Применение портативного рамановского спектрометра "око" в системах безопасности

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

11 декабря 2011 г. 10: 44
БЕЗОПАСНОСТЬ
Применение портативного романовского спектрометра & quot-Око"- в системах безопасности
Ключевые с
метол комбинационного и гигантского комбинационных рассеяний (SERS), идентификации веществ
В настоящий момент создан прибор, который облапает рекордной чувствительностью к малым концентрациям, что позволяет использовать его в идентификации различных веществ. В основе лежит метод комбинационного и гигантского комбинационных рассеяний (& amp-!&-). Основными областями применения устройства являются: системы безопасности (обнаружение взрывчатых и наркотических веществ), криминалистика, медицина (анализ крови в реальном времени, обнаружение раковой ткани на начальной стадии), контроль качества на производстве, мониторинг химических реакцш, геология и археология и тл. Так как прибор обнаруживает малые концентрацш веществ, возможно применения при таможенном контроле для обнаружения наркотических веществ. В настоящее время проводится тестирование прибора и расширение базы данных эталонных веществ.
Гаврилов Д. А. ,
МФТИ (НИУ), Кафедра микроэлектроники и прикладоой информатики,
govrikx/?'-grnail. conri
Леус А. В. ,
МФТИ (НИУ),
Кафедра & quot-Системы безопасности& quot-, leus@frik. ru
Гаврилова Т. С. ,
МФТИ (НИУ) Кафедра СУМГФ
Введение
Одной из важнешых задач на сегодняшний день является создание портативного устройства, способного бесконтактно идентифицировать то или иное вещество, а так же определять процентный состав каждого вещества в смеси. Основная область применения тежого устройства-службы безопасности зданий, а& gt- ропортов, постовые службы, пункты пропуска.
У бесконтактного метода имеется целый рад преимуществ. Прежде всего, это получение результата в реальном времени, что особо актуально при проверке грузов на таможне. Во-вторых, возможно проводить анализ лекарственных препаратов, не вскрьеая упаковку.
На дхный момент в мире не существует сериюю выпускаемого аппарата такого типа, а существующие аналоги пред назначены для ла-бораторньк исследований, они слишком тяжелы и громоздок Причем одним из ключевых условий для выхода в свет данного прибора является достаточно низкая себестоимость.
В качестве решения предлагается прибор, в котором используются два базовых эффекта.
Это комбинационное рассеяние и SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) или явление Гигантского Комбинационного рассеяния.
Рассмотрим процесс романовского рассеяния света на молекуле образцр. У молекулы помимо основного состояния существует рад уровней энергии, соответствующих возбуждению вибрационных степеней свободы, (см рис. 1).
При освещении образцр лазером возможен как непосредственны* переход молекулы из основного состояния в возбужденное, так и переход через промежуточное виртуальное состоя-> ¦ю. Этот гроцвсс соответствует рассетио света с пог"1же**1ем энерпя* кванта на веги^ну энерп*1 вибрационного воз6ужде"мя, что и называется романовским рассеянием света
Переходы молекулы на различные энергетические уровни приводят к появленкяо соответствуют" пиний в спектре рассеянного света Поскольку каждое вещество имеет свой уникальный набор вибрационных степеней свободы, то набор линий дает то^ый идентификаци-
онный признак, своеобразный & quot-отпечаток пальца& quot- (см рис. 2).
Повышение интереса к романовскому рассеянию возникло после того, как было замечено, что при помещении исследуемого образцр на подложку со специально созданным нанорельефом или добавлении в него порошка из наночастиц металла определенного размера, возникает колоссагъное усиление интенсивности комбинационного рассеяния: до четырнадцати поря^ов.
В качестве усилителей применяются различные наночастицы: нанопирамидки, нанозвезды, специально нанесенный нанорельеф.
Пример графика интенсивности для эффектов комбинационного рассежгия (сини* график) и гигантского комбинационного рассеяния (красный график).
Это открыло огромную перспективу к обнаружению малых концентраций и существенному расширению прикладного значения донного метода
Виртуальные состояния
I
Основное
состояние
FW. 1
T-Comm #1−2011
35
БЕЗОПАСНОСТЬ
Рел"евско" рлссемние
Анти-стоксовы
___А_Л_А.
Стоксовы пинии
лИл
Энергия
FV*c2
Конструкция прибора.
Разрабатъеоемый продукт включает в себя портативный романовский микроскоп, пэдпож-ки со специа/ъно созданным нанорельефом и металлические наноструктуры для использования эффекта гигантского комбинационного рассеяния.
Романовский микроскоп состоит из следующих узлов-
1) гюлупроводниковый лазер в качестве источила монохроматического излучения-
2) интерференционный узкополосный фильтр, отрезающий побочные излуче**" лазера laser line filler& quot--
3) вращатель поляризации (опционально) —
4) дкхрожное зеркало-
5) выссжоапертуртй обьектив-
6) интерференционны* фильтр, пропускающий дтнноволноеое излучение и отражающий излучение возбуждающего лазера long-pass fflter& quot- или фильтр, вырезающий излучение лазера & quot-notch ЙІвг& quot--
7) поляризатор (оа*юнально) —
8) линза (система линз), собирсющая ск*мал на г& gt-інхопе или входной щели монохроматора-
9) одинарный монохроматор-
10) ПЗС, подключенный к встроенному в прибор миниатюрному компьютеру.
1.0 0.8 0.6 0 4 0.2 00
Излучение полутроводоисового лазера (1) грохсщт через узкополосный интерференционный фильтр (2) и падает на дихроичное зеркало (4). Зависимость коэффидиента пропускаем зеркала от длины волны падающего излучения показана на рисунке 1. Гранимая длина волны діхроичюго зеркала подобрана таким образом, чтобы зеркало практически полностью отражало излучение лазера, а излуче-«*іе с богыией длиной волны проходило через зеркало без отражения. Таким образом, лазерный луч, отразившись от дихроичного зеркала, падает на обьектив (5). В фокальной плоскости обьектива помещен исследуемый объект. В объективе использована асферическая огттика, позволяющая собрать излучение лазера в пятно минимально возможного размера, который определяется уже дифракционным пределом
Точка, в которую собирается возбуждающее излучение, является источником сигнала комбинационного рассеяния света Таким образом, источник сигнала автоматически оказывается в фокусе обьектива.
Большая апертура объектува позволяет собрать сигнал с большего телесного угла и тем самым увеличить чувствительность анализатора Сколлим"^хэеанный объективом огтт^ес-кий сигнал падает на дихроичюе зеркало. Поскольку дл**& lt-ы волн стоксовых линий комбино-ииомюго рассеяния больше /у*#гы вогмы нака-*¦1 воющего лазера и граничной длины волны дихроичюго зеркала, то жтересующий нас сигнал проходит через зеркало практически без отражения.
При измерении спектра комбинаииотого рассеяния необходимо очистить исследуемый
оптический сигнал от дампирующего релеев-ского россеяния с длиной волны совпадающей с дгмной волны возбуждающего лазера.
В данном приборе сигнал фильтруется дважды: дихроичным зеркалом и фильтром длинных волн (6). Причем чем уже ширюю переходного участка коэффщиента пропускания фильтра, тем ближе при измерениях можно приблизиться к линии лазера, а значит, более полно измерить спектр комбинационного рассеяния в области малых романовских сдвигов В приборе использованы фильтры с рекордной в мире крутизной зависимости коэффициента пропускания от длины волны вблизи граничной длины волны (менее 1,1 нм или 37,5 см'-1 см. рис. 2). При этом излучение с длиной волны, меньшей гранишой (в том числе и мешающее релеееское россеяние) подавляется на 6 порядков! Сочетание этих характеристик, использованных в приборе интерференци-ошых фильтров, позволяет измерять спектр комбинационного россеяния от романовских сдвигов в 40 см'-1
0**ценный сигнал фокусируется на пин-холе (прецизионном круглом отверстии) или вхсццой щели монохроматора. При использовании прибора в качестве романовского микроскопа, пинхол используется также для пространственной фильтрами и увеличения пространственного разрешения прибора
Монохроматор выполнен по симметричной схеме Черни-Тернера, Монохроматор пробирается и настраивается в зависимости от конечюго грименения грибора. Спектральное разрешение монохроматора напрямую связано с его размерами. Монохроматор с меньшей
100
90
80
г
5 70
60
L 50
-5
I 40

* 30
•3
20
10
qJ
525
1500
1000
500
Длина волны нм
FW. 3
Рйс. 4
36
T-Comm #1−2011

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой