НАПИСАТЬ ПИСЬМО НАШИ КООРДИНАТЫ

ЛАБОРАТОРИЯ ЛАЗЕРНОЙ ФОТОАКУСТИКИ И ПРИКЛАДНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Научный руководитель доцент, к.ф.-м.н. В.Б.Ошурко

Фундаментальные задачи. Несмотря на прикладной характер большинства задач, более всего усилий мы тратим на исследования фундаментального характера, что и позволило достичь столь ярких практических результатов (см.ниже).
Современная лазерная молекулярная спектроскопия по сути представляет собой экспериментальную квантовую механику молекул. Если в случае малых молекул нам еще удается предсказать большинство физических явлений, то это далеко не так в случае больших молекул (полимеров, белков и т.п.) , а также молекулярных комплексов и агрегатов. Но именно с явлениями в таких системах и связано само существование жизни. Здесь наменее изучены т.н. слабые - ван-дер-ваальсовы, водородные и т.п. взаимодействия, которые приводят к образованию сложных пространственных молекулярных структур - "рабочим" конформациям белков, структуре воды и т.п. Вполне возможно, что существует еще не открытая целая "химия" таких взаимодействий.
Лазерное излучение позволяет, в принципе, не только исследовать, но и селективно (избирательно) управлять такими структурами. Однако, для этого требуется понимание физических механизмов релаксации возбуждений в таких молекулярных системах.
Для изучения этих процессов в лаборатории имеется целый ряд экспериментальных методик - установки для лазерной абсорбционной и флуоресцентной спектроскопии, рамановского (комбинационного) рассеяния, фотоакустической спектроскопии, (а также лазерная техника от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона) и др.
К особенно интересным результатам привел метод фотоакустической спектроскопии. Принцип фотоакустики прост. В конденсированных средах, процессы релаксации электронного или колебательного возбуждения (светом) неизбежно приводят к нагреву среды, что вызывает импульс звукового давления. Нами были обнаружены некоторые интересные явления - оказалось, что спектр звука, генерируемый лазерным излучением зависит от пространственной организации поглотителя. Это дает новые возможности анализа сложных молекулярных систем.
В настоящее время в лаборатории ведутся широкие исследования связи между надмолекулярной структурой и процессами релаксации возбуждений в в молекулярных системах методами лазерной фотоакустики, рамановского рассеяния, лазерной спктроскопии , а также теоретического анализа. В качестве объектов исследования используется вода, растворы белков, суспензии клеток и др.
Успех этих исследований уже привел к уникальным практическим результатам в самых неожиданных областях.

1.Распознавание производителя продукции методами лазерной спектроскопии
Представьте себе задачу - традиционную для российских контрольных органов - необходимо выяснить, где и когда был сделан данный продукт - минеральная вода, водка и т.п. Речь идет даже не о качестве данного продукта (известны случаи самого высококачественного фальсификата!), а о том является продукт фальсифицированным, или нет.
Традиционные методы анализа продукции состоят , в основном , в выяснении химического или элементного состава продуктов. Очевидно, что химический анализ еще ничего не говорит о месте изготовления продукта, т.е. не позволяет отличить настоящий продукт от высококачественного фальсификата.
Вместе с тем, как оказалось, в любом продукте всегда есть комплекс из нескольких десятков (или сотен) микропримесей, содержащихся в предельно малых количествах (менее 0,1-1,0 ppb). Этот комплекс связан с составом использованного сырья, оборудованием и т.п., т.е. оказывается уникальным для данного производителя. (Ясно, что изменение одного-двух компонент этого комплекса (например, в связи с модернизацией производства) еще не изменит общей картины комплекса.) Таким образом, комплекс микропримесей оказывается "отпечатком пальца" производителя, позволяющим просто и эффективно выявлять фальсифицированную продукцию.
В нашем случае для выявления такого "отпечатка пальца" использовался метод импульсной лазерной фотоакустической спетроскопии с последующим Фурье-преобразованием акустического отклика.
Нейронные сети. Для распознавания образа производителя в нашем случае удобно использовать компьютерную реализацию методов нейронных сетей.
Современные методы нейронных сетей основаны на моделировании элементов мышления (точнее, функций нейронов головного мозга). В результате обучения такая сеть способна распознавать даже сильно искаженный образ любого объекта.(подобно тому , как человек распознает другого в любом ракурсе). Более того, нейронные сети, в принципе, способны правильно классифицировать даже никогда не предъявлявшийся объект. Это означает, что даже заметные изменения в "отпечатке пальца" производителя, вызванные изменением состава микропримесей, например, в результате модернизации производства, еще не приведут к ошибкам в распознавании.
Созданное в результате данной работы устройство представляет собой быстродействующий малогабаритный переносной прибор , включающий мощный лазер, системы анализа и компьтер.

