Молекулярная спектроскопия изучает взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. При помощи молекулярной спектроскопии можно получать точные данные о материалах в различных областях науки, таких как медицина и фармацевтика, химическая промышленность, геология, археология, экология, дозиметрия и т.д. Метод ЭПР основан на регистрации поглощения исследуемым образцом, помещенным в постоянное магнитное поле, энергии резонансных квантов радиочастотного электромагнитного поля. Это позволяет провести контроль состава и структуры вещества и решить целый ряд важных научных и социально-экономических вопросов, таких как сертификация и контроль качества продуктов питания, контроль доз излучения, поиск углеводородных залежей и многих других.

1. Когерентный супергетеродинный
спектрометр электронного
парамагнитного резонанса (ЭПР)

2. Суть проекта.
Цели и задачи
2

3. Суть проекта
3
Суть проекта заключается в создании на базе
инновационных разработок и исследований ученых
ИЕН УрФУ в области электронного парамагнитного
резонанса (ЭПР) уникального портативного
автоматизированного спектрометра ЭПР с технико-
экономическими характеристиками выше лучших
мировых достижений.
ЭПР спектроскопия – это технология,
позволяющая изучать химические объекты
нанометрового диапазона, содержащие неспаренные
электроны (имеющие ненулевой «спин»). Такие
объекты называются «Парамагнитными Центрами».
Ими являются органические и неорганические
свободные радикалы и комплексы, содержащие ионы
металлов переходных групп.

4. Цели и задачи презентации
4
Цель презентации – выявить среди аудитории людей,
заинтересованных в организации научной и производственной кооперации
в части:
• разработки методик применения прибора
• организация лаборатории по измерениям ЭПР
• совместное продвижение на рынок и импортозамещение
• получение госфинансирования под совместные проекты
Задачи презентации:
• дать информацию о технологии, приборе, показать глобальную
перспективу проекта
• выявить область совместных интересов и наметить дальнейшие
совместные шаги

5. Ключевые особенности
технологии и
характеристики прибора
5

6. Схема КС ЭПР-спектрометра
СВЧ 2
СВЧ 1 Атт.
Рез.
ФЧД
2
Этал.
ген.
ФЧД
1
Сдвиг
фазы
Дел
Регул.
ЭПР-
сигнал

7. Принципы работы (1/4)
СВЧ 2
СВЧ 1 Att.
ФЧД
2
Этал.
ген.
2
1 1’
4
3
5
6
ω1≈9.2 ГГц
𝟏: cos ω1 𝑡
1’: cos ω1 𝑡 + δ
3: cos ω1 𝑡 + δ + α1
ω2≈9.3 ГГц
𝟐: cos ω2 𝑡 + λ
4: cos ω2 𝑡 + λ + α2
(ω2-ω1)≈100 MГц
5: cos (ω2−ω1)𝑡 + λ + α2 − δ − α1
Ω=100 MГц
6: cos Ω𝑡 + γ
Когерентность
ω2−ω1 = Ω;
λ + α2 − δ − α1 = γ.

8. Принципы работы (2/4)
𝟏: cos ω1 𝑡
1’: cos ω1 𝑡 + δ
7: cos ω1 𝑡 + δ + β1
𝟐: cos ω2 𝑡 + λ
8: cos ω2 𝑡 + λ + β2
СВЧ 2
СВЧ 1 Атт.
Рез.
2
1 1’ 8
7
9
10
Г = Г′ + 𝒋Г"
9: Г′cos ω2 𝑡 + δ + β1 + Г” sin ω2 𝑡 + δ + β1
10: Г′cos (ω2−ω1)𝑡 + λ + β2 − δ − β1 + η − Г"sin (𝜔2−ω1)𝑡 + λ + β2 − δ − β1 + η

9. Принципы работы (3/4)
Этал.
ген.
Сдвиг
фазы
11
12’
12
B
A
10
ω2−ω1 = Ω;
λ + α2 − γ − α1 = δ.
10: Г′cos Ω𝑡 + β2 − α2 − (β1 − α1) + γ + η −
− Г"sin Ω𝑡 + β2 − α2 − (β1 − α1) + γ + η
11: cos(Ω𝑡)
12: cos(Ω𝑡+θ)
12’: cos(Ω𝑡+θ±π/2)
10: Г′cos (ω2−ω1)𝑡 + λ + β2 − δ − β1 + η −
− Г"sin (𝜔2−ω1)𝑡 + λ + β2 − δ − β1 + η
А: Г′cos β2 − α2 − β1 − α1 + γ + η − θ − Г"sin β2 − α2 − β1 − α1 + γ + η − θ
B: −Г′sin β2 − α2 − β1 − α1 + γ + η − θ − Г"cos β2 − α2 − β1 − α1 + γ + η − θ
β2 − α2 − β1 − α1 + γ + η − θ = π/2 or 3π/2 A: Г’ B: Г”

10. Принципы работы (4/4)
СВЧ 2
СВЧ 1 Атт.
Рез.
ФЧД
2
Этал.
ген.
ФЧД
1
Сдвиг
фазы
Дел
Регул.
ЭПР-
сигнал

11. Сравнение КС-схемы
Параметр
КС ЭПР-
спектрометр
Обычный ЭПР-
спектрометр
Режим измерения Стационарный Нестационарный
(с модуляцией)
Наблюдаемый сигнал Сигнал поглощения Первая производная
сигнала поглощения
Ограничения на
время релаксации
наблюдаемых линий
Нет ограничений Только короткие
времена релаксации
Факторы уширения
спектральных линий
• Неоднородность
магнитного поля
• Неоднородность
магнитного поля
• Модуляция
магнитного поля

