Большинство существующих методов анализа состава

Большинство существующих методов анализа состава вещества требуют предварительной
обработки тестируемых образцов, что приводит к резкому увеличению затрат труда и времени, а
также часто необратимо разрушает исследуемый образец. Особо отметим тот факт, что в
большинстве случаев для проведения подобных анализов требуется громоздкое и достаточно
хрупкое лабораторное оборудование, нуждающееся в специалистах высокого уровня для его
использования и транспортировки.
Методы химического анализа нередко требуют наличие целого набора дорогостоящих реактивов,
что еще более увеличивает себестоимость одного анализа, а иногда приводит к необходимости
использования большого количества исследуемого вещества для проведения одного теста.
Существенно осложняет задачу контроля еще и тот факт, что во многих приложениях разрушение
или изъятие исследуемого образца недопустимо.
Особое внимание следует уделить контролю подлинности музейных экспонатов, контролю
жидкостей вообще и спиртосодержащей продукции в частности на контрольно-пропускных
пунктах через границу и при внутреннем контроле, а так же контролю подлинности ювелирных
изделий. Особенность контроля такого типа состоит в том, что требуется проведение анализа в
реальном времени без изъятия тестируемого образца. В настоящий момент задача контроля в
реальном времени практически не решена.
Наравне со сказанным выше отметим, что в результате стремительного развития биотехнологий и
генной инженерии все более востребованным становится анализ веществ сверхмалых объемов.
Задача детектирования конкретного типа молекул или наличия в исследуемых образцах
отдельных атомных групп становится все более актуальной. Отдельно можно выделить проблему
считывания ДНК. Минимальное время считывания одной ДНК составляет несколько дней, не
говоря уже о стоимости этой процедуры.
Вышеописанное показывает наличие значительных сложностей при использовании, а порой и
полной непригодности методов, требующих непосредственного контакта исследуемого образца с
тестером. Автор видит перспективным развитие бесконтактных методов анализа химического
состава веществ, основанных на использовании портативного оборудования.
Неоспоримым преимуществом бесконтактных методов является отсутствие необходимости
специальной подготовки образца, что позволяет существенно сократить время одного измерения
вплоть до проведения тестов в режиме реального времени. Кроме того, бесконтактный метод
позволяет проводить анализ веществ, находящихся в прозрачной оболочке, что открывает
перспективы построения портативных устройств с широким спектром практического применения:
контроль подозрительных веществ службами безопасности, контроль подлинности лекарственных
препаратов конечным потребителем.
Система неразрушающего контроля бесконтактным методом позволит проверить и отсортировать
по классам качества всю выходную продукцию, а также внедрить новое поколение элементов
эффективной защиты товаров от подделок.
Помимо описанных выше недостатков существующих методов контроля подлинности, отметим,
еще и тот факт, что постоянное наращивание вычислительных мощностей ведет к необходимости
увеличения скорости передачи данных. Это, в свою очередь, требует расширения количества
каналов линий передачи, т.е. расширение частотного диапазона передачи данных и
увеличения несущей частоты. Поскольку уже на данный момент системы передачи данных по
высокочастотным кабелям достигли своего предела, все больше приборов переходит на
оптические системы связи, где передача сигнала производится по световоду на частоте
видимого излучения, которая на 6 порядков выше радиочастот.
В настоящий момент огромное количество актуальных и активно развивающихся технологий
требуют совершенствования существующих и развития новых оптических методов и приборов
на их основе. [1] Одними из наиболее просто реализуемых методов, позволяющих создать
бесконтактные методики, являются оптические, которые позволяют вынести область
взаимодействия с образцом за пределы установки, сфокусировав лазерный пучок.
В приведенных примерах часто исследуемый образец имеет либо очень малый объем,
либо очень низкие концентрации детектируемого вещества, что делает традиционно
используемые методы, такие как люминесцентные маркеры, либо ненадежно
работающими, либо не применимыми вообще. Одним из решений (а иногда и единственным
решением) этой проблемы являются оптические (волновые) методы анализа и измерений. Длина
волны фотона видимого излучения находится в диапазоне 800-250 нм, что делает его очень
удобным зондом для анализа веществ, обладающим достаточно малым размером для
взаимодействия с единичными молекулами или частями молекул с одной стороны и легко
детектируемым с другой.
Принцип работы CCD матриц (От англ. Charge-Coupled Device - специализированная аналоговая
интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на
основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.), активно
используемых сейчас для детектирования видимого излучения, позволяет подсчитать
непосредственное количество фотонов, попавших на детектор, что открывает широкие
возможности для детектирования сверхмалых оптических сигналов. Это свойство активно
используется в последнее время для изучения спектров поглощения и пропускания.
