Диссертация (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде), страница 7

Интенсивность новогопика генерации зависит от растворителя в высокой степени (спектры представлены в логарифмическом масштабе). Полный анализ данных показал, что наилучшими растворителями являются спирт и КРС, очевидно, вследствие более высокой поляризуемости молекул в этих средах. Анализ спектральных составляющихспектров для лазера на длине волны 810 нм показал, что спектральные распределения составов вируса с растворителем сильно отличаются от спектральных распределений чистых растворителей, однако максимум излучения совпадает с максимумом излучения лазера, а интенсивность при наличии вируса возрастает.Зависимость величины интенсивности от концентрации носит логарифмический характер при низких и средних концентрациях вируса, для всех типовдлин волн [108].

Возникновение суперлюминисценции, вызванное вируснымагентом, наблюдалось при облучении его полупроводниковыми лазерами с длинами волн λ = 670, 810, 1017 нм.Анализ погрешностей показывает, что результаты исследований не могутбыть объяснены случайной ошибкой исследований. Поскольку при наличии врастворе патогенных микроорганизмов в спектре пропускания появляется дополнительный пик излучения, содержащий составляющую в более коротковолновойобласти, чем основная мода возбуждающего лазерного излучения при любой кон-37центрации патогенных микроорганизмов. С доверительной вероятностью 0,95 дополнительный пик отстоит от максимума основной лазерной моды на расстояние,зависящее только от типа патогенного микроорганизма.1.4.

Выводы к главе 11.В результате анализа существующих методов выявлено, что возмож-ными для применения в линии контроля параметров питьевой воды в качестверегистрирующих микробиологические объекты являются методы, основанныена анализе оптических спектров (ИК-спектрометрия, люминесцентные методы,ВРМБ-метод).2.Анализ требований на параметры питьевой воды показал, что длямикробиологических и паразитологических объектов необходимо практическиполное отсутствие данных объектов в определенном количестве раствора (см.Таблицу 2).

Данное требование может быть удовлетворено только химическими,химико-оптическими (ПЦР) методами. Однако использование этих методов в автоматических линиях находится на стадии развития, при этом стоит заметить, чтохимические и химико-оптические методы требуют забора проб, что делает невозможным применение подобного рода датчиков для мониторинга параметровнепосредственно в потоке.Таблица 2.Нормативы микробиологических и паразитологических показателейПоказателиЕдиницы измеренияТермотолерантные колиформныеЧисло бактерий в 100 млбактерииОбщие колиформные бактерииЧисло бактерий в 100 млОбщее микробное числоЧисло образующих колониибактерий в 1 млКолифагиЧисло бляшкообразующихединиц (БОЕ) в 100 млСпоры сульфитредуцирующихЧисло спор в 20 млклостридийЦисты лямблийЧисло цист в 50 лНормативыОтсутствиеОтсутствиеНе более 50ОтсутствиеОтсутствиеОтсутствие383.Было показано, что люминесцентный анализ не приспособлен для не-прерывного автоматизированного контроля в связи с высоким уровнем шума исложностью идентификации примесных объектов, вызванным высокой плотностью спектральных линий различных веществ, находящихся на небольшом участке люминесценции, а также необходимостью использования высококвалифицированного персонала для анализа полученных спектров.4.Анализ приборного ряда показал, что на основе методов, действие ко-торых основано на ИК-спектрометрии, существует линейка устройств, направленного мониторинга параметров нефтяных продуктов в водном потоке.

Даннаясерия приборов позволяет проводить измерения низкомолекулярных углеводородов (бензин, керосин, дизтопливо, мазут) в воде в концентрациях от 0,02 мг/дм3, ав почвах и донных отложениях в пределах от 50 мг/кг до 100 г/кг с погрешностью2%, однако для микробиологических и паразитологических параметров на сегодняшний день данный метод не приспособлен. Это вызвано тем, что информативные параметры при использовании анализаторов, основанных на использованиикомбинационного рассеяния, различимы только при достижении некоторого порогового значения плотности мощности волны накачки. Данное обстоятельствовынуждает применять мощные лазерные источники, что в свою очередь не толькозначительно повышает стоимость оборудования, но и ужесточает требования высокой квалификации обслуживающего персонала и дополнительных калибровок.5.Анализ результатов, приведенных в данной работе, показывает, чтохарактер распределения интенсивностей принципиально меняется с переходом вближнюю ИК область.

С увеличением длины волны исчезает слияние максимумалюминесценции с основным максимумом, принадлежащим опорному излучениюлазера, интенсивность пиков, характеризующих излучение, параметры котороголинейно зависят от концентрации объектов, и время диагностики увеличивается, вто время как интенсивность люминесценции в ИК-области должна уменьшаться.Скорее всего это возникает из-за того что меняется характер процессов, возникающих в среде и мы видим антистоксовую составляющую, возникшую из-за появления нелинейного эффекта, скорее всего ВРМБ, поскольку данный порог на не-39сколько порядков ниже порога ВКР.

