Разработка методики анализа по светорассеянию смешанных природных дисперсных систем на содержание органической и минеральной компонент тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

• ' ! П '' ' С» Л

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ-НАУК -

ИНСТИТУТ АНАШКЧЕЮКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

RTAC03A Ольга Леонардовна

' УДК 578.088

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ПО СВЕТОРАССЕШИ) С.ЕПАКШ БШРСДНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕГЛ НА СОДЕЕЕШЕ ОРГАНИЧЕСКОЙ И ШЖЕРАШЮЙ ШЛЮЕЕШ

Специальность 01.04.01 - "Техника физического эксперимента,

физика приборов, авяскатазацЕЯ физически исследований*

А В Т О Р Е $ S PA Т: • .

диссертации на соискание ученей степени кандидата физико-магешютэеюк наук

- о-

Саштт-Детерйург IS92

' Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственное техническом Университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор КОЛИКОВ Всеволод Михайлович

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, профессор ФРЕНКЕЛЬ Сергей Якоздевич;

. кандидат технщескпх наук, с.к.с. КЖЯКШ Владимир Ефимович.'

Ведущая организация: Салхт-Петероургскш государственный университет. • '

Завита состоятся к" 1992 г. в Я час. на

заседании специализированного совета К ОСЗ.53.01 в Институте аналитического приборостроения Российской -Академии наук по адресу: 198103, Санкт-Петербург, гр. Огородшдова, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института аналитического приборостроения.

Автореферат разослан "ЗО* 1992 г.

Ученый секретарь -специализированного совета, кандидат фкзико-иатеяатических наук

, i - . • . ,д ' | ' OEGM ХАРАКПЖСТККА. РАБОТЫ

~--'-^сАальность проблемы. ' Оптические 'методы анализа^шроко приме-йэтся в биотехнологии, биофизике, биохимии, медицине, гкдроопкжё, «гике атмосферы, позволяя ревать научно-исследовательские и ярг.клад-ые задачи. Они основани на.изучении процессов взаимодействия пада-кцего излучения со средой я исщользуотся, например, для изучения 1ШфОбных популяций; определения размера, показателя преломления и :онцентрацш1 различшх дисперсных- систем; характеристики реакции [рецшптащш; исследования кинетики процесса коагуляции латексов, «става водных дисперсий полимеров, характеристик воды и водных дис-:ерси2; оценки качества ,питьевой вода; в медициаскоа диагностике и р. Развитие,, совершенствование этих методов, создание новых метода анализа долнно строиться на базе фундаментальных оптических palor и учета физйко-химнчесйих особенностей анализируешх систем. Ус-ех на' этом путп в последе десятилетия связан, в значительной ыере ¡работами по спектроскош'л. Анализ слоаных многокомпонентных плохо-■пределенных дасперскнх'''систем' труден, .да необходим. .Качество и объ-¡м получаемой инфоргладии..'во-шогои определяются возможностями разра-агиваешх ¿¡етодик, которые Могло оценить, используя целевые резуль-агн оптических пфизико-хг-шческих исследований, В данноЗ работе то делалось на базе спектроскопия •светорассеяния и рассмотрения оллоидно-химаческг.х свойств биогехнолбгическихи природных дисперс-ых систем. Актуальность её определяете тем, что невозмущапцпй, ОШЛ5ЯСШЙ, экспрессный олтичёский анализ водных дисперсий являет- . я: не о бходишму словлен их ¿аотехнологкческого контроля и шнито-внга врдаой средн. ■ . • - ' \Xr:Í-, "*'.''>г: :

,;.Цеав и задали "иоследовайия'. ' ..Целью работы явилась разработка &тодщс,;:, эксдерр.уеягальнод,.о 'оЗёслечеш:я олтического анализа водных

биошнеральяйх дисперсий, рдерхадах тиш1чные п^фодйые в технологические компонента. £."(*Дая др^ккения'постайлЙнШ.'дела решались следуицие задачи:

..>^.вс<»вдова^)еь;^.собеншсфп! ¿средепад Ййойогкчесяих и шперадь-ых дисперсшх систём'в связи с 'их .оптическим свойствам! и разраба-азались методики оптического- анализа таких дисперсий;

- изучались п разрабатывались" мода^эякавдп коллоидно-хишческих . зтодов для независимого контроля параметров" состояния анализируешх асяерсящс систем; \-

. / г:.- .. - " i

- разрабатывался алгоритм экспериментального решения прямой оптической задачи для раздельного анализа минеральной и биологической компонент в смешанных дисперсных системах;

_ исследовались пути создания методик анализа, увеличивающих его информативность при сокращении,времени проведения ;

- разрабатывались варианты приборного решения оптических методик анализа, ';'