Однако, метод не позволяет изучать низкоэнергетические степени свободы молекул, энергия
которых соответствует энергиям квантов электромагнитного излучения терагерцового диапазона,
что в значительной степени ограничивает возможности анализа, основанного на использовании
спектров поглощения и пропускания. В некоторых случаях в дополнение к отмеченному факту
добавляется еще проблема разрушения слабых связей при поглощении фотона видимого
света, т.е. разрушение исследуемого образца.
Указанные выше недостатки отсутствуют при регистрации не поглощенного света, а рассеянного
на малый угол. При этом молекуле передается не вся энергия фотона, а лишь малая ее
часть, приводящая к уменьшению энергии рассеянного фотона и, соответственно, его
частотному сдвигу в более красную область в спектре относительно линий возбуждающего
излучения. Этот эффект, начиная с момента его открытия в 20-х годах прошлого века, вызывал
большой интерес и впоследствии, с развитием лазеров, использовался для исследовательских
целей. Эффект Рамана был открыт в 1928 году Ч.В. Раманом одновременно с Л. И.
Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом. Несмотря на то, что советские физики проводили свои
исследования по рассеянию света с 1918 г и абсолютно независимо от Рамана, Нобелевская
премия по физике 1930 года была присуждена лишь Раману С тех пор комбинационное рассеяние
света в иностранной литературе носит название «эффект Рамана».
Эффект рамановского рассеяния нашел широкое применение для исследования электронных
состояний в полупроводниках, но, не смотря на все это, мало применяется для изучения
состава веществ и структуры отдельных молекул.
Применительно к анализу веществ, весьма перспективными являются оптические методы,
основанные на эффекте рамановского рассеяния, поскольку получаемый в результате спектр
определяется вибрационными степенями свободы молекулы, формируя, таким образом,
своеобразный «отпечаток пальца» каждого конкретного вещества. С учетом того факта, что
интенсивность линий в рамановском спектре зависит от концентрации вещества в смеси, эффект
открывает перспективы не только для определения набора компонент в исследуемом образце, но
и их мольной доли.
Отметим, что в настоящий момент применение бесконтактных методик диагностики, в том числе
на основе комбинационного и гигантского комбинационного рассеяний, активно исследуется во
всем мире. Данные методы находят все новые и новые применения в различных областях науки и
техники. В.П. Жаров (UAMC) опубликовал ряд научных исследований, в которых прослеживается
возможность идентификации различных веществ в крови человека, вплоть до отдельных молекул,
микробов, маркеров различных заболеваний. [1,2,3]
Частные компании налаживают серийный выпуск сравнительно недорогого лабораторного
оборудования для использования в аналитических целях и изучения рамановских спектров
веществ. Отметим продукцию OceanOptics (США), Ahura (Япония), Avantes (Нидерланды), Jobin
Yvon (Япония-Франция) как мировых лидеров в производстве портативных спектрометров и
оптического оборудования.
Однако, несмотря на распространенность метода и разнообразие выпускаемого оборудования,
многие вопросы конструкции, обработки сигнала и идентификации веществ на портативном
оборудовании и в полевых условиях остаются нерешенными. В частности, практически
отсутствуют доступные системы для идентификации веществ, использующие в своей работе
эффект комбинационного рассеяния.
Существующие приборы имеют, с одной стороны, очень высокую цену, что значительно
ограничивает возможности их использования, делает их недоступными для применения в
повседневной жизни, с другой стороны, недостаточно высокую точность, что делает их
использование в лаборатории малоэффективным. Особо отметим несовершенство используемых
в указанных приборах алгоритмов обработки, фильтрации и идентификации полученных
спектров. В частности, портативное оборудование от компании Ahura в состоянии лишь проверять
на соответствие эталону заданное вещество. Возможность поиска вещества из обширной базы
данных при проведении анализа отсутствует. Отметим так же и тот факт, что на данный момент в
мире существует лишь единственный прибор, созданный для конечного потребителя. Им является
указанный выше Ahura Truscan.
Предлагаемая в работе методика бесконтактной идентификации веществ позволяет реализовать
возможности лабораторного высокоточного оборудования на портативном приборе.
Результаты исследований позволили разработать новый алгоритм обработки спектральных
данных, а так же алгоритм идентификации с возможностью проведения покомпонентного
анализа. В ряде проведенных экспериментов разработки показывают высокую точность по
сравнению с аналогами. Указанные алгоритмы реализованы программно. Реализация на
портативном компьютере и высокая скорость работы позволяют использовать как разработанную
методику бесконтактной идентификации веществ, так и портативный прибор в решении
различных задач не только в лабораторных, но и в полевых условиях.