Проточно-оптический метод анализа биоаэрозолей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Кочелаев, Евгений Александрович

• Кочелаев, Евгений Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кочелаев, Евгений Александрович

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 2

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 3

Глава 4. Экспериментальная оценка информативности новых признаков аэрозольных

частиц

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

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 Яв03.=266 нм и Лвоз.=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 4

Заключение

Основные результаты диссертационной работы

Список сокращений

Список литературы

Приложеиия

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

Приложение 2. Измеренные гистограммы плотности распределения р| информативных

признаков ПОМ

Приложение 3. Оценка параметров индикатрисы рассеяния СЬ И

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проточно-оптический метод анализа биоаэрозолей»

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-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.

Структура работы.

Во введении излагаются основные задачи исследования и результаты, выносимые на защиту. Приведено краткое содержание работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние и общие принципы проточно-оптического метода анализа биоаэрозолей. В главе показана роль ПОМ в общей структуре биомониторинга, рассмотрена архитектура схемы возбуждения аэрозольных частиц, проведен анализ физических принципов ПОМ на основе измерения спектров флуоресценции и упругого рассеяния, рассмотрены общие принципы анализа данных в ПОМ, приведен обзор современных систем на основе ПОМ, обоснована актуальность задачи поиска дополнительных информативных признаков биоаэрозолей.

Показано, что в ПОМ исследование аэрозолей на основе измерения спектров флуоресценции при облучении в области возбуждения триптофана (АА.ВО/1)=250 290нм) 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 затруднена классификация потенциально опасных биоаэрозолей. Указанные трудности требуют использования дополнительных информативных признаков, повышающих избирательность метода и улучшающих классификацию биоаэрозолей.

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

Во второй главе приводится описание разработанного метода численного моделирования углового распределения флуоресценции аэрозольных частиц, приведены результаты численного моделирования параметров индикатрисы флуоресценции частиц биоаэрозолей трех типов, отличающихся свойствами поглощения, приведены результаты численного моделирования характеристик индикатрисы флуоресценции, выполненные для частицы эллиптической формы, описана методика определения оптических постоянных параметров DB, кв, (значения оптической плотности (D) и показателя поглощения (к) на длинах волн возбуждения и флуоресценции) на основе измерения характеристик а и ß.

Для оценки возможности использования индикатрисы флуоресценции в качестве нового информативного признака аэрозольных частиц был разработан метод расчета углового распределения флуоресценции частицы аэрозоля, учитывающий как свойства поглощения, так и свойства преломления частицы.

На основе разработанного метода было выполнено численное моделирование угловой зависимости флуоресценции для частиц аэрозоля сферической и эллиптической формы, оптические характеристики которых соответствуют экспериментально измеренным оптическим постоянным бактерий Erwinia herbicola и спор Bacillus subtilis.

Результаты численного моделирования позволили определить связь между характеристиками индикатрисы флуоресценции а, ß сферических частиц и величиной оптической плотности вещества DB , £>ф на длинах волн возбуждения и флуоресценции, а и ß являются отношениями сигналов (энергии Е„) флуоресценции, излучаемой частицей в прямом, боковом и обратном направлениях регистрации :

Ен обратное Ен обратное а =---- ; ß--; .

Еи прямое Ен боковое

Кроме того, на основе численного моделирования для сферических частиц была найдена зависимость величины динамического диапазона регистрируемых сигналов от выбора направления регистрации и от поглощающих свойств частиц.

Результаты численного моделирования показали, что угловое распределение флуоресценции частицы аэрозоля анизотропно и одновременно определяется эффектами преломления излучения поверхностью частицы и поглощением излучения веществом частицы. Для слабо поглощающих частиц (оптическая плотность И на длинах волн возбуждения (индекс "в") и флуоресценции (индекс "ф") £>В1 ф < 0.2н-0.5) определяющим является геометрический эффект преломления излучения поверхностью частицы. Влияние поглощения возрастает с ростом оптической плотности и является существенным для частиц оптически плотных как на длине волны возбуждения, так и в диапазоне длин волн флуоресценции (£>в > 0.2, /)вф > 0.5). Кроме того, индикатриса флуоресценции существенно зависит от формы аэрозольной частицы. Расчет показал, что эллиптическая форма модельной слабо поглощающей (£>„_ ф < 0.2) частицы с соотношением длин осей (1/5) снижает асимметрию индикатрисы флуоресценции.

