Способ определения биологического загрязнения воздуха и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2337349:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова /Ленина/ (СпбГЭТУ) (RU)
Изобретения относятся к аналитическому приборостроению. В способе, предусматривающем флуориметрию сфокусированного объема прокачиваемой пробы воздуха при возбуждении флуоресценции, сфокусированный объем формируют с помощью виртуального импактора в мажорном потоке пробы воздуха, отделенном от оптических элементов и спектрофлуориметра минорным потоком воздуха, не содержащим аэрозольных частиц. В устройстве, состоящем из источника излучения и спектрофлуориметра, оснащенного оптическим элементом спектрального разложения флуоресценции, импактор выполнен виртуальным с возможностью формирования на выходе коаксиальных мажорного и охватывающего его минорного потоков воздуха, мажорный вход импактора представляет собой заборный элемент анализируемой пробы воздуха, минорный вход импактора связан с воздушной средой через фильтр нулевого сопротивления для очистки от аэрозольных частиц, а выходная магистраль виртуального импактора подключена к вакуумной системе. Технический результат - повышение надежности и упрощение определения загрязнения воздуха. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретения относятся к аналитическому приборостроению и могут быть использованы при конструировании приборов для определения загрязнений воздуха различными флуоресцирующими аэрозольными компонентами (микроорганизмами, продуктами их жизнедеятельности, токсинами и т.д.).
Известен способ определения биологического загрязнения воздуха путем лазерного зондирования атмосферы ультрафиолетовым излучением и регистрации фоновых характеристик атмосферы, интенсивности сигналов люминесценции аэрозоля отравляющих веществ (ОВ) в области спектра 300-440 нм и интенсивности сигналов обратного рассеяния на длине волны зондирующего излучения, по соотношению которых судят о наличии или отсутствии на трассе помеховых аэрозолей (RU 2155954, G01N 21/64, 2000).
Данный способ сложен в эксплуатации и обладает низкой помехозащищенностью.
Известен также способ определения биологического загрязнения воздуха, предусматривающий отбор и фракционирование пробы по размеру взвешенных в ней аэрозольных частиц с помощью ступенчатого импактора с последующим возбуждением флуоресценции с помощью рентгеновского излучения и рентгено-флуоресцентным анализом полного внутреннего отражения фракций (DE 3813329, G01N 15/02, G01N 1/22, G01N 15/00, 1989).
Данный способ является опасным и низкочувствительным.
К указанной группе способов относится определение биологического загрязнения воздуха, предусматривающее отбор и фракционирование пробы по размеру взвешенных в ней аэрозольных частиц с помощью всасывающего импактора с последующей сорбцией аэрозольных частиц на материале с избирательной сорбционной активностью, возбуждением флуоресценции иммобилизованных частиц с помощью ультрафиолетового излучения (УФИ), регистрацией интегральной характеристики флуоресценции с помощью видеокамеры и анализом интенсивности флуоресценции с учетом формы и распределения размеров иммобилизованных частиц (JP 11337469, G06M 11/00, G01N 1/02, G01N 15/00, G01N 15/06, G01N 21/64, G01N 33/483, 1999).
При анализе концентрации микроорганизмов в воздухе отбираемую пробу барботируют через селективную питательную среду для концентрирования живых микробных клеток с последующим проведением реакции хемилюминесценции в реакционной камере, снабженной кварцевым окном, сопряженным с фотоумножителем, с помощью которого определяют интенсивность хемилюминесценции (RU 2263896, G01N 21/62, 2005).
Однако указанные способы не являются универсальными, так как они основаны на количественном анализе аэрозольных частиц с известной морфологией либо способностью хемилюминесценции.
Наиболее близким к заявляемому является способ определения биологического загрязнения воздуха, предусматривающий флуориметрию сфокусированного объема прокачиваемой пробы воздуха при возбуждении флуоресценции содержащихся в ней аэрозольных частиц с помощью УФИ частотой 266 нм от лазера с модулируемой добротностью. В данном способе запуск лазера производят в момент обнаружения аэрозольной частицы в сфокусированном объеме пробы двухлучевым синхронным детектором, каналы которого установлены ортогонально и имеют различные частотные характеристики (US 6947134, G01J 3/30, 2005).
