автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Проточно-оптический метод анализа биоаэрозолей

На правах рукописи

Кочелаев Евгений Александрович

УДК 535.31/535.37

ПРОТОЧНО-ОПТИЧЕСКИМ МЕТОД АНАЛИЗА БИОАЭРОЗОЛЕЙ

05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005536661

31 ОКТ 2013

Санкт-Петербург 2013

005536661

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Зверев Виктор Алексеевич

доктор технических наук, профессор Путилин Эдуард Степанович (ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО»)

кандидат технических наук Воронин Андрей Анатольевич

(ЗАО НПЦ «Инновационная техника и технологии»)

Ведущая организация ООО «Научно-производственное предприятие волоконно-оптического и лазерного оборудования», г. Санкт-Петербург

/ ? во

Защита состоится 19 ноября 2013 г. в ч._мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.227.01

при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт- Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий механики и оптики» по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО»

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах) направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт- Петербург, Кронверкский пр., д. 49. секретарю диссертационного совета Д 212.227.01

Автореферат разослан « 4Г » октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 Кандидат технических наук, доцент В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ аэрозолей в приземном слое воздуха относится к числу актуальных проблем экологического мониторинга, поскольку носителями аэрозоля могут выступать патогенные биоаэрозоли (ПБА), способные вызывать аллергические реакции и заболевания человека. Одной из важных задач, стоящей перед биомониторингом приземного слоя воздуха атмосферы, является обнаружение патогенных ПБА и установление их видовой принадлежности. 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 респирабелыюй (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. При этом наибольшая информативность обеспечивается измерением характеристик спектров флуоресценции триптофана и других ароматических аминокислот в спектральном интервале ДА.фл("=310 -ь 380 нм при возбуждении излучением с длинами волн ДХВОз(1,=250 ч- 290 нм.

Однако исследование аэрозолей только на основе регистрации излучения флуоресценции, возбуждаемой в диапазоне длин волн Д)^,"', сопряжено с рядом трудностей. Во-первых, флуоресценция триптофана при ДА.,^1' свойственна всем биологическим частицам, что затрудняет регистрацию ПБА в присутствии естественного биологического аэрозольного фона атмосферы и приводит к росту вероятности ложных срабатываний сигнализатора ПОМ. Во-вторых, из-за частичного перекрытия спектров флуоресценции триптофана биологических частиц проявляется ограничение на проведение условно-групповой дифференциации патогенных биоаэрозолей с точки зрения количества выделяемых условных таксономических групп, информация о которых важна для оперативной профилактики ПБА. Указанные трудности требуют использования при измерениях на основе ПОМ 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 триптофана, возбуждаемых излучением ДА.В03(2) >ДА.ВОз(1). Однако данное решение, с одной стороны, не всегда обеспечивает повышение избирательности в присутствии фоновых аэрозольных частиц, а с другой стороны — приводит к существенному усложнению устройств ПОМ. Следовательно, является актуальной задача поиска новых информативных признаков, повышающих избирательность метода.

В качестве новых маркеров, расширяющих границы ПОМ как метода анализа ПБА, потенциально могут выступать сигналы углового распределения флуоресценции и углового распределения упругого рассеяния аэрозольных частиц.

Целью диссертационной работы является повышение избирательности проточно-оптического метода за счет включения в состав анализатора дополнительных информационных каналов для измерения характеристик индикатрисы флуоресценции и индикатрисы рассеяния отдельных частиц биоаэрозоля.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели требует решения следующих научно-технических задач:

1. Разработка метода моделирования индикатрисы флуоресценции биоаэрозолей и анализ на его основе зависимости пространственного распределения флуоресценции от характеристик частиц биоаэрозоля.

2. Разработка оптической системы регистрации для аппаратуры ПОМ, обеспечивающей возможность регистрации параметров индикатрисы флуоресценции и индикатрисы рассеяния частиц аэрозоля.

3. Проведение экспериментальных исследований зависимости параметров индикатрисы флуоресценции и индикатрисы рассеяния частиц биоаэрозоля от их характеристик с помощью разработанной аппаратуры ПОМ.

Научная новизиа:

1. Разработан метод численного моделирования углового распределения флуоресценции аэрозольных частиц, позволяющий:

- вычислять угловое распределение флуоресценции с учетом совместного влияния

эффекта преломления излучения на поверхности частицы и эффектов поглощения;

- отдельно анализировать вклады эффектов поглощения и преломления излучения в

асимметрию индикатрисы флуоресценции частицы.

На основе разработанного метода выполнено численное моделирование угловой зависимости флуоресценции для частиц аэрозоля сферической и эллиптической формы, оптические характеристики которых соответствуют экспериментальным данным, для бактерий Erwinia herbicola и спор Bacillus subtilis, полученными исследователями Tuminello P.S., Arakawa Е.Ти др. (лаборатории Health Sciences Research Division, Oak Ridge National Laboratory, США).

2. Теоретически показано, что индикатриса флуоресценции частиц аэрозоля анизотропна и определяется совместным действием геометрического эффекта преломления излучения поверхностью частицы и эффектов поглощения излучения на длинах волн возбуждения и флуоресценции. Разработана методика определения оптических параметров частиц биоаэрозоля Д,, Оф, к„, (значения оптической плотности (D) и показателя поглощения (к) на длинах волн возбуждения и флуоресценции) на основе измерения характеристик индикатрисы флуоресценции а и ß (агЕн обратноеЯГн прямое и $=Ен обратное/Ен боковое, где Ел обратное, Ей прямое и Ей боковое - доли энергии флуоресценции, излучаемые частицей аэрозоля в обратном, прямом и боковом направлениях регистрации).

3. Разработаны оптические системы регистрации аэрозольных частиц, обеспечивающие: 1) возможность измерения характеристик пространственного распределения световой энергии

флуоресценции и рассеяния; 2) возможность измерения интегральных (угол светосбора £2 = Зл стер или П = 2л: стер) сигналов флуоресценции или упругого рассеяния в нескольких широких спектральных диапазонах; 3) высокую точность измерений сигналов флуоресценции и упругого рассеяния.

4. Экспериментально показано, что:

- индикатриса флуоресценции биоаэрозолей анизотропна и определяется эффектами поглощения и преломления частиц;

- измерение характеристик индикатрисы флуоресценции а, ß позволяет оценивать поглощающие свойства аэрозолей. Показано, что для оптически плотных на длинах волн флуоресценции веществ (споры Bacillus subtilis) наблюдается существенное изменение характеристик индикатрисы при переходе от одного спектрального диапазона измерений к другому, тогда как индикатриса слабо поглощающих флуоресценцию веществ (белок Ovalbumin) мало зависит от выбора спектрального диапазона регистрации;

- измерение характеристик индикатрисы флуоресценции и характеристик индикатрисы упругого рассеяния, которые являются новыми информативными признаками биоаэрозолей в ПОМ, обеспечивает получение дополнительной информации о свойствах частиц биоаэрозоля и, тем самым, повышают информативность и избирательность ПОМ.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Метод численного моделирования углового распределения флуоресценции аэрозольных частиц.

2. Результаты численного моделирования зависимости характеристик индикатрисы флуоресценции а и (3 от значений оптической плотности вещества Дв, Д, на длинах волн возбуждения и флуоресценции. Методика определения оптических параметров Дв, Дф, кв, кф (значения оптической плотности (Д) и показателя поглощения (к) на длинах волн возбуждения и флуоресценции) на основе измерения характеристик а и (3.

3. Оптические системы возбуждения и регистрации оптических сигналов для аппаратуры ПОМ.

4. Результаты экспериментальных исследований, показавшие, что:

- на основе измерений параметров индикатрисы флуоресценции возможна оценка поглощающих свойств аэрозолей;

- измерение характеристик индикатрисы флуоресценции и характеристик индикатрисы рассеяния повышает избирательность ПОМ.

Методы исследования, используемые в работе: математическое моделирование, метод компьютерного моделирования на основе программы Zemax-EE, экспериментальные исследования, статистические методы, компьютерная обработка результатов измерений.

Теоретическая п практическая значимость. Разработан метод численного моделирования углового распределения флуоресценции аэрозольных частиц. Получены результаты численного моделирования зависимости характеристик индикатрисы флуоресценции а и (3 от значений оптической плотности вещества Д, Т)^ на длинах волн возбуждения и флуоресценции. Разработана методика определения оптических параметров Д, Оф, к,, кф (значения оптической плотности (О) и показателя поглощения (к) на длинах волн возбуждения и флуоресценции) на основе измерения характеристик аир. Разработана аппаратура ПОМ, позволяющая исследовать аэрозоли на основе измерения параметров индикатрис флуоресценции и рассеяния, а также на основе измерения сигналов флуоресценции, регистрируемых в широких телесных углах и сигналов упругого рассеяния. Исследована избирательность новых информативных признаков ПОМ. Показано, что новые информативные признаки биоаэрозолей повышают информативность ПОМ. Реализация результатов работы позволяет:

- вычислять угловое распределение флуоресценции частиц аэрозоля на основе известных оптических характеристик частиц;

- проводить исследование оптических характеристик частиц аэрозоля Д, Д,, къ, £ф на основе измерения параметров индикатрисы флуоресценции частиц аэрозоля методом ПОМ;

- проводить неспецифический экологический мониторинг с целью первичного выявления и дифференциации ПБА. При этом измеряемые характеристики ипдикатрисы флуоресценции или индикатрисы рассеяния могут использоваться в качестве независимых параметров при классификации частиц, либо как дополнение к существующим признакам с целью повышения избирательности ПОМ.

В частности, измерение характеристик индикатрисы флуоресценции оказывается полезным при разделении биоаэрозолей, отличающихся показателями поглощения кп, ¿ф, таких как вегетативная и споровая форма патогенных клеток, которые плохо различимы спектральными методами ПОМ. Измерение характеристик индикатрисы рассеяния оказываются полезными при классификации биоаэрозолей, близких по спектральным свойствам спектров флуоресценции, но отличающихся агрегатным состоянием.

Апробация результатов исследований. Материалы исследований по теме диссертации изложены в статьях в изданиях, включенных в Перечень ВАК, докладывались и обсуждались на 4й Всероссийской с международным участием научной конференции «Метромед 2011», Всероссийской научно-технической конференции «Медицинские информационные системы» («МИС-2012) г. Таганрог, научно-технических конференциях в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 публикаций, в том числе 6 статей в реферируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ, патент РФ на изобретение, патент РФ на ПМ.

Содержание работы.

Во введении выполнена постановка задачи поиска дополнительных информативных признаков биоаэрозолей при измерении ПОМ и показана актуальность ее исследования. Излагаются основные задачи исследования и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние и общие принципы проточно-оптического метода анализа биоаэрозолей. Показана роль ПОМ в общей структуре биомониторинга, рассмотрена архитектура схемы возбуждения аэрозольных частиц в ПОМ, проведен анализ физических принципов ПОМ на основе измерения характеристик спектров флуоресценции и сигналов упругого рассеяния, рассмотрены общие принципы анализа данных в ПОМ, приведен обзор современных систем на основе ПОМ, показана актуальность задачи о необходимости поиска дополнительных информативных признаков частиц биоаэрозоля в ПОМ и предложено исследовать в качестве новых информативных признаков характеристики индикатрисы флуоресценции и индикатрисы рассеяния частиц аэрозоля.

В современных системах биомониторинга анализ биоаэрозолей с целью выявления и идентификации ПБА осуществляется как методами специфической, так и неспецифической индикации. В настоящее время типовые системы неспецифической индикации (НИ), не обладая достаточной избирательностью для определения вида опасного возбудителя, применяются для раннего обнаружения аномалий биологического аэрозольного фона атмосферы. Среди подходов НИ наиболее перспективным методом неспецифического анализа с целью обнаружения ПБА и проведения последующей условно-групповой дифференциации является проточно-оптическни метод.

В общем случае ПОМ подразумевает:

А) воздействие на отдельную частицу в области анализируемого объема возбуждающим излучением ультрафиолетового диапазона длин волн и регистрацию ее отклика — флуоресценции и упругого рассеяния света;

Б) поступление частиц в потоке воздуха в область анализируемого объема (АО - область пересечения потока частиц и луча возбуждающего излучения) преимущественно по одной, что позволяет разделять сигналы от частиц разного типа в анализируемой пробе.

Основными преимуществами ПОМ относительно других методов НИ являются: 1) возможность проведения мониторинга аэрозолей в режиме реального времени; 2) высокая скорость анализа (характерные времена анализа не превышают нескольких десятков секунд); 3) высокая чувствительность; 4) потенциальная возможность выполнения дифференциации ПБА по таксономическим группам.

Основным качественным требованием, предъявляемым к устройству НИ, является его способность различать частицы ПБА при наличии в атмосфере аэрозолей мешающих примесей. В ПОМ основой для выполнения данного требования является выбор спектрального диапазона возбуждения и спектральных диапазонов регистрации флуоресценции различных флуорофоров. Наиболее информативным для разделения биологических и небиологических аэрозолей является регистрация спектров флуоресценции триптофана и других ароматических аминокислот при возбуждении длинами волн ДХ„та<1)=250 -г- 290 нм. Известно, что при возбуждении в диапазоне ДХВ0,"' спектры флуоресценции белков представляют собой комбинации элементарных спектров триптофанов, находящихся в различном локальном окружении. При этом сами молекулы, окружающие триптофан, в значительной степени влияют на положение спектров флуоресценции и квантовый выход триптофана. В общем случае можно выделить 5 дискретных классов возможных состояний триптофана, определяемых его молекулярным окружением. С точки зрения спектра флуоресценции различие в классах проявляется в положении максимума спектра, его ширине и квантовом выходе флуоресценции.

Однако исследование аэрозолей ПОМ только на основе измерения характеристик спектров флуоресценции триптофана, возбуждаемого в диапазоне ДХВ03{1), сопряжено с рядом трудностей. Так как неспецифический характер флуоресценции триптофана свойственен всем без исключения биологическим частицам, зачастую затруднено выделение опасных биологических частиц в присутствии флуоресцирующего фона как биологического, так и небиологического

происхождения. Кроме того, вследствие частичного перекрытия спектров флуоресценции триптофана биологических частиц проявляется ограничение на проведение условно-групповой дифференциация ПБА с точки зрения количества выделяемых условных таксономических групп. Дополнительная информация о таксономической группе патогенов, например, находится ли клетка возбудителя в вегетативной или споровой форме, может быть использована для оперативной профилактики воздействия ПБА. Указанные трудности снижают избирательность метода.

В современных системах ПОМ для повышения избирательности измеряются характеристики спектров флуоресценции флуорофоров, отличных от триптофана, возбуждаемых излучением ЛХ„01(2) >АХВ01(|'. Однако при наличии фоновых частиц данное решение не всегда гарантирует повышение избирательности метода и при этом требует использования дополнительного источника возбужден™ в диапазоне АЯроз , что усложняет конструкцию устройства ПОМ. Возможным путем решения данной проблемы является поиск дополнительных информативных признаков, увеличивающих избирательность метода. В качестве новых маркеров, расширяющих границы ПОМ как метода анализа ПБА, потенциально могут выступать характеристики пространственного распределения интенсивности (индикатрисы) флуоресценции аэрозольных частиц или индикатрисы рассеяния.

Ранее в ПОМ измерение характеристик индикатрисы флуоресценции не использовалось в качестве информативного признака для решения задачи анализа и классификации аэрозолей. Однако, ранее (Сидоренко В.М. Молекулярная спектроскопия биологических сред. М.: Высшая школа, 2004.) была найдена аналитическая связь между оптической плотностью частицы Dx, находящейся в воде (относительный показатель преломления частица/внешняя среда ~1), и параметрами индикатрисы флуоресценции, где

Dx=hx, , (1)

где к,_ — показатель поглощения излучения на длине волны Л, х - максимальная толщина частицы в направлении оси возбуждающего излучения. Так как различные ПБА могут существенно отличаться величиной показателя поглощения, то измерение параметров индикатрисы флуоресценции, определяемой свойствами поглощения, может повысить избирательность ПОМ при классификации указанных биоаэрозолей.

Для частиц аэрозоля относительный показатель преломления частица/внешняя среда ~1.5, поэтому при возбуждении частиц наряду с поглощением присутствуют эффекты преломления возбуждающего и флуоресцентного излучения на поверхности частицы. Влияние преломления на индикатрису флуоресценции слабо поглощающих аэрозольных частиц было показано в работах (см., например, Domann R. и др. A study of the influence of the influence of absorplion on the spatial distribution of fluorescence intensity within large droplets using Mie theory, geometrical optics and imaging experiments // Meas. Sei. Technol. 2002. №13. P. 280-291), в которых исследовались частицы аэрозоля с относительным показателем преломления в диапазоне п = 1.36 - ilO"6 -1.33 - Í5-10"4. Ввиду низких оптических плотностей исследуемых частиц, влияние поглощения в рассматриваемых экспериментах было незначительным, и индикатриса определялась главным образом эффектами преломления излучения поверхностью частицы.

Также ранее (Мальцев В.П. Сканирующая поточная цитометрия: дис. д-ра физ.-мат. наук: 01.04.05 / Новосибирск. 2000. 222с.) было показано, что измерение характеристик индикатрисы рассеяния в нескольких широких углах регистрации является источником дополнительной информации о свойствах отдельных микрочастиц и, следовательно, потенциально может выступать в качестве дополнительного информативного признака в ПОМ. Экспериментальные и теоретические оценки избирательности данных маркеров в рамках настоящей работы позволят оценить возможность использования параметров индикатрисы рассеяния в качестве новых информативных признаков ПОМ.

Во второй главе приводится описание разработанного метода численного моделирования углового распределения флуоресценции аэрозольных частиц, а также результаты вычислений углового распределения флуоресценции, выполненные на его основе.

При моделировании углового распределения флуоресценции частиц аэрозоля принимались следующие допущения:

1) Моделирование производится в рамках геометрической оптики: и=Аис!Пм 1,

где -диаметр частицы, X - длина волны излучения.

2) Частица состоит из однородного и изотропного по оптическим свойствам вещества.

3) Форма поверхности частицы — сфера или эллипсоид.

4) Большая ось эллиптической частицы параллельна потоку.

