Об основных требованиях к элементам измерительной схемы лазерной корреляционной спектроскопии

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

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. 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. 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.

1. Изучение 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: 10.20538/1682-0363-2018-3-157-167

2. Fischer 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.2016.05.003

3. Dynamics 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.2015.11.2547

4. Dynamic 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/C6CC02633H

5. Features 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: 10.1088/1742-6596/1135/1/012055

6. Monitoring 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.2018.8564409

7. Ульянов С. С. Динамика спеклов и эффект Доплера // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7, №. 10. С. 109–114.

8. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов; под ред. Г. Камминса и Э. Пайка. М.: Мир, 1978. 584 с.

9. 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.

10. 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.

11. 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: 10.1117/12.2523342

12. Kostromitin 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-z

13. Laser 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.2019.8906857

14. URL: https://www.eagleyard.com/fileadmin/ downloads/data_sheets/EYP-DBR-0633-00005-2000-BFY02- 0000.pdf (дата обращения 26.02.2020).

15. 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.

16. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. Рипол Классик, 2013. 684 с.

17. 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.

18. 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: 10.1088/0026-1394/48/5/024

19. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи; пер. с англ. 2-е изд. М.: Техносфера, 2004, 495 с.

20. Асаёнок М. А., Зеневич А. О. Исследование характеристик кремниевых фотоэлектронных умножителей // Прикладная физика. 2018. № 6. С. 49–53.

21. 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.

22. 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.

23. 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.2018.8564438