RU2495426C1 - Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле - Google Patents
Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле Download PDFInfo
- Publication number
- RU2495426C1 RU2495426C1 RU2012120384/15A RU2012120384A RU2495426C1 RU 2495426 C1 RU2495426 C1 RU 2495426C1 RU 2012120384/15 A RU2012120384/15 A RU 2012120384/15A RU 2012120384 A RU2012120384 A RU 2012120384A RU 2495426 C1 RU2495426 C1 RU 2495426C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- phosphorescence
- fluorescence
- emission
- aerosol
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 171
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 12
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 claims description 2
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N anthracene Natural products C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3C=C21 MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 16
- 208000034784 Tularaemia Diseases 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 10
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 8
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 8
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 7
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 244000052769 pathogen Species 0.000 description 5
- COLNVLDHVKWLRT-QMMMGPOBSA-N L-phenylalanine Chemical compound OC(=O)[C@@H](N)CC1=CC=CC=C1 COLNVLDHVKWLRT-QMMMGPOBSA-N 0.000 description 4
- QIVBCDIJIAJPQS-VIFPVBQESA-N L-tryptophane Chemical compound C1=CC=C2C(C[C@H](N)C(O)=O)=CNC2=C1 QIVBCDIJIAJPQS-VIFPVBQESA-N 0.000 description 4
- OUYCCCASQSFEME-QMMMGPOBSA-N L-tyrosine Chemical compound OC(=O)[C@@H](N)CC1=CC=C(O)C=C1 OUYCCCASQSFEME-QMMMGPOBSA-N 0.000 description 4
- QIVBCDIJIAJPQS-UHFFFAOYSA-N Tryptophan Natural products C1=CC=C2C(CC(N)C(O)=O)=CNC2=C1 QIVBCDIJIAJPQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 4
- 150000002211 flavins Chemical class 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- COLNVLDHVKWLRT-UHFFFAOYSA-N phenylalanine Natural products OC(=O)C(N)CC1=CC=CC=C1 COLNVLDHVKWLRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- OUYCCCASQSFEME-UHFFFAOYSA-N tyrosine Natural products OC(=O)C(N)CC1=CC=C(O)C=C1 OUYCCCASQSFEME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 3
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 description 3
- 230000003110 anti-inflammatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 3
- IVJISJACKSSFGE-UHFFFAOYSA-N formaldehyde;1,3,5-triazine-2,4,6-triamine Chemical compound O=C.NC1=NC(N)=NC(N)=N1 IVJISJACKSSFGE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 3
- 229960005486 vaccine Drugs 0.000 description 3
- DFPAKSUCGFBDDF-UHFFFAOYSA-N Nicotinamide Chemical compound NC(=O)C1=CC=CN=C1 DFPAKSUCGFBDDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 2
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 2
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 2
- 235000005152 nicotinamide Nutrition 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 125000005454 tryptophanyl group Chemical group 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000193738 Bacillus anthracis Species 0.000 description 1
- 206010006500 Brucellosis Diseases 0.000 description 1
- 208000035473 Communicable disease Diseases 0.000 description 1
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 1
- 102000053602 DNA Human genes 0.000 description 1
- 241000233866 Fungi Species 0.000 description 1
- 206010061192 Haemorrhagic fever Diseases 0.000 description 1
- 206010035148 Plague Diseases 0.000 description 1
- 206010035664 Pneumonia Diseases 0.000 description 1
- AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N Riboflavin Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2N=C2C1=NC(=O)NC2=O AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N 0.000 description 1
- 241000607479 Yersinia pestis Species 0.000 description 1
- 238000001856 aerosol method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003124 biologic agent Substances 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 231100000676 disease causative agent Toxicity 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000001900 immune effect Effects 0.000 description 1
- 206010022000 influenza Diseases 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 229960003966 nicotinamide Drugs 0.000 description 1
- 239000011570 nicotinamide Substances 0.000 description 1
- 150000005480 nicotinamides Chemical class 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011860 particles by size Substances 0.000 description 1
- 230000001717 pathogenic effect Effects 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000003053 toxin Substances 0.000 description 1
- 231100000765 toxin Toxicity 0.000 description 1
- 108700012359 toxins Proteins 0.000 description 1
- 201000008827 tuberculosis Diseases 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Изобретение относится к детектированию, классификации и идентификации биологических и не биологических частиц в окружающей среде, в частности к мультиспектральным системам измерения, и может быть использована для обнаружения опасных частиц аэрозоля. Для этого частицы аэрозоля осаждают на поверхность субстрата. Облучают поверхность с осажденным образцом источником света. Детектируют на нескольких длинах волн эмиссию флуоресценции и фосфоресценции образца с выделением сигнала фосфоресценции с задержкой во времени между актом возбуждения и актом приема сигнала эмиссии. Определяют биологические частицы по соотношению сигналов флуоресценции и фосфоресценции. При этом в процессе осаждения контролируют концентрацию частиц аэрозоля на поверхности субстрата по уровню сигнала рассеяния поверхности субстрата с частицами, который сравнивают с заданным предельным значением уровня рассеяния, определяемого с учетом разрешающей способности оптической системы детектирования сигналов, которую принимают эквивалентной максимальному размеру искомых частиц. При достижении заданного уровня рассеяния осаждение частиц прекращают и детектируют эмиссию флуоресценции и фосфоресценции каждой частицы отдельно. Способ позволяет повысить селективность анализа опасных частиц биоаэорозоля в присутствии частиц небиологической природы, за счет измерения флуоресцентных и фосфоресцентных характеристик каждой отдельной частицы. 4 з.п.ф-лы, 4 ил., 3 табл.
