radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-1-83-95radioelectronics-405Research ArticleПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙMEDICAL DEVICES, ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIAL AND PRODUCTОб основных требованиях к элементам измерительной схемы лазерной корреляционной спектроскопииOn Basic Requirements to Main Elements of Laser Correlation Spectrometerhttps://orcid.org/0000-0001-8983-3719ВеличкоЕ. Н.VelichkoE. N.

Величко Елена Николаевна – кандидат технических наук (2010), доцент (2018), директор Высшей школы прикладной физики и космических технологий Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций 

Автор более 150 научных публикаций. Сфера научных интересов – оптика; лазерная физика; биофотоника.

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Elena N. Velichko, Cand. Sci. (Eng.) (29.09.2010), Associate Professor, Director of the Higher School of Applied Physics and Space Technology, Institute of Physics, Nanotechnology and Telecommunications

The author of more than 150 scientific publications. Area of expertise: optics, laser physics, biophotonics.

29 Polytechnicheskaya Str., St.Petersburg 195251

velichko-spbstu@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8448-2024КотовО. И.KotovO. I.

Котов Олег Иванович – доктор физико-математических наук (1995), профессор (2003) Высшей школы прикладной физики и космических технологий Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций 

Автор более 50 научных публикаций Сфера научных интересов – радиофизика и оптические методы измерений. 

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Oleg I. Kotov, Dr. Sci. (Phys.-Math.) (1995), Professor of the Higher School of Applied Physics and Space Technologies, Institute of Physics, Nanotechnology and Telecommunications

The author of more than 100 scientific publications. Area of expertise: radiophysics and optical measurement methods. 

29 Polytechnicheskaya Str., St.Petersburg 195251

kotov@rphf.spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4416-9380НепомнящаяЭ К.NepomnyashchayaE. K.

Непомнящая Элина Константиновна – исследователь, преподаватель-исследователь по специальности "Физика и астрономия" (2019). Инженер Высшей школы прикладной физики и космических технологий Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций 

Автор 59 научных публикаций. Сфера научных интересов – оптические методы измерений, биомедицинские датчики. 

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Elina K. Nepomnyashchaya, Engineer of the Higher School of Applied Physics and Space Technologies, Institute of Physics, Nanotechnology and Telecommunications 

The author of 59 scientific publications. Area of expertise: optical measurement methods, biomedical sensors.

29 Polytechnicheskaya Str., St.Petersburg 195251

elina.nep@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6634-8163ПетровА. Н.PetrovA. N.

Петров Алексей Николаевич – магистр по направлению "Техническая физика" (2011), аспирант Высшей школы прикладной физики и космических технологий Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций

Автор 10 научных публикаций. Сфера научных интересов – радиофизика, радиотехника, оптические измерения, системы передачи СВЧ сигналов по ВОЛС, радиофотоника. 

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Aleksey N. Petrov, Postgraduate student at the Higher School of Applied Physics and Space Technology, Institute of Physics, Nanotechnology and Telecommunications

The author of 10 scientific publications. Area of expertise: radio physics, optical measurements, radio over fiber systems, radio photonics. 

29 Polytechnicheskaya Str., St.Petersburg 195251

alexey-np@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6423-1591СоколовА. В.SokolovA. V.

Соколов Александр Вячеславович – кандидат технических наук (2003), заместитель директора 

Автор более 30 научных публикаций. Сфера научных интересов – оптика, оптоэлектроника, навигационные системы. 

ул. Малая Посадская, д. 30, Санкт-Петербург, 197046

Alexander V. Sokolov, Cand. Sci. (Eng.) (2003), Deputy Director 

The author of more than 30 scientific publications. Area of expertise: optics, optoelectronics, navigation systems. 

30 Malaya Posadskaya Str., St Petersburg 197046

_avs_@mail.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St.Petersburg Polytechnic UniversityRussian FederationАО «Концерн «ЦНИИ "Электроприбор"»РоссияConcern CSRI Elektropribor, JSCRussian Federation2020280220202318395Copyright © Величко Е.Н., Котов О.И., Непомнящая Э.К., Петров А.Н., Соколов А.В., 20202020Величко Е.Н., Котов О.И., Непомнящая Э.К., Петров А.Н., Соколов А.В.Velichko E.N., Kotov O.I., Nepomnyashchaya E.K., Petrov A.N., Sokolov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/405Введение

Введение. Лазерная корреляционная спектроскопия является перспективным методом, позволяющим анализировать размеры наноструктур, оценивать их форму и динамику агрегации в жидкостях. Ограниченное применение лазерной корреляционной спектроскопии в настоящее время связано с недостаточной точностью и совершенством существующих приборов и алгоритмов обработки данных. В настоящей статье рассмотрены основные требования к элементам, входящим в разрабатываемый лазерный корреляционный спектрометр, предназначенный для определения размеров наночастиц в жидкостях, и оптимизация параметров этих элементов. Обсуждаются подходы, применяемые для расчета отношения сигнал/шум описанной реализации схемы спектрометра. Приведены основные параметры лазерного корреляционного спектрометра, достигнутые при выполнении представленных в статье требований.