Для вычисления параметров индикатрисы флуоресценции было предложено представить излучающий флуоресценцию объем частицы набором слоев цилиндрической формы одинаковой высоты Л по оси 2, соосных возбуждающему излучению. В таком случае энергия флуоресценции Ен, излученная в выбранном направлении регистрации, определяется суммой вкладов отдельных флуоресцирующих слоев Ен.сл/¡:

=АУ-*^.±-тЛ±/ « , (2)

(=1 с (=1 у=1

где Д V — малый флуоресцирующий кубический объем, размеры которого много меньше линейных размеров частицы, т — число элементарных объемов, которые укладываются по оси каждого 1-го цилиндрического слоя высотою й, к - коэффициент, учитывающий эффективность возбуждения флуоресценции (к = КАЪ%, К — коэффициент поглощения на длине волны возбуждения, % - квантовый выход флуоресценции), с - скорость света, .V — число цилиндрических слоев, т, - относительное пропускание возбуждающего излучения вдоль оси 2 суммы (/-1) слоев, предшествующих ;-му слою частицы, Т|, - доля флуоресцентного излучения, пришедшая от /-го слоя в выбранном направлении регистрации (определяется формой частицы, комплексным показателем преломления п и учитывает, в том числе, поглощение флуоресценции веществом частицы), р, — число элементарных объемов в каждом сечении /-го цилиндрического слоя, — плотность потока возбуждающего излучения на j-м элементарном объеме внутри /-го цилиндрического слоя.

Расчет энергии флуоресценции Ен, определяемой соотношением (2), может быть реализован в 2 этапа в программе гетах-ЕЕ или другой программе с аналогичными возможностями расчета. На нервом этапе вычислений Е„ для каждого /-го флуоресцирующего слоя в программе расчета вычисляется распределение плотностей потока / ^ внутри частицы с учетом преломления возбуждающего излучения на поверхности частицы.

На втором этапе в программе расчета проводится расчет флуоресцентного излучения Ец.ал, дошедшего до приемников, расположенных вне частицы, от каждого /-го излучающего слоя. Моделью излучающего слоя является набор изотропно излучающих точечных источников, расположенных в одной плоскости, с мощностью каждого источника, пропорциональной Следует отметить, что при этом учитывается поглощение

флуоресцентного излучения на оптических путях лучей внутри частицы.

На завершающем этапе расчета находится энергия флуоресценции Е„, излучаемая частицей в выбранном направлении регистрации, как сумма вкладов отдельных слоев Е„ сл/,.

Предложенный метод расчета позволяет определить степень влияния отдельных эффектов на индикатрису частицы по трем вариантам расчета:

1) учет только эффектов преломления (без учета поглощения);

2) учет преломления и поглощения возбуждающего излучения;

3) учет преломления, поглощения возбуждающего излучения, поглощения "излучения флуоресценции.

В общем случае предложенный метод позволяет провести численное моделирование индикатрисы флуоресценции частицы аэрозоля с произвольной формой поверхности, освещаемой внешним источником с произвольным распределением плотности светового потока.

При моделировании на основе предложенного метода исследовалась флуоресценция аэрозольных частиц в направлениях: «обратное» (противоположно оси возбуждающего излучения), «прямое» (совпадает с осью возбуждающего излучения), «боковое» (ортогонально

оси возбуждающего излучения). Числовая апертура телесных углов светосбора флуоресценции в каждом направлении составляла ЛИ=0.18. При этом для удобства анализа углового распределения флуоресценции использовались отношения:

Е„ обратное Е„ обратное ^

Еи прямое Ен боковое

Полученные результаты зависимостей а и (3 для частиц различной оптической плотности представлены на рис. 1. Все точки на кривых а и (3 соответствуют определенному размеру частиц, оптические характеристики которых соответствуют трем типам:

1) слабо поглощающие частицы (Ов ф < 0.2-5-0.5). К таким частицам можно отнести бактерии Егмгта ИегЫсо1а размером 1-5-10 мкм при возбуждении ^=360 нм и регистрации флуоресценции с пиком на 430 нм: «>.=збо =1-545 - /0.00035 (А.=збо =0.013-й). 13), пх-лзо =1.533 -/0.000279 (Д.=4зо =0.008+0.08);

2) частицы, оптически плотные для возбуждающего излучения (£>в>0.2) и слабо

поглощающие излучение флуоресценции (0ф<0.2). Бактерии Егш1П1а ЬегЫсо1а являются оптически плотными для возбуждающего излучения Х.=265 нм л^=2б5 =1.59 — /0.00035 (¿>,.=265 =0.2+1.8) и прозрачными для пика флуоресценции Х=360 нм я>.=збо =1.545 - /0.00035 (А.=збо=0.013+0.13);

3) оптически плотные частицы (0в ф>0.5). Споры 1+10 мкм являются оптически плотными частицами как при возбуждении на 265 нм, так и для флуоресценции на длинах волн 365 нм и 430 нм соответственно: т=265 =1-55 - ¡0.014 (А=265 =0.65+6.54), п^=зб5=1.53 - ¡0.016 (А.=збз =0.56+5.69), «>.=430=1.52-/0.0 1 7 (А.=4зо =0.52+5.2).

В общем случае степень влияния отдельных эффектов на индикатрису флуоресценции зависит от величин оптических плотностей частицы на длинах волн возбуждения Ов и флуоресценции Оф. Для слабо поглощающих частиц Ов ф<0.2+0.5 влияние поглощения незначительно, и индикатриса определяется главным образом геометрическим эффектом преломления излучения на поверхности частицы (рис. 1, а - кривая 1, (3 - кривая 2).

Рис. 1

Отношения а.=Е„ обратное / Е„ прямое и,3= Е„ обратное/ Е„ боковое в зависимости от оптической плотности излучающей частицы.

1- а, 2 - р, при ф < 0.13; 3- а, 4 - р, при Бв > 0.2, Бф < 0.2; 5 - а, 6 - Р, при 0.5<0вф<6.5

Если частица является оптически плотной для возбуждающего излучения (0В>0.2) и при этом прозрачной или слабо поглощающей для излучения флуоресценции (0ф<0.2), ее индикатриса определяется совместным действием геометрического эффекта и эффекта поглощения возбуждающего излучения. Для таких частиц ослабление влияния геометрического эффекта при Ов >0.2 приводит к уменьшению а и с ростом Ов , и при Ов >3.7 индикатриса частицы имеет максимум в направлении «прямое» (рис. 1, а - кривая 3, Р - кривая 4).

Индикатрису флуоресценции оптически плотных частиц (йв ф>0.5) определяет совместное действие всех перечисленных эффектов. Как видно из рис. 1, а (рис. 1, кривая 5) имеет минимум в области Дв = 2-3. Для частиц с Дв <3 преобладает эффект уменьшения а при увеличении Д, за счет ослабления геометрического эффекта.

При Ов>3 для таких частиц энергия флуоресценции в обратном направлении стремится к некоторому пределу, тогда как флуоресценция в прямом направлении стремится к нулю.

Поведение параметра (5 (рис. 1, кривая 6) объясняется аналогичным образом с той лишь разницей, что флуоресценция в боковом направлении не стремится к нулю при больших значениях Дв и достигает некоторого предела для абсолютно непрозрачной частицы (флуоресцирует только поверхность частицы). Результаты расчетов показывают, что в большом диапазоне значений оптической плотности (0.6< Оъ <6.5) величина р оптически плотных частиц (рис. 1, кривая 6) не превышает значений р слабо поглощающих частиц (рис. 1, кривая 2).

Представленные на рис. 1 результаты численного моделирования параметров а и (3 позволяют проводить оценки оптических плотностей Д ,Оф и показателей поглощения к„, для отдельных регистрируемых частиц, предполагая, что их форма и свойства близки к свойствам модельных расчетных частиц по следующей методике:

1) если для отдельной частицы а = 2.8 .. 3.5 и |3 = 3.2 .. 4.0 то Дв>ф < 0.2;

2) если а<р (р-а=0.4..0.5), то Дв > 0.2, Дф < 0.2, при этом значения Дв могут быть найдены по кривым 3,4 рис. 2.5;

3) если а = р ~ 1.6..2, то Д,ф > 0.2 и значения оптической плотности находятся в диапазонах Дв = 0.65 .. 3.4 (кривые 5,6 при Д, < 3), Оф = 0.6 .. 3;

4) если а>р, то Д,,ф > 0.2 и значения оптической плотности находятся в диапазонах Д„ = 3.4 .. 6.5 (кривые 5,6 при Д„ > 3), Дф =3..6. (кривая Дф, соответствующая кривой Дв, на рис 2.5 не показана);

5) при условии измерения диаметра частицы с! в дополнительном канале регистрации устройства ПОМ (например, канале упругого рассеяния) для найденных Д ,£>ф, по формуле (1) могут быть вычислены значения показателей поглощения £в, А'ф на длинах волн возбуждения и флуоресценции.

Предложенный метод численного моделирования позволил провести оценки углового распределения флуоресценции частиц ПБА для неравномерного распределения концентрации флуоресцирующих молекул при известной функции распределения молекул в объеме частицы. Оценка для частицы с флуоресцирующими краевыми слоями показала возрастание асимметрии индикатрисы флуоресценции по сравнению с частицей, для которой концентрация флуоресцирующих молекул постоянна по объему частицы.

