Новые возможности диагностики сельскохозяйственных культур и продукции на примере анализа молока, гуматов, бактерий

1. Новые фундаментальные возможности диагностики с.-х. культур и продукции на примере анализа молока, гуматов, бактерий

Валерий Мальцев
д.ф.-м.н., профессор
Зав. лабораторией цитометрии и биокинетики
Зав. кафедрой биомедицинской физики НГУ
Профессор кафедры нормальной физиологии НГМУ
27.09.2017
Новосибирск

2.

Полидисперсные живые и
промышленные среды
Бактерии
Молоко
Планктон озер
Клетки крови
Копоть дизеля

3. Лаборатория цитометрии и биокинетики

Научная
экспертиза
средний IF top-10
3.8
12 диссертаций физ.-мат. наук
Сканирующий
проточный цитометр

4. Дисперсные среды

Как измерять?
Ансамблевый анализ
Инструмент
Получение
результата
просто
сложно
безнадежно
Спектроскопия
Нефелометрия…
Поэлементный анализ
сложно
просто
Микроскопия
Проточная цитометрия

5. Проточная цитометрия = анализатор частиц

6. Универсальная многофункциональная платформа

Лаб. цитометрии и биокинетики
Универсальная многофункциональная
платформа

7. Сканирующий проточный цитометр

8.

Смешанные культуры бактерий
Чистые культуры
5 мкм
Показатель преломления n
(диплококки)
Показатель преломления n
(микрококки)
Смешанная культура
1.50 (a)
1.48
1.46
0.97 0.07
1.440 0.011
1.13 0.11
1.423 0.010
(c) d,мкм 0.97 0.07
n
1.435 0.011
Кластеризация в параметрах
размера и показателя преломления
1.16 0.08
1.421 0.009
1.44
1.42
1.40
1.38
1.36
1.50 (b)
1.48
1.46
Micrococcus sp. 388
Micrococcus sp. 392
0.92 0.05
(d)
(d)
1.443 0.009
1.03 0.08
1.427 0.013
0.926
1.442
0.08
0.012
1.09 0.09
1.419 0.016
Micrococcus sp. 388 и 392: 81%
Micrococcus sp. 386 и 388: 60%
Micrococcus sp. 388 и 389: неразличимы
1.44
микрококки (СПЦ)
1.42
1.40
Micrococcus sp. 386
0.30
1.38
MEd
0.25
MEd
SEd [мкм]
SDd
0.08
0.05Характеристики
(a)
0.00 субпопуляций
0.0
0.4
0.8
1.2
B. subtilis 1327
E. coli XL2-Blue
Ochrobactrum 1325
длина,
MEn SEn
мкм
SDn
1.4235 0.0002
0.0128
3.1 ± 0.9
2.1 ± 0.7
2.0 ± 0.8
0.00
1.32
1.36
1.40
MEd
0.4
0.8
1.2
1.6
0.4
0.8
1.2
(d)
1.6
доляДиаметр d, мкм
диаметр,ME SE
длина,
диаметр,
MEn SEn
клеток
n
n
мкм
мкм SDn
мкм
SDn
%
1.4206 0.0002
1.4212 0.0002
0.88 ± 0.090.0087 23
3.12 ± 0.0096
0.9 0.87 ± 0.07
1.4194 0.0005
0.73 ± 0.07
37
1.91.4148
± 0.3 0.0011
0.74 ± 0.05
0.0162
0.0133
0.56 ± 0.10
40
2.2 ± 0.9 0.55 ± 0.09
1.44
1.48
1.36
1.40
1.44
1.48
1.36
1.40
Показатель преломления
1.44
SEd [мкм]
SDd
0.974 0.003
0.066
0.926 0.002
0.08
0.947 0.003
0.113
Результаты(c)идентификации
(b)
1.6
Micrococcus sp. 392
SEd [мкм]
SDd
1.125 0.002
0.076
1.050 0.002
0.067
1.045 0.007
0.125
1.161 0.002
0.08
1.088 0.003
0.088
1.135 0.011
0.142
0.10
Штаммы
бактерий
MEd
SEd [мкм]
микрококки и диплококки (микроскоп)
Micrococcus sp. 389
SDd
1.042 0.002
1.36
0.20
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 0.11
1.09 0.02
0.15
Диаметр d, мкм
Диаметр d, мкм
доля
0.20
клеток
% 0.15
26 0.10
38
0.05
36
диплококки (СПЦ)
Micrococcus sp. 388
0.4
MEn
0.8
1.2
1.6
1.44
1.48
SEn
SDn
1.435 0.0003
90%
0.0111
89%
1.4419
0.0003
84%
0.0117
1.48
1.36
1.40

9.