Цель работы

Цель работы. Разработка аппаратного комплекса для определения размеров наночастиц в жидкости и оптимизация параметров его элементов для увеличения достижимого отношения сигнал/шум.

Материалы и методы

Материалы и методы. В работе с использованием теории динамического рассеяния света построена модель рассеяния лазерного излучения на частицах в жидкости. Описаны основополагающие требования, предъявляемые к элементам схемы лазерного корреляционного спектрометра.

Результаты

Результаты. Разработана оригинальная схема лазерного корреляционного спектрометра, описаны основные требования, предъявляемые к элементам измерительной схемы лазерной корреляционной спектроскопии. Приведены уравнения для расчета шумов основных элементов схемы. Для описанной в работе реализации схемы лазерного корреляционного спектрометра сделаны расчеты достижимого отношения сигнал/шум.

Заключение

Заключение. Проведенный в настоящей статье анализ основных параметров элементов измерительной установки лазерной корреляционной спектроскопии позволяет провести корректный подбор элементов схемы и оценку ожидаемых отношений сигнал/шум.

Introduction

Introduction. Laser correlation spectroscopy is a promising method that allows one to analyze sizes of nanoparticles and to evaluate their shape and dynamics of aggregation in liquids. A limited usage of laser correlation spectroscopy is currently caused by insufficient accuracy of existing instruments and data processing algorithms. The paper described the development of laser correlation spectroscopic hardware complex designed for nanoparticles size determination in liquids. The basic requirements for the elements of the device and the approaches used to calculate the signal-to-noise ratio were discussed. The achieved parameters of the laser correlation spectrometer were presented.

Aim

Aim. To develop the hardware for nanoparticles size determination in liquids and to optimize the parameters of hardware elements to increase signal-to-noise ratio.

Materials and methods

Materials and methods. Theory of dynamic light scattering to describe scattering of laser radiation in liquids was applied. Fundamental requirements for the elements of the laser correlation spectrometer were described.

Results

Results. An original scheme of the laser correlation spectrometer was developed, the basic requirements for the general scheme elements were described. Equations for calculating signal-to-noise ratio were given.

Conclusion

Conclusion. The analysis of the main parameters of the elements of the laser correlation spectroscopic scheme were carried out. It helps one to evaluate the expected signal-to-noise ratio in laser correlation spectrometers.

