RU194268U1

RU194268U1 - Detector for the detection and control of drugs, drugs and toxic agents

Info

Publication number: RU194268U1
Application number: RU2019125224U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2019-12-04

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для обнаружения и контроля лекарственных, наркотических, токсичных и взрывчатых веществ на образце и может быть применена для исследования образцов в области материаловедения, нанотехнологий, археологии, судебной медицины и т.д. Заявленный детектор содержит источник света, фокусирующее устройство, для освещения образца, чтобы вызвать получение рамановского рассеянного света, детектор для обнаружения рамановского рассеянного света, полученного от образца, в котором между образцом и детектором размещен узкополосный фильтр, пропускающий к детектору свет в узкой полосе, в области фокуса фокусирующей системы перпендикулярно оптической оси фокусирующей системы размещена по крайней мере одна диэлектрическая частица, формирующая непосредственно на ее теневой стороне фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел. Технический результат – повышение чувствительности детектора. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to devices for the detection and control of medicinal, narcotic, toxic and explosive substances on a sample and can be used to study samples in the field of materials science, nanotechnology, archeology, forensic medicine, etc. The claimed detector contains a light source, a focusing device, for illuminating a sample to cause Raman scattered light, a detector for detecting Raman scattered light received from a sample in which a narrow-band filter is placed between the sample and the detector, which passes light to the detector in a narrow band, in at least one dielectric particle is placed perpendicular to the optical axis of the focusing system of the focusing region of the focusing system, forming directly on its shadow This is a photonic jet with a spatial resolution exceeding the diffraction limit. The technical result is an increase in the sensitivity of the detector. 3 s.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам для обнаружения и контроля лекарственных, наркотических, токсичных и взрывчатых веществ на образце и может быть применена для исследования образцов в области материаловедения, нанотехнологий, археологии, судебной медицины и т.д.The utility model relates to devices for the detection and control of medicinal, narcotic, toxic and explosive substances on a sample and can be used to study samples in the field of materials science, nanotechnology, archeology, forensic medicine, etc.

По данным Всемирной Организации Здравоохранения более 50% лекарств, продаваемых через Интернет фирмами, скрывающими свое местонахождение, являются контрафактными, также как около 30% лекарств, продающихся в развивающихся странах. Для легальных производителей лекарств это означает потерю прибыли, а также возможность предъявления претензий со стороны лиц, пострадавших от подделок.According to the World Health Organization, more than 50% of drugs sold through the Internet by companies that hide their location are counterfeit, as well as about 30% of drugs sold in developing countries. For legal drug manufacturers, this means a loss of profits, as well as the possibility of claims from persons affected by fakes.

Рамановская спектроскопия - неконтактная и неразрушающая технология, которая не требует какой-либо п робоподготовки. Во многих случаях она позволяет сохранить полученные доказательства для дальнейшего анализа одних и тех же образцов с целью подтверждения результата. Для проведения полного анализа требуются минимальные количества материала, что обусловлено высоким пространственным разрешением системы оптоволоконного зонда.Raman spectroscopy is a non-contact and non-destructive technology that does not require any preparation. In many cases, it allows you to save the evidence for further analysis of the same samples in order to confirm the result. A complete analysis requires minimal amounts of material due to the high spatial resolution of the fiber optic probe system.

Рамановский эффект высоко чувствителен к небольшим различиям химического состава и кристаллографической структуры. Эти особенности чрезвычайно полезны для исследования поддельных лекарственных средств, так как позволяют выявить небольшие различия и потому обеспечивают получение ценной информации о происхождении и методе синтеза лекарства.The Raman effect is highly sensitive to small differences in chemical composition and crystallographic structure. These features are extremely useful for the study of fake drugs, as they reveal small differences and therefore provide valuable information on the origin and method of drug synthesis.