Однако прототипный способ сложен в настройке и аппаратурном оформлении, а его техническое осуществление неэкономично из-за крайне низкого КПД используемого источника УФИ. Кроме того, данный способ трудноосуществим при контроле проб с высокой концентрацией аэрозольных частиц из-за забивания ими оптических элементов источника УФИ и флуориметра, что приводит к снижению чувствительности измерений по мере эксплуатации способа, т.е. к снижению надежности эксплуатации.
Решаемой технической задачей является упрощение способа и повышение надежности его эксплуатации.
Решение указанной технической задачи заключается в том, что в способ определения биологического загрязнения воздуха, предусматривающий флуориметрию сфокусированного объема прокачиваемой пробы воздуха при возбуждении флуоресценции содержащихся в ней аэрозольных частиц с помощью УФИ, вносится следующее изменение: сфокусированный объем формируют с помощью виртуального импактора в мажорном потоке пробы воздуха, отделенном от оптических элементов источника УФИ и спектрофлуориметра минорным потоком воздуха, не содержащим аэрозольных частиц.
Причинно-следственная связь внесенного изменения с достигнутым техническим результатом состоит в следующем. В исходной технической системе имеются следующие конфликтующие пары: 1) поток пробы воздуха, содержащий аэрозольные частицы, и оптические элементы источника УФИ; 2) поток пробы воздуха, содержащий аэрозольные частицы, и оптические элементы спектрофлуориметра. Нахождение в воздушной пробе аэрозольных частиц необходимо для их анализа и в то же время вредно из-за прилипания их к оптическим элементам системы. Для разрешения конфликта использован следующий стандарт на решение изобретательских задач: при конфликтующей паре веществ между ними следует поместить третье вещество, являющееся, как правило, модификацией одного из них (Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. - Петрозаводск: Скандинавия, 2004 г.). В данном случае «прокладка» выполнена из потока воздуха, не содержащего аэрозольных частиц.
На фиг.1 приведена схема принципиального решения технической задачи; на фиг.2 представлена схема получения спектральной характеристики флуоресценции с помощью сферической голо графической решетки; на фиг.3 дана общая схема устройства для определения биологического загрязнения воздуха; на фиг.4 изображена схема варианта устройства с дифракционным элементом, выполненным в виде вогнутой голографической решетки; на фиг.5-7 и в табл.1-3 представлены спектры флуоресценции аэрозолей к примерам 1-3.
Принципиальное техническое решение поясняется схемой фиг.1. Как видно из схемы, отбираемую пробу воздуха подают к мажорному входу виртуального импактора 1. К минорному входу виртуального импактора 1 подключают воздух, не содержащий аэрозольных частиц, что может быть выполнено, в частности, пропусканием атмосферного воздуха через фильтр 2 аэрозоля. Для осуществления данного способа виртуальный импактор 1 выполнен с возможностью формирования на мажорном выходе струи отбираемой аэрозольной пробы воздуха, заключенной коаксиально внутри минорного потока очищенного воздуха, выходящего из штуцера минорного выхода этого импактора. Таким образом, поток аэрозольных частиц, на который сфокусированы оптические элементы источника 3 УФИ и спектрофлуориметра 4, находится в воздушном защитном футляре потока воздуха, не содержащего аэрозольных частиц. На схеме фиг.1 раскрыта структура источника 3 УФИ и спектрофлуориметра 4. Источник 3 УФИ состоит из последовательно соединенных блока 5 питания, излучателя 6 УФИ и оптического фокусирующего элемента 7. В составе спектрофлуориметра 4 выделены последовательно соединенные объектив 8, сфокусированный на мажорный поток воздуха, сформированный на выходе виртуального импактора 1, и оптико-электронный преобразователь 9, служащий для получения электрического информационного сигнала об уровне флуоресценции аэрозольных частиц пробы, вызванной УФИ.
Для осуществления предлагаемого способа может быть использован виртуальный импактор, выполненный на базе импактора «Флора-100» (ТУ 64-098-33-95), а также изобретений SU 1468179, G01N 15/02, 1995; US 6698592, B07B 7/04, 2004 и др.
Известное устройство для определения биологического загрязнения воздуха содержит виртуальный импактор, оснащенный сепаратором для разделения аэрозольной взвеси на фракции по размеру частиц, фильтрационный коллектор для сбора фракций, аналитические камеры, установленные на выходах коллектора и подключенные к блоку инфракрасного (ИК) излучения и сканирующему ИК-спектрофотометру (US 4942297, G01N 15/02, 15/06, 21/55, 1990).