Найденная связь между параметрами а, Р и Д,, £>ф позволила разработать методику определения оптических постоянных Д, £>ф, кв, Аф (где к - показатель поглощения (А) на длинах волн возбуждения и флуоресценции) на основе измерения характеристик а и р методом ПОМ.

Новые информативные признаки биоаэрозолей Д, £>ф, кв, или связанные с ними параметры а, Р 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 кв, таких как вегетативная и споровая форма патогенных клеток, которые плохо различимы спектральными методами ПОМ.

В третьей главе приведено описание разработанных оптических систем регистрации аэрозольных частиц, позволяющих измерять параметры индикатрисы рассеяния, параметры индикатрисы флуоресценции и другие информативные признаки частиц. Рассмотрена конструкция сигнализатора ПБА, в основу которой положены разработанные системы регистрации. Показана схема измерения признаков биоаэрозолей сигнализатором ПОМ в условиях лаборатории.

Анализ современных систем на основе ПОМ показал, что низкие значения чувствительности и избирательности ПОМ связаны с:

- ограниченным набором информативных признаков, характеризующих частицы аэрозоля,

- недостаточным отношением сигнал/шум, которое при постоянном уровне электронного шума определяется выбором источника излучения и конструкцией оптической системы регистрации, а также другими приборными факторами, увеличивающими разброс измеряемых сигналов.

Тем самым, является актуальной разработка оптической системы регистрации ПОМ, обеспечивающей:

- возможность измерения пространственного распределения световой энергии флуоресценции и рассеяния;

- высокое отношение сигнал/шум;

- минимизацию приборных факторов, которые увеличивают разброс измеряемых параметров.

На основании указанных требований были разработаны оптические системы возбуждения и регистрации для аппаратуры ПОМ, обеспечивающие:

1) возможность измерения пространственного распределения световой энергии флуоресценции и рассеяния;

2) возможность измерения интегральных (угол светосбора Г2 = Зл стер или £1 = 2п стер) сигналов флуоресценции или упругого рассеяния в нескольких широких спектральных диапазонах;

3) высокую точность измерений сигналов флуоресценции и упругого рассеяния за

счет:

- высокой эффективности светосбора полезного излучения флуоресценции и рассеяния (угол светосбора П > 2л стер);

- независимости регистрируемого сигнала от положения частицы внутри области анализируемого объема;

- эффективное подавление фоновой оптической подсветки приемников возбуждающим излучением.

Кроме того, были разработаны оптические системы возбуждения аэрозолей, позволившие использовать в качестве источника излучения как УФ лазер, так и УФ светодиод.

Разработанные оптические системы были положены в основу конструкции сигнализатора ПБА на основе ПОМ. Высокая эффективность светосбора (О > 2к стер) разработанных оптических систем регистрации позволила использовать в сигнализаторе в качестве источника возбуждающего излучения в диапазоне возбуждения

ЛХПО,(1)=250 -г 290 им малогабаритный импульсно-периодический лазер Хът.=266 нм с величиной средней мощности излучения около 4 мВт при частоте повторения импульсов 22 кГц. Для возбуждения в диапазоне нм в сигнализаторе установлен

УФ светодиод NSU-033A(T) фирмы NICHIA (Япония), с длиной волны излучения А.вт.=365нм.

В четвертой главе описаны методика и результаты экспериментальных исследований маркеров индикатрисы флуоресценции, маркеров индикатрисы рассеяния, а также измерение интегральных (угол светосбора С1 = Зя стер или Q = 2к стер) сигналов флуоресценции, регистрируемых в нескольких широких спектральных диапазонах и возбуждаемых излучением УФ лазером Х=266 нм и УФ светодиодом ^=365 нм.

Для оценки избирательности информативных признаков при разделении двух веществ i и j введен количественный критерий Р,у , равный доле общего числа частиц вещества j, попавших в область распределения вещества /. На основе данного критерия получены оценки избирательности измеренных информативных признаков. Все эксперименты выполнялись с использованием сигнализатора ПБА, описание которого приведено в главе 3.

