Диссертация (1025921), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Рекомендуется использовать кюветы из кварцевого стекла КИ,имеющие следующие параметры:1.Диапазон длин волн, нм — 190-2000;2.Объем пробы, мкл — 1700;3.Длина оптического пути, мм — 5;4.Ширина щели, мм — 10;5.Габариты, мм — 48×12,5×7,5.Способ сопряжения лазерного источника, собирающей оптики и приемника излучения с волокном должно соответствовать всем требованиям указанным в[21, 84] являющимся стандартными для современных линий оптоволоконной свя-128зи.
Возможность введения излучения в градиентное волокно дает перспективу дляразработки автоматизированной системы контроля исследуемых параметров.Анализатор спектра марки 86140B фирмы «Agilent technologies» полностью удовлетворяет требованиям по точности спектральной разрешимости и диапазону мощности при построении экспериментальной установки, однако он не дает возможность полностью автоматизировать распознавание и обработку сигнала.Проведенный поиск показал, что только две линейки анализаторов спектра удовлетворяют, как требованиям по точности и диапазону, так и возможности автоматизации измерений и встраивании в автоматизированную систему.
Это89601B/BN-300 фирмы «Agilent technologies», и AQ6370C – Yokogawa.Представим основные параметры анализатора спектра AQ6370C [82]:1.Точность измерения длин волн: ±0.01 нм;2.Разрешение по длинам волн: 0.02...2 нм;3.Максимальная входная мощность: +20 дБм;4.Чувствительность по уровню входной мощности: -90 дБм;5.Сверхвысокий динамический диапазон: 78 дБ;6.Единицы оси X: нм/ТГц;7.Оптимизирован под WDM-системы;8.Встроенный в корпус излучатель для калибровки по длине волныи автоюстировки.Специальное обозначение дБм означает дольную единицу в 1 дБ для которой опорным уровнем является мощность в 1 мВт.Высокое разрешение 0,02 нм и расширенный динамический диапазон 78дБ обеспечены за счет встроенного монохроматора.
Повышенная спектральнаячувствительность монохроматора позволяет на крупном масштабе осуществлятьчеткое разделение волн и точное их измерение, а также работать в режиме расширенного динамического диапазона.Разработаем требования к условиям эксплуатации макетного образца прибора. Лазерный источник в данном приборе должен использовать модулированную добротность лазера при непрерывной накачке или импульсной близкой к не-129прерывной, для генерации регулярных мощных импульсов. Во избежание выходаиз одномодового режима генерации излучения лазером существует ограничениепо времени беспрерывной работы прибора. Данное ограничение зависит от маркивстраиваемого излучателя. Помимо этого, существует ограничение по временирегистрации подготовленного раствора.
Так как автоматизированный мониторингподразумевает использование теории распознавания образов, для его возможнойреализации необходимо наиболее корректно составить зависимость обнаруженияполезного сигнала, возможного быть обработанным математически, от интервалаоблучения патогенных микроорганизмов.ВРМБ, также как и явление суперлюминесценции, – нелинейные эффекты,возникновение которых практически не поддается интерполяции [93].
В результате скорость реакции обнаружения прибором наличия патогенных возбудителейнесет случайный характер. Также следует отметить, что существует порог по времени, связанный с разрушением ДНК-структуры микроорганизма под действиемоблучения, как следствие, потери информативного сигнала.В результате для разработки требований к режиму работы прибора следуетпровести анализ параметров захвата рассеянного излучения (степени усреднения,времени прерывания), а также динамику и пороги возникновения и потери информативного сигнала.Определим степень усреднения на основе собранной базы данных спектральных распределений излучения, прошедшего растворы кишечной палочки сразличными концентрациями (10, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 КОЕ/мл).Пример наиболее показательных спектров кишечной палочки в малых концентрациях (102 КОЕ/мл) приведен на Рис.
4.30-4.32.130Рис. 4.30. Спектр излучения, прошедшего раствор кишечной палочки 102,регистрируемый при степени усреднения 3Рис. 4.31. Спектр излучения, прошедшего раствор кишечной палочки 102,регистрируемый при степени усреднения 9131Рис. 4.32. Спектр излучения, прошедшего раствор кишечной палочки 102,регистрируемый при степени усреднения 25Спектральные распределения (Рис.
4.30-4.32) получены для одной и той жепробы микроорганизмов. Анализ степени усреднения показал, что усреднение 1-3не позволяет определить спектральное распределение как люминесценции, так иВРМБ объекта, поскольку сигнал от объекта поступает с задержкой по времени, аусреднение 20-50 приводит к уширению спектра лазерного источника с λ1=1017нм и появлению дополнительных максимумов, что, скорее всего, объясняетсяособенностями рекомбинации в полупроводниковом лазере на материалеInGaAsP/InP [16].Усреднение спектральных распределений выполнялось при вариативнойдлительности регистрации излучения до момента отчетливого обнаружения эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, благодаря чему былинайдены оптимальные величины параметров работы макетного образца прибора(степени суммирования, порядка дискретизации, уровня чувствительности и т.д.)132Как показало данное исследование наилучшим образом эффект наблюдается при степени усреднения 8-12 и времени цикла захвата моды:для диапазона длин волн в 20 нм: 290-320 мс;для диапазона длин волн в 50 нм: 420-480 мс.Следующей задачей стоит вопрос уточнения интервала, в течение которогонаблюдается информативный сигнал [103].
Эксперимент проводился в соответствии со схемой (Рис. 3.1). При включенном лазерном источнике и циклично регистрируемых спектральных характеристиках анализатором спектра на оптическом пути помещалась кювета с вирусом в концентрации 10 (КОЕ/мл), одновременно с этим начинался отсчет времени, полученные спектры сохранялись с соответствующей меткой таймера. Использовались найденные оптимальные параметры циклов и усреднения. Процесс регистрации спектров продолжался до моментападения информативного сигнала, вызванного, как полагаем, разрушением ДНКструктуры микроорганизма.Данный алгоритм был повторен в количестве, необходимом для статистической обработки. По указанной методике были сняты спектральные характеристики для вышеуказанного ряда концентраций биообъектов. Результат обработкибазы данных спектров, распределенных по времени, представлен на Рис.
4.33.Как было обнаружено, вызванная ВРМБ спектральная линия появляетсязначительно раньше (в пределах 25-30 секунд с момента начала облучения объекта) при средних концентрациях (104...106 КОЕ/мл), и этот сигнал сохраняется несколько дольше (1-2 минуты), чем при наноконцентрациях или при высококонцентрированных растворах патогенных возбудителей.Предполагается, что при малых (103 КОЕ/мл и менее) концентрациях задержка рассеянного сигнала связана с неравномерностью распределения в облучаемом объеме исследуемых микроорганизмов, а быстрое затухание сигнализирует о том, что меньшее число клеток быстрее разрушаются под действием когерентного излучения.133абРис. 4.33.
Зависимость интенсивностей максимумов (а – лазерной моды,б – ВРМБ патогенного возбудителя) спектральных линий от времени приконцентрациях кишечной палочки: 1 – 109, 2 – 105, 3 – 102 (КОЕ/мл)134В случае предельно высоких концентраций порог возникновения сигналавызван, скорее всего, сложностью накачки возбуждающим излучением высокогосодержания биообъектов, в связи с переводом энергии лазера в тепловую энергию.
При этом более раннее падение мощности ВРМБ по сравнению с сигналомполучаемом при средних концентрациях, предполагается, вызвано тем, что разрушенные объекты микробиологии продолжают поглощать возбуждающее излучение, не внося вклад в формирование резонансного эффекта. Данное предположение подтверждается также увеличенным снижением интенсивности лазернойлинии (более, чем на порядок) при исследовании растворов с высоким содержанием биообъектов (Рис.
4.33а).При анализе был обнаружен дрейф мод по частоте (Рис. 4.34), который характеризуется вначале смещением в сторону более высоких частот для наноконцентраций и высококонцентрированных растворов объектов микробиологии, асредних концентраций (104-106 КОЕ/мл) в сторону низких частот, а затем возвращением спектральных линий на близкие к первоначальным значениям частоты.Описанная динамика может быть вызвана нелинейными эффектами в оптическомволокне [39].Несмотря на то, что при использовании полупроводниковых источниковдевиация частоты может быть вызвана гетероструктурой лазера [77], расстояние,на которое отстоит максимум лоренцевой линии лазерной моды от ВРМБмаксимума объекта, сохраняется даже при наблюдении эффекта смещения мод.Это позволяет использовать разность максимумов основной лазерной моды иВРМБ как информативный параметр для автоматизированного распознаваниямикробиологических примесей в водном растворе.Отметим, как и в предыдущем случае, для средних концентраций наблюдается большая стабильность оптических характеристик, как следствие, стоит использовать спектральные распределения для растворов в концентрациях 104-106КОЕ/мл в качестве эталонных распределений для соответствующих штаммовобъектов патогенной микробиологии.135Рис.
4.34. Зависимость длины волны максимумов лоренцевых линий(λи – источника, λр – резонансного ВРМБ) от времени при концентрацияхраствора кишечной палочки: 1 – 109, 2 – 105, 3 – 102 (КОЕ/мл)Следующим аспектом при разработке требований к условиям работы прибора являются естественные условия среды. Поскольку аппаратура, рекомендуемая к использованию, имеет ряд погрешностей, вызванных повышенной температурой, влажностью и т.д., работа прибора должна производиться в подготовленном для этого помещении в нормальных климатических условиях (Таблица 13).Также при работе с установкой необходимо соблюдать все требованияэлектробезопасности, противопожарной, санитарной безопасности, описанные втретьей главе данной диссертации.136Таблица 13.Требования к помещению для проведения измеренийХарактеристикаТребованияТемпература окружающего воздухав пределах 20°±10° СОтносительная влажность воздухаот 45 до 80 %Атмосферное давлениеот 630 до 800 мм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