Его недостатком является сложность конструкции и низкая надежность анализа аэрозольных частиц неизвестной природы, особенно маскированных жидкостью.
Известно также устройство для определения биологического загрязнения воздуха, содержащее виртуальный импактор, выполненный с возможностью отбора и фокусирования воздушной пробы, подключенный к оптическому счетчику частиц по рассеиваемому ими свету видимой области спектра (WO 90/10858, G01N 15/14, 1990).
Однако данное устройство не позволяет проводить качественного анализа аэрозольных загрязнений.
Тенденция развития устройств для определения биологического загрязнения воздуха заключается в оборудовании их импактором, к выходу которого последовательно присоединены узел барботирования прокачиваемой пробы в селективной питательной среде, сорбционная колонка и аналитическая камера, оснащенная датчиком хемилюминесценции или флуоресценции (US 6435043, G01N 15/10, 2002; RU 2263896, G01N 21/62, 2005; JP 11337469, G06M 11/00, G01N 1/02, G01N 15/00, G01N 15/06, G01N 21/64, G01N 33/483, G06M 11/00, G01N 1/02, 1999).
Однако данные устройства неудобны в эксплуатации из-за реализованной ими схемы циклического анализа, а также необходимости замены селективной питательной среды или сорбента и промывки соответствующих элементов в каждом цикле измерений.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения биологического загрязнения воздуха, состоящее из импактора для прокачивания и фокусирования пробы воздуха, содержащего аэрозольные примеси, лазерного источника УФИ с модулируемой добротностью, направленного на сфокусированный объем пробы воздуха, управляющий вход которого подключен к выходу двухлучевого синхронного детектора, каналы которого установлены ортогонально и имеют различные частотные характеристики для обнаружения аэрозольной частицы в сфокусированном объеме пробы, и спектрофлуориметра, оснащенного оптическим элементом спектрального разложения флуоресценции аэрозольных частиц в сфокусированном объеме пробы (US 6947134, G01J 3/30, 2005).
Однако прототипное устройство является сложным, неэкономичным из-за крайне низкого КПД используемого источника УФИ, обладает низкой надежностью контроля проб с высокой концентрацией аэрозольных частиц из-за забивания ими оптических элементов источника УФИ и флуориметра. Кроме того, оно неприемлемо для технического осуществления предлагаемого способа.
Технической задачей устройства является возможность осуществления предлагаемого способа, а также упрощение конструкции прототипа.
Решение указанной задачи заключается в том, что в устройство для осуществления способа, охарактеризованного в п.1, состоящее из импактора для прокачивания и фокусирования пробы воздуха, содержащего аэрозольные примеси, источника ультрафиолетового излучения, направленного на сфокусированный объем пробы воздуха и спектрофлуориметра, оснащенного оптическим элементом спектрального разложения флуоресценции аэрозольных частиц в сфокусированном объеме пробы, вносятся следующие изменения:
1) импактор выполнен виртуальным с возможностью формирования на выходе коаксиальных мажорного и охватывающего его минорного потоков воздуха;
2) мажорный вход импактора представляет собой заборный элемент анализируемой пробы воздуха;
3) минорный вход импактора связан с воздушной средой через фильтр нулевого сопротивления для очистки от аэрозольных частиц;
4) выходная магистраль виртуального импактора подключена к вакуумной системе, что проще и экономичнее, чем установка компрессоров на его входных магистралях.
Целесообразно исполнение устройства в варианте с корреляционным анализатором, подключенным к выходу спектрофлуориметра, для сравнения полученной спектральной характеристики со спектральными характеристиками флуоресценции известных аэрозольных загрязнений воздушной среды.
