Содержание к диссертации
Введение
1. Введение 5
1.1. Актуальность темы исследования 5
1.2. Степень разработанности темы исследования 7
1.3. Цели и задачи 10
1.4. Научная новизна 11
1.5. Теоретическая и практическая значимость работы 12
1.6. Методология и методы исследования 13
1.7. Положения, выносимые на защиту 14
1.8. Степень достоверности и апробация результатов 15
2. Теоретические предпосылки разработки метода измерения параметров суспендированных частиц на основе их гидродинамической ориентации 17
2.1. Оптические модели рассеяния света несферическими частицами 17
2.2. Теория измерения светорассеяния в искусственных оптически анизотропных средах 21
2.3. Решение обратной задачи восстановления распределения размеров по релаксационному сигналу 27
2.4. Феномены поведения жидкости при ее течении и математическое описание процессов 30
2.5. Теоретическое описание ориентации частиц в ламинарном потоке с градиентом скорости 34
2.6. Обзор методов определения размеров суспендированных частиц и их морфометрической гетерогенности 40
2.7. Обзор методов определения концентрации суспендированных частиц 58
2.8. Выводы по теоретическим предпосылкам разработки метода измерения параметров суспендированных частиц на
основе их гидродинамической ориентации 60
3. Разработка оптического метода измерения параметров частиц при их гидравлической о риентации 63
3.1. Метод измерения параметров частиц в потоке Tailor-Couette 63
3.2. Определение степени ориентации частиц в цилиндрическом потоке Tailor-Couette 67
3.3. Разработка аппаратных и программных средств измерения размеров и сверхнизких концентраций частиц в жидких средах 74
3.3.1. Проектирование измерительной ячейки 74
3.3.2. Выбор оптимального зазора между цилиндрами и скорости вращения внутреннего цилиндра измерительной ячейки 81
3.3.3. Описание гидравлической система прибора и режимов его работы 82
3.3.4. Структура прибора и его функционирование 85
3.3.5. Экспериментальный сигнал и используемые алгоритмы расчета параметров 87
3.3.6. Описание программного обеспечения прибора и образцов протоколов 93
4. Применение разработанного метода для решения приклад ных задач 96
4.1. Тестирование макета прибора и оптимизация некоторых условий измерений в потоке Tailor-Couette 96
4.2. Определение размеров и кинетики агрегации частиц бентонитов - наполнителей гидроизоляционных бетонов по их релаксации в потоке Tailor-Couette 100
4.3. Определение профиля изменения среднего размера в течениє роста бактериальных клеток и его интерпретация 106
4.4. Измерение сверхмалых абсолютных концентраций анизотропных частиц в многозаходной оптической ячейке 114
4.5. Морфометрический анализ аэрозольных частиц осажден-ных в вихревом импакторе 118
5. Заключение 123
6. Выводы 130
7. Список литературы
- Степень разработанности темы исследования
- Феномены поведения жидкости при ее течении и математическое описание процессов
- Определение степени ориентации частиц в цилиндрическом потоке Tailor-Couette
- Определение размеров и кинетики агрегации частиц бентонитов - наполнителей гидроизоляционных бетонов по их релаксации в потоке Tailor-Couette
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Измерение размеров микроскопических частиц и их концентрации являются одними из широко распространенных видов физических измерений при решении ряда прикладных и научных задач в микробиологии, биотехнологии, медицине, экологии, при производстве красок и композитов. Например, в микробиологии размер клеток является одним из показателей классификации. Профиль изменения абсолютной величины размера клеток в биотехнологических процессах является одним из показателей качества и воспроизводимости процесса. Определение концентрации частиц в оборотной воде технологических производств позволяет обнаружить превышение определенного порога загрязнённости и провести фильтрацию воды или обеззараживание. Селективное извлечение клеток из суспензии и последующее измерение их концентрации на сверхнизких уровнях позволяет решать задачи биодетекции и биобезопасности. Качество композитных материалов напрямую связано с абсолютной величиной размеров частиц и их полидисперсности. Перечень задач, для решения которых необходимо измерение размера частиц, крайне велик.
Большинство прикладных задач определения размеров и концентрации частиц связана с анализом суспензий, содержащих такие частицы. Дисперсионной средой таких систем может быть вода, питательная среда для культивирования микроорганизмов, масло, растворы, органические жидкости, например, глицерин и другие. Анализ аэрозольных частиц в большинстве случаев производится также после их переноса в жидкие дисперсионные среды, такие как вода, силиконовое масло, глицерин.
Для суспендированных частиц присущи процессы седиментации и агрегации, на которые влияют электростатическое взаимодействие и проявление специфики поверхностных свойств. Эти явления осложняют процедуру измерений. Для устранения их влияния требуются дополнительные условия и особенности организации экспериментов, а именно, предварительной фильтрации образцов, разрушения конгломератов частиц с помощью звуковой или ультразвуковой
обработки или иных физических воздействий, добавления ПАВ. Для достижения высокой точности измерений используются также методы накопления и статистической обработки сигналов, исключения выбросов по результатам оценки достоверности данных и уровня шумов регистрируемого сигнала.
Актуальным является разработка эффективного, простого и точного метода определения среднего размера частиц, функции распределения размеров частиц, а также концентрации частиц. При аппаратной реализации метода обоснована и создана конструкция сенсора. При практической реализации прибора предусмотрена разработка и изготовление его опытного образца с обоснованием его метрологических параметров. Создано программное обеспечение верхнего уровня, которое должно обеспечить процедуру измерения, обработку экспериментальных данных, их хранение, подготовку протоколов и их вывод.
Цели и задачи. Целью диссертационной работы является решение научной задачи совершенствования методов определения параметров суспендированных частиц. Для этого разрабатывается новый и эффективный метод, а также его аппаратная реализация, по определению среднего размера частиц, их концентрации и формы кривой распределения размеров частиц в средах с искусственно созданной анизотропией оптических свойств, позволяющий проводить измерения в полевых условиях.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие прикладные задачи:
-
Разработка прикладной теории решения прямой и обратной задач определения размеров клеток в среде с гидродинамически изменяемой анизотропией оптических свойств.
-
Разработка алгоритмов расчета:
cредневзвешенного размера клеток;
абсолютной концентрации частиц в широком диапазоне концентраций;
параметров функции распределения размеров частиц, выбранной из класса известных функций.
-
Создание аппаратных и программных средств реализации метода.
-
Проверка метода и аппаратуры на ряде модельных задач и их применение для решения прикладных задач.
-
Выбор геометрических параметров измерительной ячейки. Подбор прозрачных конструктивных материалов и создание аксиального ввода светового пучка в цилиндрический поток рассчитанной измерительной ячейки, обеспечивающей распространение светового пучка по кусочно-спиральной траектории с минимизацией потерь световой энергии, вызванной его рефракцией.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
-
Разработан и опробован новый метод и его аппаратная реализация, позволяющие в полевых условиях определять средневзвешенный размер частиц, концентрацию частиц и форму кривой распределения размеров частиц.
-
Впервые для оперативного измерения размеров и концентрации частиц использована искусственно созданная анизотропия оптических свойств среды, реализованая на основе потока Tailor-Couette между неподвижной и подвижной стенками цилиндров. Данный поток использовался, главным образом, в классических методиках измерения вязкости жидкости и двойного лучепреломления. Гидродинамическая ориентация частиц носила здесь сопутствующий характер и в практических целях не использовалась.
-
Впервые для оперативного измерения размеров и концентрации частиц в измерительной оптической ячейке использована траектория луча, свернутая в спираль. Несмотря на то, что методы создания протяженного взаимодействия объекта и поля достаточно известны, например, в ядерной физике, данное решение получения протяженного оптического пути для измерения низких концентраций частиц является оригинальным и новым.
Выполнение работы создает предпосылки для использования и внедрения нового направления – гидродинамического метода измерения размеров и концентраций частиц в практику научных исследований, диагностики и систем мониторинга биотехнологических процессов, а также контроля чистоты воздуха.
Теоретическая и практическая значимость работы. Применение метода для измерения концентрации и размеров частиц в суспензиях с поддерживающей средой произвольного состава позволяет решить ряд актуальных научно-практических задач. К ним можно отнести измерение размеров клеток в биотехнологических процессах, мониторинг и оптимизация биотехнологических процессов. Лабораторные измерения размеров клеток, особенно животных, могут проводиться в их естественной среде обитания при очень мягких механических воздействиях. Применение вязких поддерживающих сред обеспечивает измерение размеров наночастиц. Существующие приборы, которые решают эту задачу - сложны в эксплуатации и крайне дороги, что существенно ограничивает область их применения.
