Спектрометры ЭПР

Портативный автоматизированный ЭПР
спектрометр для исследования вещества на
наноуровне, измерения высоких доз
ионизирующих излучений, ретроспективной
дозиметрии и контроля безопасности
радиационно-стерилизованных продуктов
питания.
Разработка и подготовка к производству.
06.05.2016
1


В Институте Естественных Наук (ИЕН) Уральского
Федерального Университета (ранее в НИИ Физики и
Прикладной Математики УрГУ) в течение ряда лет ведутся
разработки оригинальной аппаратуры для исследования
Электронного Парамагнитного Резонанса (ЭПР).
Контакты:
Тарарков Андрей Николаевич – руководитель проекта
[email protected]
89122463415
06.05.2016
2
СОДЕРЖАНИЕ




06.05.2016
Физика явления «ЭПР» и решаемые
проблемы;
Принцип регистрации эффекта,
основные части измерительной
аппаратуры;
Классы спектрометров и ситуация на
мировом рынке;
Наша цель и достигнутые результаты.
3
Что такое «ЭПР спектроскопия»?
ЭПР спектроскопия – это технология, позволяющая
изучать химические объекты нанометрового
диапазона, содержащие неспаренные электроны
(имеющие ненулевой «спин»). Такие объекты
называются «Парамагнитными Центрами» (ПЦ). Ими
являются органические и неорганические свободные
радикалы и комплексы, содержащие ионы металлов
переходных групп.
06.05.2016
4
Физика явления I.
В присутствии постоянного магнитного поля элементарные
магнитные моменты, связанные с неспаренным спином могут
ориентироваться только вдоль или против направления этого
поля. Энергии этих ориентаций различны, а различие энергий
определяется приложенным постоянным магнитным полем.
06.05.2016
Институт Естественных Наук
УрФУ
5
Физика явления II.
Если направить на вещество электромагнитное излучение,
то изменением постоянного магнитного поля можно
добиться, чтобы энергия падающих квантов совпала с разницей в
энергиях состояний – произойдет резонансное поглощение
энергии излучения, которое можно зарегистрировать.
Это –Электронный Парамагнитный резонанс (ЭПР).
06.05.2016
Институт Естественных Наук
УрФУ
6
Физика явления III.
Как правило, в исследуемом образце одновременно
присутствуют различные парамагнитные центры, что придает
спектрам яркую «индивидуальность» и позволяет надежно
идентифицировать наблюдаемый объект. Интенсивность
наблюдаемого спектра несет информацию о количестве
наблюдаемых ПЦ в образце.
Спектр ЭПР кости.
06.05.2016
Институт Естественных Наук
УрФУ
7
Уникальность

06.05.2016
Только ЭПР способен однозначно
детектировать неспаренные электроны и
одновременно идентифицировать
наблюдаемый парамагнитный центр.
8
Физика и Химия

06.05.2016
В кристаллах ЭПР дает информацию о
валентности иона, его локальной
симметрии, химической связи и других
важнейших характеристиках ПЦ и
кристалла.
9
Биология и Медицина


06.05.2016
В биологии и медицине используют «спиновые
метки» - химически стабильные парамагнитные
молекулы с известным спектром, которые можно
использовать в качестве зондов, «пришивая» их к
различным биологическим структурам для
наблюдения за их транспортом и превращениями.
В биологических тканях могут присутствовать
«свободные радикалы», играющие ключевую роль
в жизнедеятельности и связанные с
большинством патологических состояний.
10
Дозиметрия без Дозиметра.


06.05.2016
Под действием ионизирующего излучения
в некоторых биологических тканях и
материалах накапливаются долгоживущие
(> 1млн. лет) парамагнитные центры,
количество которых пропорционально
поглощенной дозе.
Такими тканями оказались кости и эмаль
зубов, раковины моллюсков, косточки
плодов и т.п.
11
Ретроспективная дозиметрия
человека и животных.



ЭПР используют для дозиметрического
обследования населения, пострадавшего
при радиоактивном загрязнении окружающей
среды.
Концентрация радиационно-индуцированных
парамагнитных центров в эмали зубов
характеризует суммарную дозу облучения за
всю жизнь.
Минимально-обнаружимая доза < 0.1 Гр.
06.05.2016
Институт Естественных Наук
УрФУ
12
06.05.2016
13
Промышленная
радиационная обработка

Ионизирующие излучения широко используются для
стерилизации медицинских препаратов и
материалов, уменьшения содержания патогенных
микроорганизмов в мясе и дезинфекции фруктов и
овощей. В последнее время облучение даже
использовалось для профилактического
обеззараживания почты от переносчиков опасных
инфекционных заболеваний (например, спор
сибирской язвы). Ионизирующие излучения
генерируют свободные радикалы во многих типах
материалов, что может быть на количественном
уровне определено с помощью ЭПР-спектроскопии.
06.05.2016
14
Аланиновая дозиметрия
Аминокислота L-аланин CH3-CH2(NH3)-COOH под
воздействием ионизирующего излучения образует очень
стабильный свободный радикал. Свободные радикалы в
аланине дают в ЭПР-спектре характерный сигнал,
пропорциональный поглощенной дозе, но не зависящий от
мощности дозы, типа излучения и достаточно слабо
зависящий от температуры и влажности окружающей среды.
06.05.2016
15
Аланиновая дозиметрия
Аланин вследствие высокой линейности
дозового отклика (вплоть до 105 Грей),
высокой стабильности и низкой стоимости
оказался очень удобным для радиационных
технологий и сейчас рекомендуется как
базовый метод в этой области.

Аланиновая дозиметрия давно и
успешно принята как Международный
Стандарт ISO/ASTM 51607.

06.05.2016
16
Ретроспективная дозиметрия
радиационно-стерилизованных
пищевых продуктов.
Интенсивно развивается методика
стерилизации пищевых продуктов путем
облучения их дозами 5-35 кГр гамма лучами
или ускоренными электронами.
 Такое облучение надежно убивает практически
все микроорганизмы и вирусы, не отражаясь на
вкусе и внешнем виде продукта, поэтому эта
методика уже широко применяется многими
странами-экспортерами пищевых продуктов.

06.05.2016
17
Контроль безопасности.
Однако, в облученном материале создаются свободные
радикалы, которые в силу своей высокой химической
активности могут быть потенциально вредны и стимулировать
генетические повреждения, способствовать возникновению
рака и других патологий.
 ЭПР – надежный метод объективного контроля
безопасности облученных продуктов питания.
 В ряде стран, а сейчас и в России, приняты стандарты,
регламентирующие контроль за радиационно-обработанными
продуктами питания.

06.05.2016
18



ГОСТ Р 52529-2006 - Мясо и мясные продукты. Метод электронного парамагнитного
резонанса для выявления радиационно-обработанных мяса и мясопродуктов, содержащих
костную ткань
ГОСТ Р 53186-2008 - Продукты пищевые. Метод электронного парамагнитного резонанса
для выявления радиaционно-обработанных продуктов, содержащих целлюлозу
ГОСТ Р 52829-2007 - Продукты пищевые. Метод электронного парамагнитного резонанса
для выявления радиационно-обработанных продуктов, содержащих кристаллический
сахар
06.05.2016
19
Регистрация ЭПР


06.05.2016
ЭПР обычно регистрируют в 3-х
сантиметровом СВЧ диапазоне.
Индукция магнитного поля при этом
составляет ~ 3кГс (0.3Тл)
20
Спектрометры ЭПР


Спектрометр ЭПР – это сложный
измерительный комплекс, содержащий
ряд систем различного назначения с
очень высокими параметрами.
На мировом рынке представлены ЭПР
спектрометры преимущественно двух
фирм:
BRUKER (Германия) www.bruker.com ;
 JEOL (Япония) www.jeol.com .