Динамическая характеризация
Измерение роста бактерий E.coli
Схема эксперимента
Escherichia coli B
- синхронизация стационарной культуры
(30 мин при T=4-6 C)
- посев на новую питательную среду LB
• Измерение оптической плотности
Разные
lag-фазы
средний объем
оптическая плотность
0.8
4.0
0.7
0.6
3.5
0.5
0.4
3.0
0.3
0.2
2.5
0.1
2.0
II
I
0
20
40
III
IV
0.0
60 80 100 120 140 160
Время, мин
Оптическая плотность (405 нм)
Средний объем по популяции, мкм
• Измерение на сканирующем проточном
цитометре
• Контроль на оптическом микроскопе
30 мин
100 мин
40 мин
110 мин
50 мин
120 мин
Рис. 1 Микрофотографии клеток E. coli B в логарифмической (слева) и
60роста.
мин
130 мин
стационарной (справа) фазе
I – lag-фаза
70 мин
II – фаза ускоренного
роста
III – фаза замедленного
80 мин
роста
IV – стационарная фаза
0
2
90 мин
0
2
4
6
Объем, фл
8
10
150 мин
log-фаза
160 мин
4
6
Объем, фл
8
10

10.

Примеры
Характеризация жировых частиц в
молоке
d, мкм
n
2
Сфера
Сфероид
Сфера
1.07±0.03
1.059±0.017
1.490±0.011 1.494±0.005
1.24±0.09
2
ближайшая по теории Ми
(A2)
Сфероид
Сфероид
3.10±0.02
1.59±0.04
1.477±0.004
1.476±0.011
1.37±0.03
1.20±0.12
Сфера
Сфера
(B2)
20
3.2±0.2
1.60±0.03
1.463±0.012
1.470±0.006
15
Сфероид
10
Сфера
1
0
3
5
(A2)
Сфероид
Сфера
Сфероид
Угол рассеяния,
градусыСфера
d, мкм
RI
300
1
(A1) данных сфероидов
индикатриса
ближайшая из базы
0
Сфероид
Сфера
d, мкм
мкм
мкм 1.07±0.03
1.059±0.0174 (B1)
d,
RI
1.490±0.011 1.494±0.005
RI
3
1.24±0.09
Сфероид
ближайшая из базы данных сфероидов
0
60
Число частиц
ед. Интенсивность, отн. ед. Интенсивность, отн. ед.
Экспериментальная индикатриса
ближайшая по теории Ми
Сфероид
Сфера
20
3.10±0.02
3.2±0.2
1.477±0.004 1.463±0.012
15сфероиды
1.37±0.03
сферы
250
10
200
5
150
d, мкм
RI
100
50
0
0
60
Сфероид
Сфера
5.38±0.17
4.9±0.7
1.485±0.009 1.487±0.019 45
1.21±0.05
30
30%
15
1
2
3
Диаметр, мкм
Сфероид
Сфера
4
5
0
15
6

11. Дисперсность молока

(A)
1.54
Refractive index
1.52
1.50
1.48
1.46
1.44
1.42
1.54
(B)
Refractive index
1.52
1.50
1.48
1.46
1.44
1.42
1.54
(C)
Refractive index
1.52
1.50
1.48
1.46
1.44
1.42
1
2
3
4
Diameter, m
5
6

12. Дисперсность жира в молоке

Сырое молоко
Диаметр (мкм)
Средний ± ошибка
Ширина распределения
Медиана
Площадь поверхности (мкм2)
Средняя ± ошибка
Ширина распределения
Медиана
Показатель преломления
Средний ± ошибка
Ширина распределения
Биоемкость (мкм-1)
Доля сферических (%)
Ошибка диаметра (нм)
Средняя
Медианная
Пакетное молоко
2.5%
3.2%
2.285 ± 0.012
1.022
2.175
1.115 ± 0.006
0.504
0.989
1.133 ± 0.006
0.465
1.030
19.8 ± 0.2
16.9
14.9
4.72 ± 0.08
6.80
3.08
4.72 ± 0.07
6.20
3.33
1.47429 ± 0.00017
0.0143
1.93
71
1.48237 ± 0.00014
0.0117
3.33
87
1.47687 ± 0.00015
0.0123
3.52
92
119
74
44
23
52
30

13. Дисперсность гуматов: электронная микроскопия

14.

300
require spheroidal model
well-modelled by spheres
250
Counts
200
150
100
50
0
0
1
2
3
Diameter ( m)
4
5
6
Число частиц
300
200
100
0
0
1
2
3
Размер, мкм
4
5
6

15.

Показатель преломления
1.70
1.65
1.60
1.55
1.50
1.45
1.40
1.35
0.2
0.4
Диаметр, мкм
1 1.2 1.4
2

16. Благодарю за внимание

Работаем под девизом:
«Нас не догонят!»
Благодарю
за внимание
Institute Chemical Kinetics and Combustion
Cytometry and Biokinetics Lab
Institutskaya 3, Novosibirsk
630090 Russia
phone/fax: +7-383-3333240/-3307350
http://cyto.kinetics.nsc.ru/
[email protected]