С помощью маленьких частичек света — фотонов — можно узнать многое. Главное — направить их в нужное русло. Тогда они смогут помочь в технологическом контроле, экологическом мониторинге, системах жизнеобеспечения человека. О современных достижениях в этой области рассказал заведующий лабораторией аналитической спектроскопии Института спектроскопии РАН доктор физико-математических наук Михаил БОЛЬШОВ.
— Аналитическая спектроскопия — это широкий набор инструментальных методов и методик анализа, цель которых — определение содержания элементов и молекул в различных объектах, — объясняет Михаил Александрович. — Под инструментальными подразумеваются методы оптической (эмиссионной, абсорбционной, флуоресцентной), рентгеновской, лазерной спектроскопии, масс-спектроскопии, методы ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонанса, хроматография. Что касается методик, то это набор специфических приемов и оптимальных режимов работы спектрометров. Они позволяют определять конкретные элементы и молекулы (аналиты) в анализируемом объекте. Большую роль играет подготовка объектов анализа, предшествующая окончательному этапу определения аналитов. Этот этап называется пробоподготовкой. В последнее время успешно разрабатываются комбинированные варианты анализа, в которых используются различные спектроскопические методы. В качестве примера можно привести хроматографическое разделение компонентов сложной пробы с последующим определением их с помощью оптических или масс-спектральных методов.
— Где применяются методы аналитической спектроскопии?
— Диапазон их использования очень широкий. Без этих методов невозможно производство современных материалов для электроники, так как требования к чистоте исходных веществ достигли невероятного уровня еще несколько десятилетий назад. Сегодня количество примесных элементов, ухудшающих параметры микроэлектронных чипов на основе кремния, германия, композитных материалов, не должно превышать десять в минус восьмой — десять в минус десятой процентов! Контроль за этим требует разработки новых сверхчувствительных методов аналитической спектроскопии, таких как эмиссионная и масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, фотоэлектронная спектроскопия, лазерные методы.
Повсеместно используется аналитическая спектроскопия для контроля состояния объектов окружающей среды. Требования к ее безопасности постоянно растут, и уровни предельно допустимых концентраций вредных веществ, которые могут содержаться в этих объектах, регулярно пересматриваются в сторону снижения, что влечет за собой необходимость совершенствования методов инструментального анализа. По этой же причине назрел вопрос обновления парка спектральной аппаратуры, которой оснащены региональные центры экологического мониторинга.
Современные высокочувствительные спектрометры решительно входят в повседневную практику крупных клинических центров. Аналитики в тесном взаимодействии с врачами-клиницистами добились серьезного прогресса в выявлении корреляционных связей между содержанием определенных элементов в биологических жидкостях и тканях человека (моча, кровь, сыворотка, волосы, ногти) и состоянием здоровья пациента. Аналитический контроль элементного состава тканей позволяет во многих случаях следить за ходом и эффективностью лечения. Но, к сожалению, приходится признать, что мы заметно отстаем в оснащенности лабораторий наших клиник от США и Европы.
Яркий пример востребованности аналитической спектроскопии — допинг-контроль, необходимый для борьбы с нечестными приемами в большом спорте. Это похоже на историю многовекового “соперничества” брони и снаряда. Постоянно совершенствующиеся и усложняющиеся технологии синтеза допингов самой разной природы требуют адекватного улучшения методов аналитического контроля. Лидирующее положение в этом занимают методы хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией.
— Что делается в этом направлении за рубежом и в нашей стране?
— В идейном плане российская аналитическая наука вполне конкурентоспособна. В области пробоподготовки, основа которой — чисто химические методы “мокрой химии”, российская наука до сих пор занимает лидирующее положение. (“Мокрая химия” — слегка иронический, но общепринятый в российской аналитике термин, обозначающий различные варианты манипуляции с пробой, такие как разбавление, экстракция, сорбция, концентрирование, кислотное разложение твердого образца).
Значительно хуже обстоят дела в области разработки и выпуска спектральных приборов. Налицо отставание в современной микро- и наноэлектронике, производстве композитных материалов. В последнее время уменьшилось число компаний, производящих спектральное оборудование, сократился состав инженерно-конструкторских работников. Все это пагубно влияет на возможности комплектации аналитических центров и заводских лабораторий отечественным оборудованием. В России не выпускаются целые классы современных высокочувствительных приборов, в том числе спектрометры с индуктивно связанной плазмой, хромато-масс-спектрометры, многие типы рентгеновских приборов.