Научная новизна работы определяется тем, что в вей впервые получены следующие результаты:. ' . . "г

- с использованием методов интегрального и дифференциального светорассеяния экспериментально, исследованы природные, псшмодальные | дисперсные системы, в том числе, смешанные (бисшнеральнне) ;

_ проведено сравнение теоретических данных с пар5метр5?.си реальных физических систем; " ' > '

- с помощью разработанных методик, подучены распределения. частиц по размерам в дисперсиях каолиновых частил и клеток кишечной палочки;

- предложен алгоритм решения обратной оптической задачи для дисперсных систем, содержащих минеральные и биологические частицы на примере каолиновых частиц и клеток кишечной палочки ; • ,.

- разработана схема универсальной установки для измерения пара- . метров светорассеяния дисперсных систем.

Неучко-практическое значение работа.' Научное значение данной раг-боты заключается прежде всего в том, что в ней на основе теоретических работ по анализу дисперсных систем, проведен,экспериментальный . анализ сложных дисперсных систем и разработаны варианты его осуществления. Практическая ценность работы состоит в том, что в.&ей показаны пути перехода от теории к решению конкретных аналитических задач, -предложены методики и приборные устройства для их рёшениС Полученные. результаты могут быть использованы как в,лабораторных исследованиях, ■ так и при решении ряда биотехнсяогических и.экологических задач. Разработанные в настоящей работе методики легли в основу поданных заявок на изобретение.,

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были дсшо.таны на Всесоюзной конференции по мембранному разделению смесей (Москва), X (Ростов-на-Дону) и XI (Красноярск) Пленуме рабочей группы по оптике океана, Ш Всесоюзном совещании"Культивирование клеток живот-

них и человека" (Лущено), XI Европейской конференции "Химия поверхностей" (Берлин), Международной конференции по поверхностным силам (Москва).

Публикации. По тема диссертации опубликовано II печатных работ.

;.,. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, описания объектов и методоь исследования, изложения полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов и сДиска литературы. Материал диссертации изложен на 186 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков, 15 таблиц и список цитированной литературы, насчитывающий 178 наименований.

V- s. , / ' г ОСНОВНОЕ СОДЕШАЕКЕ РАБОТЫ

, . : "■ Во введении , обосновывается актуальность темы диссертационной работы,, определяются цель и задачи исследования.

• -. Первая глава. посвящена обзору литература и состоит из 4 параграфов. В. первом представлены краткие сведения о природных дисперсных системах. Второй параграф посвящен теоретическим основам метода све-' торассеяния. В следующем параграфе анализмрутез воды распределений частиц дисперсной, систеш по размерам и некоторые экспериментальные .'-методы получения распределений. Четвертый посвящен- возможным ошибкам ■ измерений. . . ' '

Вторая' глава -". внлвчает описание объектов а методов исследования. Работу выполняли с водной дисперсией каолиновых частиц (Ангорское ме-, стороадение) как аеотмученвой, так и отмученной до общепринятой' методике, до получений веос'аядавдейся в течение 3-х суток мутя. В качестве дисперсий органических (биологических) чабтиц использовали культуру клеток кишечной палочки;-штаммы: ABI157, К-802, 803-8 ( E.OoÜ. KÏ2). В расчетах использовали:-1).значения относительного'показателя преломления а) для каолиновых частиц в воде - ffl « 1,2? ; б) для клеток в . воде , - 1,05, в пйтатвльной среде - Г,04; 2) значение, плотности каолиновых частиц составило 2600 -кг/ь*3. Для- йодучения слсшшх биошшо-ральных дисперсных систем:, смешивали "исходные* каолиновые и клеточные дисперсии в различных соотношениях.

\ Измерения в работе проводили с помощью «штодсв интегрального и ' дифференциального светорассеяния, а именно: спектрогурбвдиметрии и нефелекзтрип. При анализе смешанных спстеы использовали суммарные

- • ■ - : ■•-.. ■■ ■■'...■•.. ■ . . .. з

данные измерений спектральной зависимости ослабления света ¡г угловох распределения интенсивности света, рассеянного частицами.-

Спектры_<игагаескоЁ плотности снимали- в кяадтах о данной оптичес кого пути / = I см на спектрофотометре ..СФ-26 с установленншй дна] рагмами.. ' ■.-"

Распределение интенсивности рассеянного света измеряли-в интервале углов 60° 7-120°. В качестве источника излучения использовали лазер ЛГ-78 (Л = 632,8 нм)., Измерения "проводили в круглых тонкостенных медицинских , ампулах. Фен рассеяния ,от .-кюветы'с дисперсионно! средой вычитался из общего сигнала све'трдзссеяния. . . ' *