12. Примеры спектров
С модуляцией Без модуляции

13. Модель КС ЭПР-спектрометра
Основные параметры:
• СВЧ диапазон – X-band
• Мощность СВЧ – до 10 мВт
• Среднее поле, Гс – 3200
• Диапазон поля, Гс – ± 300
• Вес, кг – 15
• Размеры, см – 33*34 * 24
• Потр. мощность, Вт – 60
Два режима работы
С модуляцией Без модуляции

14. Рынок
14

15. Рынок
молекулярной спектроскопии
Совокупный рынок 500 млн.$
Средняя цена продажи 0,03 млн.$
15
*по данным BCC Research

16. Конкуренты
Класс Вид Особенности Производитель
Научно-
исследовательское
оборудование
Цена: 1-2 млн. $
Вес: 3-5 тонн
Чувствит.: +++
Разрешен.: +++
Время рел.: быст.
Лабораторное
оборудование
Цена: 0,5 млн. $
Вес: 2-3 тонны
Чувствит.: ++
Разрешен.: ++
Время рел.: быст.
Контрольное
оборудование
Цена: 0,05 млн. $
Вес: 50-100 кг
Чувствит.: +
Разрешен.: +
Время рел.: быст.

17. Области применения
спектрометра ЭПР
17

18. Сферы применения
ЭПР
Научные
исследования
Медицина и
фармацевтика
Дозиметрия
Геология
Сельское хозяйство и
пищепром
Химпром
Археология
Нефтяная
промышленность
Молекулярная спектроскопия
Контроль
стройматериалов
Экология

19. I. Криминалистический анализ: методики применения
• определение давности причинения механических травм по
костному мозгу человека;
• определение давности наступления смерти на основе
анализа состава крови трупа (гидроксильные радикалы);
• идентификация малых количеств веществ;
• иные специфичные методики
19

20. I. Криминалистический анализ: методики применения
20
_______________________
Примечание: рисунки взяты из работы: Определение
давности наступления смерти у трупов с гнилостными
изменениями / А. П. Столяров, А. В. Титаренко //
Проблемы экспертизы в медицине. –
2011. - N 1/2. - С. 48-49

21. II. Дозиметрический контроль (аланиновая дозиметрия)
• аминокислота L-аланин CH3-CH2(NH3)-COOH под воздействием
ионизирующего излучения образует стабильный свободный радикал,
который дает характерный ЭПР-сигнал, пропорциональный
поглощенной дозе и не зависящий от мощности дозы, типа излучения,
слабо зависящий от температуры и влажности окружающей среды;
• аланин вследствие высокой линейности дозового отклика (вплоть до 105
Грей), высокой стабильности и низкой стоимости оказался удобным для
радиационных технологий и сейчас рекомендуется как базовый метод
• аланиновая дозиметрия давно и успешно принята как Международный
Стандарт ISO/ASTM 51607.
21

22. II. Дозиметрический контроль (аланиновая дозиметрия)
22
Спектры ЭПР аланина,
облученного разными дозами
гамма-излучения
Градуировочная кривая

23. III. Ретроспективная дозиметрия человека и животных
• 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.
• 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 человека.
23

24. III. Ретроспективная дозиметрия человека и животных
24
В России действует ГОСТ Р
22.3.04-96 по дозиметрическому
контролю населения
ЭПР спектрометр может быть
использован в качестве
дозиметра с минимальной дозой
обнаружения – менее 0,1 Гр

25. IV. Контроль производства химических и биологически-
активных веществ
• текущий контроль технологических процессов, производства химических
веществ, включая биологически-активные вещества.
25
Поиск отклонений
в типичных
спектрах ЭПР
для контроля
качества веществ

26. V. Работа со спиновыми метками
• спиновые метки (СМ) – вещества с известным интенсивным сигналом
ЭПР. Применяются для выявления траекторий перемещений объектов,
субстанций, сред, в которые вводятся предварительно. Могут быть
использованы для скрытой маркировки объектов.
26
СМ 1
СМ 2
Идентификация
меток
по спектру ЭПР

27. VI Области применения в промышленности:
1) Медицина
 Диагностика онкологических заболеваний и сепсиса
 Судебно-медицинская диагностика (определение срока давности наступления
смерти методом спинового зонда)
 Динамика всасывания лекарств в крови человека
2) Пищевая промышленность
 Контроль вкусовых качеств пива и вина при их производстве, а также
качество таких продуктов как жиры, масло и др.
3) Технологический контроль в нефтедобывающей отрасли
 Экспресс-анализ сырой нефти для определения концентрации ванадия,
асфальтенов и свободных радикалов
4) Проверка качества алмазов
5) Датирование археологических находок
27

28. Исследовательская деятельность:
ЭПР-спектрометрия широко применяется для различных исследований во
многих ведущих НИИ и ВУЗах по всему миру:
Физико-химические и биологические исследования
 количественное определение неорганических и органических веществ,
которые имеют неспаренные электроны в стабильном состоянии
 метод спиновых зондов
получение информации о конформациях сложных биомолекул,
наноструктуре вещества и др.
Медицинские исследования
 исследование биологических структур методом спиновых меток
 исследование свободных радикалов крови и ее компонентов у больных
ишемической болезнью сердца
28

29. Вид прибора и его программного обеспечения:
29

30. Что мы предлагаем
30
Потенциальным потребителям
• возможность опытной эксплуатации спектрометра ЭПР;
• гибкие условия приобретения приборов
ВУЗам, НИИ, структурам РАН
• совместную работу над усовершенствованием спектрометра ЭПР
и разработку методик его применения в различных сферах
промышленности и науки;
• совместные исследования и решение прикладных задач методом
ЭПР в различных областях науки
Партнерам
• участие в проекте в качестве официального представителя по
продвижению спектрометра ЭПР на рынок (дилерство)

31. Спасибо за внимание!
31