06.05.2016
21
Классификация
спектрометров ЭПР

06.05.2016
Спектрометры ЭПР по их возможностям и
назначению можно условно разделить на
три категории:
22
Многофункциональные спектрометры с
большими магнитами и рекордными
параметрами.

ELEXSYS-II (BRUKER Германия)
Пригодны для решения любых
задач ЭПР спектроскопии и
дозиметрии.
Цена ~1 млн. долларов

06.05.2016
JES-FA300 (JEOL Япония)
23
Исследовательские спектрометры
среднего класса с меньшим магнитом и
меньшей функциональностью.

EMXplus (BRUKER Германия)
Пригодны для решения
большинства задач ЭПР
спектроскопии и дозиметрии.
Цена ~0.5 млн. долларов

06.05.2016
JES-FA100 (JEOL Япония)
24
Настольные спектрометры для
рутинных измерений с существенно
меньшей функциональностью.

e-scan (BRUKER Германия)
Пригодны для решения
ограниченного круга задач ЭПР
спектроскопии и дозиметрии.
Цена ~50-100 тыс. долларов

06.05.2016
CMS8400 (Resonance
Instruments, Inc. США)
25
Оригинальная разработка – когерентный
супергетеродинный спектрометр ЭПР.
В конце 90х годов в Уральском
гос. Университете была
проведена успешная разработка
настольного спектрометра ЭПР,
предназначенного как для рутинных
измерений, так и для исследований,
построенного по оригинальной
архитектуре –когерентный
супергетеродинный метод выделения
сигнала ЭПР.
 Метод обладает многими
потенциальными преимуществами.

06.05.2016
26
Произведена глубокая модернизация
разработки с учетом новых технических
возможностей.
Спектрометр на этапе сборки.
06.05.2016
27
Особенности разработки I.

06.05.2016
Инновационная когерентная
супергетеродинная архитектура
расширяет возможности спектрометра
и позволяет использовать
функционально-мощную элементную
базу, разработанную преимущественно
для современных систем связи.
28
Особенности разработки I I.

06.05.2016
СВЧ подсистема спектрометра
реализована в виде микрополосковых
модулей на базе новейших ИС СВЧ
диапазона.
29
Особенности разработки I I I.

06.05.2016
Цифровая подсистема спектрометра
реализована на платформе современных
ПЛИС (FPGA), на ресурсах которой
реализованы как узлы цифровой
обработки сигнала «на лету», так и
мощный управляющий RISC процессор.
30
Особенности разработки I V.


Использована оригинальная малогабаритная
магнитная система на постоянных магнитах
SmCo с высокой однородностью магнитного
поля.
Индукция магнитного поля в рабочем зазоре
с высокой точностью контролируется при
помощи оригинального магнетометра.
06.05.2016
31
Особенности разработки V .


Функциональные возможности спектрометра
ограничиваются только параметрами
магнитной системы.
В случае использования когерентного
супергетеродинного спектрометра совместно
с большим лабораторным магнитом –
получаем многофункциональный
спектрометр высокого класса.
06.05.2016
Институт Естественных Наук
УрФУ
32
Особенности разработки V I .


Интерфейс спектрометра с пользователем
организуется через персональный
компьютер (ноутбук), связанный с прибором
по локальной или глобальной сети.
Возможна как полностью автоматическая
работа, так и работа в режиме ручного
управления через компьютер.
06.05.2016
Институт Естественных Наук
УрФУ
33
Особенности разработки V I I.





Четкое функциональное деление и
модульная конструкция обеспечивают легкий
ремонт и модернизацию прибора.
Низкая цена при серийном производстве.
Высокая надежность.
Небольшие габариты (300*265*170 мм3) и
масса (<20кГ).
Малое потребление энергии (<60Вт).
06.05.2016
34
Плата аналоговой, аналого-цифровой
обработки сигнала.
06.05.2016
35
Плата управления и цифровой обработки
сигнала.
06.05.2016
36
Панель управления спектрометром
06.05.2016
37
Сертификация
…….
06.05.2016
38
Спасибо за внимание.
06.05.2016
39