Description
Изобретение относится к детектированию, классификации и идентификации биологических и не биологических частиц в окружающей среде, в частности к мультиспектральным системам измерения вредных аэрозольных частиц.
Существует острая необходимость анализа биологических аэрозолей, в которые входят бактерии, вирусы, грибы, пыльца, биологически активные протеины и другие биологические материалы. Некоторые инфекционные заболевания, например, туберкулез, грипп, пневмония, распространяются воздушно-капельным путем, а такие особо опасные патогены как сибирская язва, бруцеллез, чума, туляремия, возбудители геморрагических лихорадок и многие другие способны распространяться через воздух.
В связи с террористическими угрозами применения биологического оружия, которое включает в себя патогены, передающиеся аэрозольным способом, продолжает оставаться весьма актуальной задачей создание быстрых способов обнаружения и идентификации биоаэрозолей.
Способы контроля воздушных биологических частиц играют все большую роль в таких областях, как эпидемиология, генный анализ ДНК, в сельском хозяйстве, мониторинге пищи и воды и т.д. Поэтому задачей является своевременное выявление и определение нежелательных концентраций потенциально опасных биопатогенов в воздухе, размеры которых находятся в пределах 1-10 мкм. Мониторинг таких аэрозолей должен занимать минимальное время, в особенности при актах терроризма или военных действий. Биологически опасные частицы такие, как бактерии, вирусы и токсины, содержат множество флуорофоров эндогенной природы: триптофан, флавины, фенилаланин, тирозин и другие протеины, которые могут быть использованы для различения или характеристики частиц, что исключает необходимость проведения иммунологических способов измерения и позволяет проводить детектирование и идентификацию частиц в режиме реального времени.
Одна из ключевых проблем в выявлении и идентификации частиц аэрозоля биологической природы заключается в том, что их выявление необходимо проводить в присутствии мешающих примесей - частиц аэрозоля не биологической природы того же дисперсного состава. При этом концентрация частиц мешающих примесей может превышать концентрацию биологического аэрозоля в сотни и тысячи раз.
Известен способ измерения опасных биологических агентов в воздухе (ЕР №2239557, класс МПК G01N 15/02), обладающий высокой специфичностью и селективным выделением частиц, имеющих в своем составе эпитопы патогенов для биоспецифического связывания с соответствующими маркерами. Способ основан на осаждении из воздуха образца, содержащего частицы биоаэрозоля, на полимерный субстрат, проведении биоспецифической реакции с частицами биоаэрозоля или их компонентами, облучении продуктов реакции ультрафиолетовым излучением и измерение эмиссии люминесценции меток.
Недостатком способа является необходимость проведения биоспецифической реакции, что требует наличия дорогих реагентов и длительного времени проведения анализа (до 30-60 минут),
Известны система и способ детектирования биологических флуоресцентных частиц (патент США №5895922, класс НКИ 250/491.2). Система позволяет детектировать в реальном времени вредные биоаэрозоли в диапазоне размеров вдыхаемых частиц от 0,5 до 15 мкм и установить их природу: биологические или не биологические. Способ основан на подаче непрерывного потока воздуха таким образом, чтобы каждая частица попадала в измерительный объем последовательно, облучении каждой частицы лазерным источником света на длине волны 320-360 нм для возбуждения флуоресценции биологических молекул, детектировании флуоресценции частиц на длине волны 400-500 нм, при этом интенсивность флуоресценции частиц сравнивают с заранее установленным значением и определяют частица биологическая или не биологическая. Для более точной классификации частиц дополнительно измеряют размер частиц.
Недостатком способа является сложность системы формирования потока частиц через измерительный объем, неоднозначность получения результатов исследований, так как не каждая частица попадает в зону освещения частиц источником света.
Известны система и способ для сбора и анализа частиц биологического аэрозоля (заявка США №2005/0147533, класс НКИ 422/730). Способ включает осаждение частиц аэрозоля на не флуоресцирующую поверхность, при этом может быть произведена дискриминация частиц по массе, облучение осажденных частиц ультрафиолетовым источником излучения на двух и более длинах волн, измерение эмиссии люминесценции частиц на двух и более длинах волн, при этом детектор может содержать одну и более детектирующих зон, пикселей. Характеристики частиц определяют по их интегральным сигналам в том или ином спектральном диапазоне.
Недостатком способа является измерение интегрального сигнала от подложки с частицами, что не позволяет точно идентифицировать биологические и не биологические частицы отдельно.
Известны способ и устройство для детектирования и дискриминации части в потоке (заявка США №2010/0053614, класс НКИ 356/34). Способ включает отбор и направление частиц через измерительный объем системы, облучение частиц одним или несколькими источниками излучения на двух и более длинах волн. Измерение эмиссии флуоресценции или рассеяния частиц детектором осуществляют детектором, чувствительным к положению частиц в измерительном объеме, например. Charge Coupled Device (CCD) Geiger-mode avalanche photodiode (GM-APD) array. При этом измерение эмиссии флуоресценции частиц измеряют на двух и более длинах волн и в системе обработки информации определяют природу частицы.