При получении распределения чаетт'кяйликовой дисперсии по размерам использовали ряд метОдсв анализа'^гранулометрического состава жидкие дисперсных систем: седкментшетр^есЦий,'¿шкросколический анг лаз, а также фильтрацию.через ядерные фшгьтрц«: ;

В качестве контролирующих методов-.применяли гравиметрии и титр< вакие. ^ ■ ■ - . . /; _ ' •.-

В третьей главе - "Разработка методики.оптического-анализа гли-н'.'.стых дисперсий" приводится разработанная методика анализа расдред! леикй Ч8зтэд по размерен;, обсуждаготся мз'тедические особенности опр< деления"весовой и числовой 'концентрации частиц, регистрации процесс) агрегации-дезагрегаций, получения поляризацдохщых"характеристик-.; демонстрирует сп чувствительность индикатрисы а:поляризационных харекп ристкк к энизодишетрической форме частиц, ¿"распределению пд' разм<

рэм. ' .'• г:'.-',1.- . ■' . *

. Распределения Минеральных частиц по размерам; получали, сочетая разделение частиц дисперсной фазы по размерам центрифугированием", 'Гильтрацией через ядерные. фильтры; естествен^ой?сёдиментацией, 'и по( ледущий 'анализ по светорассеянию - спектротурбвдиметри&-(СТ};-,Из!у!е^ рения по методу СТ проводили с использованием диафрагм, "с тем,, чтоб! приблизить величину апертурного утла фот?оприемника к 0° и предотвратить попадание рассеянного света на фотоэлемент. Показано, что параметры диафрагы! - ее величина и форма,, могут-оказывать влияние на р< зультеты анализа, в частности, при получении распределений частиц ш рас/орг;/. при сочетании ктедпп и СГ анализа (см.рис.Х).. Расчет

пгрг:.:гтров фракции дисперсной системы проводился в зависимости от в< .г,:ч;;пн волнового экспонента . Для фракций со значением /2. ^ I, ;:сяользоьгли табличные данные приближения ван де Хшста, учитывающие ге'ср:-:ческую форму частиц. Для П. > 1,5 использовались данные ■

теории Ми (при определении размеров частиц, а кассу необходимо рассчитывать с учетом Зори»' части;). Данние Таблицы I подтверждают такиё особенности расчета параметров каолиновой дисперсии дрьйгспользовании СТ.

Таблица I

Сравнение величины расчетной кассы часгкц с массой, определенной гравиметрически для различных значений 1Ь , в сферическом варианте и при учете анизодиаметрической формы частиц

Ы500) V см5 Щ500) сС , мкм Мр мг мд, мг

р-1 р= 7 Р-1 р - 7

I 0,375 400 0,83 1,13 2,34 16 32 50

2 7,300 100 0,37 1,08 1,69 • 87 152 200

3 0,750 280 1,00 1,05 1,62 33 44 70

4 2,700 200 Г,27 0,92 0,99 66 122 172

5 3,600 200 1,45 0,81 0,74 91 Г73 165

6 0,580 150 1,63 0,58 0,37 14 33 29

Примечание: р - фактор форлн ; значения ЩШ) больше 0,8 даны с учетом разбавления; М^ - расчетная масса, Ь^ ~ м-сса, определенная гравиметрически ; при расчете кассы без кон- -кретизации данных по распределонив возможно занижение результатов за счет неучета крупных частиц ; 6М{ ■ для 1-5 строки таблицы не превксает 6», для 5 - 15$, погрешность в расчете массы при неучете асферической форг.:ы частиц для строки 1-5 не превышает 40^, а строки 6 - 502.

В точках стюсовки лриблинений с точной теорией погрешность определе-• ния параметров увеличивается.

На рис.2 представлены распределения частиц неошученноЗ каолиновой дисперсии по -разборам, полученное разными методагш. Изображенные на. рисунке распределения демонстрируют большую дело по кассе мелких частиц, а также весомую долю небольшого числа крупных частиц, причем СТ анализ в сочетании с седиментацией оказался чувствительным к идентификации обеих фракций. Эксперименгальнпе данные позволили сделать вывод об эффективности использования методика получения распределения по размерял частиц тонкодисперсной фракции сочетая СТ анализ и седиментацию, например, для глинистых минералов с эквивалентным "

о 2 в 6 tvac ' О 2 Ч е % vac

Г;:сЛ. Влияние размера и ?ормы диафрагмы, установленной перед ■Тстсэ-лс^октом, на результаты анализа каолиновой дисперсии по методу "Т. 1кзгдраткач: д'/а'рагаа 2x2 е.: перед ФЭ (До(500) = 0.S8 : ■

(500) = 1,15) ; 2.21 - прямоугольная д::а|рагма 2x20 мм перед &Э (До(5С0) = 0,63 ; П0{ 500) = 1,11) ; 3,3^ - перед <53 нет диафрагмы (До(500) = 0,4? ; tía (500) = 0,75) ; 4,4 - после источника излучения и перед <:-Э нет днз^рагаы (До(500) = 0,47 ; Но (500) = 0,79).