Целесообразно также выполнение элемента спектрального разложения флуоресценции аэрозольных частиц в виде сферической (вогнутой) решетки, кривизна которой выполнена из расчета фокусирования спектральных полос флуоресценции аэрозольных частиц пробы по дуге Роуланда. Аналогом данного дополнительного технического решения является патент US 4254325, G01J 3/20, 3/18, 3/12, 1981, в котором описан спектрограф-монохроматор сканирующего типа, содержащий источник УФИ или рентгеновского излучения, последовательно связанный с вакуумной камерой, в которой выполнена оптическая щель для прохождения света, нарезная дифракционная решетка и оптико-электронный преобразователь. При этом нарезная дифракционная решетка и оптико-электронный преобразователь установлены с возможностью перемещения по кругу Роуланда. Предлагаемое техническое решение в указанной части отличается от данного аналога тем, что
1) вакуумная камера и оптическая щель отсутствуют (необходимость вакуумирования отпадает из-за возможности работы в видимой области спектра);
2) элемент спектрального разложения флуоресценции аэрозольных частиц содержит подложку, на рабочей поверхности которой голографически сформирована дифракционная сферическая (вогнутая) решетка с числовой апертурой в диапазоне 0,7-1,1, что обеспечивает резкое повышение ее светосилы, необходимое в условиях малых энергий излучения анализируемыми аэрозольными частицами (здесь нижний предел значения числовой апертуры указан из соображений обеспечения минимальной чувствительности устройства, а верхний предел ограничен технологическими возможностями формирования голографической дифракционной решетки);
3) ось мажорного потока воздуха на выходе импактора, дифракционная решетка и фотоприемник расположены по кругу Роуланда для оптического фокусирования дифракционной решетки и фотоприемника на мажорный поток воздуха на выходе импактора.
Для фокусирования оптических элементов в предлагаемом устройстве радиус рабочей поверхности сферической дифракционной решетки должен в 2 раза превышать радиус круга Роуланда. Наиболее целесообразно выполнение дифракционной решетки радиусом от 7 до 10 см при радиусе круга Роуланда от 3,5 до 5 см, тогда как в известном техническом решении, предусматривающем выполнение этого элемента сферическим, радиус рабочей поверхности сферы был равен 5,2 м (RU 2105273, G01J 3/00, 1998), что не обеспечивает светосилу, необходимую для функционирования устройства по рассматриваемому назначению. Голо графическое выполнение дифракционной решетки на сферической поверхности дает возможность увеличить ширину исследуемого спектра флуоресценции не менее чем до 300 нм за счет числа штрихов решетки 2000 линий/мм и более, тогда как нарезным способом на вогнутой поверхности такой плотности линий практически не достигнуть. Это повышает информативность и точность анализов в диапазоне видимой области спектра.
Дифракционную сферическую решетку для предлагаемого варианта устройства можно изготовить согласно изобретению RU 1588084, G01J 3/18, 1999 с использованием неорганического фоторезиста на основе халькогенидного стекла в качестве светочувствительного материала.
Принцип действия такого элемента проиллюстрирован на фиг.2. Центр мажорного потока пробы воздуха, голографически изготовленная сферическая дифракционная решетка 10, сформированная на подложке элемента 11 спектрального разложения флуоресценции аэрозольных частиц пробы и фотоприемник 12 оптико-электронного преобразователя 9 расположены по кругу Роуланда, что обеспечивает оптическое фокусирование дифракционной решетки 10 и фотоприемника 12 оптико-электронного преобразователя 9 на мажорный поток воздуха на выходе импактора. В качестве фотоприемника 12 можно использовать фотоэлектронный умножитель или сенсор видеокамеры. Лучи аутофлуоресценции или флуоресценции, возбужденной УФИ, отражаются от дифракционной решетки 10 под разными углами, попадая на фотоприемник 12 в диапазоне спектра от λ1 до λn, с многоканального выхода которого снимают информацию о спектре интенсивности флуоресценции. Углы α, β, и γ, указанные на схеме, характеризуют соответственно расположение фокуса флуоресценции (мажорного потока), начальной и конечной позиций линейки фотоприемника 12 по кругу Роланда относительно плоскости симметрии дифракционной решетки 10. Значения этих установочных углов определяют из расчета максимально возможного использования апертуры фотоприемника 12. Так, для круга Роланда радиусом 3,5 см и длине линейки фотоприемника 12, равной 5 см, значения указанных углов составляют: α=16°, β=23° и γ=47°, что обеспечивает разложение спектра флуоресценции в полосу шириной от λ1=300 до λ2=650 нм.
В данном варианте фокусирование спектральных полос и получение спектра флуоресценции производится с помощью одного конструктивного элемента, что имеет следствием упрощение узла спектрофлуориметра.