Известна Европейская патентная заявка ЕР №455516 которая раскрывает порядок действий, направленных на обеспечение безопасности в аэропортах и подобных им объектах. Каждому пассажиру, поднимающемуся на борт самолета, выдается посадочный талон, который обычно он (или она) в дальнейшем предъявляет на пункте проверки перед посадкой на самолет. Если этот пассажир держал в руках наркотическое, токсичное или взрывчатое вещество, то следы этого материала будут присутствовать на посадочном талоне после того, как он (или она) держал его в руках. На проверочном пункте посадочный талон проверяется с целью обнаружения этих следов. В патентной заявке ЕР №455516 раскрывается ряд возможных способов проведения химического анализа на наличие следов таких материалов. Они предусматривают проведение масс-спектрометрии, газовой хроматографии и спектрометрии ионной подвижности, например, устройства по патентам РФ №№206163, 2105298, 2105299. Тем не менее, ни один из этих технических приемов не доказал свою практическую применимость по различным причинам.Known European patent application EP No. 455516 which discloses a procedure for ensuring safety at airports and similar objects. Each passenger boarding an aircraft is issued a boarding pass, which he or she usually submits at a checkpoint before boarding the aircraft. If this passenger was holding a drug, toxic or explosive in his hands, then traces of this material will be present on the boarding pass after he (or she) held it in his hands. At the checkpoint, the boarding pass is checked to detect these traces. In patent application EP No. 455516 discloses a number of possible methods for conducting chemical analysis for traces of such materials. They provide for mass spectrometry, gas chromatography, and ion mobility spectrometry, for example, devices according to the patents of the Russian Federation No. 206163, 2105298, 2105299. However, none of these techniques has proved its practical applicability for various reasons.

Из технической литературы известно, что технология рамановского рассеяния относится к колебательной молекулярной спектроскопии. Колебания возникают в молекулах за счет смещения ядер от положения равновесия. Колебательные спектры регистрируют в форме инфракрасных спектров и спектров комбинационного рассеяния (рамановских спектров).From the technical literature it is known that Raman scattering technology refers to vibrational molecular spectroscopy. Oscillations occur in molecules due to the displacement of nuclei from the equilibrium position. Vibrational spectra are recorded in the form of infrared spectra and Raman spectra (Raman spectra).

Рамановский спектр возникает при облучении вещества монохроматическим светом ультрафиолетового или видимого диапазона. Под воздействием света молекулы вещества поляризуются и рассеивают свет. При этом рассеянный свет отличается от частоты исходного излучения на величину, соответствующую частоте нормальных колебаний молекулы. Индивидуальность этой характеристики обусловливает высокую селективность метода. Поэтому обнаружение рамановского рассеяния с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния можно использовать для исследования твердых, жидких и газообразных образцов.The Raman spectrum arises when a substance is irradiated with monochromatic ultraviolet or visible light. Under the influence of light, the molecules of a substance polarize and scatter light. In this case, the scattered light differs from the frequency of the initial radiation by an amount corresponding to the frequency of normal vibrations of the molecule. The individuality of this characteristic determines the high selectivity of the method. Therefore, the detection of Raman scattering using Raman spectroscopy can be used to study solid, liquid, and gaseous samples.

Однако интенсивность рассеянного излучения очень мала, поэтому необходимо усилить сигнал рамановского рассеяния, чтобы обеспечить обнаружение микроэлементов при более низких концентрациях.However, the intensity of the scattered radiation is very low, so it is necessary to amplify the Raman scattering signal in order to ensure the detection of trace elements at lower concentrations.

Хорошо известным техническим приемом для осуществления анализа и идентификации материалов является рамановская спектроскопия (Международная патентная заявка с номером международной публикации WO 90/07108, кл. G01N 21/65; Европейская патентная заявка ЕР №543578, кл. G01J 3/18). В этой заявке раскрыто, что, например, вещество типа Семтекс (Semtex) имеет два активных химических ингредиента: циклотриметилен-тринитрамин или RDX и пентаэритритол-тетранитрат или PETN. Ряд исследователей ранее описывали рамановские спектры RDX и PETN и других взрывчатых веществ, полученные с помощью рамановской спектроскопии, например, в [S. Botti, S. Almaviva, L. Cantarini, A. Palucci, A. Puiu and A. Rufoloni Trace level detection and identification of nitro-based explosives by surface-enhanced Raman spectroscopy // J. Raman Spectrosc. 2013, 44, 463-468].A well-known technique for the analysis and identification of materials is Raman spectroscopy (International patent application with international publication number WO 90/07108, CL G01N 21/65; European patent application EP No. 543578, CL G01J 3/18). This application discloses that, for example, a Semtex-type substance has two active chemical ingredients: cyclotrimethylene-trinitramine or RDX and pentaerythritol tetranitrate or PETN. A number of researchers previously described the Raman spectra of RDX and PETN and other explosives obtained using Raman spectroscopy, for example, in [S. Botti, S. Almaviva, L. Cantarini, A. Palucci, A. Puiu and A. Rufoloni Trace level detection and identification of nitro-based explosives by surface-enhanced Raman spectroscopy // J. Raman Spectrosc. 2013, 44, 463-468].

Известно устройство для обнаружения взрывчатого материала в образце (J. Akhavan, "Analysis of High-Explosive Samples by Fourier Transform Raman Spectroscopy", Spectrochimica Acta, Vol 47A, N 9/10, 1991, pages 1247-1250). В этой работе описана возможность создания устройства для обнаружения взрывчатого материала, содержащего источник света для освещения образца для того, чтобы вызвать получение рамановского рассеянного света, и детектор для обнаружения рамановского рассеянного света. Детектор для обнаружения рамановского рассеянного света регистрирует рамановские пики в пределах от 400 до 3200 см^-1, что дает возможность обнаружения искомых веществ в лабораторных условиях. Однако описанные в этой работе исследования проводились в лабораторных условиях, и устройство обладает недостаточной чувствительностью.A device for detecting explosive material in a sample is known (J. Akhavan, "Analysis of High-Explosive Samples by Fourier Transform Raman Spectroscopy", Spectrochimica Acta, Vol 47A, N 9/10, 1991, pages 1247-1250). This work describes the possibility of creating a device for detecting explosive material containing a light source for illuminating a sample in order to cause Raman scattered light, and a detector for detecting Raman scattered light. A detector for detecting Raman scattered light detects Raman peaks in the range from 400 to 3200 cm ^-1 , which makes it possible to detect the desired substances in the laboratory. However, the studies described in this work were conducted in laboratory conditions, and the device has insufficient sensitivity.

Для повышения чувствительности подобных устройств, применяют фокусировку излучения на образце с помощью линз. Область фокусировки излучения у такого микрообъектива имеет вид эллипсоида вращения. Минимальный размер поперечной оси эллипсоида вращения на уровне половинной мощности для идеальной безаберрационной линзы равен 1.22λF/D, где λ - длина волны используемого излучения, F - расстояние от линзы до области фокусировки и D - размер апертуры линзы. Размер продольной полуоси эллипсоида 8λ(F/D)² [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].To increase the sensitivity of such devices, focusing radiation on the sample using lenses is used. The radiation focusing region of such a micro lens has the form of an ellipsoid of revolution. The minimum size of the transverse axis of the ellipsoid of revolution at half power for an ideal non-aberrational lens is 1.22λF / D, where λ is the wavelength of the radiation used, F is the distance from the lens to the focus area, and D is the size of the lens aperture. The size of the longitudinal axis of the ellipsoid is 8λ (F / D) ² [Born M. Wolf E. Fundamentals of Optics. Ed. 2nd. Translation from English. The main edition of the physical and mathematical literature of the Nauka publishing house, 1973].

Известно что, фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа, соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol.56, No. 10, October 2014, 2436-2439].It is known that the fundamental Rayleigh criterion for resolving optical systems is that the minimum size of a distinguishable object is somewhat less than the wavelength of the radiation used and is fundamentally limited by the diffraction of this radiation [Born M., Wolf E. Fundamentals of Optics. - M.: Mir, 1978]. The inability to focus light in free space into a spot with dimensions less than a certain diffraction limit follows from the type relation, the Heisenberg uncertainty relation [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с поперечными размерами меньше чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].By overcoming the diffraction limit is meant focusing radiation into a spot with a transverse dimension less than that of an Airy spot [M. Born, E. Wolf. Fundamentals of Optics. - M.: Mir, 1978].

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett, 89, 221118 (2006); Y. F. Lu, L. Zhang, W. D. Song, Y. W. Zheng, and B. S.

, // J. Exp.Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B. S.

