распознавания остается на уровне 5∙10-2 масс%. К данной группе устройств, направленных на количественный анализ полного содержания примесей в воде, относятсякондуктометры серии 16545-97 Госреестра СИ, производимые в СанктПетербурге, маркируемые как «ЭКА-2М». Заявленный прибор позволяет экспрессно (оперативность до 5 с) контролировать солесодержание по пяти интервалам от 0,05 до 1000 мкСм/см.Потенциометрия. Действие потенциометрических анализаторов базируется на анализе корреляции равновесной эдс системы от термодинамического показателя водной среды. Сфера использования: контроль параметра рН питьевой воды, сточных вод (в качестве анализатора присутствия Сl2 и др.), предел регистрации данных приборов находится на уровне 5*10-2 масс%.Потенциометрический метод анализа состава питьевой воды реализуется вразличных исполнениях [15]:1.Прямая потенциометрия.Как средство реализации контроля рН.

Погрешности приборов, основанных на данной группе методов критически зависят от свойств чувствительногоэлектрода. Для справки при рН-электродах достигается точность не более 0,01 рН,а при использовании ионоселективных электродов точность, как правило, харак-29теризуется погрешностью порядка 4-8% . На погрешность измерений существенно влияет крутизна распределения параметра электродной функции.2.Потенциометрическое титрование.Мониторинг реализуется за счет анализа течения химических реакций с использованием ионоселективного электрода.

Способ тяжело реализуем, если сравнивать спредыдущим, однако имеет особые преимущества. Данные, регистрируемые данным способом имеют большую точность и воспроизводимость (< 1%). За счеттитрования возможно косвенно оценить содержание компонент водного потока.Мониторинг имеет ряд недостатков – отсутствие возможности использования длянепрерывных измерений состояния водной среды, сверхмалые концентрации необнаруживаются при использовании данного метода контроля.3.Методы добавок.Имеется ряд различных исполнениях, большинство из них при этом обладаютпреимуществами отличительными от иных методов потенциометрии, в том числеможно к ним отнести возможность мониторинга сверхмалых концентраций, находящихся на границе допустимой линейности электродной характеристики, в частности при применении добавок и дальнейшим разбавлением.Однако при наличии избытка составляющих компонент метод стандартных добавок является единственным методом, пригодным для определения общейконцентрации ионов, входящих в состав комплексов, хотя и не удовлетворяеттребованиям регламентированной точности для данного контроля.Вольтамперометрия.