Ученые СПбГУ создают промышленный образец экспресс-анализатора для опасных жидкостей

Дата публикации: 18 августа 2022

Сотрудники малого инновационного предприятия СПбГУ «Спинус» разрабатывают промышленный образец прибора, позволяющего, не вскрывая упаковки, определять химический состав жидкости внутри любой тары — пластиковых бутылок, алюминиевых банок, стеклянных ампул. Работа анализатора основана на принципе ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Изобретение может использоваться для досмотров на таможне или на массовых мероприятиях, чтобы быстро и точно находить опасные или запрещенные жидкости.

«Прибор позволяет анализировать любые жидкости, даже если это напиток в алюминиевой банке. На сегодня никакой другой метод кроме ядерного магнитного резонанса не дает возможность проникнуть сквозь алюминиевую банку. Существуют методы, измеряющие электрическую проницаемость объекта, но их можно легко обмануть — например, если наклеить на стеклянную бутылку проводящую наклейку, прибор просто не поймет, что находится внутри бутылки. Наша разработка способна проникнуть через любую упаковку», — рассказал создатель прибора, генеральный директор Центра магнитно-резонансных исследований «Спинус» СПбГУ кандидат физико-математических наук Павел Куприянов.

Ранее ученый вместе с коллегами с кафедры ядерно-физических методов исследования создал рабочий макет прибора, с которым команда Павла Куприянова принимала участие в конкурсе инновационных бизнес-проектов «Start-up СПбГУ» в 2018 году. Идея родилась еще раньше — когда исследователь оканчивал магистратуру Университета.

Работающий макет прибора включает в себя последние достижения радиофизики, а также применения ЯИР в слабых полях. Ученым удалось разработать устройство, способное в зашумленном электромагнитными помехами и искаженном магнитном поле Земли (именно такие условия создаются в обычной лаборатории) получать качественный сигнал от ядер водород- и фторсодержащих жидкостей. По качеству сигнала, как отмечают создатели, прибор может конкурировать с дорогостоящими ЯМР-спектрометрами высокого разрешения, при этом являясь доступным для любой лаборатории.

Датчик прибора окружают стенки из немагнитных металлов (алюминия и меди) — они помогают уменьшить электромагнитные помехи. Внутри находится катушка индуктивности, в которую помещается образец исследуемого вещества. На него в течение нескольких секунд воздействуют сильным магнитным полем, затем в течение нескольких миллисекунд — слабым радиоимпульсом. В итоге ядра вещества излучают радиосигнал, который с помощью компьютера преобразуется в спектр.

«У каждой жидкости есть свой спектр (характеристика, демонстрирующая способность атомов вещества излучать, поглощать или рассеивать свет. — Прим. ред.), который, как отпечаток пальца человека, индивидуален, из-за чего перепутать две жидкости невозможно, — объясняет принцип работы анализатора Павел Куприянов. — По спектру можно безошибочно определять, какая жидкость находится внутри упаковки, причем не открывая ее. Для этого необходимо бутылку или банку положить внутрь прибора, а значит, для разных размеров тары необходимо создавать соответствующие датчики. Но это возможно».

Аналогичные приборы, подчеркивает Павел Куприянов, зачастую весьма дорогие — стоят тысячи евро, так как измерения чаще всего ведутся в сильных магнитных полях. Это означает, что для создания такого поля в прибор монтируют сверхпроводящие магниты, которые необходимо обслуживать, а также содержать в сверхнизких температурах — использовать жидкий гелий или жидкий азот. Так, к примеру, работает Большой адронный коллайдер: там сверхпроводящие магниты почти купаются в жидком гелии и азоте для создания сверхпроводимости. Ученые же СПбГУ используют самое слабое магнитное поле — магнитное поле Земли, которое всегда находится в нашем распоряжении.

Несмотря на ограниченность по числу наблюдаемых ядер (водород и фтор), прибор позволяет идентифицировать фосфор-, кремний- и даже углеродсодержащие жидкости, поскольку имеет возможность наблюдать взаимодействие ядер разного вида. Прибору — анализатору жидкостей можно найти большое количество различных применений: исследование нефтяных эмульсий, водных растворов, содержания атомов водорода в топливе или молекул воды в продуктах, а также выявление опасных или запрещенных жидкостей во время таможенного досмотра или досмотра личных вещей в местах скопления людей.

Во время совершенствования прибора научная группа зарегистрировала еще три патента по данной тематике.

Сейчас ученые завершают промышленный вариант анализатора. Интерес к разработке проявляют несколько научных коллективов, чтобы использовать его в собственных лабораториях. Кроме того, совместно с компанией «ТерраКванТех» исследователи готовят базу данных спектров распространенных жидкостей, чтобы потом на ее основе создать систему для быстрого анализа содержимого емкостей распространенных форм, например бутылок для напитков.

Для информации

Малое инновационное предприятие — ООО «Центр магнитно-резонансных исследований "Спинус"» — СПбГУ было разработано учеными-энтузиастами на базе Университета в 2019 году. Главным научным заделом новой компании стал патент № 175974  на полезную модель «Устройство для стабилизации частоты ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Земли».

Пресс-служба и сайт СПбГУ spbu.ru

Поделиться: