Проточно-оптический метод анализа биоаэрозолей

• Автор: Кочелаев, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Оглавление
Оглавление
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Принципы проточно-оптического метода анализа биоаэрозолей

1.1 Структура системы биомониторинга

1.2 Физические принципы проточно-оптического метода

1.2.1 Характеристики флуоресценции биологических компонент частиц биоаэрозоля. .

1.2.2 Характеристики упругого рассеяния частиц биоаэрозоля

1.2.3 Анализ данных, полученных устройством на основе ПОМ. Необходимость поиска новых информативных признаков частиц

1.3 Обзор современных систем на основе ПОМ

1.4 Анализ индикатрисы флуоресценции в качестве нового информативного признака
биоаэрозолей
1.7 Постановка цели и задач диссертационной работы
Глава 2.Исследование зависимости характеристик индикатрисы флуоресценции частицы
аэрозоля от ее оптических свойств на основе численного моделирования
2.1. Постановка задачи анализа индикатрисы флуоресценции
2.2 Метод численного моделирования углового распределения флуоресценции частицы аэрозоля
2.3 Результаты численного моделирования углового распределения флуоресценции частицы аэрозоля
2.4 Выводы по главе
Глава 3. Разработка оптической системы регистрации устройства ПОМ, обеспечивающей измерение характеристик индикатрисы флуоресценции и параметров индикатрисы рассеяния частицы аэрозоля
3.1 Точность измерения сигналов в ПОМ. Выбор источника оптического излучения
3.2 Требования, предъявляемые к оптической системе регистрации
3.3 Блок-схема оптической системы. Определение геометрии объектива регистрации -эллиптического зеркала
3.4 Оптические системы регистрации сигналов упругого рассеяния и флуоресценции.
3.5 Описание сигнализатора ПБА, в основу конструкции которого положены разработанные оптические схемы

3.6 Схема измерения характеристик флуоресценции и рассеяния на основе ПОМ
3.7 Выводы по главе
Глава 4. Экспериментальная оценка информативности новых признаков аэрозольных частиц
4.1 Результаты экспериментальных исследований информативных признаков ПОМ
4.1.1. Измерение интегральных (угол светосбора Г2=Ъп стер или /2=2л стер) сигналов флуоресценции в нескольких широких спектральных диапазонах и сигнала упругого рассеяния частиц при освещении частиц излучением на длинах волн ^^.=266 нм и Япоз.=365 нм
4.1.2 Измерение характеристик индикатрисы флуоресценции аэрозольных частиц
4.1.3 Измерение характеристик индикатрисы рассеяния аэрозольных частиц
4.2. Анализ полученных результатов. Оценка избирательности информативных признаков ПОМ
4.2.1 Оценка избирательности ПОМ при измерении интегральных сигналов флуоресценции и сигнала упругого рассеяния при возбуждении частиц излучением на длинах волн Ав03.=266 нм и Л00з.—365 нм
4.2.2 Оценка избирательности ПОМ при измерении характеристик индикатрисы флуоресценции аэрозольных частиц
4.2.2 Оценка избирательности ПОМ при измерении характеристик индикатрисы рассеяния аэрозольных частиц
4.3 Выводы по главе
Заключение
Основные результаты диссертационной работы
Список сокращений
Список литературы
Приложения
Приложение 1. Результаты численного моделирования значений энергий
флуоресценции Е„; (отн.ед.), излучаемых отдельными слоями в обратном, прямом и
боковом направлениях регистрации, и полученные для частиц спор
1,3,5,7,9 и 10 мкм
Приложение 2. Измеренные гистограммы плотности распределения р; информативных
признаков ПОМ
Приложение 3. Оценка параметров индикатрисы рассеяния (), Я

