RU194268U1 - Детектор для обнаружения и контроля лекарственных, наркотических и токсических средств - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Однако интенсивность рассеянного излучения очень мала, поэтому необходимо усилить сигнал рамановского рассеяния, чтобы обеспечить обнаружение микроэлементов при более низких концентрациях.

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].

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.

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].

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].

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].

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.

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].

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].

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.

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°.

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.

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.

Недостатком данного устройства является его недостаточная чувствительность.

Таким образом, задачей предполагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение чувствительности детектора обнаружения взрывчатых веществ.

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.

Кроме того, фокусирующее устройство содержит линзу, приспособленную для получения от источника света линейного фокуса света поперек образца.

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.

Кроме того, диэлектрическая частица выполнена в виде монослоя частиц.

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.

На фиг. 1 показана схема детектора для обнаружения и контроля лекарственных, наркотических и токсических средств обнаружения взрывчатых веществ.

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.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

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.

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.

Диэлектрическая частица 4 может быть выполнена в виде монослоя диэлектрических частиц.

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.

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.

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.

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.

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.

Изготовление мезоразмерных частиц возможно, например, методами фотолитографии [патент РФ №2350996], 3D - принтера и т.д.

Техническим результатом является повышение чувствительности детектора для обнаружения и контроля лекарственных, наркотических и токсических средств.

Claims (4)

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.

2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что фокусирующее устройство содержит линзу, приспособленную для получения от источника света линейного фокуса света поперек образца.

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.

4. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая частица выполнена в виде монослоя частиц.

Images