Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы, анализ современного состояния и целесообразности разработки нового метода контроля .11
1.1. Проблемы контроля патогенных микроорганизмов .12
1.2. Обзор методов контроля питьевой воды 14
1.3. Анализ физических явлений рассеяния излучения в воде, содержащей патогенные микроорганизмы 31
1.4. Выводы к главе 1 37
ГЛАВА 2. Теоретический анализ механизмов рассеяния лазерного излучения патогенными микроорганизмами
2.1. Анализ процессов многокомпонентного рассеяния излучения в Коллоидных растворах .40
2.2. Разработка математической модели распространения излучения в приближении нелинейной оптики
2.2.1. Распространение излучения в среде с неоднородностями 43
2.2.2. Распространение когерентного излучения в средах со случайными неоднородностями 2.3. Расчет пороговых эффектов в коллоидных растворах .51
2.4. Анализ результатов моделирования 52
2.5. Выводы к главе 2 56
ГЛАВА 3. Планирование и организация эксперимента 58
3.1. Основные требования к метрологическим характеристикам оборудования экспериментального стенда
3.1.1. Требования к метрологическим характеристикам лазерного источника излучения .62
3.1.2. Требования к метрологическим характеристикам оптоволоконного тракта 67 Cтр.
3.1.3. Требования к метрологическим характеристикам анализатора оптического спектра 70
3.2. Методика проведения эксперимента 72
3.3. Методика обработки результатов измерений
3.3.1. Методика обработки результатов косвенных измерений и оценки доверительных границ 77
3.3.2. Методика аппроксимации спектральных распределений рассеянного излучения 81
3.4. Выводы к главе 3 84
ГЛАВА 4. Определение информативных параметров спектральных распределений для патогенных микроорганизмов 86
4.1. Экспериментальное исследование шумов для питьевой воды .86
4.2. Исследование достоверности экспериментального достижения порога вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна .100
4.3. Анализ оптических характеристик патогенных микроорганизмов 110
4.4. Выбор информативных параметров для автоматизации метода 118
4.5. Разработка требований к устройству макетного образца прибора, режимам и условиям эксплуатации .125
4.6. Выводы к главе 4 .136
Общие выводы и заключение по диссертации 141
Список литературы
- Анализ физических явлений рассеяния излучения в воде, содержащей патогенные микроорганизмы
- Разработка математической модели распространения излучения в приближении нелинейной оптики
- Требования к метрологическим характеристикам лазерного источника излучения
- Исследование достоверности экспериментального достижения порога вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна
Введение к работе
Актуальность работы
Из сказанного выше следует, что в настоящее время большое значение приобретает мониторинг микробиологических параметров состава питьевой воды. Системы водоснабжения являются ключевыми в обеспечении жизнедеятельности городов, в связи с чем, все острее стоит вопрос о реализации контроля параметров питьевой воды непосредственно в трубопроводном потоке в режиме реального времени. Проблема осложняется тем, что предельно-допустимая концентрация патогенных микроорганизмов может находиться в пределах даже несколько молекул на 100 мл. В связи с чем, большое внимание уделяется разработке принци-
пиально новых и высокоэффективных методов и инструментов измерений, относящихся к нанометрологии.
На сегодняшний день контроль производится лабораторными методами, процесс которых занимает в зависимости от метода от нескольких часов до нескольких дней. Кроме того, для измерения требуются лабораторные условия и квалифицированный персонал, что обуславливает необходимость разработки прибора, имеющего возможность быть встроенным в автоматизированную линию контроля питьевой воды.
Таким образом, значительную актуальность приобретает проблема оценки качества питьевой воды на предмет гарантированного отсутствия в ней опасных или вредных биологических и химических веществ, в том числе в малых и сверхмалых концентрациях, в реальном масштабе времени.