Нейросетевой лазерный распознаватель производителя продукции.
В настоящее время (2002 г.) исследуется возможность органолептического (т.е. вкусового) анализа продуктов такими методами.

2.Поиск нефти.
В задачах экологического контроля нефтяных и газовых местопрождений, а также разведки новых месторождений часто требуется детектировать присутствие нефтяных (газовых) углеводородов в воде в незначительх (~ 1 ppm) концентрациях. Лазерная фотоакустика уже активно применяется для этих целей. Однако, обычные подходы сталкиваются с рядом трудностей. Например, практически невозможно селективно (избирательно) детектировать именно нефтяные углеводороды на фоне большого числа органических примесей биологического происхождения.
Наши методы позволили не только уверенно различать биологические и нефтяные углеводороды, но также растворенные и эмульгированные фракции вплоть до ~10 ppb без существеннгого усложнения методик. Эти результаты уже используются рядом западных компаний (1998 - 2000 г.).

3.Химическое загрязнение территории.
Часто химическое вещество - органический загрязнитель - оказывается очень простым по химической структуре , но при этом высокотоксичным. Это означает, что вещество может не иметь каких-либо особых полос поглощения или люминеценции в видимой . ультрафиолетовой или инфракрасной области, и значит обычные методы спектрального анализа не позволят детектировать его на фоне большого числа других органических соединений. Вместе с тем, вещество может быть токсичным в столь малых концентрация, что химический анализ (хроматография) потребует недопустимо большого времени. Задача обнаружения такого вещества выглядит почти неразрешимой.
Однако, ясно, что для селективного (избирательного) анализа, в принципе, применимы иетоды нелинейной (двухквантовой, двухступенчатой и т.п.) спектроскопии. Но как быть, если вещество не обладает видимой (и УФ) области полосами поглощения для возбуждения хотя бы излучением первой ступени? Многоквантовые процессы с участием виртуальных промежуточных состояний тоже не решают проблемы из-за низкой концентрационной чувствительности.
Нами был предложен и реализован метод двухквантового возбуждения комбинационных колебательных переходов с акустической диагностикой и Фурье-анализом звука. Этот метод не только принципиально решил поставленную задачу, но и обладает универсальностью, т.е. применим для многих других задач. (Данная работа была выполнена порядке сотрудничества с дружественной соседней страной в 2001 г.)

4.Анализ наличия инфекции.
Обнаружение присутствия опасных болезнетворных бактерий или вирусов в воздухе и других средах является важнейшей медицинской задачей.
Еще 2000 г. на биологической секции конференции laser Physics в Бордо нами была обоснована идея о том, что Фурье-спектр фотоакустического отклика содержит существенную информацию о пространственной организации поглотителя, что может использоваться в том числе для анализа присутствия определенных клеток в медицинских целях.
В февралt 2002 г. появились сообщения о том, что в США наконец разработан прибор, обнаруживающий присутствие сибирской язвы (anthrax) в воздухе и др.средах методом лазерной фотоакустики.
В нашей лаборатории в настоящее время ведутся активные исследования возможности анализа микробиологических объектов такими методами.

WEB-МАСТЕРУ