Разработанная на основе предлагаемого метода аппаратура, позволяет проводить измерения в том числе в полевых условиях.
Разрабатываемый метод может быть успешно реализован в аэрозольных измерениях, например, для контроля качества фильтрации воздуха очищающими системами, промышленными пылесосами, устройствами очистки воздуха помещений, требующих особых условий чистоты. В этом случае определяется количество частиц, которые захвачены жидкостью при импактировании.
Использование стандартной методики и рутинной автоматической процедуры измерений позволяет исключить влияние человеческого фактора, использовать для выполнения измерений операторов средней квалификации и выполнить большой объем измерений в течение короткого времени.
Экономическая эффективность использования нового метода и его аппаратурного оснащения основана на простоте и доступности измерительной системы, оперативности процесса измерения, отсутствии затрат на подготовительные процедуры и простоте получения достоверной информации о размерах и концентрации частиц.
Методология и методы исследования. Базовым физическим феноменом, который используется в работе для выполнения измерений размеров и концентрации частиц является искусственно созданная оптическая анизотропия свойств суспензии. Эта анизотропия может быть получена, по меньшей мере, двумя физическими воздействиями - электрическим полем в статическом образце или потоке и гидродинамическим полем градиента скоростей в потоке исследуемой суспензии. При действии электрического поля ориентация происходит за счет взаимодействия поля с индуцированными или собственными диполями частиц. Гидродинамическая ориентация возможна в движущемся потоке с неподвижными стенками или в движущемся потоке с диапазоном изменения скорости от нулевой скорости возле неподвижной стенки до максимальной скорости, равной скорости подвижной стенки.
Регистрируемыми характеристиками при этом являются изменения оптических свойств среды. Ими могут быть изменения параметров светорассеяния частиц, двулучепреломление, оптическая плотность. Из множества теоретических подходов, которые используются для описания свойств анизотропных сред, в данном исследовании выбран и обоснован метод определения изменения оптической плотности, как интегральный метод, связанный с изменением показателей светоослабления системы при ориентации частиц. Развитие этого метода обеспечивает наиболее простое решение задачи анализа параметров анизотропных жидких сред и определения параметров суспендированных в них частиц.
Метод позволяет измерять размеры частиц в диапазоне 1-10 мкм. Использование представленного метода для измерения частиц размером менее 1 мкм сопряжено со сложностью регистрации быстрого времени релаксации ориентированных частиц и возможно при использовании поддерживающих жидкостей более вязких, чем вода. Ограничение на размер частиц в 10 мкм вытекает из долгого времени релаксации ориентационной упорядоченности частиц и трендом сигнала.
Нижней измеряемой границей концентрации частиц является концентрация более 103- 104 шт./мл. Для более низких концентраций шумы фотометрического сигнала оказываются сопоставимы с величиной сигнала от суспендированных частиц. Верхняя измеряемая граница концентрация определяется оптической плотностью суспензии, которая также зависит от размера частиц.
Объектом исследования являются суспендированные частицы, у которых измеряются такие параметры как размер и их концентрация.
Положения, выносимые на защиту:
-
Применение гидродинамической ориентации частиц в цилиндрическом потоке Tailor-Couette для определения размеров суспендированных частиц.
-
Разработка метода измерения размеров и концентрации анизотропных по форме суспендированных частиц в потоке Tailor-Couette.
-
Развитие основ проектирования конструктивного исполнения измерительной ячейки, гидравлической системы и компоновки прибора.
-
Разработка алгоритмов процесса измерений и выполнения вспомогательных операций.
-
Развитие алгоритма преобразования экспериментального сигнала в размер и концентрацию частиц.
-
Разработка алгоритмов обработки экспериментальных данных с использованием их фильтрации и накопления.
-
Использование разработанного метода для решения ряда прикладных задач.
Достоверность полученных результатов подтверждена практическими измерениями при решении ряда прикладных задач. Версия прибора, реализующего разработанный метод использовалась для решения научно-прикладной задачи в организации “Гидроспецпроект” по повышению гидроизоляционных свойств бетона с добавками бентонита и полимерных растворов на строительной площадке Верхне-Вилюйской ГЭС в 2011 году.