Степень разработанности темы
Проблема автоматизированного контроля параметров питьевой воды в трубопроводах в настоящее время не решена, несмотря на существующий ряд приборов и приборных комплексов для контроля жидких сред. Это вызвано следующими причинами:
-
Значительным количеством измеряемых параметров и низкими концентрациями объектов микробиологии в водном растворе.
-
Резким падением точности и надежности в автоматизированных линиях, вследствие известного экспоненциального падения этих параметров с ростом числа датчиков для их определения.
-
Высокой стоимостью оборудования линии вследствие необходимости применения прецизионных анализаторов спектральных распределений рассеянного излучения.
-
Очень сложным программным обеспечением, которое должно управлять не только информацией о качестве воды, но также компенсировать шумы анализаторов и обрабатывать отказы, происходящие как вследствие неисправностей не только каждого из датчиков, но и логических ошибок программного обеспечения. Поскольку методы регистрации анализаторов для контроля биологических параметров принципиально нелинейные, необходимо применять теорию распознавания образов.
Несмотря на это, во многих странах все большее внимание уделяется возможности создания автоматизированных линий для контроля питьевой воды. Задача осложнена тем, что определение наличия патогенных возбудителей в питьевой воде в настоящее время производится исключительно методами выращивания колониеобразующих единиц объектов микробиологии из данных проб водной среды. Однако данные методы не имеют возможности быть встроенными в авто-2
матизированную линию контроля, требуют лабораторных условий для проведения анализа состава питьевой воды и участие высококвалифицированного персонала в его проведении.
Цели и задачи исследований
Цель диссертационной работы - повышение качества метрологического обеспечения процесса измерения микробиологических параметров путем разработки лазерного метода контроля питьевой воды на основе люминесцентного метода контроля и метода вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
теоретический анализ применимости спектроскопии вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) для обнаружения примесных ДНК-структур патогенных микроорганизмов;
разработка методики проведения измерений и экспериментальное подтверждение применимости нового метода;
анализ полученных данных и выработка критериев регистрации содержания патогенных микроорганизмов в питьевой воде;
анализ эффективности решений и выбор информативных параметров для реализации предложенного метода ВРМБ;
разработка требований к метрологическим характеристикам опытного образца прибора, основанного на разработанном комплексном лазерном методе.
Методология и методы исследования
При решении поставленных задач использованы теория молекулярного рассеяния света в жидкостях, методы исследования спектрального состава деполяризованного рассеяния, регрессионный анализ, а также методы математического моделирования. Для моделирования и проведения расчетов на ЭВМ применены программные пакеты ANSYS и MatLab/Simulink.
Научная новизна результатов
-
Разработан лазерный метод контроля патогенных микроорганизмов на основе люминесцентного анализа и явления вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна для мониторинга непосредственно в потоке питьевой воды.
-
Впервые определены пороговые значения плотности мощности достижения эффекта ВРМБ для растворов бактериофаг (E.coli), шигеллы (Sh.flex), индикатора свежего фекального загрязнения, способного образовывать цепочки (Enterococcus faecalis), возбудителей пищевой инфекции (споры B.subtilis var.niger), а также смесей двух микроорганизмов, в том числе инактивированных и смесей, содержащих, помимо патогенных возбудителей, высокомолекулярные биоорганические соединения (белки и нуклеиновые кислоты).
-
Впервые получена зависимость оптических параметров рассеянного излучения для ряда патогенных микроорганизмов в питьевой воде с учетом их концентраций, показывающая уникальность набора данных параметров для каждого типа микроорганизмов.
-
Получена база данных стандартных образцов рассеянного патогенными микроорганизмами излучения, позволившая выявить информативные параметры, необходимые для автоматического контроля объектов микробиологии в питьевой воде.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Разработана математическая модель лазерного метода для контроля микробиологических параметров в питьевой воде, основанного на люминесцентном анализе и ВРМБ-спектроскопии. Данная модель связывает параметры излучения от источника и рассеянного патогенными микроорганизмами излучения.
-
Разработан лабораторный стенд и введен в опытную эксплуатацию в соответствии с заказом № 197-Н/20/14 Федеральной службы охраны Российской Федерации «Разработка автоматизированной линии контроля питьевой воды».
-
На основе теоретических расчетов и проведенных экспериментальных исследований выработаны требования к метрологическим характеристикам лабораторной установки для контроля патогенных микроорганизмов в питьевой воде.
-
Разработаны требования к метрологическим характеристикам макетного образца прибора и программное обеспечение, позволяющие производить контроль патогенных микроорганизмов в режиме реального времени, на основе исследований динамики возникновения стоксовых и антистоксовых составляющих рассеянного излучения.
Положения, выносимые на защиту
-
Впервые разработанный лазерный метод контроля патогенных микроорганизмов в питьевой воде, применяющий эффект ВРМБ, позволяет осуществлять непрерывный мониторинг патогенных микроорганизмов, и таким образом решает задачу повышения качества метрологического обеспечения процесса измерения микробиологических параметров питьевой воды.
-
Впервые определены требования к метрологическим характеристикам прибора для контроля патогенов в питьевой воде непосредственно в потоке: лазерный источник с длиной волны в диапазоне от 0,8 до 1,37 мкм и мощностью не менее 225 мВт, приемник излучения с порогом чувствительности не более -50 дБ, динамическим порогом не менее 60 дБм и спектральным разрешением не менее 0,02 нм. Полный список требований представлен в диссертации.
-
Разработанная математическая модель среды матричного типа и включенными в матрицу рассеивающими микрочастицами позволяет проводить 4
численное моделирование распространения когерентного излучения в
коллоидных растворах и сравнивать результаты моделирования с результатами физических экспериментов.
-
Впервые математическая модель взаимодействия лазерного излучения с вынужденной люминесценцией патогенных микроорганизмов составлена в приближении антенной модели нелинейной оптики, что позволяет связать параметры излучений от источника и рассеянного патогенными микроорганизмами.
-
Обнаруженное явление инвариантности разности длин волн излучений ВРМБ патогенных микроорганизмов и основной лазерной моды, связанное только с типом микроорганизма, позволяет получать информацию о наличии патогенных примесей, существующих в исследуемом водном растворе. Погрешность данной разности длин волн не превышает 0,052 нм.
Степень достоверности результатов
Достоверность научных положений и выводов, представленных в диссертации, подтверждается:
-
Соответствием результатов численного моделирования распространения когерентного излучения в коллоидных растворах и данных, полученных в процессе экспериментального подтверждения достижения пороговых плотностей мощностей, проведенных с использованием люминесцирующих наномаркеров – имитаторов патогенных микроорганизмов.
-
Корреляцией теоретических расчетов и результатов измерений, полученных в процессе исследования растворов патогенных микроорганизмов.
-
Результатами испытаний разработанного лазерного метода в Федеральном бюджетном учреждении науки «Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии» (ФБУН ГНЦ ПМБ), а также в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт ветеринарной санитарии, гигиены и экологии Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИВСГЭ Россельхозакадемии).
Реализация результатов работы
Результаты численного моделирования и экспериментальные данные использованы компанией ОАО «СЭРВЭТ-М» при выполнении НИОКР по заказу № 197-Н/20/14 «Разработка автоматизированной линии контроля параметров питьевой воды» Федеральной службы охраны Российской Федерации (ФСО РФ).
Полученные теоретические результаты использованы в учебном процессе кафедры «Технологии производства приборов и информационных систем управления летательных аппаратов» «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)».
Апробация результатов
Результаты работы докладывались на:
ХХХVIII, ХХХIX, XL, XLI Международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения», «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского. М., 2012, 2013, 2014, 2015;
международной научной конференция «Новые материалы и технологии 2012», «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского. М. 2012;
международных конференциях лазерной физики LPHYS’12. Calgary (Canada). 2012; LPHYS’13. Prague (Czech Republic). 2013; LPHYS’14. Sophia (Bulgary). 2014;
международной научной конференции TechConnect World Innovation conference and Expo. Washington (DC, USA). 2014.
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 19 научных работ общим объемом 6,41 печатных листов, из них 7 публикаций в журналах из перечня ВАК РФ, и зарегистрирована заявка на патент РФ на изобретение № 2016101990.
Личный вклад
Изложенные в диссертации результаты получены Томилиным В.И. лично в ходе научно-исследовательских работ, проведенных в период с 2011 по 2016 год. Весь заимствованный материал отмечен в работе ссылками.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 167 страницах основного текста, содержит 56 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 121 наименований.
Анализ физических явлений рассеяния излучения в воде, содержащей патогенные микроорганизмы
Во избежание испарения смеси в реакторе в кювету с образцом вносят вы-сотемпературное масло. При применении амплификатора с термостатической крышкой добавку вносить не рекомендуется.
Внесение в процесс пирофосфатазы имеет возможность повысить количество продукта полимеразной цепной реакции. Данный фермент имеет каталитические свойства для процедуры гидролиза пирофосфата, как побочного продукта добавления нуклеотидтрифосфатов в увеличивающемся фрагменте ДНК.
На практике при процедуре полимеразной цепной реакции проводится от 20 до 35 повторений, каждое в свою очередь должно состоять по меньшей мере трех основных стадий.
Для репликации матричной цепи полимеразой дезоксирибонуклеиновой кислоты применяется затравочный праймер, данная процедура именуется стадией элонгации. Температура данного процесса зависит от полимеразы. Большинство распространенных полимераз протекают активнее при температуре 72 C. Длительность процесса элонгации зависит от величины амплифицируемого участка. Также процесс зависит и от типа ДНК-полимеразы. При расчете чаще всего длительность элонгации задают около одной минуты исходя из количества тысяч пар оснований. В завершении всей процедуры выполняют еще одну стадию финишной элонгации для того, чтобы завершить выстраивание полных одноцепочечных участков. Данная операция суммарно занимает 7-10 мин.
Диагностику наличия того или другого агента проводят с помощью люминесцентного метода. Распознается люминесценция непосредственно биообъекта или входящих в его состав элементов, существует возможность использовать вариацию линии люминесценции при внесении в состав раствора определенных реагентов (подобный подход реализован при проведении иммуноанализа и ПЦР). Процесс люминесценции включает в себя переход молекул на возбужденный электронный уровень, колебательную релаксацию в возбужденном состоянии, переход на основной электронный уровень либо с испусканием света (собственно люминесцентное излучение), либо безызлучательной и колебательной релаксации в основном состоянии.
Методы активной лазерной спектроскопии. В настоящее время активно развиваются методы, основанные не на линейности связи входных и выходных характеристик, а на анализе особенностей спектров, полученных при выборе в качестве источника излучения для контроля параметров раствора лазера и анализе спектральных характеристик, полученных при прохождении или отражении от исследуемой среды [63, 74, 94]. К этим методам относятся: лазерный метод ИК-спектроскопии, методы комбинационного (Рамановского) рассеяния [110] и метод ВРМБ (вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна). Достоинства этих методов – очень высокая точность, возможность проводить анализ практически для любых малых концентраций, вплоть до наноконцентраций [85]. При этом погрешность данного метода может достигать 0,1-0,5%.
Известны математические методы разложения общей спектральной картинки на отдельные максимумы, которые по определенным параметрам позволяют диагностировать не только наличие вещества, но его концентрацию. Это позволяет выделять информацию о концентрации сразу нескольких объектов, используя только одно измерение.
К недостаткам можно отнести высокую стоимость, вследствие использования прецизионного оборудования (лазеров и спектроанализаторов с высоким разрешением). Однако при контроле большого количества параметров, контроль данными методами становится дешевле, чем автоматизированная линия, состоящая из разных приборов. Помимо этого они во многих случаях не нуждаются в самом дорогостоящем аппаратурном резервировании. Для пояснения последнего положения необходимо рассмотреть принцип каждого метода подробнее.
