СПЕКТРЫ СОЛЕВЫХ РАСТВОРОВ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
|
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Обзор литературы 8
1.1 Терагерцовый диапазон частот и его особенности 8
1.2 Некоторые особенности взаимодействия колебаний ТГц-диапазона
частот с биологическими объектами 8
1.3 Частотные и импульсные методы терагерцовой спектроскопии 10
1.4 Радиоволновый спектр поглощения жидких сред 12
1.5 Действительная и мнимая проницаемость раствора 14
1.6 Спектральные линии отдельных компонентов раствора 15
1.7 Влияние (наблюдаемость) спектральных линий компонентов в общем
спектре раствора 17
1.8 Экспериментальные результаты измерений радиоволновых параметров
жидких сред 17
2 Экспериментальные исследования спектров солевых растворов 22
2.1 Частотный метод. Описание установки и кюветы 22
2.1.1 Спектрометр терагерцового диапазона СТД-21 22
2.2 Тайм-доменный метод. Описание установки и кюветы 26
2.2.1 Система для ТГц спектроскопии с разрешением по времени
(Спектрометр T-Spec) 26
2.3 Описание объекта исследования 31
2.4 Полученные результаты и их обсуждение 34
2.4.1 Результаты, полученные при измерениях поглощения в выбранных
солевых растворах 34
2.4.2 Результаты, полученные при исследованиях отражающих свойств
солевых растворов «на отражение» 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ А Отчет о патентных исследованиях 52
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Обзор литературы 8
1.1 Терагерцовый диапазон частот и его особенности 8
1.2 Некоторые особенности взаимодействия колебаний ТГц-диапазона
частот с биологическими объектами 8
1.3 Частотные и импульсные методы терагерцовой спектроскопии 10
1.4 Радиоволновый спектр поглощения жидких сред 12
1.5 Действительная и мнимая проницаемость раствора 14
1.6 Спектральные линии отдельных компонентов раствора 15
1.7 Влияние (наблюдаемость) спектральных линий компонентов в общем
спектре раствора 17
1.8 Экспериментальные результаты измерений радиоволновых параметров
жидких сред 17
2 Экспериментальные исследования спектров солевых растворов 22
2.1 Частотный метод. Описание установки и кюветы 22
2.1.1 Спектрометр терагерцового диапазона СТД-21 22
2.2 Тайм-доменный метод. Описание установки и кюветы 26
2.2.1 Система для ТГц спектроскопии с разрешением по времени
(Спектрометр T-Spec) 26
2.3 Описание объекта исследования 31
2.4 Полученные результаты и их обсуждение 34
2.4.1 Результаты, полученные при измерениях поглощения в выбранных
солевых растворах 34
2.4.2 Результаты, полученные при исследованиях отражающих свойств
солевых растворов «на отражение» 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ А Отчет о патентных исследованиях 52
В настоящее время широко исследуются вопросы взаимодействия биологических объектов с электромагнитными полями терагерцового диапазона частот (верхней части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн).
Терагерцовый диапазон частот электромагнитных волн располагается на шкале электромагнитных волн между КВЧ и оптическим инфракрасным диапазонами и интересен, прежде всего, тем, что именно в нем находятся молекулярные спектры излучения и поглощения (МСИП) различных клеточных метаболитов: NO, CO, активные формы кислорода и др.
К особенностям терагерцевых волн (ТГВ) относится также и то, что терагерцовое (ТГц) излучение свободно проникает сквозь одежду и кожу до мышц человека. Изучение биологических эффектов ТГц-излучения представляет значительный интерес как для теоретической, так и для практической медицины. Учитывая, что клетки живого организма излучают широкий спектр ТГц-колебаний, исследование воздействия на живые объекты ТГц-волн, имитирующих молекулярные спектры излучения и поглощения биологически активных веществ, также могло бы расширить современные представления о механизмах клеточной и межклеточной регуляции функций организма [1].