, Z. B. Wang, W. D. Song, and M. H. Hong, "Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning," Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.The diffraction limit in optics can be overcome in various ways, for example, using the “photon nanostructure” effect (for example, see A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys. Lett, 89, 221118 (2006); YF Lu, L. Zhang, WD Song, YW Zheng, and BS

, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); BS

, ZB Wang, WD Song, and MH Hong, "Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning," Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79 (4-6), 747-751 (2004)). A photon stream arises in the region of the shadow surface of dielectric microspherical particles - the so-called near diffraction zone - and is characterized by strong spatial localization and high optical field intensity in the focusing region. It was shown that with a plane wave incident on a spheroidal particle, a spatial resolution of up to one third of the wavelength is achievable, which is below the classical diffraction limit.

Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Земляное, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].Thus, a spherical microparticle plays the role of a refractive spherical microlens focusing light radiation within a subwave volume [Yu. Heinz, A. Zemlyanoye, E. Panina. Microparticle in an intense light field. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 s .; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].

Позднее, возможность получения фотонных наноструй, была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol.61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [

Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [В.

, N. I.Zheludev, S. A. Maier, N. J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater.9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].Later, the possibility of producing photonic nanostructures was studied for dielectric axisymmetric bodies, for example, elliptical nanoparticles [Minin IV, Minin OV Quasioptics: modern development trends - Novosibirsk: SGUGiT, 2015. - 163 p .; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], Multilayer layered inhomogeneous microspherical particles with a radial gradient of the refractive index [

Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], as well as hemispheres [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], Discs [V.

, NIZheludev, SA Maier, NJ Halas, P. Nordlander, H. Giessenand TC Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); CY. Liu and CC. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], Cylinder spheres [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].

Так же было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook: V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin and О. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10.It was also found that photonic jets can be formed by asymmetric mesoscale dielectric particles, for example, a cube, a truncated ball, a pyramid, a truncated pyramid, a prism, a volume hexagon, etc. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook: V. Pacheco-Pena, M. Beruete, IV Minin and O. V. Minin . Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002 / andp.201500132; Yu. E. Geintz, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); I.V. Minin, O.V. Minin. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape - a new direction in optical information technology // "Vestnik NSU. Series: Information Technology". 2014, No. 4, S. 4-10.

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы произвольной формы, например в форме куба или сферы, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1,2 до 1,7, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, при этом эффект формирования локальной области повышенной интенсивности излучения непосредственно на границе частицы сохраняется в широком диапазоне углом падения излучения, порядка ±45°.As a result of the studies, it was found that the dielectric mesoparticles of arbitrary shape, for example in the form of a cube or sphere, with a characteristic size of at least λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used, with a relative refractive index of a material lying in the range from about 1 2 to 1.7, when it is irradiated with an electromagnetic wave with a plane wave front, they form on its outer border on the opposite side of the incident radiation a local region with increased radiation intensity with transverse dimensions By the order of λ / 3-λ / 4, the effect of the formation of a local region of increased radiation intensity directly at the particle boundary is maintained in a wide range by the angle of incidence of radiation, of the order of ± 45 °.

При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1,2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы примерно более 1,7 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы.When the refractive index of the material of the mesoscale particle is less than 1.2, the transverse size of the local region of the field concentration becomes of the order of and more than the diffraction limit and does not provide a significant increase in the intensity of the electromagnetic field at its boundary. When the refractive index of the material of the mesoscale particle is about 1.7, a local concentration of the electromagnetic field occurs inside the particle.

В качестве прототипа принято устройство по патенту РФ №2148825, содержащее источник света и фокусирующую систему для освещения образца для того, чтобы вызвать получение рамановского рассеянного света, детектор для обнаружения рамановского рассеянного света, полученного от образца, и в котором между образцом и детектором размещен узкополосный фильтр, пропускающий к детектору свет в узкой полосе.As a prototype, the device according to the patent of the Russian Federation No. 2188825, containing a light source and a focusing system for illuminating the sample in order to cause Raman scattered light, a detector for detecting Raman scattered light received from the sample, and in which a narrowband between the sample and the detector is adopted, is adopted a filter that passes light to a detector in a narrow band.