динамическое рассеяние светалазерная корреляционная спектроскопияотношение сигнал/шумспектральные характеристики лазерашумы фотоэлектронного умножителяsignal-to-noise ratiospectral characteristics of a laserthe noise of a photomultiplier tubeРабота выполнена при поддержке Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого в рамках программы "5-100-2020".Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University in the framework of the Program "5-100-2020".ReferencesИзучение гемосовместимости магнитных наночастиц магнетита и композитных частиц магнетитакремнезема in vitro / Я. Г. Торопова, Н. А. Печникова, И. А. Зелинская, Д. В. Королев, К. Г. Гареев, А. С. Маркитантова, В. Д. Богушевская, А. В. Поволоцкая, А. А. Маньшина // Бюллетень сибирской медицины. 2018. Vol. 17, № 3. P. 157–167. doi: 10.20538/1682-0363-2018-3-157-167Toropova Y. G., Pechnikova N. A., Zelinskaya I. A., Korolev D. V., Gareev K. G., Markitantova A. S., Bogushevskaya V. D., Povolotskaya A. V., Manshina A. A. Hemocompatibility of Magnetic Magnethite Nanoparticles and Magnetite-Silica Composites in Vitro. Bull. Sib. Med. 2018, vol. 17, pp. 157–167. doi: 10.20538/1682- 0363-2018-3-157-167Fischer K., Schmidt M. Pitfalls and Novel Applications of Particle Sizing by Dynamic Light Scattering // Biomaterials. 2016. Vol. 98. P. 79–91. doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.05.003Fischer K., Schmidt M. Pitfalls and Novel Applications of Particle Sizing by Dynamic Light Scattering. Biomaterials. 2016, vol. 98, pp. 79–91. doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.05.003Dynamics Light Scattering as a Tool for Assessing Health Status and Disease Risk / I. Mishra, V. Patel, M. Robinson, K. Gordon // Biophysical J. 2016. Vol. 110, №. 3. P. 476a. doi: 10.1016/j.bpj.2015.11.2547Mishra I., Patel V., Robinson M., Gordon K. Dynamics Light Scattering as a Tool for Assessing Health Status and Disease Risk. Biophysical J. 2016, vol. 110, no. 3, pp. 476a. doi: 10.1016/j.bpj.2015.11.2547Dynamic Light Scattering (DLS)-Based Immunoassay for Ultra-Sensitive Detection of Tumor Marker Protein / C. Li, J. Ma, Q. Fan, Y. Tao, G. Li // Chemical Communications. 2016. Vol. 52, № 50. P. 7850–7853. doi: 10.1039/C6CC02633HLi C., Ma J., Fan Q., Tao Y., Li G. Dynamic Light Scattering (DLS)-Based Immunoassay for Ultra-Sensitive Detection of Tumor Marker Protein. Chemical Communications. 2016, vol. 52, no. 50, pp. 7850–7853. doi: 10.1039/C6CC02633HFeatures of Monitoring the State of the Liquid Medium by Refractometer / N. M. Grebenikova, K. J. Smirnov, V. V. Davydov, V. Y. Rud, V. V. Artemiev // J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 1135, conf. 1. 5 p. doi: 10.1088/1742-6596/1135/1/012055Grebenikova N. M., Smirnov K. J., Davydov V. V., Rud V. Y., Artemiev V. V. Features of Monitoring the State of the Liquid Medium by Refractometer. J. Phys. Conf. Ser. 2018, vol. 1135, conf. 1, 5 p. doi: 10.1088/1742-6596/1135/1/012055Monitoring of Flowing Media State by Refraction Phenomenon / N. M. Grebenikova, N. S. Myazin, V. Y. Rud, R. V. Davydov // Proc. 2018 IEEE Int. Conf. Electr. Eng. Photonics. 22–23 Okt. 2018, St. Petersburg. P. 295–297. doi: 10.1109/EExPolytech.2018.8564409Grebenikova N. M., Myazin N. S., Rud V. Y., Davydov R. V. Monitoring of Flowing Media State by Refraction Phenomenon. Proc. 2018 IEEE Int. Conf. Electr. Eng. Photonics. 22–23 Okt. 2018, St. Petersburg. P. 295–297. doi: 10.1109/EExPolytech.2018.8564409Ульянов С. С. Динамика спеклов и эффект Доплера // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7, №. 10. С. 109–114.Ulyanov S. S. Speckle Dynamics and the Doppler Effect. Soros Educational Journal. 2001, vol. 7, no. 10, pp. 109–114 (In Russ.)Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов; под ред. Г. Камминса и Э. Пайка. М.: Мир, 1978. 584 с.Cummins H. Z. Light beating spectroscopy. Photon correlation and light beating spectroscopy. Boston, Springer, 1974, pp. 225–236.Юможапова Н. В., Архинчеев В. Е. Эффективные диффузионные уравнения дробного порядка: обобщенный закон Фика и асимптотические решения // Вестн. Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2012. №. 3. С. 178–185.Yumozhapova N. V., Arkhincheev V. E. Effective Diffusion Equations of Fractional Order: Generalized Fik of Law and Asymptotic Solutions. Vestnik Byriatskogo gosudarstvennogo universiteta. 2012, no. 3, pp. 178–185. (In Russ.)Koppel D. E. Analysis of Macromolecular Polydispersity in Intensity Correlation Spectroscopy: the Method of Cumulants // The J. of Chemical Physics. 1972. Vol. 57, №. 11. P. 4814–4821.Koppel D. E. Analysis of Macromolecular Polydispersity in Intensity Correlation Spectroscopy: the Method of Cumulants. The J. of Chemical Physics. 