Экспериментально:

- подтверждена работоспособность и основные характеристики по назначению разработанных оптических систем регистрации аэрозолей;

- показано, что измерение сигналов флуоресценции и упругого рассеяния аэрозольных частиц при возбуждении излучением УФ лазера Хваз=266 нм и УФ светодиода А.ш„=365 нм позволяет классифицировать биоаэрозоли с помощью ПОМ, по меньшей мере, по нескольким группам. Однако существуют аэрозоли, подобные белкам Ovalbumin, отличающиеся способом пробоподготовки, классификация которых затруднительна при Ха01=266 нм и существенно не улучшается при Хц0з=365 нм, что требует поиска новых маркеров ПОМ;

- показано, что индикатриса флуоресценции частиц аэрозоля, как правило, анизотропна и определяется геометрическим эффектом преломления излучения поверхностью частицы и эффектами поглощения излучения на длинах волн возбуждения и флуоресценции;

- показано, что измерение характеристик индикатрисы флуоресценции а, /? 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. Это позволяет исследовать оптические характеристики ГЕБА в полевых условиях, когда измеряемые концентрации ПБА составляют порядка нескольких частиц в литре воздуха, а концентрация фоновых частиц на порядок и более превосходит концентрации ПБА;

- показано, что в качестве новых информативных признаков биоаэрозолей, повышающих избирательность ПОМ, могут выступать сигналы индикатрисы флуоресценции либо сигналы индикатрисы рассеяния, измеряемые в нескольких широких углах регистрации. Информативность маркеров индикатрисы флуоресценции а и р в целом качественно сравнима с избирательностью спектров флуоресценции возбуждаемых излучением Я.ВОз=365 нм, что подтверждает перспективность регистрации параметров индикатрисы флуоресценции в качестве дополнительных маркеров ПОМ. Маркеры индикатрисы рассеяния позволяют с высокой избирательностью разделять сухую и жидкую фракции аэрозолей, что потенциально полезно при классификации аэрозолей, близких по спектральным свойствам спектров флуоресценции, но отличающихся агрегатным состоянием.

Таким образом, экспериментально подтверждено, что новые информативные признаки обеспечивают получение дополнительной информации о свойствах частиц биоаэрозоля и, тем самым, повышают информативность и избирательность ПОМ.

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

1.1 Структура системы биомониториига

Аэрозольный путь распространения свойственен многим бактериальным и вирусным инфекциям. Возбудители таких инфекций, относящиеся к группе особо опасных, могут быть использованы в качестве биологического оружия, а также стать орудием биотерроризма. Кроме того, патогенные биологические аэрозоли (ПБА) могут образовываться в результате утечек и аварий на биологически опасных объектах. Таким образом, существующая вероятность загрязнения окружающей среды ПБА ставит совершенствование системы биологического мониторинга приземного слоя атмосферы в число актуальных проблем.

Первоочередной задачей, стоящей перед биомониторингом, является обнаружение ПБА в воздухе и установление их видовой принадлежности. Эффективность средств экстренной профилактики поражений патогенными частицами зависит как от достоверности определения типа биоаэрозоля, так и от времени, которое прошло с момента заражения. Так, антитоксические и противовирусные препараты наиболее эффективны в первые часы после заражения. Эффективность антибиотиков сохраняется максимальной до половинного срока инкубационного периода для заболеваний, вызванных возбудителями бактериальной и риккетсиозной природы. Учитывая, что эффективность профилактики при поражении ПБА падает с ростом времени, прошедшего с начала заражения, набор мер и средств по устранению последствий заражения должен быть оперативным и основанным на достоверной информации о биологической обстановке.

Анализ отечественных и зарубежных систем биомониторинга аэрозольной составляющей приземного слоя воздуха показывает, что в общем случае регистрация и анализ ПБА осуществляется как методами специфической, так и неспецифической индикации. Два названных класса методов обладают своими преимуществами и недостатками и характеризуются набором основных параметров, определяющих эффективность метода при анализе биоаэрозолей. Такими параметрами являются:

- избирательность - способность определять тип вещества на фоне примесных веществ;

- чувствительность - минимально детектируемая концентрация биологически опасных веществ;

- быстродействие - скорость получения результата анализа.

К группе систем специфической индикации (СИ) относят приборы (идентификаторы), которые способны определять в пробе присутствие определенных биологических агентов. В таких приборах наиболее часто применяют иммунологические и молекулярно-генетические методы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кочелаев, Евгений Александрович, 2013 год

Список литературы

1. Hindson В. APDS: The Autonomous Pathogen Detection System / B. Hindson // Biosensors and Bioelectronics. - 2004.

2. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.idahotech.com/RAZOREX/index.html

3. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://213.170.69.26/ank4.php

4. Gucker F.T. A Photoelectronic Counter for Colloidal Particles / F.T. Gucker, C.T. O'Konski, H.B. Pickard, J.N. Pitts // J. Am Chem Soc. -1947. - V.69. - P. 2322-2431.

5. Gucker F. Electronic methods of counting aerosol particles / F. Gucker, C.T. O'Konski // Chem. Rev. - 1944.-V.44.

6. Chang R. Method and instrumentation for measuring fluorescence spectra of individual airborne particles sampled from ambient air / R.Chang, Y.-L. Pan, R.G. Pinnick, S.C. Hill // Патент США № US2004125371 Al. -2004.

7. Ho J.y.-W. Fluorescent biological particle detection system / J.y.-W. Ho // Патент США № US5895922.- 1999.

8. Hairiston P.P. System for detecting fluorescing components in aerosols / P.P. Hairiston, F.R. Quant // Патент США № US5999250, 1999.

9. Jeys Т.Н. Advanced Trigger Development / Т.Н. Jeys, W.D. Herzog, J.D. Hybl, R.N. Czerwinski, A. Sanchez // Lincoln Laboratory Journal. - 2007. - V. 17. № 1. - P. 29 - 60.

10. Sivaprakasam V. Multiple UV wavelength excitation and fluorescence of bioaerosols / V. Sivaprakasam, A.L. Huston, C. Scotto, J.D. Eversole // Optics Express. - 2004. - V. 12. № 19. -P.4457 - 4466.

11. Кочелаев E.A. Способ оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке и оптическая система для его осуществления / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек // Патент на изобретение по заявке № 2010134833/28.

12. Кочелаев Е.А. Оптическая система регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек // Патент на полезную модель РФ № 103920.-2011.

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

14. Eversole J.D. Continuos, rapid biological aerosol detection with the use of UV fluorescence: Outdoor test result / J.D. Eversole, J.J. Hardgrove, W.K.Cary Jr., D.P. Choulas, M. Seaver // Field Anal. Chem. Technol. - 1999. - V.3. №4-5. - P. 249-259.

15. Reyes F.L. Bio-aerosol fluorescence sensor / F.L. Reyes, T.H. Jeys, N.R. Newbury, C.A. Primmerman, G.S. Rowe, A. Sanchez // Field Anal. Chem. Technol. - 1999. - V.3. №4-5. -P. 240-248.

16. Brosseau L.M. Differences in detected fluorescence among several bacterial species measured with a direct -reading particle sizer and fluorescence detector / L.M. Brosseau, D. Vesley, N. Rice, N. Goodell, P. Hairston // Aerosol. Sci. Technol. - 2000. - V.3. - P. 545-558.

17. Pinnick R.G. Aerosol fluorescence spectrum analyzer for rapid measurement of single micrometer-sized airborne biological particles / R.G. Pinnick, S.C. Hill, P. Nachman, G. Videen, G. Chen, R.K. Chang// Aerosol. Sci. Technol.- 1998.-V. 28.№2.-P. 95-104.

18. Cheng Y.S. Detection of bioaerosol using multiwavelength UV fluorescence spectroscopy / Y.S. Cheng, E.B. Barr, BJ. Fan, P.J. Hargis, D.J. Rader, J.O. O'Hern, J.R. Torczynski, G.C. Tisone, B.L. Preppernau, S.A. Yoyng, R.J. Radloff// Aerosol. Sci. Technol. - 1999. - V.30. -P. 186-201.

19. Hill S.C. Real-time measurement of fluorescence spectra from single airborne biological particles / S.C. Hill, R.G. Pinnick, S. Niles, J.L. Pan, S. Holler, R.K. Chang, J.R. Bottiger, B.T. Chen, C.-S. Orr, G. Feather // Field Anal. Chem. Technol. - 1999. - V.3. №4-5. - P. 221-239.

20. Schroder K.L. «Development of unattended ground sensor for ultraviolet laser-indused fluorescence detection of biological agent aerosol.» Air Monitoring and Detection of Chemical and Biological Agents II / K.L. Schroder, P.J. Hargis, R.L. Schmitt, D.J. Rader, I.R. Shokair // Proc. SPIE 3855. - 1999. - P. 82-91.

21. Pan Y.L. High-speed, high-sensitivity aerosol fluorescence spectrum detection using a 32-anode photomultiplier tube detector / Y.L. Pan, P. Cobler, S. Rhodes, A. Potter, T. Chou, S. Holler, R.K. Chang, R.G. Pinnick, J.-P. Wolf// Rev. Sci. Instrum. - 2001. - V.72. №3. - P. 1831-1836.

22. Pan Y.L. Single-particle fluorescence spectrometer for ambient aerosol / Y.L. Pan, P.J. Hargis, R.G. Pinnick, S.C. Hill, Halvorson J., R.K. Chang // Aerosol. Sci. Technol. - 2003. -V.37. №8. - P. 628-639.

23. Pan Y.L. Single-particle laser-indused-fluorescence spectra of biological and other organic -carbon aerosols in the atmosphere: measurement at New Haven, CT and Las Cruces , NM, USA / Y.L. Pan, R.G. Pinnick, S.C. Hill, J.M. Rosen, R.K. Chang // J. Geophys. Res. - 2007. - V.l 12. -D24S19.

24. Pan Y.L. Particle - fluorescence spectrometer for real time single-particle measurements of atmospheric and biological aerosol / Y.L. Pan, R.G. Pinnick, S.C. Hill, R.K.Chang // Environ. Sci. Technol. - 2009. - V.43. №2. - P. 429-434.

25. Seaver M., Eversole J.D., Hardgrove J.J.,Cary Jr. W.K., and Roselle. Size and fluorescence measurements for field detection of biological aerosols // Aerosol. Sci. Technol. 1999. V.30. №2. P. 174-185.

26. Davitt K. 290 and 340 nm UV LED arrays for fluorescence detection from single airborne particles / K. Davitt, Y.-K. Song, W. Patterson Lii, A.V. Nurmikko, M. Gherasimova, J. Han, Y.L. Pan, R.K. Chang // Opt. Express. - 2005. - V. 13. №23. - P. 9548-9555.

27. Moldavan A. / A. Moldavan // Science. - 1934. - V.80. - P. 188.

28. Kielland J. / J. Kielland // U. S. Patent № 2 369 577. - 1945 (Filed 12 May 1941).

29. Beire Т. / T. Beire, J. Hutcheon // J. Sci. Instrum. - 1957. - V.34. - P. 196.

30. Coulter W.H. / W.H. Coulter // Proc. Nat. Electron. Conf. - 1956. - V.12. - P.1034.

31. Барский И.Я. / И.Я. Барский, Е.М. Брумберг // Биохимия .- Т.23. - 1958. - С.791.

32. Владимиров Ю.А. Спектры люминесценции ароматических аминокислот и белков / Ю.А. Владимиров, Э.А. Бурштейн // Биофизика. - Т.4. - 1960. - С. 385-392.

33. Бурштейн Э.А. Люминесценция белковых хромофоров / Э.А. Бурштейн // Итоги науки и техники: серия «биофизика». ВНИТИ. -т.6. - 1976.

34. Бурштейн Э.А. Собственная люминесценция белка / Э.А. Бурштейн // Итоги науки и техники: серия «биофизика». ВНИТИ. -т.7. - 1977.

35. Burstein Е.А. Decomposition of Protein Tryptophan Fluorescence Spectra into Log-Normal Components. I. Decomposition Algorithms / E.A. Burstein, S.M. Abornev, Y.K. Reshetnyak // Biophysical Journal. - 2001. - V.81. - P. 1699 - 1709.

36. Reshetnyak Y.K. Decomposition of Protein Tryptophan Fluorescence Spectra into LogNormal Components. II. The statistical Proof of Discreteness of Trytophan Classes in proteins / Y.K. Reshetnyak, Y. Koshevnik, E.A. Burstein // Biophysical Journal. - 2001. 0 V.81. - P. 1710 - 1734.

37. Reshetnyak Y.K. Decomposition of Protein Tryptophan Fluorescence Spectra into LogNormal Components. III. Correlation between Tryptophan and Microenvironment Parameters of individual Tryptophan Residues / Y.K. Reshetnyak, E.A. Burstein // Biophysical Journal. - 2001. -V.81.-P. 1735-1758.

38. Карнаухов B.H. Люминесцентный анализ клеток / B.H. Карнаухов. - Пущино. - 2002.

39. Kunnil J. Effect of washing on identification of Bacillus spores by principal-component analysis of fluorescence data / J. Kunnil, S. Sarasanandarajah, E. Chacko, L. Reinisch // Appl. Opt. - 2006. - V. 45. - P. 3659 - 3664.

40. Huang H. Real-time measurement of dual-wavelength laser-induced fluorescence spectra of individual aerosol particles / H. Huang, Y-L. Pan, S. Hill, R. Pinnick, R. Chang // Optics Express.-2008.-V.16.№ 21.-P. 16523- 16528.

41. Кауе Р.Н. Single particle multichannel bio-aerosol fluorescence sensor / P.H. Kaye, W.R. Stanley, E. Hirst // Optics Express. - 2005. - V. 13. - P. 3583 - 3593.

42. Мальцев В.П. Сканирующая поточная цитометрия: дис. д-ра физ. -мат. наук: 01.04.05 / Валерий Павлович Мальцев. - Новосибирск. - 2000. - 222 с.

43. Mishchenko M.I. Absorption and Emission of Light by Small Particles / M.I. Mishchenko, L.D. Travis, A.A. Lacis //NASA, Goddart Institute for Space Studies. - New-York. - 2002.

44. Watson D. Elastic Light Scattering from Single Cells: Orientational Dynamics in Optical Trap / D.Watson, N. Hagen, J. Diver, P. Marchand, M. Chachisvilis // Biophysical Journal. -2004.- V. 87.-P. 1298-1306.

45. Pan Y-L. Measurement and Autocorrelation Analysis of Two-Dimentional Light-Scattering Patterns from Living Cells for Label-Free Classification / Y-L. Pan, M.J. Berg, S-M. Zhang, H. Noh, I I. Cao, R.K. Chang, G. Videen // Cytometry. - 2011. - Part A. 79A. - P. 284-292.

46. Pan Y.-L. Fluorescence spectra of atmospheric aerosol particles using one or two excitation wavelengths: Comparison of classification schemes employing different emission and scattering results / Y.-L. Pan, S.C. Hill, R.G. Pinnick, H. Huang, J.R. Bottiger, R.K.Chang // Optics Express.-2010.-V. 18. № 12.-P. 12436-12457.

47. Frain M. Selective deflection and localization of flowing aerosols onto a substrate / M. Frain, D.P. Schmidt, Y.L. Pan// Aerosol Sci. Technol. - 2004. - V.38. - P. 598 - 660.

48. Sivaprakasam V. Classification and selective collection of individual aerosol particles using laser-induced fluorescence / V. Sivaprakasam, T. Pletcher, J.E. Tucker, A.L. Hulston // Applied Optics.- 2009. -V.48. № 4. - P. B126-B136.

49. Хайкин С. Нейронные сети. Полный курс / С. Хайкин. - М.: Вильяме, - 2006. - С.66.

50. Sivaprakasam V. Spectral characterization of biological aerosol particles using two-wavelength excited laser-induced fluorescence and elastic scattering measurements / V. Sivaprakasam, H.-B. Lin, A.L. Huston, J.D. Eversole // Optics Express. - 2011. - V. 19. №7. -P. 6191 -6208.

51. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.dtic.mil/cgibin/GetTRDoc?AD=ADA449686

52. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.tsi.com

53. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.jpeocbd.osd.mil/packs/Default.aspx?pg=1001

54. Hairston P. Design of an instrument for real-time detection of bioaerosolsusing simultaneous measurement of particle aerodynamic size and intrinsic fluorescence / P. Hairston, J. Ho, R. Quant // J. Aerosol.Sci. - 1997. - V.28. №3. - P. 471 - 482.

55. Pinnick R.G. Fluorescence spectra of atmospheric aerosol at Adelphi, Maryland, USA: measurement and classification of single particles containing organic carbon / R.G. Pinnick, S.C. Hill, Y.-L. Pan, R. K. Chang // Atmospheric Environment. - 2004. - V.38. - P. 1657-1672.

56. Pinnick R.G. Fluorescence particle counter for detecting airborne bacteria and other biological particles / R.G. Pinnick, S.C. Hill, P. Nachman, D.J. Pendleton // Aerosol Science and Technology. - 1995. - V.23. - P. 653 - 654.

57. Hill S.C. Aerosol-fluorescence spectrum analyzer: real-time measurement of emission spectra of airborne biological particles / S.C. Hill, R.G. Pinnick, P. Nachman, G. Chen, R.K. Chang, M.W. Mayo, G.L. Fernandez // Appl. Opt. - 1995. - V.34. №30. - P. 7149 - 7155.

58. Pan Y.-L. Singleshot fluorescence spectra of individual micrometer-sized bio-aerosols illuminated by a 35- or a 266-nm ultraviolet laser / Y.-L. Pan, S. Holler, R.K.Chang, S.C. Hill, R.G. Pinnick, S.Niles, J.R. Bottiger // Opt. Lett. - 1999. - V24. №2. - P. 116 - 118.

59. Luoma G. Development of a novel biological agent real time sensor (BARTS) based on fluorescence particle sizing / G. Luoma, P. Cherrier, C. Zheng, M. Piccioni, A. Wong, R. DeFreez, M. Potter, K. Girvin, R. Whitney // 7th International Symposium on Protection against Chemical and Biological Warfare Agents. -2001.

60. http://ldrd.llnl.gov/pdfs/BAMS.pdf

61. Сидоренко B.M. Молекулярная спектроскопия биологических сред / В.М. Сидоренко. - М.: Высшая школа, 2004. - С. 105-115.

62. Domann R. A study of the influence of the influence of absorption on the spatial distribution of fluorescence intensity within large droplets using Mie theory, geometrical optics and imaging experiments / R. Domann, Y. Hardalupas, A.R. Jones // Meas. Sci. Technol. - 2002. -№13.-P. 280-291.

63. Hill S.C. Enhanced, Backward-Directed Multiphoton-Excited Fluorescence from Dielectric Microcavities / S.C. Hill, V. Boutou, J. Yu, S. Ramstein, J-P. Wolf, Y-L. Pan, S. Holler, R.K. Chang // The American Physical Society. - 2000. - № 1. - P.54-57.

64. Pan Y-L. Backward-Enhanced Fluorescence from clusters of microspheres and particles of tryptophan / Y-L. Pan, S.C. Hill, J-P. Wolf, S. Holler, R.K. Chang, J.R. Bodiger // Appl. Opt. -2002. - V.41. №15. - P. 2994-2999.

65. Arakawa E.T. Optical properties of Erwinia herbicola Bacteria at 0.19-2.5 pm / E.T. Arakawa, P.S. Tuminello, B.N. Khare, M.E. Milham // Biopolymers. - 2003. - P. 391-398.

66. Tuminello P.S. Optical properties of Bacillus subtilis spores from 0.2 to 2.5 pm / P.S. Tuminello, E.T. Arakawa, B.N. Khare, J.M. Wrobel, M.R. Querry, M.E. Milham // Appl. Opt. -1997.-№ 13.-P. 2818-2824.

67. Arakavva E.T. Optical properties of Ovalbumin in 0.130-2.50 pm Spectral Region / E.T. Arakawa, P.S. Tuminello, B.N. Khare, M.E. Milham // Biopolymers. - 2001. - V. 62. - P. 122128.

68. Кочелаев E.A. Новые информативные признаки биоаэрозолей при анализе проточно -оптическим методом / 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.