Недостатком данного устройства является его недостаточная чувствительность.The disadvantage of this device is its lack of sensitivity.

Таким образом, задачей предполагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение чувствительности детектора обнаружения взрывчатых веществ.Thus, the objective of the proposed utility model is to eliminate these drawbacks, namely, increasing the sensitivity of an explosive detection detector.

Поставленная задача решается тем, что детектор для обнаружения и контроля лекарственных, наркотических и токсических средств, содержит источник света, фокусирующее устройство, для освещения образца для того, чтобы вызвать получение рамановского рассеянного света, детектор для обнаружения рамановского рассеянного света, полученного от образца, и в котором между образцом и детектором размещен узкополосный фильтр, пропускающий к детектору свет в узкой полосе, согласно полезной модели, в области фокуса фокусирующей системы перпендикулярно оптической оси фокусирующей системы размещена, по крайней мере, одна диэлектрическая частица, формирующая непосредственно на ее теневой стороне фотонную струю с пространственным разрешением превышающим дифракционный предел.The problem is solved in that the detector for the detection and control of drugs, narcotic and toxic agents, contains a light source, a focusing device for illuminating the sample in order to cause Raman scattered light, a detector for detecting Raman scattered light received from the sample, and in which a narrow-band filter is placed between the sample and the detector, transmitting light to the detector in a narrow band, according to a utility model, the perpendicular in the focus area of the focusing system about the optical axis of the focusing system is placed at least one dielectric particle is formed directly on its shadow side photon stream with a spatial resolution exceeding the diffraction limit.

Кроме того, фокусирующее устройство содержит линзу, приспособленную для получения от источника света линейного фокуса света поперек образца.In addition, the focusing device comprises a lens adapted to receive from the light source a linear focus of light across the sample.

Кроме того, характерный размер диэлектрической частицы выбирают не менее максимальной длины волны рамановского спектра искомого вещества и не более поперечного сечения области фокусировки фокусирующей системы.In addition, the characteristic size of the dielectric particle is chosen not less than the maximum wavelength of the Raman spectrum of the desired substance and not more than the cross section of the focusing area of the focusing system.

Кроме того, диэлектрическая частица выполнена в виде монослоя частиц.In addition, the dielectric particle is made in the form of a monolayer of particles.

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрическая частица, например, в форме кубика или шарика или усеченного шарика или кругового конуса или цилиндра и формирующая непосредственно на своей теневой границе фотонную струю, в зависимости от характерного размера частицы (от λ до примерно 200λ), относительного коэффициента преломления (примерно от 1,2 до 2), формы частицы возможно получение увеличения интенсивности оптического излучения на образце от 10 до примерно 150). При этом повышение усиления интенсивности оптического излучения увеличивается с увеличением характерного размера частицы.As a result of the studies, it was found that a dielectric particle, for example, in the form of a cube or ball or a truncated ball or circular cone or cylinder and forming a photon stream directly at its shadow boundary, depending on the characteristic particle size (from λ to about 200λ) , relative refractive index (from about 1.2 to 2), particle shape, it is possible to obtain an increase in the intensity of optical radiation on the sample from 10 to about 150). In this case, the increase in the gain in the intensity of optical radiation increases with an increase in the characteristic particle size.

На фиг. 1 показана схема детектора для обнаружения и контроля лекарственных, наркотических и токсических средств обнаружения взрывчатых веществ.In FIG. 1 shows a detector circuit for detecting and monitoring medicinal, narcotic, and toxic explosive detection agents.

Обозначения: 1 - источник света, 2 - дихроичный фильтр, 3 - фокусирующая система, 4 - диэлектрическая частица, 5 - формируемая «фотонная струя» область повышенной интенсивности оптического поля с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, 6 - образец, 7 - узкополосный фильтр, 8 - фокусирующая система, 9 - детектор.Legend: 1 — light source, 2 — dichroic filter, 3 — focusing system, 4 — dielectric particle, 5 — formed “photon stream” region of increased optical field intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, 6 — sample, 7 - narrow-band filter, 8 - focusing system, 9 - detector.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

Источник света 1, например, лазер с длиной волны излучения 514,5 нм или 632,8 нм, облучает дихроичный фильтр 2, который отражает и отклоняет падающее излучение на фокусирующую систему 3, например оптический объектив или линзу, которая фокусирует падающее излучение на диэлектрическую частицу 4. На теневой границе диэлектрической частицы 4 формируется фотонная струя 5 с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, чем и достигается повышение интенсивности оптического поля на образце 6, по сравнению с прототипом. Далее фокусирующая система 3 собирает рассеянный свет, имеющий ту же самую длину волны оптического излучения, что и источник света 1 из области фокусировки и он проходит назад к дихроичному фильтру 2, который отклоняет отраженный и релеевский рассеянный свет, но пропускает любой рамановский рассеянный свет. Рамановский рассеянный свет проходит через узкополосный фильтр 7 и фокусируется фокусирующей системой, например, линзами 8 на детекторе 9, который может представлять собой лавинный фотодиод. При этом фокусирующее устройство 3 может быть выполнено в виде цилиндрической линзы, для получения от источника света 1 линейного фокуса света поперек образца 6, а диэлектрическая частица 4 может иметь вид прямоугольного бруска или цилиндра в соответствии областью фокусировки фокусирующего устройства 3.A light source 1, for example, a laser with a wavelength of 514.5 nm or 632.8 nm, irradiates a dichroic filter 2, which reflects and deflects the incident radiation on the focusing system 3, for example, an optical lens or a lens that focuses the incident radiation on a dielectric particle 4. At the shadow boundary of the dielectric particle 4, a photon stream 5 is formed with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, thereby achieving an increase in the intensity of the optical field on sample 6, in comparison with the prototype. Next, the focusing system 3 collects scattered light having the same wavelength of optical radiation as the light source 1 from the focus area and it passes back to the dichroic filter 2, which rejects the reflected and Rayleigh scattered light, but passes any Raman scattered light. Raman scattered light passes through a narrow-band filter 7 and is focused by a focusing system, for example, lenses 8 on the detector 9, which can be an avalanche photodiode. In this case, the focusing device 3 can be made in the form of a cylindrical lens, to obtain a linear focus of light across the sample 6 from the light source 1, and the dielectric particle 4 can be in the form of a rectangular bar or cylinder in accordance with the focus area of the focusing device 3.

Характерный размер диэлектрической частицы 4 выбирается не менее максимальной длины волны рамановского спектра искомого вещества на образце 6 и не более поперечного сечения области фокусировки фокусирующей системы 3.The characteristic size of the dielectric particle 4 is chosen not less than the maximum wavelength of the Raman spectrum of the desired substance on sample 6 and not more than the cross section of the focusing area of the focusing system 3.

Диэлектрическая частица 4 может быть выполнена в виде монослоя диэлектрических частиц.The dielectric particle 4 can be made in the form of a monolayer of dielectric particles.

В результате проведенных исследований было установлено, что оптическое излучение непосредственно на выходе из диэлектрической частицы с характерными размерами не менее примерно длины волны оптического излучения облучающего частицу может распространяться на расстояние, превышающее длину волны λ оптического излучения до примерно (3-5) λ, облучающего ее и поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, что менее дифракционного предела, при условии, что относительный показатель преломления частицы относительно окружающей среды меньше, чем около 2:1.As a result of the studies, it was found that optical radiation directly at the exit of a dielectric particle with characteristic dimensions of at least about the wavelength of the optical radiation irradiating the particle can propagate to a distance exceeding the wavelength λ of optical radiation to about (3-5) λ irradiating it and transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, which is less than the diffraction limit, provided that the relative refractive index of the particle relative to the environment is less than about 2: 1.

Экспериментально было установлено, что диэлектрической частицей из диоксида кремния с относительным коэффициентом преломления 1,56 и с характерным размером порядка 20λ сигнал на детекторе усиливался примерно в 8 раз и с характерным размером 50λ в 30 раз.It was experimentally found that a dielectric particle made of silicon dioxide with a relative refractive index of 1.56 and with a characteristic size of the order of 20λ, the signal at the detector was amplified by about 8 times and with a characteristic size of 50λ by 30 times.

В качестве материала мезоразмерных частиц могут использоваться различные материалы, например, SiO₂ с коэффициентом преломления 1,538 на длине волны 0,7 мкм, полиэстер, с коэффициентом преломления 1,59 на длине волны 0,532 мкм, различные виды стекол, ситаллы, кварц, полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты [Справочник конструктора оптико-механ. приборов / Под ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.] с относительными коэффициентами преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1,2 до 1,7.Various materials can be used as the material of mesosized particles, for example, SiO ₂ with a refractive index of 1.538 at a wavelength of 0.7 μm, polyester, with a refractive index of 1.59 at a wavelength of 0.532 μm, various types of glasses, glass, quartz, polymethylmethacrylate, polystyrene, polycarbonates [Designer Handbook opto-mechan. Instrumentation / Ed. V.A. Panova. - L .: Engineering, 1980.] with relative refractive indices of the material lying in the range from about 1.2 to 1.7.

Одним из примеров диэлектрических частичек, например, микросфер, которые могут быть использованы для производства таких фотонных струй, являются стекловолокно из боросиликатного стекла серии 9000 и микросферы из натрий-кальциевого стекла, продаваемые Duke Scientific Corporation.One example of dielectric particles, such as microspheres, which can be used to produce such photonic jets, are 9000-series borosilicate glass fiber and sodium-calcium glass microspheres sold by Duke Scientific Corporation.

Показатель преломления материала диэлектрических частиц будет различным для разных длин волн оптического излучени, например, для диэлектрических частичек из боросиликатного стекла показатель преломления на разных длинах волн может составлять: 1,60425 при 400 нм, 1,56442 при 632,8 нм и 1,56031 при 700 нм.The refractive index of the material of dielectric particles will be different for different wavelengths of optical radiation, for example, for dielectric particles of borosilicate glass, the refractive index at different wavelengths can be: 1.60425 at 400 nm, 1.56442 at 632.8 nm and 1.56031 at 700 nm.

Изготовление мезоразмерных частиц возможно, например, методами фотолитографии [патент РФ №2350996], 3D - принтера и т.д.The manufacture of mesosized particles is possible, for example, by photolithography methods [RF patent No. 2350996], 3D printer, etc.

Техническим результатом является повышение чувствительности детектора для обнаружения и контроля лекарственных, наркотических и токсических средств.The technical result is to increase the sensitivity of the detector for the detection and control of drugs, drugs and toxic agents.

Claims

1. Детектор для обнаружения и контроля лекарственных, наркотических и токсических средств, содержащий источник света, фокусирующее устройство, для освещения образца для того, чтобы вызвать получение рамановского рассеянного света, детектор для обнаружения рамановского рассеянного света, полученного от образца, и в котором между образцом и детектором размещен узкополосный фильтр, пропускающий к детектору свет в узкой полосе, отличающийся тем, что в области фокуса фокусирующей системы перпендикулярно оптической оси фокусирующей системы размещена, по крайней мере, одна диэлектрическая частица, формирующая непосредственно на ее теневой стороне фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.1. A detector for detecting and controlling medicinal, narcotic, and toxic agents, comprising a light source, a focusing device, for illuminating a sample to cause Raman scattered light, a detector for detecting Raman scattered light received from a sample, and in which between the sample and the detector has a narrow-band filter that transmits light to the detector in a narrow band, characterized in that in the focus area of the focusing system is perpendicular to the optical axis of the focusing system at least one dielectric particle is placed, which forms directly on its shadow side a photon stream with a spatial resolution exceeding the diffraction limit.

2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что фокусирующее устройство содержит линзу, приспособленную для получения от источника света линейного фокуса света поперек образца.2. The detector according to claim 1, characterized in that the focusing device comprises a lens adapted to receive from the light source a linear focus of light across the sample.

3. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что характерный размер диэлектрической частицы выбирают не менее максимальной длины волны рамановского спектра искомого вещества и не более поперечного сечения области фокусировки фокусирующей системы.3. The detector according to claim 1, characterized in that the characteristic size of the dielectric particle is chosen not less than the maximum wavelength of the Raman spectrum of the desired substance and not more than the cross section of the focusing area of the focusing system.

4. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая частица выполнена в виде монослоя частиц.4. The detector according to claim 1, characterized in that the dielectric particle is made in the form of a monolayer of particles.