Вариант устройства по п.2 формулы (фиг.3) содержит виртуальный импактор 1 (см. фиг.1) для прокачивания и фокусирования пробы воздуха, содержащего аэрозольные примеси, источник 3 УФИ, направленного на сфокусированный объем пробы воздуха, и спектрофлуориметр 4, оснащенный последовательно связанными оптическим элементом 11 спектрального разложения флуоресценции аэрозольных частиц в сфокусированном объеме пробы, фотоприемником 12 и оптико-электронным преобразователем 9, выход которого подключен к блоку 13 обработки и визуализации информации, выполненному на базе компьютера. Виртуальный импактор 1 выполнен с возможностью формирования на выходе коаксиальных мажорного и охватывающего его минорного потоков воздуха (поз 14 и 15 соответственно). Мажорный вход импактора 1 представляет собой трубчатый заборный элемент 16 анализируемой пробы воздуха. Минорный вход импактора 1 выполнен коаксиально снаружи мажорного в виде цилиндрического фильтра 17 (вариант фильтра 2 фиг.1) нулевого сопротивления, который связан с воздушной средой и служит для очистки минорного потока от аэрозольных частиц. Между фильтром 17 и трубчатым элементом 16 коаксиально расположена трубчатая диафрагма 18 с выполненными в ее стенках отверстиями 19 для прохода профильтрованного воздуха с выхода фильтра 17 в диффузорную камеру, образованную между элементами 16 и 18 для формирования минорного потока 15. Диаметр отверстий 19 является настроечным параметром, устанавливаемым из расчета обеспечения требуемого соотношения мажорного и минорного потоков воздуха на выходе импактора 1. Полый торец диафрагмы 19 герметично соединен с кварцевой трубкой 20, свободный конец которой подключен к вакуумному насосу 21 через фильтр 22, служащий для защиты вакуумного насоса 21 и окружающей среды от выброса аэрозольных частиц. Выполнение трубки 20 из кварца позволяет разместить снаружи источник 3 УФИ и спектрофлуориметр 4, оптические входы которых сфокусированы на мажорный поток 14. В варианте фиг.3 источник 3 УФИ включает последовательно соединенные блока 5 питания, полупроводниковый излучатель 6 УФИ и оптический фокусирующий элемент 7, выполненный в виде линзы. Торцы цилиндрического фильтра 17 закрыты крышками 23, прижатыми с использованием герметитизирующих прокладок 24. Крышки 23 и фильтр 17 образуют корпус для размещения основных конструктивных элементов импактора 1. При этом в крышках 23 выполнены отверстия для герметичной установки элементов 16, 18 и 20.
При технической реализации устройства в качестве фильтров 17 и 22 могут использоваться хепофильтры, например, типов ФС-1С и ФС-1К.
Вакуумный насос 21 засасывает атмосферный воздух через трубчатый заборный элемент 16 (мажорный вход) и через фильтр 17 нулевого сопротивления (минорный вход). Мажорный поток на выходе из элемента 16 образует ядро струи, поджимаемое снаружи минорным потоком воздуха, не содержащего аэрозолей, который после очистки на фильтре 17 поступает через отверстие 19 диафрагмы 18 в минорный выход импактора 1. При проходе через кварцевую трубку 20 в фокусе мажорного потока определяется флуоресценция аэрозольных частиц как описано выше и пояснено фиг.1.
В варианте фиг.4 устройство дополнительно содержит центробежный фильтр 25 грубой очистки воздуха от крупных аэрозольных частиц (циклон), установленный по месту забора пробы. Выходной патрубок фильтра 25 соединен с мажорным входом 16 импактора 1. Элемент 11 спектрального разложения флуоресценции аэрозольных частиц содержит подложку, на рабочей поверхности которой голографически сформирована дифракционная сферическая решетка 10 с числовой апертурой в диапазоне 0,7-1,1. Ось мажорного потока воздуха на выходе импактора 1, дифракционная решетка 10 и фотоприемник 12 расположены по кругу Роуланда для оптического фокусирования дифракционной решетки 10 и фотоприемника 12 на мажорный поток воздуха на выходе импактора 1.