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

70. Кочелаев Е.А. Исследование индикатрисы флуоресценции частиц биоаэрозоля: моделирование и эксперимент / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек, Б.А. Елизаров, В.М. Сидоренко // Оптический журнал, 2012, 79 (6), С. 10 - 19.

71. Кочелаев Е.А. Экспериментальное исследование характеристик индикатрисы флуоресценции частиц биоаэрозоля / Е.А. Кочелаев, А.О. Волчек, В.М. Сидоренко // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2012. - № 1. - С. 86 - 93.

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

73. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию / П. Райст. - Пер. с англ. - М.: Мир, 1987.- С.15

74. Гусев М.В. Микробиология / М.В. Гусев, Л.А. Минеева - М.: Академия, 2003.

75. Primmerman С.А. Detection of Biological Agents / С.A. Primmerman // LINCOLN LABORATORY JOURNAL. - 2000. - V.12. - P.3-32 .

76. Steen H.B. Noise, Sensitivity, and Resolution of Flow Cytometers / H.B. Steen // Cytometry. -1992.-.V.13.-P.822-830.

77. Kaye P.H. Simultaneous light scattering and intrinsic fluorescence measurement for the classification of airborne particles / P.H. Kaye, J.E. Barton, E. Hirst, J.M. Clark // Applied Optics. - 2000. - V.39. № 21. - P. 3738 - 3745.

78. Воробьев С.А. Ламповый прибор для определения состава аэрозолей на основе люминесцентного анализа индивидуальных частиц / С.А. Воробьев // Патент РФ № 2279663.-2006.

79. Chen G. Conditional-firing aerosol-fluorescence spectrum analyzer for individual airborne particles with pulsed 266-nm laser excitation / G. Chen, P. Nachman, R.G. Pinnick, S.C. Hill, R.K. Chang // Opt. Lett. - 1996. - V21. №16. - P. 1307 - 1309.

80. Grant K.J. Pulsed lasers in particle detection and sizing / K.J. Grant, J.A. Piper, D.J. Ramsay, K.L. Williams // Appl.Opt. - 1993. - V.32. - P.416 - 417.

81. Degnan J.J. SLR 2000 Microlaser performance: theory vs experiment / J.J. Degnan, J. Zayhowski // Proc. 11th International Workshop on Laser Ranging. - 1998. - P. 453 - 468.

82. Zarrin F. Effect of Sample Stream Radius upon Light Scatter Distribution Generated with a Gaussian Beam Light Source in the Sheath Flow Cuvette / F. Zarrin, N.J. Dovichi // Analytical Chemistry. - 1987. - V.59. №6. - P. 867 - 850.

83. Loo B.W. Development of High Efficiency Virtual Impactors / B.W. Loo, C.P. Cork // Aerosol Science and Technology. - 1988. - V.9. - P. 167 - 176.

84. Fernandez J. De La Mora, Riesco - Chueca P.Aerodynamic focusing of particles in a carrier gas / J. Fernandez // J.Fluid.Mech. - 1988. - V. 195. - P. 1 - 21.

85. Dahneke B.E. An aerosol beam spectrometer / B.E. Dahneke, H. Flachsbart // Journal of Aerosol Science. - 1972. - V.3. - P. 345 - 349.

86. Гмурман B.E. Теория вероятностей и математическая статистика / B.E. Гмурман. - М.: Высшая школа, 2000. - С. 329-335.

87. Campbell J.M. Multiwavelength bioaerosol sensor performance modeling / J.M. Campbell, D.P. Tremblay, F. Daver, D. Cousins // Proc. SPIE. - 2005. - V.5990. - P.59900kl - 59900kl3.

88. Дуда P. Распознавание образов и анализ сцен. / Р. Дуда, П. Харт. - М.: Мир, 1976.

89. Программа для сбора и обработки данных многоканальной проточной люминесцентной цитометрии (ЛЮМИН). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007611631 от 18.04.2007.

90. Faris G.W. Spectrally resolved absolute fluorescence cross sections for bacillus spores / G.W. Faris, R.A. Copeland, K. Mortelmans, B.V. Bronk // Appl.Opt. - 1997. - V.36. - P. 958967.

91. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.scatlab.com.

92. Пушкарева А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани: учебное пособие / А.Е. Пушкарева. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. - с.65-66.