Следствием асимметрии индикатрисы является сужение диапазона сигналов флуоресценции оптически плотных частиц одной формы, но разного размера. В этом случае границы диапазона определяются выбранными углами регистрации: наименьшее влияние на положение границ диапазона отмечено для направления регистрации «обратное», наибольшее — для «прямое».

Индикатриса флуоресценции существенно зависит от формы аэрозольной частицы и от ее ориентации относительно возбуждающего излучения. Эллиптическая форма модельной слабо поглощающей (Дв.ф<0.2) частицы с соотношением длин осей (1/5) снижает значения а, [5 более чем в два раза.

В ПОМ оптические характеристики вещества Дв, Дф, £в, £ф или параметры индикатрисы флуоресценции аир, определяемые данными характеристиками, могут быть использованы в качестве новых информативных признаков биоаэрозолей при решении задачи классификации различных ПБА. Например, данные параметры могут быть эффективны при разделении биоаэрозолей, отличающихся показателями поглощения к,, £ф, например, таких как вегетативная и споровая форма патогенных клеток, которые плохо различимы спектральными методами ПОМ.

Кроме того, для реальных патогенных бактерий и спор разброс размеров с1, а следовательно, оптических плотностей Д, Дф, не превышает 10-15%. Поэтому в задаче исследования малых концентраций ПБА, например, в задаче контроля чистоты помещений медицинских учреждений и исследовательских лабораторий, где мала вероятность коагуляции частиц, информативность признаков Д, £)ф может оказаться особенно высока.

В третьей главе приводится описание разработанных автором высокоэффективных оптических систем регистрации параметров аэрозольных частиц, которые обеспечивают: 1) возможность измерения пространственного распределения световой энергии флуоресценции и рассеяния; 2) возможность измерения интегральных (угол светосбора П = Зл стер или П = 2л стер) сигналов флуоресценции или упругого рассеяния в нескольких широких спектральных диапазонах; 3) высокую точность измерений сигналов флуоресценции и упругого рассеяния; приводится описание конструкции сигнализатора ПБА, в основу которой положены разработанные системы регистрации.

Также выполнена оценка точности измеряемых сигнализатором сигналов; приведено описание схемы измерения признаков биоаэрозолей сигнализатором ПОМ в условиях лаборатории.

В современных системах на основе ПОМ низкое значение избирательности метода связано с ограниченным набором информативных признаков, характеризующих частицы аэрозоля. Поэтому задача разработки оптической системы регистрации, обеспечивающей измерение новых информативных признаков ПБА в ПОМ - параметров индикатрисы флуоресценции и характеристик индикатрисы рассеяния, является актуальной. Кроме того, в разрабатываемой системе необходимо предусмотреть возможность измерения информативных признаков, широко используемых в ПОМ в настоящее время - регистрацию характеристик спектров флуоресценции, возбуждаемой в диапазонах ДЛВоз и ДА,В03 , что позволит сравнить избирательность данных признаков с избирательностью новых маркеров ПБА.

Необходимыми требованиями к разрабатываемой оптической системе являются:

1) возможность исследования индикатрисы флуоресгрнг/ии аэрозольной частицы;

2) возможность одновременной регистрации нескольких спектральных диапазонов флуоресценции и рассеяния при возбуждении аэрозолей излучением ДХ Воз " ДХвоз

3) возможность исследования индикатрисы рассеяния аэрозольной частиг{ы;

4) возможность освещения области АО излучением нескольких УФ источников с длинами волн УФ возбуждения в диапазоне ДХ В03 и ДХ-ВОЗ

Особо важным фактором, определяющим чувствительность и избирательность метода, является обеспечение в устройствах ПОМ высокого отношения сигнал/шум (СШ):

3 .¡З'+З' + З'

СШ = - = ±Л-*-(4)

I Ыс-ф

где 8 - среднее квадратичное отклонение (СКО) измеряемого сигнала, / - величина измеряемого сигнала, Ыс - число фотонов полезного сигнала частицы, пришедшее на приемник, Ф - квантовый выход фотокатода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ - используется в ПОМ в качестве приемника в силу малой величины измеряемых сигналов флуоресценции), 8С — СКО полезного сигнала, возникающее вследствие стохастичности процесса эмиссии фотоэлектронов с фотокатода ФЭУ, плотность вероятности которого описывается распределением Пуассона (6с = ), 6ф - СКО полезного сигнала, вследствие присутствия фоновой оптической

подсветки (5ф =^ф-ф, Ыф - число фотонов фоновой оптической подсветки приемника,

которая является долей возбуждающего излучения, попавшего в канал регистрации вследствие рассеяния излучения на оптических элементах схемы), 8М - СКО полезного сигнала вследствие присутствия электронных шумов. Таким образом, как следует из (3), задача обеспечения максимальной величины СШ сводится к:

1. Увеличению полезного сигнала Л^ на ФЭУ, который определяется:

- эффективностью возбуждения флуоресцентного излучения частиц биоаэрозоля, т. е. длиной волны и плотностью энергии возбуждающего излучения, попадающего на частицу в области анализируемого объема;

- эффективностью передачи оптического сигнала частицы на ПОИ, то есть относительной величиной полезного оптического сигнала флуоресценции или упругого рассеяния, передаваемого на ПОИ.

2. Минимизацией разброса данных, вызванного присутствием в системе фоновой оптической подсветки и наличием электронных шумов.

Эффективность возбуждения частиц определяется выбором источника УФ излучения. В настоящее время применение в устройстве ПОМ малогабаритных твердотельных импульсно-периодических УФ лазеров является оптимальным с точки зрения уровня УФ мощности в диапазоне ДХ„Оз(1>=260-290 нм энергопотребления и компактности. При характерном размере пятна в области АО 0,04x0,04 см средняя плотность энергии в импульсе данных лазера составляет ря = 50-100 мкДж/см2, тогда как для современных систем ПОМ характерное значение плотности в УФ диапазоне составляет рЕ =250мкДж/см2 (данное условие является следствием формулы 3 и обеспечивает при размере телесного угла светосбора А= я/2 стер величину наименьшего сигнала флуоресценции на уровне Ис ~ 30-50 шт. и СШ ~ 0,3 (здесь для оценки принято 8Ф « 8С, 8М « 8С (см.(З))). Следовательно, для получения схожей или лучшей точности измерений при использовании твердотельного УФ лазера необходима разработка оптической системы регистрации с телесным углом светосбора 0.>2п стер.

Таким образом, дополнительными требованием к разрабатываемой системе является:

5) высокая числовая апертура объектива регистрации, обеспечивающего максимально возможный сбор излучения (С2 > 2я стер) флуоресценции частиг(ы;

6) подавление оптической фоновой подсветки, возникающей при попадании возбуждаюгцего излучения в канал регистрации (минимизация 8ф, см (3));

7) минимизации и/или коррекции приборных факторов, вносящих вклад в искажение полезного сигнала, таких как зависимость измеряемого сигнала от положения частицы в области анализа.

Дополнительным конструктивным требованием к разрабатываемой системе является:

8) минимальные габариты системы.

На основании указанных требований были разработаны оптические системы регистрации аэрозолей, на которые получены авторские свидельства РФ [1,2]. Приведем описание варианта оптической системы регистрации (рис. 2), который впоследствии был положен в основу конструкции сигнализатора ПБА.

Основным элементом системы является глубокое эллиптическое зеркало. Числовая апертура зеркала 3к страд. Зеркало имеет два технологических отверстия под луч лазера и два отверстия под сопла, формирующие поток частиц шириной 0,2+0,3 мм. Луч лазера пересекает поток частиц аэрозоля (поток на рис. 2 не показан, ортогонален плоскости рисунка) в окрестности первого фокуса зеркала. Далее, упруго рассеянное излучение и флуоресценция частицы, проходящей через область анализируемого объема (АО), расположенной в окрестности первого фокуса 1 эллиптического зеркала 2, отражается эллиптическим зеркалом в область второго фокуса. В плоскости второго фокуса ЭЗ устанавливается полевая диафрагма 3, которая выделяет границы АО и виньетирует излучение фоновой подсветки приемника, возникающей из-за неидеальности пучка возбуждающего излучения. Система линз переизображает распределение энергии в плоскости АА' торца эллиптического зеркала на приемные площадки приемников оптического излучения (ПОИ). Спектроделительные зеркала 9-11 и широкополосные оптические светофильтры 12 обеспечивают разделение излучения по заданным спектральным диапазонам регистрации излучения.

В основу работы предлагаемой оптической системы положено формирование изображения плоскости АА' торца эллиптического зеркала на приемных площадках ПОИ, т.е. выбор для системы линз плоскости АА' в качестве предметной плоскости, изображение которой передается на ПОИ. Данное решение обеспечивает:

1) возможность исследования характеристик индикатрисы флуоресценции и рассеяния аэрозольной частицы, так как плоскость АА' является проекцией поверхности эллиптического зеркала, подсвеченной точечным источником в первом фокусе, и каждому угловому положению луча, вышедшего из первого фокуса, соответствует одна точка в плоскости АА';

2) независимость измеряемого сигнала от положения частицы в области анализа, так как в плоскости АА' местное изменение плотности энергии при смещении частицы внутри АО не превышает нескольких процентов;

3) подавление фоновой оптической подсветки возбуждающего излучения, попавшей на приемную площадку приемника оптического излучения, так как в плоскости АА' локализуются положения источников фоновой оптической подсветки, которые могут быть диафрагмированы установкой диафрагмы 17 в плоскости приемной площадки ПОИ.