Данный вариант устройства дополнительно содержит также корреляционный анализатор 26, подключенный к выходу спектрофлуориметра, для сравнения полученной спектральной характеристики со спектральными характеристиками флуоресценции известных аэрозольных загрязнений воздушной среды. В качестве корреляционного анализатора 26 может использоваться любой корреляционный анализатор, позволяющий вычислять корреляционное отношение анализируемой и базовой функций интенсивности флуоресценции от длины волны в установленном диапазоне спектра флуоресценции. Он может быть выполнен на базе ЭВМ. Возможно также выполнение корреляционного анализатора согласно (RU 2171499, G06T 5/00, 5/40, G06K 9/00, 9/62, 9/68, 9/70, 2001).
Работа данного варианта устройства описана выше и пояснена фиг.2.
Предлагаемые технические решения иллюстрируются следующими примерами.
ПРИМЕР 1. Пробы воздуха, загрязненного различными аэрозолями, анализируют с помощью устройства фиг.4 при следующих значениях параметров конструкции: значение числовой апертуры - 1,1; радиус круга Роуланда - 3,5 см; радиус голографической дифракционной решетки - 7,0 см; длина волны светодиодного излучателя УФИ - 395 нм; мощность излучателя УФИ - 10 мВт; ширина спектра принимаемой флуоресценции - 400-700 нм; суммарный расход воздуха, прокачиваемого через импактор - 5,5 л/мин при соотношении мажорного и минорного потоков 1:1; длительность анализов - 10 с (за этот период исследуют от 90000 до 1 млн спектров флуоресценции).
В качестве эталонной пробы используют аэрозоль, содержащий рибофлавин 10-3 моль/л. Испытуемые пробы загрязненного воздуха содержат аэрозоли овальбумина (10-5 моль/л), флюоресцеина (10-3 моль/л) и родамина (10-3 моль/л).
Средние значения результатов измерений приведены в табл.1 и представлены на графиках фиг.5. Как видно из таблицы и графиков, спектральные характеристики каждой из проб имеют экстремумы при следующих частотах: рибофлавин - 570 нм; овальбумин - 450 нм; флюоресцеин - 530 нм и родамин - 650 нм. С помощью корреляционного анализатора 26 установлены следующие значения корреляционных отношений соответствующих функций по сравнению со спектральной функцией флуоресценции рибофлавина: овальбумин - 0,52; флюоресцеин - 0,79; родамин - 0,09.
ПРИМЕР 2. Пробы воздуха, загрязненного рибофлавином с примесью родамина в различной концентрации, анализируют как в примере 1.
Испытуемые пробы загрязненного воздуха содержат аэрозоли рибофлавина (10-5 моль/л) с добавлением овальбумина в объемных долях 1:1 (проба №1) и 1:2 (проба №2).
Результаты приведены в табл.2 и на графиках фиг.6. Как видно из таблицы и графиков, спектральные характеристики каждой из проб имеют экстремумы при следующих частотах: рибофлавин - 570 нм; проба №1 - 580 нм; и проба №2 - 590 нм при следующих максимальных относительных значениях интенсивности флуоресценции I - 300, 260 и 225 отн. ед. Значения корреляционных отношений по сравнению со спектральной функцией флуоресценции рибофлавина: проба №1 - 0,93; проба №2 - 0,97. Высокие значения корреляционных отношений здесь свидетельствуют о возможности выявления искомого компонента (рибофлавина) в смеси аэрозолей.
ПРИМЕР 3. Пробы воздуха, загрязненного рибофлавином, анализируют как в примере 1 при различных значениях числовой апертуры дифракционной решетки в диапазоне от 0,6 до 1,1.
Результаты приведены в табл.3 и на графиках фиг.8. Как видно из таблицы и графиков, по мере уменьшения значения числовой апертуры под действием шумов происходит сглаживание спектральной характеристики, в связи с чем надежное распознавание спектров флуоресценции обеспечивается при значении числовой апертуры от 0,7 и выше. В частности, при значении числовой апертуры, равном 0,6, значения выходного сигнала принимаемой флуоресценции уменьшаются в 2-4 раза по сравнению с вариантом устройства, имеющим значение числовой апертуры 1,1, что имеет следствием искажение результатов анализа корреляционных отношений спектров флуоресценции анализируемой пробы с эталонным образцом при низких значениях числовой апертуры.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить его надежность за счет предотвращения налипания аэрозольных частиц на оптические элементы устройства, реализующего этот способ, а также упростить и миниатюризировать аппаратурное оформление способа.
