Диссертация (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде), страница 9

={2 (2 )1∗ (1 ) ∙ [ ((2 − 1 ) − (̅2 − ̅1 )̅ )] + к. с. }.(2.14)Из (2.12) следует, что = 2 − 1 , ̅ = ̅2 − ̅1 и правая часть (2.14)преобразуется к следующему виду:[4 (2 1∗ ) − 2 1∗ ] [( − ̅ ̅ )] + к. с.(2.15)А волновое уравнение (2.14) в целом принимает вид:̅ ( )2̅ 2 + (̅ 2 − 2 + ) ( ) = − 2 (2 )1∗ (1 )4(2.16)где – скорость распространения акустических волн (2 = ).Уравнение (2.16) справедливо при условии, что |(2 1∗ )| ≪ |̅ 2 1∗ |.Выражение электромагнитной волны имеет вид:∇2 (̅ , ) =22 2( )2 ̅ , + (2.17)(нел ) ⁡,где (нел ) – компонента нелинейной поляризации, которая возбуждаетполе (̅ , ).Как показано в [14], волновое уравнение (2.16) при || ≪ |̅ | и сучетом (2.16) уравнение (2.15) принимает следующий вид:11=−̅12 412 ∗ −12(2.18)50ПривозникновенииэффектаМандельштама-Бриллюэнаполеинтенсивности с частотой 2 инициирует генерацию электромагнитного цугаволн с частотами 1 и акустического возмущения с частотой = 2 − 1 .Полагаем, что 2 (2 ) = со и участвуют выражения (2.16) и (2.18).

В одномследует задать = ̅ , в результате для акустической волны принимаетсяаналогичная дисперсия, которая наблюдалась и для распространения в свободномпространстве при отсутствии помех. В результате волновое уравнение (2.17)перепишется в виде:1∗=−11∗2−̅ 1̅412∗ (2.19)Условие усиления для ВРМБ выполняется при условии:|2 |2 ≥81 1̅ 1̅2 Акустическое(2.20)поле,возникающееврезультатерассеяниянанеоднородностях плотности распределения патогенных микроорганизмов в средепредставлена в приближении антенной модели в виде [41]:(1 , … , , ) = ∑ [2 2 ++ ∑32 3[( − −1 )2 + ( − +1 )2 ] + ] + 2 2 + 3 + ∑332(2.21)[( − −1 )3 + ( − +1 )3 ] + ⋯Граничные условия представляются как:2 2+ 2=+ (),2 2+ 2 =(2.22)В многокомпонентной рассеивающей среде, используя соотношение rs=r1=x∙cosq=q, где rs – координата точечного источника над поверхностью среды, аr1 – координата точки в среде, можно перейти к упрощенной системе уравненийпредыдущего параграфа:{=−1∗ −21 ∗=−2−8 2̅ 1̅412 1∗2∗ (2.23)Данная система описывает прирост (или падение) мощности акустическогоus и электрического E1 полей в направлении одного из наблюдаемогораспространения излучения, в котором задается координата q.

Решение данной51системы дает не только оценку пороговых значений ВРМБ, что необходимо длявыбора параметров оптоволоконного тракта и мощности лазерного источникаизлучения. Помимо этого мы получаем оценку расположения максимумовстоксовых и антистоксовых составляющих:Ω1,2 = { + Ω ,−Ωгде – частота основной моды лазерного излучения, + Ω – стоксовая компонента сигнала, − Ω – антистоксовая составляющая рассеянного излучения.Результаты численного расчета представлены на Рис.