каолиновой дисперсии в зависимости от эквивалентного диаметра час-•Г1'.и, и слученное разными способам. X - седимснтометрический анализ ; 2 - сочетание спектротурбидиметркческого анализа и разделения по '1рс1''д;1я.-,: седиментацией; 3 - микроскопический анализ. Мотн, Моги, еткоаонгя соответственно массы и числа частиц данной фракции к мак-ск/алыш.л величинам массы и числа частиц.

о

диаметром меньше 5 мал.

Исследование стабильности минеральной дисперсной йазы является ксшловднохимичоской задачей и весьма важно для практики?? например, в процессе водоподготовкл. Методом контроля процессов агрегации-дезагрегации била выбрана спектротурбвдимегрия. Исследовали стабильность каолиновой дисперсии при хранении и разбавлении. Оказалось, что разбавление исходной каолиновой дисперсии особенно сильно оказывается на отмученной дисперсии. Исходная дисперсия, приготовленная взмучи-вением навески каолина, сохраняет со временем стабильные оптические параметры в отличие от дисперсии отмученной в течение 2 часов. Экспериментально полученные распределения частиц по размерам в исходной и ' свежеогмученной дисперсии различались. Возможно, что для данной концентрации исходная дисперсия является системой, в которой существует баланс меящу крупными и мелкими частицами, что определяет ее стабильность.

В работе анализировали угловые зависимости интенсивности рассеянного света и поляризационные характеристики каолиновых дисперсий, . В данном случае большее влияние на угловуи зависимость интенсивности, рассеянного света оказывает распределение частиц по размерам, а не средний диаметр; Чувствительность индикатрисы к анкзодигметрпческой форме частиц установили при сравнении теоретически полученного (для шаров) вида индикатрисы (с учетом экспериментально' определенного распределения частиц по размерам) с экспериментальным.

В главе 4 ' "Методические особенности оптического анализа взвесей микробных клеток" обсувдаатся вопросы экспериментального получения распределения частиц до^ размерам с помощью метода СТ, оценки влияния различных физико-химических факторов на состояние дисперсии клеток кишечной палочки по данным спехтроаурбвдпкетрии, особенности измерений интенсивности светорассеяния для микробных клеток E.cotí ,

При решении ряда биотехлологических задач но всегда можно использовать стандартные методы анализа клеточных дисперсий (например, подсчет клеток в камере Горяева,,титрование), поскольку они длительны по времени, трудоемки,, не дате возможность зафиксировать слзбоме-таболизирувдие, отмершие, развалившиеся и агрегированные клетки.'Для устранения сложностей такого типа в работе разработаны методики анализа дисперсий килечной палочки на основе метода СТ. Предложенные ■ .методики такте позволяют получать наиболее полную характеристику дисперсной системы - распределение по размерам. Методические особен-

ности анализа бактериальных клеток £-сс& определяются теш, что это медленнооседаащие объекты исследования и для их стадцартных размеров характерна область значений волнового экспонента около 2,0, соответствующая интервалу максимально возможных погрешностей метода СТ. Поэтому, при определены параметров состояния клеток кишечной палочки по данным спектротурбидиметрип необходимо соблюдать особую тщательность и аккуратность в работе. Измерения, так же как и в случае каолинозкх дисперсий, проводили с использованием диафрагм. Размеры диафрагм и приемы га употреблены были выбраны с учетом условия минимальности величины апертурного угла и возможности зафиксировать каиейвее перемещение клетки б регистрируемом слое или за счет диффузии, или конвекции, или седиментации. Методика заключается в сочетании аккуратного наслоения (пипеткой по стенке кюветы) взвеси микробные клеток на питательнЕй бульон над уровнем диа$рагаы (в работе. * 2x1 км) х: СТ анализа. При этом (рлс.З) наблздалл достеленное увеличение со врс.'еичм значения оптической плотности при длине волны 500 нм, что свидетельствует о накоплении материала в регистрируемом слое. Изменялась со временем и величина волнового экспонента. Расчет усредненных хграктеркстгк фракций (получают по разнице оптических плотное-то}: различных вреженных интервалов) проводили по методу СТ, причем, для значений волноеого зкепоцекта больших 1,8 при определении размера частиц использовали табличные данные теории Ми, число и массу частил в диапазоне Л- = 1,6"-3-2,0 рассчитывали с учетом ачизодиаметри-ческой формы клеток. На ркс.4 представлено распределение по размерам в дисперсии-клеток кишечной палочки, полученное по методике, изложенной вше. Неравномерное распределение частиц по высоте кюветы (особенно в расслоившейся со временем дисперсии) явилось основой для другой методики получения распределения частиц по размерам. Для нее характерно световое сканирование по высоте кюветы с помощью диафрагмы и определение параметров состояния на каждом уровне по методу СТ.

Иногда в практических вопросах целесообразно пользоваться величинами среднего размера и числа частиц в клеточной дисперсии, определяемых с помощью метода спектротурбидиметрии. Эти показатели могут менятьет в зависимости от условий, времени культивирования, фазы роста. клеточной популяции. Эксперименты показали, что датсе отмывка " меток от питательной среди центрифугированием, ма-кет явиться дополнительным воздействием: большим или меньшим в зависимости от условий. Прогсд-.иось сравнение результатов СТ анализа с итогами титрования.,

О

Юо

50 3.0

<0

tu

ф < По •м.

i* V \

i<

.-,2 oq ,_j_i__i i i_i—i—i . .

O 2. 4 6 twc O & 4 6 t,4ac Рис.3. Изменение со временем величины оптической плотности я инового экспонента в дисперсии клеток кишечной паточкя (измерения эведвны при 20°С). I,!1 - взвесь микробнзах клеток наслоена на .нагельный бульон над уровнем диафрагма 2x1 юл, 'установленной перед (До(500)" = 0,13 ; По (500) = 1,43) '.г.г1 - клеточная дисперсия тэта в кювету спектрофотометра, перед £Э диа^раша 2x1 ш ,(500) = 0,113 ; Но (500) = 1,85).

—» ■ 1.И- Ли.* ... ¿и .,...>

02 Ч £ 8 -10 15

Рис.4. Распределение по размерам в дисперсии клеток килечной очки, выращенных в стандартные условиях до конца экспонешшальнсЛ ы. I - дисперсия клеток наслаиватась на питательную среду над внем диафрагмы 2x1 мм, установленной перед *Э. Измерения прсводк-при 28°С. Погрешности соответствуют (Хлебцоз Н.Г. и др., 1376) ; распределение п^ данным электроолтпчэского метода (Брезгунов . к др., 1989).

/

НпглучЕео совпадение рассчитанного числа частиц с титром наблюдал! когда метки находились в экспснэкциальной фазе роста. По-вадимом; ■ на этой стадии роста популяции кишечной палсчки, можно дополнить ) тельное титрование экспресс-уетодом контроля - спектротурбидеметр

Для дисперсии клеток различных штаммов изучали зав]

мости углозего хода интенсивности рассеянного света в диапазоне у] рассеяния 60°- 120° и определялись их поляризационные характерце: ки. Показатель вытянутости индикатрисы ( С/ (60)/ У (80)) для клет< штамма-АЗГ157 примерно в 2 раза превысил аналогичны! параметр кле: штамма К-802Г средний размер которых по данным СТ приблизительно ] 3 раза меньше. При сравнении теоретической индикатрисы рассеяния (для частиц шарообразной формы) с экспериментальными даннь&ш, обн; жилось их несоответствие в области углов больше 90°, где, по-виды му, сказывается анизодиаметрическая форма частиц.

В пятой тлаве "Оптический анализ смешанных систем" приведен; результаты оптического анализа гетсрсксагулкции част-цд в смешанны; модельных системах - каолинит и клетки кишечной папочки, описан а) ритм решения прямой оптической задачи по раздельной регистрации кв ральной и биологической компонент, намечены пути решения обратной задачи.

При отсутствии гетерокоагуляции частиц различной природы и в условиях однократного рассеяния света оптические характеристики сь панной систекн представляют собой сумму вкладов каждой составляю^ в соответствии с их исходной концентрацией. В работе анализировал! зависимость экспериментально измеренных значений оптической, шютне ти и волнового экспонента при длине волны 500 вы, интенсивности сь тсрассеяяия при углах 60°- 120° от расчетных значений (в прздполс кенип отсутствия гетерокоагуляции) для различных исходных концентр цик компонент (рис.5, 6). В большинстве случаев гетерокоагуляции наблюдалось и расчетные- данные совпадали с экспериментальными (см. ' рис.5, 6). Было выделено два вида не совпадения экспериментальных расчетных величин (см. рис.5 - погрешность в среднем 5%)\ экспериментально измеренное значение оптической плотности превышает-расче кое^ а значение волнового экспонента меньше расчетного (точки 4.41 5,5^ рис.5) ; и противоположная первому случав зависимость (точки 1,1 ,2,2 ,5,3 ). При анализе каолиновой дисперсии было отмечено стабильное с точки зрения агрегации-дезагрегации 'поведение неогму-ченной дисперсии, в которой присутствуют две фракции, условно назы 10 '

Э* ¡6 ' п* 2,0 Г / « /

1 / * / • X ч / • и f,6 2' * у

JF* «2 < У

4,0

О,г ф/ 06$р Jfi f2 ф ig 20 Пр

Рис.5. Соотношение экспериментально измеренного значения опти-:ой плотности и величины волнового экспонента от расчетных значе-(погрешность в среднем при длине еолкы 5С0 нм.

Рис.6. Комплексный оптический анализ дисперсных систем. - интенсивность светорассеяния при углах 60°- 120° (падающий с вертикально поляризован, значение эталона - 2 кв), Ö. - слехт-щтической плотности. I - каолиновгл дисперсия (Я (500) = 0,50 ; 500) = 0,79) ;2 - клеточнгл дисперсия A3 1157 (Д (500) = 0,315 ; 500) = 2,08) ;3 - смешатся система 1:1 (Д (500) = 0,485 ; ,500) = 1,20) ; 4 - смешанная система - расчет независимых рассей-дай (Д (500) = 0,46 ; П (500) = 1,25).

вгешк: крупными и мелкими частицами (рис.2). Вероятно, к взаимодей! впю с клетками склонны нестабильные дисперсии, в которых распредел< ние часта сдвигуто или в сторону мелких (отмучивание), или в стор; ку крупных частиц (агрегация при разбавлении). Дяя первого вида несоответствия результатов расчета и эксперимента, по-видимому, хара! ' терно облепление клеток килечной палочки частида-ли тонкодисперсной фракции каолина (отмученные дисперсии) ; для второго - облепление клетками крупных каолиновых частиц. Такие выводы были сделаны на ос нозе анализа в каждом случае величины рсС (где £ - удельная мутность, - эквивалентный диаметр частицы), характеризующей вклад отдельной частицы в обдуто мутность дисперсной системы (ют. значение оптической плотности), и сравнения вида расчетной и экспериментальной индикатрисы рассеяния. Исследования гетерокоагуляпии частиц различной природы доказали информативность есяояьзозысш сов моствюе данных интегрального я да^^ереЕЦиальпого сввшрасселзк.

Яри разработке методики раздельно;; регистрации канерагькой к органической компонент предполагали, что гетерокоагулкцнп з системе нет, частицы ведут себя как независимые рассеиватели.'Во-вторых! предполагалось, что несходные по природе и параметрам состояния частицы будут отличаться и по оптическим характеристикам. Предполагалось также, что наиболее чувствительным параметром, характеризующим систему, будет произведение оптических величин, полученных с помощью методов интегрального и дифференциального светорассеяния. Произведения оптических характеристик условно мскно разделить на независимые и зависимые от измеренных абсолютных величин. Последние необходимо при сравнении различных дисперсных систем сопоставлять с определенной величиной эталона. .Форму индикатрисы характеризовали отношениями уЩ^яф Для учета поляризационных

характеристик использовали горизонтальную и вертикальную поляризации пад&щего света.

Независимые произведения:

У, (бо)/уЛ/до) ■ Ъ/£0)!УЛ90) • УГбо)/У^О) . ■ (Г) (120)!У,-2¡КО)!'/* №)■ У№0)/У/ЭС>); (2)

Ъ№)/У,/ЩУМ/УЛ20)-УГ60)/У^2С>), (3)

где - интенсивность рассеяния нелаяяризованного света при утле 12

рассеяния; б ; // , ± - горизонтальная и вертикальная поляризация падающего .света. •

г .'.,-Еще одно независимое произведение:'

■г/РГеоу 4/Р(90)> //Р{*гр) , (4)

где Р(60), Р(90) , Р(120) - значения степени поляризации при углах рассеяния 60°, 90°,.120<? соответственно.. ■ О

Зависимые произведения:

Ф(500)/Ув(90)' Ъ(500)(%190)-ЮСт)М90) (5)

где Д (500) - оптическая плотность при длане волны 500 нм.

Зависимые произведения обозначим - П, а результат перемножения ■независимых -ГГ1". Произведение П х П* оказалось наиболее чувствительным эмпирически подобранными параметре», характеризующей анализируемые дисперсные системы. Для модельной системы строили калибровочную зависимость параметра. И х 1Г1" от соотношения значений оптических плотностей биологической и минеральной составляющей (рис.7). Из та&ой зависимости для смешанной системы при неизвестном соотношении компо-.нент можно определить долю в измеренной оптической,плотности биологической и минеральной.составляющей. Аналогичные зависимости можно построить -для любой - длшй* волны и из-них определить значения опти-' ческой плотности каждой компоненты смешанной системы, а затем по методу СГ рассчитать-параметры.состояния составляющих. Для системы каолин и,клетки кишечной 'палочки определяются значения Д(400) ,Д(500), Я-ЗСС-).

В общем случае, алгоритм^ решения задачи раздельной регистрации биологической и шнер'альной котпбнент в смешанных дисперсных сисхе-'мах может .бытЬ:'следующим:'' 1.с'с помощью модельных дисперсных систем строятся' зависимости ЙхЛ*. от отношения О)[иол ¡Янин * для спектрального интервала, где,исследуемая система не поглощает сЕет;2. измеряются спектр мутности и спектральные зависимости интенсивности рассеянного света для анализируемых смешанных биоминэральных систем (с учётом поляризации падающего света) ; 3. рассчитывается параметр Пай* ; 41 .по калибровочной зависимости определяется доля минеральной и биологической составляющей (см.п.1) в общем измеренном значении оптической плотности для 3 длин вата (концы л середина спектрального интервала) ; 5. рассчитываются величины оптических плотностей каткой компоненты, а по ним величина волнового экспонента; 6. по методу СТ рассчитываются параметры состояния минеральной к биологической кс.улс-

13

нент. Такой алгоритм предполагает использование соответствующей автоматизации измерений и вычислительной техники.;

Глава 6 "Методические подходы к создании датчиков контроля

изученных дисперсных систем" посвящена вопросам приборного обеспечс ния оптического анализа с помощью разработанных, методик. В ней описываются основные требования к приборному комплексу для анализа см( шанных биошшеральннх систем с помощью методов .светорассеяния. Причем, использовать такой комплекс можно не только для анализа водны; дисперсий кишечной палочки и каолиновых частиц, ;'но'и ддя других си дных по показателю преломления, размерам, форме , частиц > систем. Oxet предлагаемой универсальной установки для раздельной регистрации ка понент биоминералышх дисперсий представлена на рис.8. .Предлагаете! предусмотреть в измерительном комплексе возможность изменения поляризации падакщего излучения, регистрации интенсивности-рассеянного света с уча тем поляризации;, установку перед фотоэлементом диафраг: с регулируемыми размерами и возмонность перемещать диафрагму по вы соте-кюветы; его термостагировакие. Такой комплекс позволил би по лучать различного рода информацию о дисперсной системе в'зависимое1 от задачи исследования, причем экспрессво. К его достоинствам можн отнести простоту и доступность составных частей комплекса. Унивёр-сальный автоматизированный оптический комплекс может помочь в решении целого ряда практических задач, например, при, анализе водных образцов. . V

Основные выводы и результаты работы -._.!-•

1. Разработана методика оптического анализа органических и ми неральных дисперсий на примере модельных дисперсий клеток кишечной палочки и каолиновых частиц. Представлены результаты эксперимеЕтал ного определения показателя преломления и плотности (для каолина), частиц исследуемых систем. ' ■';''/"- :'. , :

2. Разработаны методики анализа распределений частиц по разме рам в дисперсиях клеток кишечной палочки, каолиновых дисперсиях. И .следовали принципы применения теории метода спактротурбвдиметрии к конкретному материалу. Даны рекомендации по модификации существуют приборов. Проанализировано влияние геометрии фотоприемника на резу таты анализа по методу спектротурбидаметрш. ■ 1

3. Экспериментально исследованы: вопросы регистрации процессо агрегации-дезагрегации в дисперсии каолиновых частиц, реакции хлет

14 "V;.. ....

2

Фкаол

Рис.7. Зависимость параметра ПхП* от отношения оптических плотностей при длине

волны 500 ем клеток кишечной палочки и каолиновых частиц при условии отсутствия гетеро-коагуляции. Г - в смешанной системе присутствует и мелкая и крупная фракция глины ; 2 - в смешанной системе присутствует только мелкая фракция глины.

—г—" 1—•" ' гщеАМвохьд

Рис.8. Схема универсальной установки для измерения параметров светорассеяния дисперсных систем.

Пояснения: А< , Аг и Аь - выбранные длины волн падающего света,например, 442 , 488 и 633 нм;

ФП - фотоприемншш; Д -диафрагмы; П - поляризаторы ; А — анализаторы; зависимости от характеризуют упругое рассеяние, а от (Л; ) _

кв азпупрутое; [!;;] (А;), : и - матрицы упругого и динамического светорассеяния; и ^ -выбранные для данной дисперсной система характерные углы.

на внешние воздействия;особенности,углового распределения интенсивности рассеянного света ж поляризационных характеристик у органических и минеральных дисперсий. Показана зависимость индикатрисы и поляризационных: характеристик от анизоднаметрической формы частиц и их расп-, ределения по размерам. ■ . • ■!. , '. Л* '

4. Разработана методика оптического'.анализа смешанных бисмшге-ральных систем на основе модельных дисперсий .(каолиновые частицы и, клетки кишечной палочки). Представлены .результаты комплексного оптического анализа процесса гетерокоагуляции частиц .в таких смешанных-модельных системах. Разработан алгоритм решения:-прямо!'оптической . задачи до раздельной регистрации биологической и минеральной компонент в дисперсии. Намечены дуги решения обратной задачи. '

5. Представлены методические.разработки до.созданйо,.датчиков контроля параметров состояния "изученных дисперсных, систем, Предложена схема универсальной установки для/раздельной регистрации биологической и минеральной компонент в смешанных системах.

, Основные результаты опубликованы в следящих работа:: '

■ I. Оптический анализ минеральных взвесей природных водоемов, с использованием фильтрации/О.Л.Власова, Д.Г.Безрукова,Б.В.Мчеддишвили, В.М.Колпков, Л.Й.Нерода, Т.В.Никифорова// 2 Пленум рабочей группы по оптике океана: Тез.докл. -I.,-198й. ~СЛ24; .; г/. \ -, .

2..Применение спектротурбидиме'трии для анализа минеральных взвесей природных водоемов/О .Я.Бласова,:А.Г1Безр7кова,,Б.В.?.!чедлшвшга, ■ В.М.Коликов , Х.М.Нерода, Т.В,Шш1фОро&в//Химия и технология воды.-; IS89. - Ï.II.-,- № '3.- 0.237-232. V' ' , ■ ..

'3. Ультрафлльтрация на ядерных $шгьтр»//А,Н.Черкасов,О.Л.Власо-ва^^|арева,В,М.Коликов,Б.В.Мчедлишв1^//Ж.-1390. - Т.52. - № 2. -

4. Власова 0JT. Методологические аспекты спектротурбидиметричес-кого анализа состоянйя культивируег.шх'клеток^лп Всес:совет,. "Культивирование, клеток животных и человека": >Теэ.Докяк: -."М.,1990.-С.155-156.

5'Y&*0i/A,OA.£éjiuUû»AA;&,ot minAtae '-■ анЛ охаам4с cUtpvui. {<fite*,j s -¿сьг^г-// // iC ¿цгерсап-

„ C&ewlt-v/ a>, ¡H.ttb£xaJ": éool o{. 4990-:- £. J40.

6. Власова O.I..Безрукова А.Г.'.Молодкина Д.М. ,'Коликов В.М. ' исследование гетерокоагуляции,частщ'в'смешанных биоминералышх дисперсных системах методами светорассеяния// II Международная хонф, по-поверхностные силам: Тез.докл.. - Ш., 1990. - С,19/

7. Власова 0.1», Безрукова А.T.V Кодаков В.№.'ИЬследование проб воды финского залива оптическими методами// П Пленум рабочей группы

' ио оихшсе океана: тез.докл.' - Красноярск, 199>0.'-< ЧД.~- С.82. "

8. Лопатщ В.Н..Безрукова А.Г.,Власова О.Л.Доликов В.М. Экспериментальное определение показателя преломления асферических'биологических и минеральных частмуУХГ Плёкум-;ра5очей группы по оптике океана: Тез.докл. - Красноярск, 1990. - 4.1. - C.I22;

9. Власова О Л.,Безрукова А.Г.,Коликов В.М. Экспресс-анализ" состояния суспензии клеток кишечной палочки//Передовой производственный 199Г В !"|,п|ДИ!1020|2^11Шленнооти» рзкомевдуекыа для .внедрения. - .

10. Власова О.Л., Безрукова А.Г., Мчедлишвили Б.В., Котиков М. Анализ каолиновой дисперсии по размерам частиц// РЕ. - 1921. 53. - Л 5. - С.826-629.

11. А.С. 1718043 (СССР). Способ анализа дисперсных систем по азыерам / А.Г.Безрукова, О,Л.Власова, В.М.Коликов, Г.М.Симонова, .А.Бетькенев. - Опубл. в.Б.И., 1992, 1з 9.

Подписано к печати О Р. -С Тир« 1Э0 •>«.

Заказ .г*«" Бесплатно г--------------------------------------------- -............

Отгшчатлио и\ ротчпринте ЛГТУ

1952.^1, Ст;%т-Пстэрйу;)Г, ГЬ.'г.'.гз.'.ничеокгы ул., 29.