Недостатком способа является необходимость использования крайне сложной оптической и механической систем для направления источника излучения в необходимое пространство измерительного объема.
Известен способ, описанный в изобретении "Ультрафиолетовый спектральный флуоресцентный сенсор и способ" (заявка США №2005/0070025, класс НКИ 436/178). Способ используется для детектирования патогенов в аэрозоле, который включает следующие операции: сбор и осаждение образцов из воздуха на фильтр или другой подходящий субстрат, при этом осаждают частицы только в диапазоне размеров 1-10 мкм. Освещают последовательно и/или одновременно поверхность с частицами на одной из множества выбранных длин волн для возбуждения эмиссии флуоресценции белков (триптофана, тирозина, фенилаланина, флавинов, хлорофилла); детектируют последовательно или одновременно эмиссию флуоресценции осажденных частиц на нескольких длинах волн, каждая из которых соответствует длине волны возбуждения; каждую из частиц идентифицируют по эмиссии флуоресценции на нескольких длинах волн и по размерам. В способе может быть использован один или несколько детекторов, каждый из которых детектирует эмиссию флуоресценции на одной из множества выбранных дли волн; частицы аэрозоля идентифицируют по сочетанию нескольких значений эмиссии флуоресценции частиц, полученной при возбуждении на нескольких длинах волн, путем сравнения измеренных значений эмиссии флуоресценции с заранее установленными значениями и с учетом дифференцирования частиц по размерам.
Способ не позволяет достоверно идентифицировать опасные биологические частицы и отличить биологические частицы от не биологических при наличии в пробе частиц иной природы, но со сходным спектральным составом эмиссии флуоресценции.
Наиболее близким к заявляемому является способ, описанный в изобретении «Способ и устройство для детектирования биоаэрозолей» (заявка США №2008/0254502, класс НКИ 435/54). Способ используют для детектирования патогенов в аэрозоле, который включает следующие операции: сбор и осаждение образца из воздуха на фильтр или другой подходящий субстрат; добавление веществ, препятствующих доступу кислорода и веществ, усиливающих короткую флуоресценцию и фосфоресценцию (например, соли тяжелых металлов и другие соединения), освещение последовательно и/или одновременно поверхности с образцом на одной из множества выбранных длин волн для возбуждения эмиссии флуоресценции белков (триптофана, тирозина, фенилаланина, флавинов, хлорофилла), детектирование последовательно или одновременно эмиссии флуоресценции и фосфоресценции образца на нескольких длинах волн, каждая из которых соответствует длине волны возбуждения и излучения фосфоресценции с выделением сигнала с задержкой во времени между актами возбуждения и эмиссии. В способе может быть использован один или несколько детекторов, например, фотоумножителей, каждый из которых детектирует эмиссию флуоресценции и фосфоресценции на одной из множества выбранных длин волн. О наличии частиц биологической природы в образце судят по сочетанию нескольких значений эмиссии флуоресценции и фосфоресценции от образца, путем сравнения измеренных значений эмиссии с заранее установленными значениями.
Способ не позволяет выявить опасные биологические частицы в отобранном образце частиц аэрозоля и отличить биологические частицы от не биологических при наличии в образце множества частиц не биологической природы как со сходным, так и отличающимся от биологических частиц спектральным составом эмиссии, так как при осуществлении способа регистрируют интегральный сигнал эмиссии от всего образца на подложке.
Задачей является создание способа обнаружения опасных частиц биоаэрозоля в присутствии большого количества частиц иной, не биологической, природы.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является получение флуоресцентных и фосфоресцентных характеристик от каждой отдельной частицы в исследуемом образце, что повышает селективность анализа.
Технический результат достигается предлагаемым изобретением.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе детектирования биологических частиц в аэрозоле, включающем осаждение частиц образца на поверхность субстрата, облучение последовательно или одновременно поверхности с осажденным образцом источником света по крайней мере на одной длине волны, детектирование последовательно или одновременно на нескольких длинах волн эмиссии флуоресценции и фосфоресценции образца с выделением сигнала фосфоресценции с задержкой во времени между актом возбуждения и актом приема сигнала эмиссии и определение биологических частиц по соотношению сигналов флуоресценции и фосфоресценции, в процессе осаждения контролируют концентрацию частиц аэрозоля на поверхности субстрата по уровню сигнала рассеяния поверхности субстрата с частицами, который сравнивают с заданным предельным значением уровня рассеяния, определяемого с учетом разрешающей способности оптической системы детектирования сигналов флуоресценции, которую принимают эквивалентной максимальному размеру искомых частиц, при достижении заданного уровня рассеяния осаждение частиц прекращают и детектируют эмиссию флуоресценции и фосфоресценции от каждой частицы отдельно.
Технический результат достигается тем, что эмиссию каждой частицы регистрируют с пространственным разрешением не более чем 10×10 мкм.
Технический результат достигается также тем, что эмиссию фосфоресценции от каждой частицы регистрируют в стробоскопическом режиме с задержкой во времени между актом возбуждения и приемом сигнала эмиссии от 0 до 1 с.