Рис. 2

Схема оптической системы регистрации. I - первый фокус эллиптического зеркала, 2 - эллиптическое зеркало, 3- полевая диафрагма. 4-2" линзовый объектив 1, 5- 2х линзовый объектив 2, 6-8-линза, 9-11 - спектройелителъное зеркало, 12 - оптические светофильтры, 13 - плоскость установки ПОИ, 14- бленда вывода излучения лазера,15- бленда вывода излучения лазера, 1 б-опптческая ловушка, 17-полевая диафрагма

Для возможности применения как лазерных, так и светодиодных источников была разработана система возбуждения частиц аэрозолей, которая позволяет совмещать возбуждение излучением лазерного и светодиодного источников и использовать для регистрации сигналов аэрозольных частиц описанные выше оптические системы регистрации. В данной схеме излучение светодиода фокусируется в АО через отверстие в вершине эллиптического зеркала и далее, пройдя через АО, попадает на световую ловушку, установленную в области между плоскостью АА' и диафрагмой 3. Система возбуждения лазерным излучением и система регистрации остается аналогичной описанной выше и показанной на рис 2. Из-за наличия отверстия ввода УФ пучка светодиода угол светосбора эллиптического зеркала уменьшается до Q.=2k стер, однако остается достаточно высоким и в несколько раз превышает светосбор в системах, использующих зеркальный или линзовый объектив регистрации.

На основе описанной оптической системы на базе предприятия ОАО «НПО «Прибор» был разработан и изготовлен сигнализатор ПБА с возможностью возбуждения аэрозолей лазерным или светодиодным источником излучения. Основными системами данного сигнализатора являются: оптическая система формирования возбуждающего излучения УФ лазера, оптическая система формирования возбуждающего излучения УФ светодиода, единая оптическая система регистрации сигнала с оптоэлектронными преобразователями (ФЭУ), электронная система обработки сигналов, пневматическая система формирования потока воздуха для доставки отдельных частиц в анализируемый объем. В сигнализаторе в качестве источника возбуждающего излучения в диапазоне ДЯвоз(1)=250 -г- 290 нм используется малогабаритный импульсно-периодический лазер, А.в03.=266 нм (частота импульсов лазера v=22 кГц, средняя мощность излучения Ps4 мВт), в диапазоне Д^вю(2)=330-ь380 нм - УФ светодиод NSU-033A(T) фирмы NICHIA (Япония), с длиной волны А.воз.=365нм.

Настройка сигнализатора ПБА позволила оптимизировать конструкцию системы регистрации с целью уменьшения фоновой оптической подсветки (установкой диафрагмы, виньетирующей оптические шумы) и получения максимального отношения сигнал/шум. В итоге, для частиц размером ¿=1-10 мкм величина отношения сигнал/шум для сигналов упругого рассеяния, измеряемых в канале 3, составила СШ=0,006-0,6%; сигналов флуоресценции в канале 1 (¡Ц,л.=300-400 нм) - СШ = 0,027- 2,7%, сигналов флуоресценции в канале 2 (Я^,.,-400-500 нм), СШ = 0,19-19%.

В четвертой главе описаны методика и результаты экспериментальных исследований различных информативных признаков ПОМ, включая измерение новых маркеров биоаэрозолей: характеристик индикатрисы флуоресценции и характеристик индикатрисы рассеяния. На основе полученных результатов проводится оценка избирательности различных информативных признаков ПОМ.

Выполненные экспериментальные исследования включают:

1) измерение интегральных (угол светосбора ii = Зтг стер) сигналов флуоресценции в нескольких широких спектральных диапазонах и сигнала упругого рассеяния частиц при освещении частиц излучением на длине волны Хвт.=266 нм;

2) измерение интегральных (угол светосбора Q. = 2к стер) сигналов флуоресценции в нескольких широких спектральных диапазонах и сигнала упругого рассеяния частиц при освещении частиц излучением на длине волны Хвоз.=365 нм;

3) измерение параметров аир индикатрисы флуоресценции аэрозольных частиц;

4) измерение параметров индикатрисы рассеяния аэрозольных частиц на основе регистрации сигналов рассеяния в нескольких широких углах регистрации.

Эксперименты по измерению информативных признаков частиц были выполнены в лаборатории ОАО «НПО «Прибор» с использованием разработанного сигнализатора ПБА. Подача большинства аэрозолей (все порошковые пробы веществ) на воздушный вход сигнализатора осуществлялась с использованием аэрозольной камеры, обеспечивающей требуемую степень очистки воздуха от фоновых аэрозольных частиц. Частицы водных суспензий распылялись непосредственно вблизи воздушного входа сигнализатора ПБА ингалятором PARI junior boy N, обеспечивающим средний размер частиц 3.9 мкм.

Экспериментальное измерение сигналов флуоресценции и упругого рассеяния аэрозолей при возбуждении излучением с Хът=2вв и ХВОз=365нм происходило с использованием аэрозолей белка Ovalbumin, спор бактерий Bacillus subtilis, а также почвенной пыли (биоаэрозоли, исследованные в ходе экспериментов, используются предприятием ОАО «НПО «Прибор» в качестве имитаторов ПБА при настройке сигнализаторов ПОМ и поставляются заказчиком в рамках НИР и ОКР). В продолжение экспериментальных исследований отдельные частицы аэрозоля возбуждались излучением Х,ш.=266 нм, при этом сигнализатором ПБА регистрировались сигналы флуоресценции Li, L2 в диапазонах ДЛы=300-ь400 нм и AXL2=400-s-500 нм и сигнал упругого рассеяния S. Далее частицы аэрозоля возбуждались излучением ХМ1=365 нм, при этом от отдельных частиц регистрировались сигналы Li', в диапазонах ДХц'=400^-500 нм и A\L2'=500+600 нм и сигнал упругого рассеяния S'. Для измеренных сигналов телесный угол светосбора составлял

i2 = Зп стер при Хво:1.=266 нм и £i = 2л стер при =365 нм. На основе измеренных сигналов для каждой возбужденной частицы были вычислены пары информативных признаков Li/S, L2/S для Хвт~266 нм или Li'/S', L2'/S' для Хво,.=365 нм. Измерение указанных признаков широко используется в исследованиях на основе ПОМ в настоящее время. Нормировка флуоресценции на рассеяние позволяет уменьшить разброс измерений, так как при этом минимизируется разброс, обусловленный нестабильностью источника излучения и неравномерностью распределения интенсивности излучения в области анализа. Дополнительным преимуществом данной нормировки является уменьшение зависимости разброса данных от размера частиц.

По данным измерений информативных признаков при Хвт.=266 нм и Хвоз-365 нм были построены гистограммы плотности распределения измеренных отношений (Lj/S, L2/S, Li'/S',

Ьг'ЛВ') и далее на основе гистограмм, в программе Ма(Ьсас1-14 был выполнен регрессионный анализ, позволивший определить функции плотности распределения р(х) исследуемых веществ по каждому информативному признаку х (рис. 3). В качестве вида функции р(х), параметры которой подбирались в процессе регрессионного анализа, были выбраны логарифмически-нормальное распределение (ЛНР) или сумма двух логарифмически-нормальных распределений (СЛНР). Гипотеза о соответствии функций р(х) виду ЛНР или СЛНР была обоснована предположением, что разброс размеров частиц с1 в облаке аэрозоля и, как следствие, измеренных информативных признаков подчиняется ЛНР или СЛНР закону, что верно в большинстве случаев. Полученные в результате регрессионного анализа кривые р(х) были статистически проверены на соответствие их вида экспериментальным гистограммам по критерию согласия %2- Проверка показала, что для всех измеренных веществ функция плотности распределения зарегистрированных сигналов распределена по ЛНР или СЛНР закону при уровне значимости а=0,05 (вероятность отвергнуть правильную гипотезу 5%).

я1 61 и"! г1

О 1 4 О 8 L,/S О J 4 6 s Li/5 о 2 4 e в L|VS- о : 4 О 8 Ll'/Э'

Рис. 3

Плотности распределения р признаков Li/S (a), L2/S (б), Li'/S (в), L2/S (г) спор бактерий Bacillus subiilis(l), белка Ovalbumin 1готипа(2)и 2го типа (3), почвенной пыли (4), полученные на основе регрессионного анализа экспериментальных данных (логарифмический масштаб).

Возбуждение излучением /-11(Г-266 нм (а,б) и а™,-365 нм (в,г)

Эксперименты по измерению характеристик индикатрисы флуоресценции частиц биоаэрозоля были выполнены на сигнализаторе ПБА при использовании УФ лазера с А.воз=266 нм. Измерения происходили в диапазоне длин волн A.i=30(H-400 нм и, после перенастройки сигнализатора, в диапазоне ^2=400-5-500 нм. В эксперименте исследовались частицы белка Ovalbumin, частицы водных суспензий белка Ovalbumin, которые близки по свойствам к расчетной модели, использованной в теоретических исследованиях (частицы сферической формы, однородные и изотропные по оптическим свойствам), а также споры бактерий Bacillus subtilis. При этом от каждой частицы были измерены сигналы флуоресценции -^прямое, В боковое, -^обратное в угловых секторах у,, 72, Уз (рис. 4), которые соответствуют прямому (7,), боковому (72) и обратному (73) направлению регистрации. Для учета различий в размерах угловых

Рис.4

Диаграмма углов регистрации при измерении характеристик индикатрисы флуоресценции и характеристик индикатрисы упругого рассеяния

секторов измеренные сигналы были нормированы на соответствующие значения телесных углов регистрации, также нормировкой были учтены потери излучения на оптических элементах в каждом из измерительных каналов. Следует отметить, что выбор в эксперименте углов регистрации 71, 72, 7з , отличающихся от углов теоретического расчета главы 2, был обусловлен слабой величиной сигналов флуоресценции, регистрируемой в боковом направлении регистрации (72), а также конструктивными ограничениями оптической системы

при измерении сигналов в «прямом» и «обратном» направлениях. Данные отличия экспериментальных условий и модельных расчетов позволяют только качественно сопоставить эксперимент и результаты вычислений. На основе измеренных сигналов были построены гистограммы плотности распределения информативных признаков:

О ^обратное 1Рпрямое и р- ' ' обратное оковое -

Регрессивный анализ измеренных гистограмм (аналогичный экспериментам с измерением интегральных сигналов флуоресценции при Хв03.=266 нм и А.вш.=365 нм) позволил получить плотности распределенияр(х) для признаков аир (рис. 5).

>11-300-400 нм Х:=400-500 им

Рис. 5

Плотности распределения р признаков а и Р спор бактерий Bacillus subtilis (1), белка Ovalbumin lro типа (2) и 2го типа (3), суспензий Ovalbumin (4) в спектральных диапазонах Х,=300-400 нм (а, б)и ^=400-500 нм (в, г)

Как видно из рис. 5, в диапазоне X.,=300+400 нм индикатриса флуоресценции всех веществ преимущественно изотропна (исключением является белок Ovalbumin второго типа, тогда как в диапазоне Х2=400+500 нм максимум индикатрисы оказывается смещенным в направлении источника возбуждающего излучения. Сравнение данных эксперимента с теоретическим моделированием показывает, что индикатриса флуоресценции исследуемых частиц определяется одновременным действием трех эффектов, описанных в теоретическом разделе, а именно - геометрическим эффектом преломления излучения поверхностью частицы и эффектами поглощения излучения на длинах волн возбуждения и флуоресценции. Так, нахождение максимумов р(х) в области а, /? >1 обусловлено доминирующим действием геометрического эффекта. Влияние эффектов поглощения возбуждающего излучения и излучения флуоресценции проявляется в совместном ослаблении геометрического эффекта. При этом наиболее ослабленным эффект оказывается для белка Ovalbumin второго типа в диапазоне регистрации Хь Результаты экспериментов подтвердили наличие эффекта анизотропии флуоресценции, который зависит от оптической плотности частиц аэрозоля на длинах волн возбуждения и флуоресценции.

Смещение максимумов распределений р(х) при переходе от >-i к Х2 означает, что для всех веществ в диапазоне наряду с геометрическим эффектом и эффектом поглощения возбуждающего излучения на форму индикатрисы оказывает существенное влияние эффект поглощения излучения флуоресценции. При этом поглощение флуоресцентного излучения наиболее велико для спор Bacillus subtilis, для которых величина смещения максимальна, и менее значительно у остальных веществ. Полученные результаты в целом согласуются с данными исследований Tuminello P.S., Arakawa Е.Ти др., на основе которых частицы Ovalbumin являются слабо поглощающими в диапазонах длин волн флуоресценции X] и Х2 (£>>.=360=0.013+0.13, 0р.=4зо)=0.008+0.08), а частицы спор - оптически плотными (А=зб5=0.56+5.69, ¿^30=0.52+5.2).

Экспериментальное исследование параметров индикатрисы рассеяния частиц аэрозоля было проведено для белка Ovalbumin, спор Bacillus subtilis, почвенной пыли, частиц воды и суспензий флуоресциина. Эксперименты выполнялись при освещении частиц аэрозолей УФ лазером с А^03=266 нм. Измерения сигналов, аналогичные экспериментам с измерением параметров индикатрисы флуоресценции а и р, происходили в нескольких широких угловых диапазонах уь у2, Ъ (Рис- 4, 74 - угловой сектор верхнего направления регистрации, ось

ортогональна плоскости рисунка и совпадает с осью потока частиц). На основе зарегистрированных сигналов были построены гистограммы информативных признаков

0=р,

обратное/Рпрямое,

R=P

обратное/Рбоковое,

регрессивный анализ которых

(аналогичный предыдущим экспериментам) позволил получить плотности распределения р(х) для признаков <2, Я, 5 (рис. 6).

а)

V \

ы

/к- »

/ % \

/

61

2/

/\Х

v

в)

* ч А /5 Ж V

АЛ

Рис. 6

Плотности распределения р маркеров индикатрисы рассеяния Q (a), R (б), S (в) спор бактерий Bacillus sublilis (1), белка Ovalbumin (2), почвенной пыли (3), суспензий флуоресцеина (4) и воды (5) (логарифмический масштаб)

Для оценки избирательности измерений ПОМ при разделении двух веществ i и j на основе измерения одного или нескольких информативных признаков был введен количественный критерий Р ¡j, численно равный относительной доле общего числа частиц вещества у", попавших в область распределения вещества i (границы области распределения отдельного вещества определяются по условию нахождения внутри области 95% частиц данного вещества). Ввиду более высокой информативности измерений при одновременном измерении нескольких признаков, далее приведены оценки Р,7 для нескольких одновременно измеренных информативных признаков.

Оценки Р,у для маркеров Li/S, L2/S (возбуждении излучением с Хвоз=266 нм) показали:

1) одновременное измерение признаков Li/S, L2/S при возбуждении излучением Хв03=266 нм обеспечило разделение веществ на уровне Р„<5% для большинства исследуемых аэрозолей, что указывает на высокий уровень избирательности ПОМ при использовании данных признаков;

2) существуют биоаэрозоли, подобные белку Ovalbumin второго типа, для которых величина Рд в пространстве (L|/S, L2/S) достаточно высока (Р,у>30-35%). Соответственно, остается актуальной задача поиска дополнительных информативных признаков, позволяющих улучшить избирательность ПОМ.

Оценки Р¡j для маркеров L//S', L2'/S' (возбуждешш излучением с Хвш=365 нм) показали:

1) при одновременном измерении признаков Li'/S' и L2'/S' наилучшая избирательность обеспечивается при разделении спор бактерий Bacillus sublilis и белка Ovalbumin первого и второго типов (Р,у~ 0.3-0.6);

2) область индикации пыли существенно перекрывается с областью биологических аэрозолей, и значительная доля частиц пыли попадает в области биологических аэрозолей (Р,у ~0.3 - 0.6). Следовательно, при наличии в атмосфере пылевых частиц высока вероятность ложного срабатывания сигнализатора ПБА, измеряющего только маркеры Li'/S', L2'/S'.

Таким образом, экспериментально показано, что:

1) установка дополнительного источника А.воз=365 нм не всегда обеспечивает улучшение избирательности ПОМ в присутствии мешающих примесей, но при этом приводит к значительному конструктивному усложнению и удорожанию систем ПОМ;

2) существуют биоаэрозоли, подобные белку Ovalbumin первого и второго типа, классификация которых затруднительна при Х.воз=266 нм и существенно не улучшается при Хвоз=365 нм.

Оценки Ру для характеристик индикатрисы флуоресценции а и Р выявили, что при одновременном измерении аир Ру=0.65 - 0.95. Из сравнения избирательности маркеров а, р и признаков Li/S, L2/S, которые широко используются в ПОМ в качестве дополнительных маркеров, следует, что одновременное измерение признаков а, р обеспечивает лучшую

избирательность при разделении белков Ovalbumin первого и второго типа (для а, ß: PtJ = 0.7 -0,98, для Li'/S', L2'/S': Р¡, =0.8 - 1), тогда как разделение спор и белков Ovalbumin каждого из типов обеспечивается лучше при одновременном измерении признаков Li'/S', L27S' (для а, ß: Pv =0.7 - 0.97, для Li /S, L2 /S: Pv =0.38-0.55). Тем самым избирательность признаков а, ß и Li /S , L2 /S для исследованного набора аэрозолей в целом оказывается сравнимой, что подтверждает перспективность регистрации параметров индикатрисы флуоресценции в качестве дополнительных маркеров ПОМ, например, в дополнении к признакам Li/S и L2/S.

Для маркеров индикатрисы рассеяния Q, R, S одновременная регистрация любой пары признаков из набора Q.R.S обеспечивает Ру < 5% при разделении сухой и жидкой фракций аэрозолей, тогда как избирательность при разделении любых двух веществ сухих аэрозолей, а также пары жидких аэрозолей признаками Q,R,S оказывается невысокой (Р,у > 0.93). Полученные экспериментальные результаты в целом согласуются с результатами теоретического расчета, который качественно показывает возможность разделения воды и сухих частиц с высокой избирательностью на основе измерения параметров Q, R при условии различия их поглощающих свойств. Расчет выполнялся на основе теории Ми в программе Scatlab 1.2 (www.scatlab.com).