Правда, относительно недавно стали появляться отечественные фирмы, производящие некоторые спектральные приборы современных типов. Хочется надеяться, что эта тенденция сохранится.
— Какой вклад вносите вы и ваши коллеги в решение этой проблемы?
— С проблемами и задачами аналитической спектроскопии такого масштаба можно справиться лишь совокупной активностью многих исследователей и организаций. На этом фоне вклад одной группы или даже целого института может показаться не слишком значительным. Между тем и такой вклад имеет неоспоримую ценность. Из работ, выполненных в нашем институте, я бы отметил достижения мирового уровня в разработке лазерного атомно-флуоресцентного спектрометра. В этом уникальном инструменте основные узлы — отечественного производства. Благодаря ему удалось выполнить большой круг уникальных измерений, в частности оценить распределение ряда тяжелых металлов в образцах льда из глубинных скважин Антарктиды. Работа проводилась совместно с французскими учеными, которые привозили эти образцы на наш спектрометр. Мы получили уникальные данные о естественных вариациях тяжелых металлов в земной атмосфере от 200 000 лет до нашей эры и до нынешнего времени. Это помогло оценить степень антропогенной нагрузки на природу и дало ученым научное основание ставить вопрос о контроле загрязненности атмосферы на правительственном уровне. В результате подобных исследований в конце 1960-х годов в Северной Америке, а затем и Европе был запрещен этилированный бензин.
Сейчас в институте разрабатывают бесконтактный метод диагностики горячих зон на основе абсорбционной спектроскопии с диодными лазерами. Этот метод позволяет дистанционно определять температуру и парциальные давления в зонах горения смешивающихся газовых потоков.
В институте есть успешно работающие группы, которые, например, создали и выпускают в малых количествах искровые и дуговые эмиссионные спектрометры для металлургической промышленности (группы Александра Марковича Лившица и Александра Викторовича Пелезнева), а также системы регистрации на основе многоэлементных линеек детекторов (группа Эммануила Гершевича Силькиса).
В группе замдиректора института Олега Николаевича Компанца создали оптический биосенсорный детектор для экспрессного определения в биологической жидкости физиологически значимых концентраций гепарина, ответственного за свертываемость крови (совместно с Институтом молекулярной биологии РАН и ООО “ЛОЭП”). Прибор получил премии многих выставок инновационного оборудования.
В группе Андрея Валентиновича Калинина разработаны спектрометрические методы и устройства обнаружения и оценки фальсификации питьевого молока, разбавленного водой, мукой и другими примесями. Прибор позволяет выявлять подделки молочного жира растительными маслами. Эта работа проводится совместно с МФТИ и Российским кардиологическим научно-производственным комплексом.
Кроме того, мы довели метод абсорбционной спектроскопии с диодными лазерами до приборной реализации и испытали в Объединенном институте высоких температур РАН и ЦАГИ. Продолжаются научные исследования по совершенствованию измерительных методов. Улучшаются аппаратура и алгоритмы обработки данных, которые позволяют вычислять параметры газовой среды на основании экспериментальных спектров поглощения.
Продолжаем также работать над конструкцией и алгоритмами обработки данных эмиссионных спектрометров. За последние 10-15 лет выпустили примерно три сотни приборов различной модификации. Разработали упрощенные варианты спектрометров для учебных программ, которые, надеемся, будут востребованы в специализированных вузах.
— Какие перспективы у методов и приборов спектрометрии?
— К сожалению, недофинансирование и отсутствие внятной государственной политики в отношении науки могут привести к катастрофе. Например, в нашей группе, занимающейся разработкой лазерной диагностики горячих зон, самому молодому сотруднику 56 лет. Комментарии, как говорится, излишни.
Наблюдавшееся на протяжении прошедших 35-40 лет постоянное снижение инвестиций в науку, а в последнее время и в образование привело к заметному падению престижа естественно-научных и технических направлений, роли и авторитета научных и технических кадров в обществе. Это не могло не привести к угасанию интереса молодежи к этим наукам и оттоку способной части молодых ученых за рубеж. В этой ситуации не следует удивляться участившимся катастрофам в космической отрасли и отставанию в производстве высокотехнологичного оборудования. “Силиконовые долины” и start-up растут снизу, а не сверху. Но… не хотелось бы завершать интервью в пессимистическом ключе. Будем верить, что положительные сдвиги все же будут.
Беседовал
Василий ЯНЧИЛИН
Фотоснимки предоставлены М.Большовым
Нет комментариев