| Таблица 1 Спектральные характеристики флуоресценции аэрозольных частиц в эталонной и анализируемых пробах к примеру 1 (в относительных единицах) | ||||
| λ, нм | Эталон (рибофлавин) | Проба №1 (родамин) | Проба №2 (овальбумин) | Проба №3 (флюоресцеин) |
| 400 | 30 | 10 | 100 | 50 |
| 440 | 50 | 20 | 300 | 50 |
| 480 | 60 | 70 | 200 | 100 |
| 520 | 180 | 100 | 100 | 320 |
| 560 | 300 | 150 | 50 | 250 |
| 600 | 250 | 200 | 50 | 130 |
| 640 | 80 | 300 | 50 | 50 |
| 680 | 50 | 150 | 50 | 50 |
| К=0,09 | К=0,52 | К=0,79 |
| Таблица 2 Спектральные характеристики флуоресценции аэрозольных частиц в эталонной и анализируемых пробах к примеру 2 (в относительных единицах) | |||
| λ, нм | Эталон (рибофлавин) | Проба №1 (рибофлавин/овальбумин, 1:1 объем, доли) | Проба №2 (рибофлавин/овальбумин, 1:2 объем, доли) |
| 400 | 30 | 55 | 50 |
| 440 | 50 | 50 | 55 |
| 480 | 60 | 62 | 65 |
| 520 | 180 | 160 | 140 |
| 560 | 300 | 263 | 225 |
| 600 | 250 | 230 | 225 |
| 640 | 80 | 120 | 150 |
| 680 | 50 | 60 | 90 |
| К=0,93 | К=0,87 |
| Таблица 3 Спектральные характеристики флуоресценции аэрозольных частиц рибофлавина (в относительных единицах) при различных значениях числовой апертуры дифракционной решетки | ||||
| λ, нм | Числовая апертура | |||
| 0,6 | 0,7 | 0,9 | 1,1 | |
| 400 | 80 | 70 | 60 | 30 |
| 440 | 90 | 70 | 60 | 40 |
| 480 | 110 | 90 | 80 | 75 |
| 520 | 170 | 180 | 160 | 180 |
| 560 | 170 | 210 | 270 | 300 |
| 600 | 160 | 180 | 220 | 250 |
| 640 | 120 | 100 | 100 | 80 |
| 680 | 100 | 100 | 70 | 45 |
1. Способ определения биологического загрязнения воздуха, предусматривающий флуориметрию сфокусированного объема прокачиваемой пробы воздуха при возбуждении флуоресценции аэрозольных частиц, содержащихся в пробе, с помощью ультрафиолетового излучения, отличающийся тем, что сфокусированный объем формируют с помощью виртуального импактора в мажорном потоке пробы воздуха, отделенном от оптических элементов источника ультрафиолетового излучения, и спектрофлуориметра минорным потоком воздуха, не содержащим аэрозольных частиц.
2. Устройство для осуществления способа, охарактеризованного в п.1, состоящее из импактора для прокачивания и фокусирования пробы воздуха, содержащего аэрозольные примеси, источника ультрафиолетового излучения, направленного на сфокусированный объем пробы воздуха, и спектрофлуориметра, оснащенного оптическим элементом спектрального разложения флуоресценции аэрозольных частиц в сфокусированном объеме пробы и фотоприемником, отличающееся тем, что импактор выполнен виртуальным с возможностью формирования на выходе коаксиальных мажорного и охватывающего его минорного потоков воздуха, при этом мажорный вход импактора представляет собой заборный элемент анализируемой пробы воздуха, минорный вход импактора связан с воздушной средой через фильтр нулевого сопротивления для очистки от аэрозольных частиц, а выходная магистраль виртуального импактора подключена к вакуумной системе.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что элемент спектрального разложения флуоресценции аэрозольных частиц содержит подложку, на рабочей поверхности которой голографически сформирована дифракционная сферическая решетка с числовой апертурой в диапазоне 0,7-1,1, при этом ось мажорного потока воздуха на выходе импактора, дифракционная решетка и фотоприемник расположены по кругу Роуланда для оптического фокусирования дифракционной решетки и фотоприемника на мажорный поток воздуха на выходе импактора.
4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено корреляционным анализатором, подключенным к выходу спектрофлуориметра, для сравнения полученной спектральной характеристики со спектральными характеристиками флуоресценции известных аэрозольных загрязнений воздушной среды.