Позитивным свойством ИК-спектроскопии можно выделить детерминированность линий поглощения для вещества конкретной атомной группы, то есть присутствующего для всей группы в некотором конкретном интервале ИК-спектра, что позволяет контролировать концентрации большого количества веществ в однократном измерении при использовании широкополосного анализатора оптических спектров.
Погрешность количественного анализа, как правило, составляет тысячные проценты массовой доли растворенного вещества.
Метод ИК-спектроскопии. Данный способ базируется на изучении спектральных показателей поглощения и отражения лазерного излучения в ИК-области, то есть выходом в интервал длин волн от 10-6 до 10-3 м, причем спектр в инфракрасной области излучения характеризуется особой сложностью кривой, содержащих множество локальных максимумов и минимумов.
Линии поглощения возникают вследствие квантовых переходов с низших колебательных уровней на метастабильный уровень электронного состояния водной среды. Характеристика полученных спектров (положения максимумов лорен-цевых линий, соответствующая полуширина и относительная интенсивность) индивидуальной компоненты зависят как от масс составляющих атомов, так и от геометрии строения, функции распределения заряда и др. В связи с данным обстоятельством инфракрасные спектры имеют высокую индивидуальность, определяющую их значимость для исследований.
Зависимость интенсивности I рассеянного водной средой излучения и интенсивностью возбуждающего света I0 от значений параметров поглощения средой в данном методе основана на законе Бугера-Ламберта-Бера, следовательно на корреляции интенсивности линий поглощения от величины концентрации примеси в составе раствора. В данном случае концентрация примеси вычисляется не по фактическим линиям поглощения, а по характеристикам функции распределения спектра в общем для увеличенного интервала исследуемых длин волн. Погрешность количественной оценки параметра не превышает 1 процента.
Разработка математической модели распространения излучения в приближении нелинейной оптики
На приведенном спектральном распределении (Рис. 2.1) наблюдаются четко 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 излучения через раствор, применяется методика аппроксимации функцией Лоренца. Для этого предварительно сглаженный Фурье-фильтром оцифрованный спектр описывается суммой кривых Лоренца с минимальной среднеквадратичной ошибкой. Обработанные максимумы функций как раз и представляют практический интерес.
В результате обработки должны быть выделены Лоренцевы составляющие пиков, вычислена полуширина линий каждого пика, определены максимумы относительных интенсивностей и частоты, соответствующие этим максимумам. Как показали исследования [114, 118], характеристика данного набора параметров уникальна для отличных ДНК-структур, и может быть использована не только для определения концентрации, но и для возможной идентификации примесных объектов. Определение состава и критериев для информативных параметров, входящих в этот набор, также является актуальной задачей, которая может быть решена в ходе дальнейшего исследования. В ходе накопления экспериментальных данных и опытной работы наполняется база данных спектров, необходимая для решения ряда задач распознавания образов, в том числе создания эталонных спектров, с помощью которых появится возможность автоматизировать процесс контроля и разработать программное обеспечение, способное производить мониторинг без участия в мониторинге квалифицированного персонала.
При прохождении среды лазерное излучения возбуждает нелинейные эффекты – нелинейное рассеяние на неоднородностях, взаимодействие лазерного излучения с возможным возникновением нелинейных эффектов и т.д.