Технический результат достигается также и тем, что для детектирования сигналов флуоресценции и фосфоресценции частиц на субстрате используют CCD камеру, совмещенную с электронно-оптическим преобразователем.
Технический результат достигается также тем, что измеряют частицы в диапазоне размеров от 1 мкм до 10 мкм.
Авторам не известны технические решения, обладающие такой же совокупностью признаков, как предлагаемое изобретение, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию новизны.
Известны технические решения, в которых частицы аэрозоля облучают источником света на различных длинах волн и измеряют эмиссию флуоресценции на нескольких длинах волн (патент США №5895922, заявки США №2005/0147533, №2005/0070025, №2008/0254502). При этом в заявке США №2008/0254502 дискриминацию образцов биологически опасных частиц от не биологических частиц осуществляют за счет соотношения сигналов флуоресценции и фосфоресценции путем сравнения с заранее установленными значениями, при этом измеряют интегральные сигналы флуоресценции и фосфоресценции от совокупности частиц на поверхности субстрата. При наличии в пробах аэрозоля большого количества частиц не биологической природы, маскирующих флуоресценцию и фосфоресценцию биологических частиц, способ не позволяет достоверно определять биологически опасные частицы. В предлагаемом изобретении за счет осаждения определенного количества частиц на субстрате и выбора разрешающей способности оптической измерительной системы, которую принимают эквивалентной максимальному размеру искомых частиц, создается возможность детектировать сигналы от каждой отдельной частицы и по соотношению сигналов флуоресценции и фосфоресценции выявлять биологически опасные частицы в присутствии большого количества не биологических частиц. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию уровня техники.
Изобретение может быть использовано для своевременного и быстрого детектирования биологических аэрозолей, содержащих потенциально опасные бактерии, вирусы, споры в таких областях, как эпидемиология, сельское хозяйство, мониторинге пищи, воды, в лабораториях и на предприятиях, а также при мониторинге окружающей воздушной среды в связи с угрозами биотерроризма. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию промышленной применимости.
Фиг.1. Устройство детектирования частиц аэрозоля на поверхности субстрата предлагаемым способом, содержащее субстрат 1 для адсорбции частиц аэрозоля, блок 2 подготовки аэрозоля и осаждения, источник света 3 с длиной волны эмиссии 280 нм, источник света 4 с длиной волны эмиссии 350 нм, фотоприемник 5 для регистрации сигнала рассеяния с поверхности субстрата, коллиматор 6 светового потока рассеяния, детектор 7 - CCD камера с электронно-оптическим преобразователем, оптическая система 8 для приема сигнала эмиссии флуоресценции и фосфоресценции, светофильтры 9, блок 10 термостабилизации поверхности субстрата, блок 11 обработки сигналов рассеяния, флуоресценции и фосфоресценции.
Фиг.2. Графики зависимости уровня сигналов рассеяния субстрата от количества осажденных частиц аэрозоля, где 12 - кривая рассеяния частиц со средним медианным размером 1,5 мкм, 13 - кривая рассеяния частиц со средним медианным размером 7 мкм, 14 - уровень сигналов рассеяния, оптимальный для анализа люминесцентных характеристики отдельных частиц на поверхности субстрата.
Фиг.3. Диаграмма распределения нормированных значений сигналов эмиссии для частиц аэрозоля биологической и не биологической природы: оси координат для диаграммы распределения нормированных значений сигналов эмиссии флуоресценции: 15 - для соотношения сигналов I400nm/I350nm, 16 - для соотношения сигналов I440nm/I350nm, 17 - для соотношения сигналов I460nm/I350nm, 18 - для соотношения сигналов I450nm/I400nm, 19 - для соотношения сигналов I550nm/I400nm, 20 - для соотношения сигналов I650nm/I400nm; для диаграммы распределения нормированных значений сигналов эмиссии фосфоресценции: 21 - для соотношения сигналов I450nm/I400nm, 22 - для соотношения сигналов I550nm/I400nm и 23 - для соотношения сигналов I650nm/I400nm; на фиг.3 показаны частицы аэрозоля биологической природы 24 - диагностикум туляремийный, частицы не биологической природы 25 - пыль дорожная среднерусская, 26 - антраценовый дым.
Фиг.4. Диаграмма определения частиц биологической и не биологической природы в аэрозоле при заданных значениях концентраций частиц в единице объема осаждаемого аэрозоля: диагностикум туляремийный 27, пыль 28, антраценовый дым 29; выявленное содержание частиц в аэрозоле: частицы диагностикума туляремийного 30, пыль 31 и антраценовый дым 32.
Способ осуществляется следующим образом.
На поверхность субстрата 1 (фиг.1) с низким собственным уровнем люминесценции и рассеяния света, например, полимерную пленку толщиной 5 мкм, покрытую слоем металла толщиной 0,5 мкм, осаждают любым известным способом частицы аэрозоля, при этом предварительно удаляют частицы размером меньше 1 мкм и больше 10 мкм с помощью фильтров с заданным диаметром пор или с помощью виртуального импактора 2. Поверхность субстрата освещают светом от источников 3 или 4, например, светодиодов, на одной из длин волн возбуждения эмиссии 280 нм или 350 нм, и регистрируют фотоприемником 5 сигнал светорассеяния под углом 90° к падающему световому потоку. Падающий и отраженный световые потоки коллимируют путем использования коллиматора 6. Осаждение осуществляют до тех пор, пока уровень сигнала рассеяния 14 (фиг.2) не достигнет определенного заранее заданного значения которое устанавливают для получения определенной концентрации частиц на субстрате. Заданное значение уровня сигнала рассеяния устанавливают по результатам предварительно полученного калибровочного графика, показанного на фиг.2, который связывает величину сигнала рассеянного света с концентрацией частиц на субстрате для аэрозоля дисперсного состава со средним медианным размером частиц в диапазоне от 1,5 мкм до 7 мкм, который соответствует респирабельной фракции частиц в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм. Из калибровочного графика видно, что количество частиц, которое должно быть адсорбировано для последующего достоверного анализа флуоресцентных характеристик каждой отдельной частицы, не должно превышать разрешающую способность оптической системы измерения, которая принимается эквивалентной максимальному размеру анализируемых частиц, т.е. в поле измерения будет находиться только одна частица, что обеспечивает независимое измерение характеристик каждой отдельной частицы на субстрате.
Графики зависимости уровня сигналов рассеяния субстрата от количества осажденных частиц аэрозоля и их размеров показаны на фиг.2, где 12 - кривая рассеяния частиц со средним медианным размером 1,5 мкм, 13 - кривая рассеяния частиц со средним медианным размером 7 мкм. Выделенное значение уровня 14 сигналов рассеяния является оптимальным для последующего анализа люминесцентных характеристик отдельных частиц аэрозоля на поверхности субстрата.
Прекращение отбора аэрозоля при достижении заданного уровня обеспечивает получение репрезентативной выборки отобранной пробы частиц аэрозоля (порядка 1000-5000 частиц/мм2), при этом создаются условия для выделения сигнала эмиссии от каждой частицы. При использовании в оптической системе детектирования CCD камеры с разрешающей способностью 10×10 мкм, совмещенной с электронно-оптическим преобразователем, создается возможность получить не более одной частицы на площадке субстрата площадью 100 мкм2 (детектируемая микрозона 10×10 мкм). Как видно из калибровочного графика на фиг.2, отбор пробы прекращают, когда количество частиц, адсорбированных на поверхности субстрата для последующего анализа, не превышает 103-104 частиц/мм2. Это достигается при уровне 14 сигнала рассеяния, равном 2-3% от максимального значения, при этом обеспечивается условие, при котором в поле измерения оптической системы детектирования находится не более одной частицы дисперсного диапазона 1-10 мкм на площадке 100 мкм2 и достигается полное покрытие субстрата частицами аэрозоля. При этом плотность частиц на субстрате не превышает разрешающей способности оптической системы, которую принимают эквивалентной максимальному размеру анализируемых частиц. После достижения сигналом рассеяния заданного уровня осаждение частиц прекращают и регистрируют сигналы эмиссии флуоресценции и фосфоресценции от отдельных частиц аэрозоля на поверхности субстрата. Известно, что биологические частицы (микроорганизмы, вирусы, белки) имеют не только флуоресценцию длительностью 10-9 сек., но и фосфоресценцию длительностью до 1 сек. Поэтому в процессе измерений анализируют как сигналы флуоресценции, так и сигналы фосфоресценции.
Регистрацию сигналов эмиссии осуществляют при возбуждении по крайней мере в двух спектральных областях: 280 нм от источника света 3 и 350 нм от источника света 4. При этом регистрируют сигналы флуоресценции без задержки во времени между импульсом возбуждения и приемом сигнала эмиссии и сигналы фосфоресценции с временной задержкой между импульсом возбуждения и приемом сигнала эмиссии с выделением стробов эмиссии фосфоресценции в заданном интервале времени. Регистрацию эмиссии флуоресценции и фосфоресценции осуществляют с помощью CCD камеры, совмещенной с электронно-оптическим преобразователем 7 (фиг.1), который обеспечивает регистрацию сигналов эмиссии фосфоресценции в стробоскопическом режиме с выделением сигнала с задержкой между импульсом возбуждения и приемом сигнала эмиссии от 0 до 1 с.
Сигналы эмиссии флуоресценции регистрируют в отдельных спектральных областях с помощью оптической системы 8 и системы светофильтров 9, обеспечивающих при возбуждении на длине волны с максимумом 280 нм регистрацию на длинах волн 350 нм, 400 нм, 440 нм, 460 нм, а при возбуждении на длине волны с максимумом 350 нм регистрацию на длинах волн 400 нм, 450 нм, 550 нм и 650 нм.
Сигналы эмиссии фосфоресценции регистрируют в спектральных диапазонах 400 нм, 450 нм, 550 нм, 650 нм в стробоскопическом режиме с выделением стробов эмиссии с задержкой между актом возбуждения и приемом сигнала эмиссии 100 микросекунд при возбуждении на длине волны с максимумом 280 нм. Выбор измерения областей эмиссии обусловлен получением максимального количества информации для оценки флуоресценции биологических молекул: белков - триптофана, фенилаланина, тирозина, никотинамидов и флавинов.
Абсолютные уровни сигналов флуоресценции и фосфоресценции зависят от количественного состава флуоресцирующих соединений в частицах и при прочих равных условиях пропорциональны объему частиц. Поэтому для более достоверного выявления искомых биологических частиц на фоне частиц не биологической природы определяют соотношение абсолютных уровней сигналов флуоресценции и фосфоресценции на различных длинах волн.
Для обеспечения стабильных температурных условий регистрации сигналов флуоресценции и фосфоресценции используют блок 10 термостабилизации субстрата, что повышает достоверность измерения характеристик частиц при изменяющихся условиях окружающей среды. Поступающие от фотоприемника 5 сигналы рассеяния и от фотоприемника 7 сигналы флуоресценции обрабатывают в блоке 11. Сигналы флуоресценции и фосфоресценции сравнивают с характеристиками частиц биологической и не биологической природы, находящимися в базе данных блока 11. О наличии биологического материала в частице аэрозоля судят по соотношению сигналов флуоресценции и фосфоресценции в выделенных спектральных диапазонах, которые сравнивают с предварительно полученными контрольными данными соотношения этих сигналов для частиц биологической и не биологической природы.
В таблице 1 представлены данные по соотношению уровней сигналов флуоресценции для аэрозолей, состоящих из одного вида материала, биологической или не биологической природы. Результаты получены для массива частиц более 1000 с диапазоном дисперсного состава от 1 до до 10 мкм при возбуждении на длине волны 280 нм в максимуме поглощения триптофанилов белков. Сигналы нормированы относительно эмиссии флуоресценции на длине волны 350 нм, которая является максимумом флуоресценции триптофанилов белков. Интервал нормированных значений указан для диапазона, охватывающего 99% частиц данного вида.
В таблице 2 представлены нормированные данные по флуоресценции для тех же аэрозолей, что и в таблице 1, но при возбуждении на длине волны 350 нм, т.е. в области поглощения никотинамидов и флавинов.
В таблице 3 представлены нормированные данные по фосфоресценции для тех же аэрозолей, что и в таблицах 1 и 2, при возбуждении на длине волны 280 нм и регистрации в режиме временного разрешения с задержкой 100 мкс и длительностью стробов эмиссии фосфоресценции 500 мкс. Отсутствие числовых значений в таблице в строке 8 указывает на то, что сигнал фосфоресценции имеет низкую интенсивность и не поддается достоверной обработке.
На фиг.3 на основании данных таблиц 1, 2 и 3 в логарифмическом масштабе представлены диаграммы распределения нормированных значений сигналов эмиссии в следующих координатах: 15 - для соотношения сигналов I400nm/I350nm, 16 - для соотношения сигналов I440nm/I350nm, 17 - для соотношения сигналов I460nm/I350nm, 18 - для соотношения сигналов I450nm/I400nm, 19 - для соотношения сигналов I550nm/I400nm, 20 - для соотношения сигналов I650nm/I400nm; для диаграммы распределения нормированных значений сигналов эмиссии фосфоресценции: 21 - для соотношения сигналов I450nm/I400nm, 22 - для соотношения сигналов I550nm/I400nm и 23 - для соотношения сигналов I650mn/I400nm; частицы аэрозоля биологической природы 24 - диагностикум туляремийный, частицы не биологической природы 25 - пыль дорожная среднерусская, 26 - антраценовый дым.
Из сравнения диаграмм 24, 25, и 26 видно, что диаграмма распределения нормированных значений для частиц диагностикума туляремийного 24 существенно отличается от диаграмм частиц пыли 25 и частиц антраценового дыма 26. Идентификация частиц различной природы основана на различиях в их спектрах эмиссии и соотношении сигналов эмиссии, соответственно, их селекцию можно осуществить и отличить биологические частицы от не биологических на основе анализа диаграмм распределения нормированных значений сигналов эмиссии.
На фиг.4 показаны результаты идентификации частиц на поверхности субстрата в пробе, отобранной из модельного аэрозоля, представляющего заданную смесь частиц диагностикума туляремийного 27, пыли среднерусской 28 и антраценового дыма 29. Модельный аэрозоль состоит из заданных значений концентраций каждого из компонентов 27, 28, 29, т.е. заданного числа частиц в единице объема. В результате эксперимента выявлены концентрации диагностикума туляремийного 30, в присутствии пыли среднерусской 31 и антраценового дыма 32. Из данных фиг.4 следует, что предлагаемый способ обеспечивает выявление частиц биологической природы в присутствии существенно большего числа частиц не биологической природы.
Интервал соотношений сигналов эмиссии флуоресценции от аэрозольных частиц различной природы (для вероятности 0,99) при возбуждении на длине волны 280 нм.
| Таблица 1 | ||||
| № п/п | Испытуемый материал | I400nm/I350nm | I440nm/I350nm | I460nm/I350nm |
| 1 | Вакцина противооспенная | 0,289±0,03 | 0,139±0,02 | 0,1±0,02 |
| 2 | Бифидобактерин | 0,28±0,03 | 0,11±0,02 | 0,07±0,02 |
| 3 | Диагностикум туляремийный | 0,27±0,03 | 0,25±0,02 | 0,23±0,02 |
| 4 | Пыль дорожная среднерусская (Саратов) | 1,3±0,2 | 1,7±0,2 | 1,7±0,2 |
| 5 | Пыль дорожная (С.-Петербург) | 1,0±0,2 | 1,1±0,2 | 1,0±0,2 |
| 6 | Пыль дорожная южнорусская (Астрахань) | 1,2±0,2 | 1,4±0,2 | 1,5±0,2 |
| 7 | Антраценовый дым | 70±3,5 | 35±2,2 | 28±1,8 |
| 8 | Меламинформальдегидные латексы с нафталеном | 0,1±0,02 | 0,05±0,01 | 0,03±0,01 |
Интервал соотношений сигналов эмиссии флуоресценции от аэрозольных частиц различной природы (для вероятности 0,99) при возбуждении на длине волны 350 нм.
| Таблица 2 | ||||
| № п/п | Испытуемый материал | I450nm/I400nm | I550nm/I400nm | I650nm/I400nm |
| 1 | Вакцина противооспенная | 2,5±0,3 | 0,9±0,2 | 0,3±0,2 |
| 2 | Бифидобактерин | 2,0±0,2 | 1,0±0,2 | 0,3±0,2 |
| 3 | Диагностикум туляремийный | 3,5±0,3 | 1,4±0,2 | 0,3±0,2 |
| 4 | Пыль дорожная среднерусская (Саратов) | 1,3±0,2 | 0,5±0,06 | 0,1±0,02 |
| 5 | Пыль дорожная (С-Петербург) | 1,2±0,2 | 0,6±0,07 | 0,2±0,03 |
| 6 | Пыль дорожная южнорусская (Астрахань) | 1,3±0,2 | 0,7±0,08 | 0,1±0,02 |
| 7 | Антраценовый дым | 0,4±0,03 | 0,05±0,01 | 0,01±0,005 |
| 8 | Меламинформальдегидные латексы с нафталеном | - | - | |
Интервал соотношений сигналов эмиссии фосфоресценции от аэрозольных частиц различной природы (для вероятности 0,99) при возбуждении на длине волны 280 нм.
| Таблица 3 | ||||
| № п/п | Испытуемый материал | I450nm/I400nm | I550nm/I400nm | I650nm/I400nm |
| 1 | Вакцина противооспенная | 1,6±0,2 | 1,0±0,2 | 0,8±0,2 |
| 2 | Бифидобактерин | 1,5±0,2 | 1,1±0,2 | 0,8±0,2 |
| 3 | Диагностикум туляремийный | 1,8±0,2 | 1,3±0,2 | 0,9±0,2 |
| 4 | Пыль дорожная среднерусская (Саратов) | 1,0±0,2 | 1,0±0,2 | 4,7±0,4 |
| 5 | Пыль дорожная (С-Петербург) | 1,0±0,2 | 1,0±0,2 | 6,0±0,5 |
| 6 | Пыль дорожная южнорусская (Астрахань) | 1,0±0,2 | 1,0±0,2 | 2,5±0,3 |
| 7 | Антраценовый дым | 15±2 | 0,5±0,05 | - |
| 8 | Меламинформальдегидные латексы с нафталеном | - | - | - |
Claims (5)
1. Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле, включающий осаждение частиц образца на поверхность субстрата, облучение последовательно или одновременно поверхности с осажденным образцом источником света по крайней мере на одной длине волны, детектирование последовательно или одновременно на нескольких длинах волн эмиссии флуоресценции и фосфоресценции образца с выделением сигнала фосфоресценции с задержкой во времени между актом возбуждения и актом приема сигнала эмиссии и определение биологических частиц по соотношению сигналов флуоресценции и фосфоресценции, отличающийся тем, что в процессе осаждения контролируют концентрацию частиц аэрозоля на поверхности субстрата по уровню сигнала рассеяния поверхности субстрата с частицами, который сравнивают с заданным предельным значением уровня рассеяния, определяемого с учетом разрешающей способности оптической системы детектирования сигналов флуоресценции, которую принимают эквивалентной максимальному размеру искомых частиц, при достижении заданного уровня рассеяния осаждение частиц прекращают и детектируют эмиссию флуоресценции и фосфоресценции от каждой частицы отдельно.
2. Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле по п.1, отличающийся тем, что эмиссию каждой частицы регистрируют с пространственным разрешением не более чем 10×10 мкм.
3. Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле по п.1, отличающийся тем, что эмиссию фосфоресценции от каждой частицы регистрируют в стробоскопическом режиме с задержкой во времени между актом возбуждения и приемом сигнала эмиссии от 0 до 1 с.
4. Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле по п.1, отличающийся тем, что для детектирования сигналов флуоресценции и фосфоресценции частиц на субстрате используют CCD-камеру, совмещенную с электронно-оптическим преобразователем.
5. Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле по п.1, отличающийся тем, что измеряют частицы в диапазоне от 1 до 10 мкм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012120384/15A RU2495426C1 (ru) | 2012-05-17 | 2012-05-17 | Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012120384/15A RU2495426C1 (ru) | 2012-05-17 | 2012-05-17 | Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2495426C1 true RU2495426C1 (ru) | 2013-10-10 |
Family
ID=49303103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012120384/15A RU2495426C1 (ru) | 2012-05-17 | 2012-05-17 | Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2495426C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2709460C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-12-18 | Российская Федерация в лице Министерства здравоохранения | Способ выявления биопатагенов в воздухе |
| RU2784291C1 (ru) * | 2021-07-08 | 2022-11-23 | Общество с ограниченной ответственностью "АВТЭКС" (ООО "АВТЭКС") | Способ экспресс-диагностики вирусных заболеваний в фазе активного выделения вируса |
| CN116893146A (zh) * | 2023-06-12 | 2023-10-17 | 华能澜沧江水电股份有限公司 | 水体颗粒磷浓度的确定方法、装置、设备及存储介质 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080254502A1 (en) * | 2002-04-16 | 2008-10-16 | Murray George M | Method and Apparatus for Detection of Bioaerosols |
| WO2010035204A1 (en) * | 2008-09-25 | 2010-04-01 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Detection system and method |
-
2012
- 2012-05-17 RU RU2012120384/15A patent/RU2495426C1/ru active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080254502A1 (en) * | 2002-04-16 | 2008-10-16 | Murray George M | Method and Apparatus for Detection of Bioaerosols |
| WO2010035204A1 (en) * | 2008-09-25 | 2010-04-01 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Detection system and method |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| FABIAN P. et al. Airborne influenza virus detection with four aerosol samplers using molecular and infectivity assays: considerations for a new infectious virus aerosol sampler//Indoor Air. 2009 Oct; 19 (5):433-41. Найдено из интернета [онлайн] 22.05.2013 на сайте http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19689447. * |
| ОСИН Н.С. и др. Фосфоресцентный микроанализ как новая технологическая платформа для молекулярной диагностики//Вестник РАМН. - 2007, No.12, С.3-10 - реферат. Найдено из интернета [онлайн] 22.05.2013 на сайте http://elibrary.ru/item.asp?id=9904127. * |
| ОСИН Н.С. и др. Фосфоресцентный микроанализ как новая технологическая платформа для молекулярной диагностики//Вестник РАМН. - 2007, №12, С.3-10 - реферат. Найдено из интернета [онлайн] 22.05.2013 на сайте http://elibrary.ru/item.asp?id=9904127. FABIAN P. et al. Airborne influenza virus detection with four aerosol samplers using molecular and infectivity assays: considerations for a new infectious virus aerosol sampler//Indoor Air. 2009 Oct; 19 (5):433-41. Найдено из интернета [онлайн] 22.05.2013 на сайте http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19689447. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2709460C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-12-18 | Российская Федерация в лице Министерства здравоохранения | Способ выявления биопатагенов в воздухе |
| RU2709460C9 (ru) * | 2018-12-28 | 2020-03-25 | Российская Федерация в лице Министерства здравоохранения | Способ выявления биопатогенов в воздухе |
| RU2784291C1 (ru) * | 2021-07-08 | 2022-11-23 | Общество с ограниченной ответственностью "АВТЭКС" (ООО "АВТЭКС") | Способ экспресс-диагностики вирусных заболеваний в фазе активного выделения вируса |
| CN116893146A (zh) * | 2023-06-12 | 2023-10-17 | 华能澜沧江水电股份有限公司 | 水体颗粒磷浓度的确定方法、装置、设备及存储介质 |
| CN116893146B (zh) * | 2023-06-12 | 2024-03-29 | 华能澜沧江水电股份有限公司 | 水体颗粒磷浓度的确定方法、装置、设备及存储介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2758767B1 (en) | Systems for characterizing an aerosol particle flow | |
| CN109196330B (zh) | 用于对生物和非生物粒子进行检测和分类的实时光学方法和系统 | |
| JP6046671B2 (ja) | 粒子分析装置 | |
| KR101418295B1 (ko) | 크기/형광의 동시적 측정에 의한 병원체 검출 | |
| CA2957725C (en) | Devices, systems and methods for detecting particles | |
| US6532067B1 (en) | Aerosol fluorescence spectrum analyzer for rapid measurement of single airborne particles | |
| US7554663B2 (en) | Systems and methods for use in detecting harmful aerosol particles | |
| AU2006338285B2 (en) | Method and system for detecting, classifying and identifying particles | |
| US7436515B2 (en) | Fluid borne particle analyzers | |
| Seaver et al. | Size and fluorescence measurements for field detection of biological aerosols | |
| US20110036995A1 (en) | Pathogen detection by simultaneous size/fluorescence measurement | |
| US20020186375A1 (en) | Device and methods for detecting samples in a flow cytometer independent of variations in fluorescence polarization | |
| TWI447394B (zh) | 利用尺寸／螢光同步判定之病原體偵測方法及系統 | |
| JP6166716B2 (ja) | 好塩基球分析システムおよび方法 | |
| JP2009515193A (ja) | 血小板の測定を実施するための方法および装置 | |
| US20080002180A1 (en) | Systems and methods for use in detecting harmful aerosol particles | |
| US20060237665A1 (en) | Bioaerosol discrimination | |
| EP1784912A2 (en) | Pathogen and particle detector system and method | |
| EP2843410B1 (en) | Sample analyzing method and sample analyzer | |
| CN105628658A (zh) | 一种生物气溶胶光学检测系统及检测方法 | |
| Švábenská | Systems for Detection and Identification of Biological Aerosols. | |
| RU2495426C1 (ru) | Способ детектирования биологических частиц в аэрозоле | |
| WO2002088673A2 (en) | Detector for airborne biological particles | |
| Choi et al. | Development of a biological aerosol detector using laser-induced fluorescence and a particle collection system | |
| US20130224850A1 (en) | Device and method for detecting bacterial endospores that are suspended in the atmosphere |