Основные результаты работы.

1. Разработан метод численного моделирования углового распределения флуоресценции аэрозольных частиц, позволяющий:

- моделировать угловое распределение флуоресценции с учетом совместного влияния эффекта преломления излучения на поверхности частицы и эффектов поглощения;

- отдельно анализировать вклады эффектов поглощения и преломления излучения в асимметрию индикатрисы флуоресценции частицы.

2. Выполнено численное моделирование угловой зависимости флуоресценции для частиц аэрозоля сферической и эллиптической формы, оптические характеристики которых соответствуют известным оптическим постоянным бактерий и спор.

3. Теоретически показано, что индикатриса флуоресценции частиц аэрозоля анизотропна и определяется совместным действием геометрического эффекта преломления излучения поверхностью частицы и эффектов поглощения излучения на длинах волн возбуждения и флуоресценции. Определена зависимость параметров индикатрисы флуоресценции а и ß от значений оптической плотности вещества Д,, Дф на длинах волн возбуждения и флуоресценции;

4. Разработана методика определения оптических параметров D,, /)ф, (значения оптической плотности (D) и показателя поглощения (к) на длинах волн возбуждения и флуоресценции) на основе измерения характеристик а и ß.

5. Разработаны оптические системы регистрации аэрозольных частиц, обеспечивающие: 1) возможность измерения характеристик пространственного распределение световой энергии флуоресценции и рассеяния; 2) возможность измерения интегральных (угол светосбора £2 = 37t стер или О. = 2к стер) сигналов флуоресценции или упругого рассеяния в нескольких широких спектральных диапазонах; 3) высокую точность измерений сигналов флуоресценции и упругого рассеяния.

6. В результате экспериментальных исследований:

- подтверждена работоспособность и основные параметры по назначению разработанной аппаратуры ПОМ;

- введен количественный критерий избирательности Р,у, оценивающий избирательность информативных признаков при разделении двух веществ inj и равный доле общего числа частиц вещества j, попавших в область распределения вещества /;

- при классификации ряда биоаэрозолей показана необходимость поиска новых дополнительных информативных признаков ПОМ, которые улучшат избирательность метода, достигаемую на основе существующих признаков (существующее Р,у > 30-35%);

- показано, что индикатриса флуоресценции биоаэрозолей анизотропна и определяется эффектами поглощения и преломления частиц, свойства которых совпадают с результатами теоретического моделирования;

- показано, что измерение характеристик индикатрисы флуоресценции а, р позволяет оценивать поглощающие свойства аэрозолей. В частности, показано, что для оптически плотных на длинах волн флуоресценции веществ (споры Bacillus subtilis), наблюдается существенное изменение характеристик индикатрисы при переходе от одного спектрального диапазона измерений к другому, тогда как индикатриса слабо поглощающих флуоресценцию веществ (белок Ovalbumin) мало зависит от выбора спектрального диапазона регистрации;

- показано, что избирательность признаков аир оказывается сравнима с избирательностью существующих дополнительных маркеров ПОМ, что подтверждает перспективность регистрации параметров индикатрисы флуоресценции в качестве дополнительных маркеров ПБА, измеряемых в ПОМ;

- показано, что измерение характеристик индикатрисы рассеяния частиц аэрозолей в нескольких широких углах регистрации обеспечивает разделение сухих и жидких аэрозолей с высокой избирательностью (Р,у < 5%). Причиной указанного разделения является различие в свойствах поглощения исследованных веществ.

Таким образом, экспериментально подтверждено, что новые информативные признаки, полученные на основе измерения характеристик индикатрисы флуоресценции (а и Р), а также на основе измерения характеристик индикатрисы рассеяния (Q, R, S) обеспечивают получение дополнительной информации о свойствах частиц биоаэрозоля и, тем самым, повышают информативность и избирательность ПОМ.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Патент (РФ) на изобретение, № 2448340. 2012. Способ оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке и оптическая система для его осуществления. Патентообладатель: «ОАО «НПО Прибор», авторы: Кочелаев Е.А., Волчек А.О.

2. Патент (РФ) на полезную модель № 103920. 2011. Оптическая система регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке. Патентообладатель: «ОАО «НПО Прибор», авторы: Кочелаев Е.А., Волчек А.О.

3. Кочелаев, Е.А. Оптическая система регистрации для проточно-оптического метода анализа биоаэрозолей [Текст] / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек.// Оптический журнал. - 2011. - №78 (6). - С.23-30.

4. Кочелаев Е.А. Новые информативные признаки биоаэрозолей при анализе проточно -оптическим методом [Текст] / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек, В.М. Сидоренко // Измерительные и информационные технологии в охране здоровья «Метромед 2011». Сборник научных трудов международной научной конференции. Санкт-Петербург. -2011. - С. 182-187.

5. Кочелаев, Е.А. Метод расчета индикатрисы флуоресценции частиц аэрозоля. [Текст] / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек, В.М. Сидоренко // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2011. - №9. - С. 110-118.

6. Кочелаев Е.А. Исследование индикатрисы флуоресценции частиц биоаэрозоля: моделирование и эксперимент [Текст] / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек, Б.А. Елизаров, В.М. Сидоренко // Оптический журнал. - 2012. - №79 (6). - С.10 - 19.

7. Кочелаев Е.А. Экспериментальное исследование характеристик индикатрисы флуоресценции частиц биоаэрозоля [Текст] / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек, В.М. Сидоренко // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2011. - № 1. - С. 86 - 93.

8. Кочелаев Е.А. Исследование зависимости индикатрисы флуоресценции от ее оптической плотности [Текст] / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек, В.М. Сидоренко // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. - № 11 (136).

Отпечатано в типографии «СатисЪ» Санкт-Петербург, В.О., 6-я линия д. 63 Тираж 80 шт.

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

04201452616

На правах рукописи

УДК 535.31/535.37

Кочелаев Евгений Александрович

ПРОТОЧНО-ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА БИОАЭРОЗОЛЕЙ

05.11.07

Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Зверев Виктор Алексеевич

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Оглавление.....................................................................................................................................2

Введение.........................................................................................................................................4

Глава 1. Литературный обзор. Принципы проточно — оптического метода анализа биоаэрозолей................................................................................................................................14

1.1 Структура системы биомониторинга..............................................................................14

1.2 Физические принципы проточно-оптического метода..................................................17

1.2.1 Характеристики флуоресценции биологических компонент частиц биоаэрозоля. .21

1.2.2 Характеристики упругого рассеяния частиц биоаэрозоля.........................................25

1.2.3 Анализ данных, полученных устройством на основе ПОМ. Необходимость поиска новых информативных признаков частиц............................................................................27

1.3 Обзор современных систем на основе ПОМ..................................................................31

1.4 Анализ индикатрисы флуоресценции в качестве нового информативного признака

биоаэрозолей............................................................................................................................36

1.7 Постановка цели и задач диссертационной работы.....................................................38

Глава 2.Исследование зависимости характеристик индикатрисы флуоресценции частицы

аэрозоля от ее оптических свойств на основе численного моделирования...........................40

2.1. Постановка задачи анализа индикатрисы флуоресценции...........................................40

2.2 Метод численного моделирования углового распределения флуоресценции частицы аэрозоля....................................................................................................................................41

2.3 Результаты численного моделирования углового распределения флуоресценции частицы аэрозоля.....................................................................................................................46

2.4 Выводы по главе 2.............................................................................................................60

Глава 3. Разработка оптической системы регистрации устройства ПОМ, обеспечивающей измерение характеристик индикатрисы флуоресценции и параметров индикатрисы рассеяния частицы аэрозоля.......................................................................................................62

3.1 Точность измерения сигналов в ПОМ. Выбор источника оптического излучения....62

3.2 Требования, предъявляемые к оптической системе регистрации................................68

3.3 Блок-схема оптической системы. Определение геометрии объектива регистрации -эллиптического зеркала..........................................................................................................71

3.4 Оптические системы регистрации сигналов упругого рассеяния и флуоресценции. 76

3.5 Описание сигнализатора ПБА, в основу конструкции которого положены разработанные оптические схемы.........................................................................................87

3.6 Схема измерения характеристик флуоресценции и рассеяния на основе ПОМ.........96

3.7 Выводы по главе 3.............................................................................................................98

Глава 4. Экспериментальная оценка информативности новых признаков аэрозольных

частиц......................................................................................................................................100

4.1 Результаты экспериментальных исследований информативных признаков ПОМ ..101 4.1.1. Измерение интегральных (угол светосбора Г2=3к стер или 0=2п стер) сигналов флуоресценции в нескольких широких спектральных диапазонах и сигнала упругого рассеяния частиц при освещении частиц излучением на длинах волн Яв03.=266 нм и ЯвЮ.=365 нм............................................................................................................................101

4.1.2 Измерение характеристик индикатрисы флуоресценции аэрозольных частиц.....105

4.1.3 Измерение характеристик индикатрисы рассеяния аэрозольных частиц..............111

4.2. Анализ полученных результатов. Оценка избирательности информативных признаков ПОМ.....................................................................................................................114

4.2.1 Оценка избирательности ПОМ при измерении интегральных сигналов флуоресценции и сигнала упругого рассеяния при возбуждении частиц излучением на длинах волн Яв03.=266 нм и Лвоз.=365 нм.............................................................................117

4.2.2 Оценка избирательности ПОМ при измерении характеристик индикатрисы

флуоресценции аэрозольных частиц...................................................................................122

4.2.2 Оценка избирательности ПОМ при измерении характеристик индикатрисы

рассеяния аэрозольных частиц.............................................................................................128

4.3 Выводы по главе 4...........................................................................................................130

Заключение.................................................................................................................................132

Основные результаты диссертационной работы....................................................................134

Список сокращений...................................................................................................................136

Список литературы....................................................................................................................137

Приложеиия...............................................................................................................................144

Приложение 1. Результаты численного моделирования значений энергий флуоресценции Ен; (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.......................................................................................144

Приложение 2. Измеренные гистограммы плотности распределения р| информативных

признаков ПОМ.........................................................................................147

Приложение 3. Оценка параметров индикатрисы рассеяния СЬ И...................................151

Введение

Анализ аэрозолей в приземном слое воздуха относится к числу актуальных проблем экологического мониторинга, поскольку носителями аэрозоля могут выступать патогенные биоаэрозоли (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 респирабельной (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 -т- 380 им при возбуждении излучением с длинами волн ДА.ВО,(1)=250 -г 290 нм.