Однако эти результаты требуют дополнительного исследования.6.В настоящее время не существует приборов для контроля патогенныхорганизмов, использующих эффект ВРМБ. Пороговые значения интенсивностей,при которых возникает ВРМБ, ниже на несколько порядков, чем пороговые интенсивности возникновения ВКР, то с точки зрения надежности при контроле патогенных микроорганизмов данный метод представляется перспективным, поскольку не выдвигает требований использования мощных промышленных лазеров(расчетное значение величины мощности лазерного источника для достиженияпорога ВРМБ P=270 мВт). Поскольку достижение пороговых значений плотностимощности излучения осуществляется за счет сложения излучения люминесценциии возбуждающего излучения лазера. Этот процесс изучен недостаточно, и необходимо провести анализ физических процессов для подтверждения данного положения.7.Для разработки методики измерения необходимо исследовать следу-ющие характеристики излучения: время существования люминесценции, форму иколичество пиков рассеянного излучения, расстояния между максимумами.40ГЛАВА 2.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВРАССЕЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПАТОГЕННЫМИМИКРООРГАНИЗМАМИ2.1. Анализ процессов многокомпонентного рассеяния излученияв коллоидных растворахДля подтверждения выдвинутого предположения о возможности контроляпатогенных микроорганизмов путем анализа спектров прямого рассеяниявозбуждающего лазерного излучения растворами, содержащими объекты ДНК,была проведена серия теоретических исследований.Ранее нами [112] были проведены исследования по распознаванию рядаДНК-объектов.

Приведем полученный в ранних исследованиях спектр излучения,рассеянного на растворе генномодифицированной сои, на Рис. 2.1.Рис. 2.1. Пример спектрального распределения41На приведенном спектральном распределении (Рис. 2.1) наблюдаютсячетко выраженные компоненты: слева – рассеянное на ДНК-объекте излучение(суммарное излучение суперлюминесценции и ВРМБ), справа – максимум,соответствующий возбуждающему излучению (810 нм).Для обработки полученного спектра при прохождении лазерного излучениячерез раствор, применяется методика аппроксимации функцией Лоренца. Дляэтого предварительно сглаженный Фурье-фильтром оцифрованный спектрописывается суммой кривых Лоренца с минимальной среднеквадратичнойошибкой.Обработанныемаксимумыфункцийкакразипредставляютпрактический интерес.В результате обработки должны быть выделены Лоренцевы составляющиепиков, вычислена полуширина линий каждого пика, определены максимумыотносительных интенсивностей и частоты, соответствующие этим максимумам.Как показали исследования [114, 118], характеристика данного набора параметровуникальна для отличных ДНК-структур, и может быть использована не только дляопределения концентрации, но и для возможной идентификации примесныхобъектов.

Определение состава и критериев для информативных параметров,входящих в этот набор, также является актуальной задачей, которая может бытьрешена в ходе дальнейшего исследования. В ходе накопления экспериментальныхданных и опытной работы наполняется база данных спектров, необходимая длярешения ряда задач распознавания образов, в том числе создания эталонныхспектров, с помощью которых появится возможность автоматизировать процессконтроля и разработать программное обеспечение, способное производитьмониторинг без участия в мониторинге квалифицированного персонала.При прохождении среды лазерное излучения возбуждает нелинейныеэффекты – нелинейное рассеяние на неоднородностях, взаимодействие лазерногоизлучения с возможным возникновением нелинейных эффектов и т.д.Распространение когерентного излучения в биологическом объекте, можноописать как распространение излучения в многокомпонентной мелкодисперсной42плотноупакованной среде с бесконечным числом актов рассеяния с помощьюматричногоинтегро-дифференциальногопредполагается,чтоВРМБуравненияпроисходитнапереноса,ДНК-структурахпосколькупатогенныхмикроорганизмов и напрямую не зависит от их формы и размеров.

Рассмотримэто уравнение для среды (2), представляющей собой матрицу (например,физиологический раствор или воду) и рассеивающие частицы (например, вирускишечной палочки) в виде идеальных сфер соответствующих размеров.отн == (, ( ())) =0= − ∙ () +4=4∙ ∑1Φ ( (, 0 ), (0 )) 0 ,(2.1)где – относительные компоненты вектор-параметра Стокса световогополя в среде от каждого элемента, r – направление светового луча, k=(i+∑i) –относительный коэффициент ослабления, i – относительныйкоэффициентрассеяния каждого компонента,  – относительный коэффициент поглощениякаждого компонента, fij() – относительная матрица рассеяния, φ – угол рассеяния,т.е.

угол между направлениями облучающего (ro) и рассеянного (r) световыхпучков, Ф – относительная плотность светового потока, Sj(r0) – относительноерассеяние на каждом элементе.Относительные коэффициенты рассеяния и поглощения в общем случаеявляются функциями частоты источника. При этом можно положить, что начастотах, где возникает флюоресценция, знак этих величин меняется на обратный.Математическому анализу и разработке методов решения уравнения (2.1)посвящена сейчас обширная область математической физики – теория переносаизлучения.

Однако, для оптики рассеивающих сред в настоящее время наиболеехарактернойчертойявляетсярезкийразрывмеждутеоретическимииэкспериментальными исследованиями, в связи с отсутствием эталонов рассеянияизлучения ДНК-структурами – спектральных распределений, обладающихуникальнымнаборомхарактеристикдляДНКразличныхпатогенныхмикроорганизмов. В связи с этим необходимо провести моделированиепередаточной функции рассеяния на неоднородностях.432.2. Разработка математической модели распространения излученияв приближении нелинейной оптикиВ общем случае исследуемый объект есть наноразмерная биоструктура,представляющая собой коллоидный раствор, содержащий мицеллы патогенныхмикроорганизмовизмеренияразличнойпатогенностиформы.составаИспользованиепитьевойводынанометрологиитребуетдляразработатьматематический аппарат на основе ранее не применявшегося для моделированияпроцессавзаимодействиябиоструктурами,характеристиклазерногопозволяющийоборудования,излучениярешитьзадачуоптическихснаноразмернымисвязиметрологическихсвойствсредыипараметроврассеянного средой излучения.2.2.1.