Распространение когерентного излучения в биологическом объекте, можно описать как распространение излучения в многокомпонентной мелкодисперсной плотноупакованной среде с бесконечным числом актов рассеяния с помощью матричного интегро-дифференциального уравнения переноса, поскольку предполагается, что ВРМБ происходит на ДНК-структурах патогенных микроорганизмов и напрямую не зависит от их формы и размеров. Рассмотрим это уравнение для среды (2), представляющей собой матрицу (например, физиологический раствор или воду) и рассеивающие частицы (например, вирус кишечной палочки) в виде идеальных сфер соответствующих размеров. поля в среде от каждого элемента, г - направление светового луча, k=(ХСТi+ОСi) -относительный коэффициент ослабления, at - относительный коэффициент рассеяния каждого компонента, а - относительный коэффициент поглощения каждого компонента,/)/ - относительная матрица рассеяния, - угол рассеяния, т.е. угол между направлениями облучающего (г0) и рассеянного (г) световых пучков, Ф - относительная плотность светового потока, Sj(ro) - относительное рассеяние на каждом элементе.
Относительные коэффициенты рассеяния и поглощения в общем случае являются функциями частоты источника. При этом можно положить, что на частотах, 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 переноса излучения. Однако, для оптики рассеивающих сред в настоящее время наиболее характерной чертой является резкий разрыв между теоретическими и экспериментальными исследованиями, в связи с отсутствием эталонов рассеяния излучения ДНК-структурами - спектральных распределений, обладающих уникальным набором характеристик для ДНК различных патогенных микроорганизмов. В связи с этим необходимо провести моделирование передаточной функции рассеяния на неоднородностях. 2.2. Разработка математической модели распространения излучения в приближении нелинейной оптики
В общем случае исследуемый объект есть наноразмерная биоструктура, представляющая собой коллоидный раствор, содержащий мицеллы патогенных микроорганизмов различной формы. Использование нанометрологии для измерения патогенности состава питьевой воды требует разработать математический аппарат на основе ранее не применявшегося для моделирования процесса взаимодействия лазерного излучения с наноразмерными биоструктурами, позволяющий решить задачу связи метрологических характеристик оборудования, оптических свойств среды и параметров рассеянного средой излучения.
Расчет модели в прямом направлении, а именно, вычисление параметров рассеянния по устанавливаемому закону распределения неоднородно стей в водном потоке, следует выполнять, рассматривая точечный лазер и интерферометр, которые устанавливаются выше водного потока (см. Рис. 2.2).
Требования к метрологическим характеристикам лазерного источника излучения
Как сказано ранее, для точности эксперимента необходима стабильность возбуждающего излучения. От лазерного источника излучение следует подавать на исследуемый раствор по оптическому одномодовому волокну, производство которого налажено, широко используется в современных оптоволоконных линиях связи. Для решения подобного рода задач наиболее часто применяются стандартные одномодовые волокна (Single mode fiber), удовлетворяющие рекомендациям международного стандарта ITU G.652.
Передача выходного излучения на анализатор оптического спектра производится при помощи собирающей оптики, направляющей рассеянное излучение по многомодовому градиентному волокну. Выбор типа оптоволокна основан на том, что рассеянное излучение может содержать несколько частотных максимумов, несущих в себе полезный сигнал. В соответствии с международным стандартом FDDI оптическое волокно в диапазоне длин волн от 0,85 до 1,3 мкм имеет широкополосность порядка 160-500 МГцкм. Однако, этот показатель рассчитан для случая использования слабо когерентного источника, и может быть значительно меньшим для выбранного нами выше блока лазеров.
Способ сопряжения волокна с элементами оптоволоконного тракта, источником излучения и анализатором спектра соответствует [21, 84] и является стандартным для современных линий оптоволоконной связи.
Разработаем требования к необходимым в схеме оптическим элементам и рассмотрим возможные варианты отечественных и зарубежных компонентов.
Оптическое кварцевое стекло предназначено для производства оптических деталей работающих в диапазоне от 0,16 до 3,5 мкм [111]. Кварцевое стекло имеет существенно меньшую плотность, чем кристаллический кварц, однако прочностные характеристики данного материала достаточно высоки [116]. Проведем анализ современного рынка компонентов оптоволоконного тракта. В зависимости от области спектрального пропускания современный рынок представлен следующими марками кварцевого стекла:
Стекло КУ-1 кварцевое оптическое, прозрачное в ультрафиолетовой и видимой частях спектра без полос поглощения рабочей области по длинам волн излучения от 172 до 251 нм, с интенсивной полосой поглощения в интервале от 2600 до 2800 нм, нелюминесцирующее, радиационно-оптически устойчивое.
Спектр пропускания стекла из материала КУ-1 толщиной 10 мм представлен на Рис. 3.5 [120].
Стекло КВ кварцевое оптическое, прозрачное в исследуемых областях длин волн излучения, с заметными полосами поглощения в интервале длин волн от 172 до 251 нм дял контроля и без полос в рабочем диапазоне длин волн.
Стекло КИ кварцевое оптическое, прозрачное в исследуемых областях длин волн излучения, без регистрируемой полосы собственного поглощения в данном диапазоне.
Стекло КС-4В кварцевое, особо чистое, с высоким пропусканием в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах оптического спектра, изотропное, бессвильное, высшей категории по признаку содержания пузырей и включений, с высокой радиационно-оптической устойчивостью. Отличается практически полным отсутствием гидроксильных групп благодаря специальной подготовке сырья и вакуумной плавке.
Спектр пропускания кварцевого стекла КС-4В толщиной 10 мм показан на Рис. 3.8. [120]. Как видно, для решения поставленной задачи подходят кюветы, изготовленные из материалов КИ, КС-4В. 9999999999999 Рис. 3.8. Спектр пропускания кварцевого стекла КС-4В
В качестве приемника излучения необходимо использовать анализатор оптического спектра с высокими требованиями по различным параметрам. Во-первых, как показано в начале главы, анализатор спектра должен обладать увеличенной областью длин волн для регистрации, чтобы производить конроль двум гармоникам лазерного источника (от 810 до 1360 нм). Во-вторых, на основе результатов предыдущих исследований [95, 114] приемник лазерного излучения выбирается с большим спектральным разрешением. Обнаружение в жидкой сре 71 де вирусов возможно при высокой спектральной точности захвата излучения, для наглядности приведем пример спектров люминесценции различных штаммов вируса сальмонеллы (см. Рис. 3.9). Анализ базы данных полученных ранее спектров [114] показал, что для качественного распознавания характерных особенностей спектральных линий требуется шаг длин волн порядка 0,05 нм.
Поставленная задача заключается в непосредственной сигнализации наличия патогенных возбудителей, и на данном этапе не содержит проблему идентификации конкретных штаммов. В связи с этим возможно ограничиться абсолютной точностью спектрального разрешения приемника рассеянного излучения =0,1 нм.
Также для обеспечения непрерывного контроля спектроанализатор должен обладать высокими воспроизводимостью, повторяемостью и порогом чувствительности. Подобные требования в совокупности с высокой разрешимостью, которая должна быть совмещена с первичной цифровой обработкой, достижима в приборах векторной обработки сигналов, в основе которых используются преобразования Фурье [53, 72].
Из имеющихся на современном рынке приемников лазерного излучения отсутствуют аналоги отечественных производителей, удовлетворяющие постав 72 ленным нами требованиям. Из числа зарубежных линеек анализаторов спектров для лабораторной установки наиболее подходящими по характеристикам и стоимости, при этом разрешенные к реализации на рынке для использования на территории Российской федерации, являются анализатор спектра фирмы «Agilent technologies» – Agilent 86140B, а также спектроанализатор Optical Spectrum Analyzer (OSA) AQ6370 фирмы «Yokogawa Electric Corp». Списки функциональных возможностей рекомендованных приемников представлены в Таблицах 5, 6.
Исследование достоверности экспериментального достижения порога вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна
Важной проблемой на данном этапе является отсутствие эталонных спектральных распределений для растворов большинства микробиологических объектов, подвергаемых контролю. Данная проблема решается в процессе накопления базы данных в процессе экспериментального этапа работ, тем не менее, данный фактор ставит жесткие условия по качеству подготовки коллоидных растворов. Погрешность концентрации патогенных микроорганизмов не должна превышать 30 колониеобразующих единиц на 100 мл раствора для вирусов и бактерий, а для возбудителей инфекций не более 10 спор на 50 мл раствора.