Однако, анализ аэрозолей на основе измерения спектров флуоресценции, возбуждаемой в диапазоне длин волн АА.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

триптофана, возбуждаемых излучением ДХВ03(2) >АХВ03(1). Однако данное решение, с одной стороны, не всегда обеспечивает повышение избирательности в присутствии фоновых аэрозольных частиц, а с другой стороны - приводит к существенному усложнению устройств ПОМ. Следовательно, является актуальной задача поиска новых информативных признаков, повышающих избирательность метода.

В качестве новых маркеров, расширяющих границы ПОМ как метода анализа ПБА, могут выступать сигналы углового распределения флуоресценции и углового распределения упругого рассеяния аэрозольных частиц.

Целью диссертационной работы является повышение избирательности проточно-оптического метода за счет включения в состав анализатора дополнительных информационных каналов для измерения характеристик индикатрисы флуоресценции и индикатрисы рассеяния отдельных частиц биоаэрозоля.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели требует решения следующих научно- технических задач:

1. Разработка метода моделирования индикатрисы флуоресценции биоаэрозолей и анализ на его основе зависимости пространственного распределения флуоресценции от характеристик частиц биоаэрозоля.

2. Разработка оптической системы регистрации для аппаратуры ПОМ, обеспечивающей возможность регистрации параметров индикатрисы флуоресценции и индикатрисы рассеяния частиц аэрозоля.

3. Проведение экспериментального исследования зависимости параметров индикатрисы флуоресценции и индикатрисы рассеяния частиц биоаэрозоля от их характеристик с помощью разработанной аппаратуры ПОМ.

Научная новизна:

1. Разработан метод численного моделирования углового распределения флуоресценции аэрозольных частиц, позволяющий:

- вычислять угловое распределение флуоресценции с учетом совместного влияния

эффекта преломления излучения на поверхности частицы и эффектов поглощения;

- отдельно анализировать вклады эффектов поглощения и преломления излучения в

асимметрию индикатрисы флуоресценции частицы.

На основе разработанного метода выполнено численное моделирование угловой зависимости флуоресценции для частиц аэрозоля сферической и эллиптической формы, оптические характеристики которых соответствуют экспериментальным данным, для бактерий Erwinia herbicola и спор Bacillus subtilis, полученных исследователями Twninello

P.S., Arakawa E.Tu др. (лаборатории Health Sciences Research Division, Oak Ridge National Laboratory, США).

2. Теоретически показано, что индикатриса флуоресценции частиц аэрозоля анизотропна и определяется совместным действием геометрического эффекта преломления излучения поверхностью частицы и эффектов поглощения излучения на длинах волн возбуждения и флуоресценции. Разработана методика определения оптических параметров частиц биоаэрозоля DB, кв, Аф (значения оптической плотности (D) и показателя поглощения (к) на длинах волн возбуждения и флуоресценции) на основе измерения характеристик индикатрисы флуоресценции а и ß.

3. Разработаны оптические системы регистрации аэрозольных частиц, обеспечивающие: 1) возможность измерения характеристик пространственного распределения световой энергии флуоресценции и рассеяния, 2) возможность измерения интегральных (угол светосбора С1 = 3ж стер или Q = 2п стер) сигналов флуоресценции или упругого рассеяния в нескольких широких спектральных диапазонах; 3) высокую точность измерений сигналов флуоресценции и упругого рассеяния.

4. Экспериментально показано, что

- индикатриса флуоресценции биоаэрозолей анизотропна и определяется эффектами поглощения и преломления частиц;

- измерение характеристик индикатрисы флуоресценции а, ß позволяет оценивать поглощающие свойства аэрозолей. Показано, что для оптически плотных на длинах волн флуоресценции веществ (споры Bacillus subtilis), наблюдается существенное изменение характеристик индикатрисы при переходе от одного спектрального диапазона измерений к другому, тогда как индикатриса слабо поглощающих флуоресценцию веществ (белок Ovalbumin) мало зависит от выбора спектрального диапазона регистрации;

- измерение характеристик индикатрисы флуоресценции и характеристик индикатрисы упругого рассеяния, которые являются новыми информативными признаками биоаэрозолей в ПОМ, обеспечивает получение дополнительной информации о свойствах частиц биоаэрозоля и, тем самым, повышает информативность и избирательность ПОМ.

Основные результаты н положения, выносимые на защиту:

1. Метод численного моделирования углового распределения флуоресценции аэрозольных частиц.

2. Результаты численного моделирования зависимости характеристик индикатрисы флуоресценции а и ß (а=Еп обратноо/Ен прямое и ß~En обратное/Ен боковое, где En обратное, Ен прямое и Ен боковое - доли энергии флуоресценции, излучаемые

частицей аэрозоля в обратном, прямом и боковом направлениях регистрации) от значений оптической плотности вещества £>в, £)ф на длинах волн возбуждения и флуоресценции. Методика определения оптических параметров Вв, 1)ф, кв, Аф (значения оптической плотности (/)) и показателя поглощения (к) на длинах волн возбуждения и флуоресценции) на основе измерения характеристик а и р.

3. Оптические системы возбуждения и регистрации оптических сигналов для аппаратуры ПОМ.

4. Результаты экспериментальных исследований, показавшие, что:

- на основе измерений параметров индикатрисы флуоресценции возможна оценка поглощающих свойств аэрозолей;

- измерение характеристик индикатрисы флуоресценции и характеристик индикатрисы рассеяния повышает избирательность ПОМ.

Методы исследования, используемые в работе: математическое моделирование, метод компьютерного моделирования на основе программы 7етах-ЕЕ, экспериментальные исследования, статистические методы, компьютерная обработка результатов измерений.

Теоретическая и практическая значимость. Разработан метод численного моделирования углового распределения флуоресценции аэрозольных частиц. Получены результаты численного моделирования зависимости характеристик индикатрисы флуоресценции а и Р от значений оптической плотности вещества А,, Бф на длинах волн возбуждения и флуоресценции. Разработана методика определения оптических параметров Д,, А(>, кв, Аф (значения оптической плотности (£)) и показателя поглощения (к) на длинах волн возбуждения и флуоресценции) на основе измерения характеристик а и р. Разработана аппаратура ПОМ, позволяющая исследовать аэрозоли на основе измерения параметров индикатрис флуоресценции и рассеяния, а также на основе измерения сигналов флуоресценции, регистрируемых в широких телесных углах, и сигналов упругого рассеяния. Исследована избирательность новых информативных признаков ПОМ. Показано, что новые информативные признаки биоаэрозолей повышают информативность ПОМ. Реализация результатов работы позволяет:

- вычислять угловое распределение флуоресценции частиц аэрозоля на основе известных оптических характеристик частиц;

- проводить исследование оптических характеристик частиц аэрозоля £>ф, кв, к$ на основе измерения параметров индикатрисы флуоресценции частиц аэрозоля методом ПОМ;

- проводить неспецифический экологический мониторинг с целью первичного выявления и дифференциации ПБА. При этом измеряемые характеристики индикатрисы флуоресценции или индикатрисы рассеяния могут использоваться в качестве независимых параметров при классификации частиц, либо как дополнение к существующим признакам с целью повышения избирательности ПОМ.

В частности, измерение характеристик индикатрисы флуоресценции оказывается полезным при разделении биоаэрозолей, отличающихся показателями поглощения кв, кф, таких как вегетативная и споровая форма патогенных клеток, которые плохо различимы спектральными методами ПОМ. Измерение характеристик индикатрисы рассеяния оказываются полезными при классификации биоаэрозолей, близких по спектральным свойствам спектров флуоресценции, но отличающихся агрегатным состоянием.

Апробация результатов исследований. Материалы исследований по теме диссертации изложены в статьях в изданиях, включенных в Перечень ВАК, докладывались и обсуждались на 4-й Всероссийской с международным участием научной конференции «Метромед 2011», Всероссийской научно-технической конференции «Медицинские информационные системы» («МИС-2012) г. Таганрог, научно-технических конференциях в Санкт-Петербургск