1972, vol. 57, no. 11, pp. 4814–4821.Nepomnyashchaya E. Optical Properties of Biomolecular Complexes // Saratov Fall Meeting 2018: Optical and Nano-Technologies for Biology and Medicine. Intern. Society for Optics and Photonics, 2019. Vol. 11065. P. 110651T. doi: 10.1117/12.2523342Nepomnyashchaya E. Optical Properties of Biomolecular Complexes. Saratov Fall Meeting 2018: Optical and Nano-Technologies for Biology and Medicine. Intern. Society for Optics and Photonics, 2019, vol. 11065, pp. 110651T. doi: 10.1117/12.2523342Kostromitin A. O., Kudryashov A. V., Liokumovich L. B. Measurement and Analysis of Modulation and Noise in the Output Frequency of Single-Frequency Semiconductor Diode Lasers // J. of Applied Spectroscopy. 2015. Vol. 82, №. 4. P. 659–664. doi: 10.1007/s10812-015-0159-zKostromitin A. O., Kudryashov A. V., Liokumovich L. B. Measurement and Analysis of Modulation and Noise in the Output Frequency of Single-Frequency Semiconductor Diode Lasers. J. of Applied Spectroscopy. 2015, vol. 82, no. 4, pp. 659–664. doi: 10.1007/s10812-015-0159-zLaser Frequency Noise Measurement by Forming an Interference Signal with Subcarrier Frequency / A. O. Kostromitin, P. V. Skliarov, L. B. Liokumovich, N. A. Ushakov // 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 17–18 Okt. 2019, St. Petersburg. P. 336–338. doi: 10.1109/EExPolytech.2019.8906857Kostromitin A. O., Skliarov P. V., Liokumovich L. B., Ushakov N. A. Laser Frequency Noise Measurement by Forming an Interference Signal with Subcarrier Frequency. 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 17–18 Okt. 2019, St. Petersburg, pp. 336–338. doi: 10.1109/EExPolytech.2019.8906857URL: https://www.eagleyard.com/fileadmin/ downloads/data_sheets/EYP-DBR-0633-00005-2000-BFY02- 0000.pdf (дата обращения 26.02.2020).Available at: https://www.eagleyard.com/fileadmin/ downloads/data_sheets/EYP-DBR-0633-00005-2000-BFY02- 0000.pdf (accessed 26.02.2020).Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, Глав. ред. физико-математической лит-ры, 1981. 640 с.Akhmanov S. A., D'yakov Yu. E., Chirkin A. S. Introduction to Statistical Radiophysics and Optics. Moscow, Science. 1981, 640 p. (In Russ.)Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. Рипол Классик, 2013. 684 с.Tikhonov V. I. Statistical radio engineering. Moscow, Ripol Classic, 2013, 684 p. (In Russ.)ГОСТ Р 8.774-2011. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Дисперсный состав жидких сред. Определение размеров частиц по динамическому рассеянию света. М.: Стандартинформ, 2019. 12 с.The state standard of January 1, no. GOST P 8.774-2011. The Dispersed Composition of Liquid Media. Determination of Particle Sizes by Dynamic Light Scattering. Moscow, Standartinform, 2019, 12 p. (In Russ.)Uncertainty Analysis of Measurements of the Size of Nanoparticles in Aqueous Solutions using Dynamic Light Scattering / S. Y. Kwon, Y-G. Kim, S. H. Lee, J. H. Moon // Metrologia. 2011. Vol. 48, № 5. P. 417–425. doi: 10.1088/0026-1394/48/5/024Kwon S. Y., Kim Y-G., Lee S. H., Moon J. H. Uncertainty Analysis of Measurements of the Size of Nanoparticles in Aqueous Solutions using Dynamic Light Scattering. Metrologia. 2011, vol. 48, no. 5, pp. 417–425. doi: 10.1088/0026-1394/48/5/024Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи; пер. с англ. 2-е изд. М.: Техносфера, 2004, 495 с.Freeman R. L. Fiber-Optic Systems for TelecomMunications. New York, Wiley-Interscience, 2002, 416 p.Асаёнок М. А., Зеневич А. О. Исследование характеристик кремниевых фотоэлектронных умножителей // Прикладная физика. 2018. № 6. С. 49–53.Asayonak M. A., Zenevich A. O. Investigation of the Characteristics of Silicon Photomultipliers. Applied Physics. 2018, vol. 6, pp. 49–53. (In Russ.)Petrova G. P., Petrusevich Yu. M., Evseevicheva A. N. Molecular Clusters in Water Protein Solutions in the Presence of Heavy Metal Ions // J. Gen Physiol Biophys. 1998. Vol. 17, № 2. P. 97–104.Petrova G. P., Petrusevich Yu. M., Evseevicheva A. N. Molecular Clusters in Water Protein Solutions in the Presence of Heavy Metal Ions. J. Gen Physiol Biophys. 1998, vol. 17, no. 2, pp. 97–104.Minton A. P. Static Light Scattering from Concentrated Protein Solutions. I: General Theory for Protein Mixtures and Application to Self-Associating Proteins // J. Biophys. 2007. Vol. 93, № 4. P. 1321–1328.Minton A. P. Static Light Scattering from Concentrated Protein Solutions. I: General Theory for Protein Mixtures and Application to Self-Associating Proteins. J. Biophys. 2007, vol. 93, no. 4, pp. 1321–1328.Nepomnyashchaya E., Antonova E. Methods and Algorithms for Numerical Calculations in Dynamic Light Scattering Problems // 2018 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 22–23 Okt. 2018, St. Petersburg. P. 136–140. doi: 10.1109/ EExPolytech.2018.8564438Nepomnyashchaya E., Antonova E. Methods and Algorithms for Numerical Calculations in Dynamic Light Scattering Problems // 2018 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 22–23 Okt. 2018, St. Petersburg, pp. 136–140. doi: 10.1109/EExPolytech.2018.8564438

The authors declare that there are no conflicts of interest present.