2.3-2.5.2.3. Расчет пороговых эффектов в коллоидных растворахПервоочередная задача, которую необходимо решить, разрабатываятребования к метрологическим характеристикам – обеспечить необходимыепараметры источника лазерного излучения. В предыдущем разделе былопоказано, что усиление ВРМБ обнаруживается только тогда, когда плотностьмощности излучения превышает пороговый уровень (2.20). ВРМБ вызываетнелинейный характер изменения частотного сдвига, поэтому для измерениянеобходимо контролировать мощность оптического излучения, избегая случаятолько спонтанного рассеяния [29].Для возможности разработки экспериментальной схемы оценим пороговуюмощность оптического излучения, способного возбудить ВРМБ-эффект. Оценкаминимальной величины мощности усиления ВРМБ в волокне Pmin определяется изсоотношения: ≥ 21 ∙,( ∙ )(2.24)где Аef – эффективная ширина окна, Lef – эффективная длинавзаимодействия, вычисляемая как = (1⁄ ) ∙ (1 − (− ∙ )),(2.25)где L – длина прохождения возбуждающим излучением исследуемой средыпри облучении непрерывным лазером, а для импульсного – длина импульса, α –коэффициент потерь в среде, = (Е2/E1)2 – коэффициент усиления при ВРМБ ,52представляющий собой отношение в нашем случае отношение пороговогозначения пороговой мощности генерируемой волны (21) к мощности лазерногоизлучения.Число 21 в выражении (2.24) величина приблизительная, поскольку онапараметр ширины спектральной линии ВРМБ–усиления вносит существенныйвклад в ее формирование [22].2.4.

Анализ результатов моделированияРасчетзависимостиинтенсивностирассеянногопатогеннымимикроорганизмами излучения от длины волны в воде приведен на Рис. 2.3.На Рис 2.3 представлена относительная интенсивность:Iотн = 10 ∙ lg⁡(I/Iо),где I – величина расчетная, Iо – опорный уровень в 1 мВт.Расчет зависимости интенсивности рассеянного раствором патогенныхмикроорганизмов излучения от концентрации микроорганизмов в растворепредставлен на Рис. 2.4.Зависимость интенсивности рассеянного излучения от времени облученияраствора, содержащего патогенные микроорганизмы, представлена на Рис 2.5.аРис.

2.3. Расчетная зависимость интенсивности рассеянного излучения от длиныволны возбуждающего излучения (а-д – различные концентрациипатогенных микроорганизмов)53бвРис. 2.3. Расчетная зависимость интенсивности рассеянного излучения от длиныволны возбуждающего излучения (а-д – различные концентрации патогенныхмикроорганизмов)54гдРис.

2.3. Расчетная зависимость интенсивности рассеянного излучения от длиныволны возбуждающего излучения (а-д – различные концентрации патогенныхмикроорганизмов)55Таким образом, анализ расчетных данных показывает, что в спектральномраспределенииводногораствора,содержащемДНКпатогенныхмикроорганизмов, появляются побочные максимумы интенсивности излучения,функция зависимости интенсивности рассеянного излучения от состава раствораи концентрации патогенных микроорганизмов хорошо коррелирует с функциейзависимости интенсивности от времени облучения (Рис. 2.5).

Полученные данныеподтверждают возможность оценить содержание в растворе ДНК патогенныхмикроорганизмов с доверительной вероятностью 0,95.Рис. 2.4. Зависимость интенсивности рассеянного излучения отконцентрации патогенных микроорганизмов в воде56Рис. 2.5. Зависимость интенсивности рассеянного излучения от времениоблучения раствора, содержащего патогенные микроорганизмы2.5. Выводы к главе 21.Теоретический анализ физических процессов, на которых основанразрабатываемый метод контроля патогенных микроорганизмов, подтвердилпредположение о возможности проведения контроля данным методом с доверительной вероятностью 0,95.2.Построенная математическая модель основных процессов положена воснову дальнейшего расчета параметров экспериментальной установки, в томчисле необходимой мощности источников, распознавания особенностей спектральных линий при достижении ВРМБ-эффекта.3.Получены расчетные значения для частного случая вычисления пара-метров выходного электромагнитного поля при возникновении в исследуемомрастворе ВРМБ-эффекта.4.Выполнена оценка возможных информативных параметров для опре-деления содержания патогенных микроорганизмов в питьевой воде на основе ранее проведенных исследований.575.Приведен порядок расчета пороговых значений мощности источникавозбуждающего излучения, необходимые для появления эффекта ВРМБ.6.Исследование спектров упругого и неупругого рассеяния излучениябиологических объектов и полученная конечная математическая модель рассеяния излучения патогенными возбудителями требуют проведения серии экспериментов для подтверждения корреляции с экспериментальными данными.7.Разработанный метод базируется на люминесцентном анализе и мето-де ВРМБ является стационарным, но поскольку исследуемыми объектами являются ДНК-структуры, время облучения которых ограничено, во-первых, скоростью накачки до появления характерного рассеянного на ДНК излучения, а, вовторых, временем до разрушения этих структур воздействием возбуждающего излучения, необходимо переходить в динамический режим.