Введение
Анализ аэрозолей в приземном слое воздуха относится к числу актуальных проблем экологического мониторинга, поскольку носителями аэрозоля могут выступать патогенные бноаэрозоли (ПБА), способные вызывать аллергические реакции и заболевания человека. Эффективность средств экстренной профилактики поражений ПБА зависит как от достоверности определения типа биоаэрозолей, так и от времени, которое прошло с момента заражения. К сигнализаторам аэрозолей, обеспечивающим первичное обнаружение ПБА, предъявляются следующие основные требования:
- обнаружение ПБА за минимально возможное время;
- обеспечение минимально возможного количества ложных срабатываний.
В настоящее время задача высокоскоростного экспресс-анализа респирабельиой (вдыхаемой) фракции аэрозоля 1-10 мкм успешно решается проточно-оптическим методом (ПОМ). При анализе ПОМ отдельные частицы аэрозоля в потоке подвергаются воздействию внешнего возбуждающего излучения, диапазон длин волн которого соответствует возбуждению типичных для биологических веществ флуорофоров. Измерение сигналов флуоресценции и упругого рассеяния позволяет выделять потенциально опасные биологические частицы на фоне остальных частиц.
В ПОМ для разделения биологических и небиологических аэрозолей наиболее информативна регистрация флуоресценции триптофана и других ароматических аминокислот в спектральном интервале Д^фл(1)=310 ч- 380 нм при возбуждении излучением с длинами волн Д3.вот<1)=250 ч- 290 нм.
Однако, анализ аэрозолей на основе измерения спектров флуоресценции, возбуждаемой в диапазоне длин волн Д^ВОз(1 сопряжен с рядом трудностей. Во-первых, флуоресценция триптофана свойственна всем биологическим частицам, что затрудняет обнаружение ПБА в присутствии естественного аэрозольного фона атмосферы. Во-вторых, из-за частичного перекрытия спектров флуоресценции триптофана биологических частиц проявляется ограничение на проведение условно-групповой дифференциации патогенных биаоэрозолей с точки зрения количества выделяемых условных таксономических групп, информация о которых важна для оперативной профилактики ПБА. Указанные трудности требуют использования дополнительных информативных признаков, повышающих избирательность метода и улучшающих классификацию биоаэрозолей.
В настоящее время для повышения избирательности в устройствах ПОМ используется регистрация спектров флуоресценции флуорофоров, отличных от

Детектирование полезного сигнала осуществляется по двум каналам флуоресценции и одному каналу рассеяния, однако данный прибор не позволяет регистрировать частицы размером менее 3-4 мкм.
Сигнализатор [ВАС (Biological Analyzer and Collector) также разрабатывался в ICx Biodefense и является аналогом BioLert II. В данном датчике также применен лазерный диод 405 нм для возбуждения, главным образом, флавинов биологических частиц.
Среди прочих систем регистрации и анализа ПБА выделяется высокоэффективная анализирующая система RAAD (Rapid Agent Aerosol Detector) [9], разработанная лабораторией Линкольна совместно с другими компаниями (Naval Research Laboratory (NRL), Edgewood Chemical Biological Center (ECBC)). Данный комплекс позволяет проводить до 14 независимых измерений для каждой отдельной частицы. Под высокой эффективностью данного устройства подразумевается способность с большим значением надежности отделять патогенные биологические частицы от примесных частиц. В RAAD для анализа характеристик частиц применено возбуждение лазерными пучками на длинах волн 808 нм, 266 нм и 355 нм. Для каждой частицы установка может обрабатывать сигналы упругого рассеяния, флуоресценции в нескольких спектральных диапазонах и разрушающей лазерной спектроскопии LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) с использованием ИК лазера с Л.= 1064 нм. Изначально система RAAD, объединяющая ПОМ и LIBS, не разрабатывалась как дешевый инструмент; напротив - акцент при проектировании был сделан на достоверность и качество получаемой информации.
Система BAMS (BioAerosol Mass Spectrometry), разработанная в США в 2004 г. [60], совмещает в себе методику ПОМ с масс-спектрометрическим подходом анализа ПБА. На первом этапе в BAMS измеряется скорость полета частицы по рассеянию частицей нескольких последовательно сфокусированных на аэрозольную струю лазерных пучков. Далее с учетом измеренного значения скорости частица облучается УФ лазером и измеряется ее спектр флуоресценции. Если сигналы флуоресценции попадают в интересующий спектральный диапазон, ниже по потоку частица разрушается излучением мощным ИК лазером для последующего масс-спектрометрического анализа. Схема анализа аэрозолей в BAMS представлена на рис. 1.10.
Следует отметить, что в ПОМ существует отдельное направление - сортировка частиц. Подобные устройства, наряду с анализом аэрозоля, предусматривают разделение частиц по фракциям. Система на основе ПОМ, производящая отбор и сортировку пробы для дальнейшего исследования методами специфической индикации, описана в [48]. В данном устройстве для каждой частицы обрабатываются 9 сигналов упругого рассеяния (Х=266 и k=355 нм) и флуоресценции (регистрируется флуоресценция в диапазоне 300-340 нм при