При решении биотехнологических задач прибор прошел практическую проверку на базе НПК “Экология” при мониторинге процесса культивирования молочнокислых бактерий.
Личный вклад автора подтверждается получением им 2 патентов на изобретение.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 патента на изобретение.
Научные и прикладные результаты работы обсуждались:
- на международной конференции ELOPTO 2010, Mainz, Germany, 14-17
марта 2010 г.,
на VII Московском международном конгрессе «Биотехнология: Состояние и перспективы развития», 19–22 марта 2013 г.
на 62 и 63 научно-технической конференции Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики, май 2013 и 2014 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и библиографического списка. Диссертация изложена на 149-х страницах и содержит 37 рисунков и 4 таблицы.
Степень разработанности темы исследования
Определение размеров суспендированных частиц является одной из распространенных процедур в научных исследованиях и промышленности. Методы могут быть разделены на две основных группы - прямые и косвенные методы. К прямым методам следует отнести методы прямого оптического определения размеров. Традиционные микроскопические методы основаны на прямом измерении размеров путем фиксации границ частицы, расчета их площадей или размеров хорд сечения частиц. В последнее время широкое распространение получил метод имидж (image) анализа, в котором обрабатываются изображения частиц, полученные с фотометрических матриц. Так как разрешающая способность таких матриц за счет улучшения технологии изготовления возрастает с каждым годом, сейчас стандартом уже являются матрицы с разрешением в 15- 20 мегапикселей. Для обработки изображений доступен ряд программных продуктов, например, Image Analyse, AblelmageAnalyzer, которые работают с объектами в стандартных графических форматах .bmp, .jpg. Специализированные приборы для image analyse содержат систему разбавления и подачи пробы, систему регистрации изображения и программное обеспечение для определения в контексте поставленной задачи размеров, формы и концентрации частиц. Приборы выпускаются множеством фирм. Наиболее популярные анализаторы для биотехнологических задач выпускаются фирмами Nova, Canon. Несмотря на простоту измерений, физическое ограничение точности определения границ частиц дифракцией на их контуре ограничивает диапазон измеряемых размеров со стороны малых размеров. Вторым ограничением является невысокая статистическая достоверность получаемых результатов при работе с низкими концентрациями частиц. Недостатком метода имидж анализа также является измерение размеров проекции клетки, а не истинных размеров, влияние движения клеток. Так как клетки с хаотической ориентацией захватываются объективом из некоторого объема, то реальная картина соответствует распределению проекций частиц, а не их истинного распределения.
К прямым методам измерения размеров частиц можно отнести и различного вида проточные анализаторы, реализующие фотометрические методы измерения интенсивности светорассеяния, в частности оптический метод двухлучевой проточной микрофотометрии, который основан на определении формы и временного положения импульсов, вызванных изменением ослабления рассеяния света от движущихся частиц. В этих анализаторах происходит гидродинамическая фокусировка частиц и их последовательное прохождение в потоке через фокальные точки сфокусированных лазерных пучков.
Частицы фокусируются до размеров пятна в фокальной плоскости, которое соизмеримо с размером частиц. Пучки используются соответственно для определения изменений ослабления света и для определения скорости частиц. Размер ориентированных частиц определяется по длительности импульса в первом пучке при рассчитанной скорости потока. В ряде применений к частицам прикрепляют флюоресцентные метки.
Недостатком этой группы методов является предварительная пробоподготовка и сложность оптической части приборов. Такие проточные анализаторы выпускаются фирмами Shimadzu, Beckman, TermoFisher и многими другими.
Частицы в суспензии находятся в непрерывном броуновском движении и степень их подвижности характеризуется двумя коэффициентами диффузии- поступательным и вращательным. Коэффициент поступательного движения характеризует возможность перемещения частиц в пространстве, а вращательный - спо
собность вращаться относительно центра массы. Метод, использующий этот феномен, называется корреляционной фотометрией.
Метод с поступательным коэффициентом диффузии эффективно работает для относительно узких распределений с отношением максимального размера к минимальному не более 10. Приборы, работающие на этом принципе выпускаются фирмами Bookhaven Instruments Corp. USA, Wyatt Technology, Malvern.
Из приборов, использующих вращательный коэффициент диффузии и выполняющих измерение размеров по форме релаксационной кривой известен прибор EloTrace фирмы Biotronix GmbH.
Метод определения размеров частиц по скорости их осаждения- седиминтации имеет видимо наиболее длинную историю развития. Регистрация процесса осаждения измеряется обычно оптическими методами по кинетике уменьшения концентрации частиц в суспензии, или по времени образования осадка.
Методы измерения размеров частиц одновременно выполняют и функцию измерения их концентрации. В первую очередь это касается методов измерения средних и высоких концентраций частиц.
Классическим методом измерения концентрации частиц является метод измерения оптической плотности суспензии.
Для счетных методов измерения размеров в проточных анализаторах, счетчиках Коултера концентрация определяется автоматически и может быть измерена с высокой точностью. Единственным ограничением при средних и низких концентрациях частиц является время анализа.
Методы измерения размеров частиц по показателям светорассеяния также обеспечивают измерение концентрации частиц.
Общим недостатком указанных выше методов является измерение концентрации частиц более 103- 104 частиц/мл. Для более низких концентраций шумы фотометрического сигнала оказываются сопоставимы с величиной сигнала от суспендированных частиц.
Основной целью диссертационной работы является разработка нового и эффективного прибора для определения среднего размера частиц, их концентрации и формы кривой распределения размеров в средах с искусственно созданной ани-зотропией оптических свойств.
Ее разработка включает в себя развитие способа ориентации частиц гидродинамическим способом, проработка алгоритмов расчета параметров, аппаратной реализации способа, оптимизации конструкции измерительной системы с созда-нием методологии ее проектирования, определения состава прибора и элементов вспомогательных систем.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие при-кладные задачи: 1. Разработка прикладной теории решения прямой и обратной задач определения размеров клеток в среде с гидродинамически изменяемой анизотропией оптических свойств. 2. Разработка алгоритмов расчета параметров: cредне-взвешенного размера клеток, абсолютной концентрации частиц в широком диапазоне концентраций, формы распределения размеров частиц в классе известных функций. 3. Создание аппаратных средств реализации метода; 4. Проверка метода и аппаратуры на ряде модельных задач и их применение для решения ряда прикладных задач. 5. Вопрос выбора геометрических параметров измерительной ячейки. Использование прозрачных конструктивных материалов и аксиальный ввод светового пучка в цилиндрический поток рассчитанной измерительной ячейки, обеспечива-ющей его распространение по кусочно спиральной траектории без превышения угла Брюстера.
Феномены поведения жидкости при ее течении и математическое описание процессов
Для описания механизма поворота в градиенте скорости и определения частоты вращения рассмотрим поведение жидкости вблизи частиц. Наличие частиц в движущейся жидкости приводит к изменению локальных градиентов скорости по сравнению с асимптотическими значениями в отсутствии частиц. Этот процесс сопровождается дополнительной диссипацией энергии. Существующая разность в изменении движения жидкости с частицами и без них может быть интерпретирована как изменение эффективной вязкости среды г] после появления в ней частиц. Для расчета частоты вращения необходимо после выяснения функции градиента скорости определить тензор напряжений 8 ік . Для вязкой несжимаемой жидкости он находится из соотношения [70]: Зж = -Ра.к + т]0 (dv/dxk + dvldx,) (39) где р - давление
Для расчета частоты вращения-кувыркания частицы необходимо определить силу Fi, действующую на частицу и момент сил Ц, который приложен к частице. Со стороны жидкости на частицу также действуют сила и момент сил, которые вычисляются по распределению скоростей вблизи поверхности частицы.
При медленном, безинерционном движении частицы в жидкости, сторонняя сила уравновешивается силой G,, действующей на частицу. Момент сил также уравновешивается моментом 7 , действующим на частицу[58,70]: F± + Gi = 0; (40) L + 7 = 0 (41) В силу линейности уравнений для частиц произвольной формы можно записать соотношение: v. =MTrs = 0 (42)
Для описания перемещения частиц в жидкости используется три фундаментальных тензора второго ранга (диадика), связанных с геометрическими свой 37 ствами тела [57,58,70]. Ими являются трансляционный тензор К, описывающий поступательное движение, ротационный тензор 2о, определяющий вращательные перемещения и сопряженный (coupling) тензор С0, который определяет как поступательное, так и вращательное движение частиц произвольной формы [70].
Симметричный трансляционный тензор К определяется геометрией тела и не зависит от ориентации. Тензор определяется шестью независимыми скалярными коэффициентами сопротивления, которые имеют размерность длины. Тензор определяет особенности поступательного движения частицы. Если выбрать специально три главных оси, вдоль которых возможно перемещение частицы, то можно определить три главных коэффициента, которые называются главными сопротивлениями поступательному движению. Они рассчитываются как три собственных значения характеристического уравнения [70]: det[K -К1] = 0 (43) где I - единичная матрица Для трансляционного тензора можно получить соотношения, связывающее его величину со скоростью потока D, силой F0 и тензором подвижности частицы \i: F ,,=-// K иi (44)
Для сферического тела, как предельного случая вырожденного тела аксиальной ориентации, собственные векторы равны по всем направлениям и согласно закона Стокса определяются как Ki = К2 = К3 = 6 л а, где а- диаметр частицы. В этом случае уравнение (44) принимает вид: F± = -6 a fi vi (45) откуда следует корректный результат, что сила, действующая на тело, антипа-раллельна вектору скорости.
Для ортотропного тела, т. е. тела, имеющего три взаимно перпендикулярные плоскости симметрии (например, эллипсоид или прямоугольный параллелепипед), главные оси нормальны к этим плоскостям, как это ясно из соображений симметрии. Поступательное движение, нормальное к плоскости симметрии, приводит, очевидно, к появлению силы, параллельной. направлению движения. Ротационный тензор l0 определяет вращательные перемещения. Тензор также симметричен и имеет шесть компонент. Его компоненты зависят от положения центра гидродинамических напряжений. Момент, действующий на частицу, записывается в виде: Т = -/и О.0 ц (46) где щ - мгновенная угловая скорость Так как тензор П0 симметричен, то можно выделить главные оси вращения и найти главные сопротивления вращению. Они соответствуют собственным векторам и собственным значениям тензора П0 . Ротационный тензор является симметричным для частиц любой формы. Если частица обладает симметрией, например, является телом вращения, то она дополнительно является и изотропной по отношению к своему центру вращения.
В качестве примера рассмотрим, куб, вращающийся относительно оси, проходящей через его геометрический центр G. Из соображений симметрии ясно, что в случае, когда куб вращается относительно одной из трех осей симметрии (т. е. осей, проходящих через центр и нормальных к граням куба), момент TG относительно его центра будет параллелен ю. Следовательно, эти три направления должны быть собственными векторами ротационного тензора, относительно точки G. Так как эти три направления взаимно ортогональны, то очевидно, что они должны быть главными осями вектора П в рассматриваемой точке.
Определение степени ориентации частиц в цилиндрическом потоке Tailor-Couette
На теоретическом уровне процессы гидродинамики потока Tailor-Couette рассмотрены достаточно подробно. К сожалению, нет ясности в стационарных процессах ориентации частиц в поле гидродинамических сил. Представленные соотношения отражают скорость изменения ориентации, которая связана с коэффициентом вращательной диффузии частицы. Моделирование процессов в потоке Tailor-Couette осуществлялось, главным образом, с точки зрения обнаружения конвективных составляющих и перехода к турбулентному течению. Однако, в известной литературе не было найдено ответа на один простой вопрос. Какова вероятность нахождения частицы в квазистационарном ориентированном состоя 61 Иными словами, сколько частиц в данный момент времени являются ориентированными, и сколько совершают вращательное (кувыркающее) движение.
2. В известной литературе отсутствуют примеры использования потока Tailor-Couette в старт-стопном режиме для ориентации частиц и последующего измерения их размеров по коэффициенту вращательной диффузии. Такой вариант измерения размеров позволяет выполнять их непосредственно в исходной среде без пробоподготовки. Данный вариант измерений особенно удобен для анализа биологических объектов, например, суспендированных эукариотических (животных) клеток. Такие клетки имеют чрезвычайно хрупкую структуру, которая плохо выдерживает замену внешней среды на аналитическую.
3. Развитие метода использования потока Tailor-Couette в старт-стопном режиме позволяет осуществить модуляцию оптических свойств среды. Такой вариант измерений устраняет проблемы с трендом нулевой линии и позволяет накапливать экспериментальные данные без накопления стационарной компоненты шума.
4. Известные приборы интегрального типа, которые измеряют сигнал от ансамбля частиц, обеспечивают измерение их средних и высоких концентраций. Переход к низким концентрациям затруднен из-за начальной калибровки прибора и низкого уровня регистрируемого сигнала. Приборы, измеряющие отклик от одиночных частиц теоретически могут работать до очень низких концентраций, однако у них чувствительность входит в противоречие с временем измерений. Рассмотренные выше приборы ориентированы на использование в лабораторных условиях. Еще одним негативным моментом является процедура пробоподготовки и калибровки, которая может занимать для ряда приборов время около получаса.
5. Применение метода на основе старт-стопного режима потока Tailor-Couette с измерением линейного дихроизма или ориентационного турбидиметри-ческого эффекта позволяет сделать очень простой и конкурентный прибор для лабораторных и полевых измерений размеров частиц в диапазоне приблизительно 0.1- 10 мкм. Измерение коэффициента вращательной диффузии частиц с размером больше, чем приблизительно, 10 мкм будет чрезмерно длительно во времени и сопровождаться артефактами осаждения клеток. Измерение размеров частиц в диапазоне менее чем 100 шп, потребует перехода к измерению двулучепреломле-ния суспензии и затруднит организацию фазы быстрого останова ротора после вращения и перехода к стадии измерения релаксационного сигнала. Тем не менее, диапазон частиц с размерами 0.1-10 мкм охватывает большинство биологических объектов.
6. Отсутствие известных решений и развитие старт-стопного режима использования потока Tailor-Couette позволяет применить его для измерения концентрации частиц как высокой, так и сверх низкой. При высоких концентрациях достаточно использование узкого зазора между прозрачным ротором и статором ориентирующей системы. При низких и сверхнизких концентрациях зондирующий пучок света может посылаться в зазор и создавать аналог спиральной траектории. Это возможно в том случае, когда кривизна поверхности обеспечивает движение светового пучка под углом менее критического угла Брюстера. Свернутый световой пучок создает оптическую ячейку с очень большим путем, что позволяет измерять очень низкие концентрации частиц.
7. Анализ существующих методов измерения размеров и концентраций позволяет сделать заключение о новизне, актуальности и широком практическом использовании разрабатываемого метода на основе применения старт-стопного режима ориентации частиц в потоке Tailor-Couette и создание на этой основе эффективного режима фильтрации, накопления данных и устранения в них тренда.
Определение размеров и кинетики агрегации частиц бентонитов - наполнителей гидроизоляционных бетонов по их релаксации в потоке Tailor-Couette
Для представления модельной релаксационной кривой Mi(t) использовалось 16 релаксационных кривых. &№ " рассчитывался по выбранным параметрам для каждой точки распределения. Количество точек представления релаксационных кривых для модельной и экспериментальной кривых совпадало и было выбрано 32, что позволяет достаточно полно представить их структуру и не усложнять процедуру расчета. Для набора параметров А ,В и К с помощью соотношения (82) рассчитывалась модельная релаксационная кривая и проводился расчет невязки. Для создания оптимального по числу шагов алгоритма минимизации невязки использовался симплексный метод. Траектория перемещения целевой функции к оптимуму лежит на двумерной поверхности переменных В и К. Так как модельная функция распределения является достаточно простой, то поверхность не имеет областей локальных минимумов и зон овражного типа. По результатам предварительной симуляции было определено, что целевая функция имеет один глобальный минимум. После завершения перемещения по траектории движения к минимуму целевой функции, возможно уточнение предположения о совпадении среднего размера с размером на пике модельного распределения. Для этого измерения повторяются при небольших вариациях среднего размера вокруг пикового значения и также ищется минимум целевой функции. На завершающей стадии расчетов для полученных значений невязок ищется глобальный минимум. Спуск заканчивался, когда величина целевой функции, нормированная на количество точек дискретизации релаксационной кривой, становилась меньше пятерной дисперсии экспериментального сигнала.