Теоретическая оценкадинамики возникновения сигнала от биообъектов на данном этапе невозможна,поскольку требует проведение серии экспериментов, необходимых для выявленияданного механизма.8.Выявленные в результате теоретического анализа высокие требованияк экспериментальной установке вызывают необходимость разработки требованийк оборудованию, в том числе требований к оптическому анализатору спектров.58ГЛАВА 3.

ПЛАНИРОВАНИЕ И ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАРазрабатываемый метод базируется на анализ стоксовых и антистоксовыхсоставляющих, как показателей мощности вектора ВРМБ, по которым возможнополучить информацию о исследуемом растворе, за счет того, что наблюдаетсяпревышение плотности мощности излучения над порогом при люминесценцииДНК, увеличивающей общую плотность мощности излучения в среде [95].В общем виде схема экспериментов показана на Рис.

3.1.Рис. 3.1. Схема эксперимента для исследования ВРМБ-методаВ общем случае методика заключается в следующем. В начале эксперимента кюветы наполняются предварительно подготовленными растворами, содержащими подвергаемые контролю объекты. Подготовка рабочих суспензийпроводится в соответствии со стандартизованными методиками. Измерения производятся по следующему алгоритму. Излучение с блока лазеров по одномодовому оптическому волокну подается на кювету с образцом, рассеянное раствором излучение собирающей оптикой направляется на спектроанализатор по выходному многомодовому волокну, и далее через последовательный порт спектральные распределения передаются в память компьютера.

Каждый получаемыйспектр должен быть подвергнут статистической обработке.Для реализации исследования метода необходимо определить требованияк каждому из элементов экспериментальной установки, разработать методикупроведения эксперимента, а также методику оценки полученных в ходе исследования на разрабатываемом экспериментальном стенде данных.593.1. Основные требования к метрологическим характеристикамоборудования экспериментального стендаДля определения параметров установки необходимо иметь детальноепредставление о механизме рассеяния излучения патогенными организмами. Врезультате квантово-механического взаимодействия часть распространяющегосяв среде электромагнитного излучения на некоторых частотах передается атомами молекулам, что проявляется в образовании в спектре излучения полос поглощения. Показатель поглощения κ определяется через мнимую часть комплексного показателя преломления n=m–ik.Точность оптических методов контроля ограничивают шумы, вносимыерассеивающей средой, источником излучения и оборудованием, а также колебаниями пороговой плотности излучения в среде.

Для решения задачи первоначально необходимо изучить распределение колебательно-вращательных спектров поглощения молекулы воды и ее основных изотопных модификаций. Этонеобходимо для выбора оптимальной рабочей области измерений.Для точных расчетов спектров поглощения воды необходимо учитыватьположения всех энергетических уровней такой конденсированной системы, поэтому рассмотрим качественную зависимость от длины волны возбуждающегоизлучения. Ультрафиолетовое поглощение связано с электронными переходами,инфракрасное – с колебательными движениями молекул. Поглощение в видимойобласти обусловлено множеством колебательных обертонов молекул воды.В настоящее время наиболее точными считаются данные, полученные вработах [3, 102].