Одной из главных проблем, возникающих при анализе и преобразование информации, заключается в том, что оптическая информация поступает практически от всех частиц, молекул, атомов коллоидного раствора, тем самым определяя их форму, размер и состав и таким образом полностью характеризует состояние системы [46]. Особенно возникают трудности непосредственно при априорной оценке точности оптических методов [98].
Проведем анализ возможных шумов. Поскольку метод базируется на распознавании оптического сигнала, основные погрешности с которыми связан метод – совокупность оптических шумов. Разрабатываемый метод должен учитывать погрешности, вызванные неоднородностью исследуемой среды, четырехвол-новым смещением в волокне, колебаниями параметров возбуждающего лазера, возможными изгибом или деформациями волокна, а также шумы, порождаемые в результате загрязнения собирающей оптики или вибрацией оптической установки или измерительного оборудования. Так как число возможных шумов, влияющих на общий уровень сигнала, достаточно велико, оценить вклад какого-либо из них не представляется возможным. Естественным решением данной проблемы может служить классификация возможных помех на неподдающиеся физической компенсации и шумы, которые могут быть минимизированы. На Рис. 4.1 представлена схема основных источников погрешностей. Поскольку решено определять погрешность в комплексе, то данную группу шумов мы можем оценивать по общему уровню, и, воспользовавшись законом больших чисел, показать, что эти погрешности распределяются случайным образом и в дальнейшем могут быть учтены статистической обработкой [113].
Спектральные распределения используемых источников излучения в силу полупроводниковой структуры определяются функцией Лоренца, что позволяет определить автокорреляционную функцию процесса. И поскольку оптические шумы определяются случайным законом распределения, то увеличением степени усреднения при проведении предварительного эксперимента мы можем эмпирически подобрать оптимальные параметры эксплуатации лабораторного стенда.
Анализ, основанный на законе больших чисел, показывает, что оценивать погрешность возможно применяя стандартные статистические методы моделирование динамических объектов со случайной составляющей, изменяющейся по нормальному закону распределения. При этом появляется возможность отделить шум от информативного сигнала.
Общая методика должна заключаться в следующем: передаточная функция обрабатываемого потока представляется как черный ящик, в котором интересую 89 щий нас переход описывается функцией Лоренца. При этом интенсивность модуляционного сигнала от нано-составляющих системы будем считать, как случайную величину. Еще один важный момент при разработке методики – влияние углов рассе яния на определение содержания вирусов, поскольку существует возможность попасть в зону нечувствительности сигнала. Поэтому серьезное внимание уделя ется предварительным расчетам диаграмм рассеяния исследуемых объектов [50]. Для произвольной угловой зависимости нам необходимо определить относительные показатели, связанные с внутренним коэффициентом рассеяния. Известно, что в первом приближении: Inf = D(j-) = Inj- = h-l2- V/?i( P) Ргі р) (4.1) Следовательно, AlnUp Ж( РУМ Р) = (4.2) Отсюда можно вывести формулу: V0IOP)-02OP) = 7I- 72 (4.3) По формуле (4.1) можно рассчитать U и /?, а определяется по диа граммам рассеяния, полученным в ранее проведенных исследованиях, опубликованных в [24, 108, 109].
Однократное измерение дифференциальной диаграммы рассеяния дает слишком большую погрешность. Поэтому проводимый расчет выполнен по десяти диаграммам рассеяния и получены среднестатистические произведения данных величин а± а2.
Однако для дальнейшей разработки нас интересует не только совокупная реакция среды - рассеяние белка и нуклеиновых кислот ДНК вируса, но также влияние каждого исследуемого компонента отдельно.