Программное обеспечение прибора выполнено в виде приложения HydroOptic, работающего в оболочках Windows NT , Windows ХР, Windows 7 , Windows 8 . Программа разработана в среде Builder 6.0. Для хранения данных используется табличная база данных Paradox 7.0. На рис. 25 показана структура форм программы и перемещения информационных потоков. На форме "Измерения" выбираются основные параметры: частота вращения цилиндра, длительность регистрации данных и число циклов накопления данных, тип алгоритма съема данных.
С помощью кнопок управления флюидной системой производится подготовка прибора к измерениям - промывка, очистка и заполнение измерительной системы исследуемым образцом. После нажатия кнопки старт программа с помощью набора макросов запускает процесс измерений. В зависимости от выбранного алгоритма съема данных, они либо накапливаются в памяти контроллера, либо переносятся из прибора в компьютер в течение времени накопления данных для следующей точки графика.
Полученные данные автоматически заносятся в базу данных и сохраняются там как одиночные записи с уникальным идентификатором, датой и временем выполнения измерений. Предусмотрена запись, как одиночных циклов, так и профилей процесса, которые содержат серию одиночных записей. При создании профиля процесса операции по отбору пробы, промывки измерительной системы, заполнения измерительной ячейки новой порцией суспензии производятся автоматически. В конце каждого цикла измерения по экспериментальным данным определяется средний размер частиц и их концентрация.
Технология приготовления неорганических частиц и тип биологических объектов определяют возможную форму распределения размеров. При определении размеров в качестве прототипа распределения размеров частиц были использованы Релеевское, лог-нормальное распределение и усеченное распределение специального вида для биологических объектов.
Данные предыдущих и текущего измерений могут быть просмотрены в форме "Просмотр". Форма обеспечивает доступ к записям базы данных Paradox7.0. Для сравнения данных нескольких процессов они могут быть последовательно выведены на одну диаграмму. Предусмотрен экспорт данных из базы в таблицу данных программы Excel Microsoft Office. По любой из записей базы данных может быть подготовлен стандартный протокол измерений. Этот протокол распечатывается или сохраняется при установленной на компьютере программе Page Creator как файл с расширением .pdf.
С учетом рассмотренных в предыдущей главе требований на проектирование приборов с потоком Tailor-Couette был собран и испытан макет прибора. Контроль над его работой осуществляется через интерфейс USB внешним приложением, работающим на компьютере в операционной среде Windows 7. На макете прибора была осуществлена проверка возможностей нового метода регистрации размеров и концентрации частиц и использования этих параметров для решения конкретных задач коллоидной физики и биотехнологии. Каждая из этих задач является самостоятельным научно-прикладным направлением. Так как основным направлением выполненной работы являлось развитие теоретических и технических основ метода Tailor-Couette, описание прикладных задач будет приведено в ограниченном объеме. Для каждого прикладного направления рассматривается базовый принцип, роль измеряемых в потоке Tailor-Couette размеров и концентрации частиц и важность этих параметров в контексте решаемой задачи.
Конструкция измерительной ячейки макета прибора была выполнена в двух вариантах. Первая конструкция содержала два адаптера для ввода и вывода световых пучков. Первая пара адаптеров использует ортогональное прохождение пучка через цилиндрический поток и применяется при достаточно больших концентрациях частиц или клеток. Вторая пара адаптеров была установлена на расстоянии 10 мм от основания цилиндров и использовалась для оценки степени седиментации частиц в статическом состоянии потока.
При измерении сверхнизких концентраций использовалась вторая конструкция измерительной ячейки. Первый адаптер использовался для ортогонального ввода-вывода светового пучка в цилиндрический поток. Второй адаптер обеспечивал аксиальный ввод светового потока в верхней части измерительной ячейки и вывод пучка в ее нижней части. Он использовался для измерения низких концентраций частиц.
Для всех случаев зазор между цилиндрами составлял 3 мм при высоте цилиндров 50 мм. Для исключения турбулентных явлений в зоне соприкосновения вращающегося потока жидкости и слоев жидкости, между цилиндрами в примыкающих к основанию и крышке зонах, их величина была минимизирована и составляла 2 мм.
Заполнение зазора образцом проводилось снизу до полного вытеснения из него воздуха. Для предотвращения образования микроскопических пузырей на поверхности цилиндров, которые искажают результаты, особенно при измерении низких концентраций, поверхность цилиндров перед каждым циклом измерения тщательно обезжиривалась моющими средствами.