Во всем мире ведутся разработки по созданию методик применения излучения ТГц-частотного диапазона для задач медицины и биологии. Связано это, прежде всего, с тем, что в этом диапазоне лежат наиболее сильные линии поглощения многих веществ (например, вода, аммиак, спирты). Так же необходимо отметить, что в терагерцовом диапазоне находятся частоты колебаний больших групп атомов, образующих молекулу и колебания водородных связей многих органических веществ, представляющих интерес для биологии и медицины (белки, молекулы ДНК). Они являются очень чувствительными к геометрической форме молекулы, ее окружению и играют важную роль в биохимических реакциях. Кроме того, ТГц-излучение не является ионизирующим и, следовательно, опасным для биологических объектов, как часто используемое рентгеновское. В поглощении и первичных биологических эффектах ТГц-волн определенное место отводится резонансному механизму. Биологические объекты имеют собственные резонансные частоты, на которые они реагируют, если эти частоты совпадают с частотами внешнего электромагнитного
поля. В ТГц-диапазоне находятся частоты клеточных мембран (0,1 - 1 ТГц),
соматической клетки (2,39 ТГц), хромосом (0,75-15 ТГц), эритроцитов (0,5 - 1 ТГц), воды (0,5 - 0,65 ТГц) и др [2].
Терагерцовое излучение привлекательно не только тем, что открывает новые перспективы перед фундаментальной наукой, но и тем, что имеет широкий спектр практических применений. Оно позволяет проводить спектральный анализ через упаковочный материал - полимерные покрытия или сухую бумагу, благодаря чему его используют для проверки содержимого почтовых конвертов на наличие вредных веществ - наркотиков или спор биологического оружия [3]. Также с помощью этого излучения можно проводить анализ на присутствие каких-то предметов под одеждой, что уже используется в аэропортах [4].
Представляет интерес возможность применить колебания терагерцового диапазона частот для контроля потоотделения. Поскольку процесс распространения волн терагерцового диапазона очень чувствителен к воде и, возможно, к растворам солей, то можно предположить, что с помощью колебаний этого диапазона удастся дистанционно контролировать наличие и количество пота, что даст возможность дистантно контролировать психоэмоциональное состояние человека. Это позволит создать еще один инструмент, в котором терагерцовое излучение будет применяться в системах обеспечения безопасности в общественных местах.
В состав пота человека, кроме воды входит более десятка различных солей. Из них основные по концентрации: хлорид натрия и мочевина. В связи с этим, для реализации возможности дистантного контроля потоотделения целесообразно исследовать спектры растворов этих и других солей, входящих в состав пота, в терагерцовом диапазоне частот для нахождения характерных линий поглощения.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование спектров солевых растворов в терагерцовом диапазоне частот.
Объектом исследования являются образцы дистиллированной воды и солевых растворов: натрия хлорида (0,9 %) и раствора аммиака (10 %, нашатырный спирт), а также раствор карбамида 0,1 % в дистиллированной воде.
Методы исследования. В соответствии с поставленными задачами в диссертационной работе используется метод свободного пространства («на проход» и «на отражение»), используются методы импульсной и частотной спектроскопии в терагерцовой области частот.
Экспериментальное исследование электромагнитных параметров солевых растворов проводилось с помощью оборудования «Центра коллективного пользования радиоизмерений ТГУ».
Для достижений целей требовалось решить следующие задачи:
а) Изучение литературы по спектральным свойствам компонентов пота и по экспериментальным методам терагерцовой спектроскопии.
б) Измерения спектров отражения (поглощения) растворов основных солевых компонентов пота (хлорид натрия, мочевина) методами тайм-доменной спектроскопии.
в) Исследование спектров отражения растворов (хлорид натрия, мочевина) и воды частотным методом.
г) Сопоставление полученных спектральных характеристик, определение частот возможного дистанционного зондирования компонентов пота.
На защиту выносятся следующие положения.
Первое защищаемое положение. В диапазоне частот 450 - 800 ГГц спектр отражения (поглощения) 0,9 % раствора хлорида натрия содержит ряд характерных областей поглощения (669,34 ГГц, 737,99 ГГц, 746,58 ГГц), где наблюдается отличие спектральных свойств данного раствора и воды, позволяющее реализовать обнаружение наличия данной соли по данным радиоволнового рассеяния.
Второе защищаемое положение. В диапазоне частот 450 - 800 ГГц спектр отражения (поглощения) 0,1 % раствора мочевины содержит ряд характерных
областей поглощения (557,79 ГГц, 643,60 ГГц), где наблюдается отличие спектральных свойств данного раствора и воды, позволяющее реализовать обнаружение наличия данной соли по данным радиоволнового рассеяния. В указанном диапазоне частот наблюдаются различия радиоволновых спектров отражения растворов хлорида натрия и мочевины, позволяющие организовать их раздельную фиксацию по результатам радиоволнового зондирования.
Новизна полученных результатов заключается в выявлении характерных линий отражения электромагнитных волн терагерцового диапазона от смоченной солями поверхности, позволяющих дистанционно идентифицировать наличие на данной поверхности соответствующих солевых растворов.
Достоверность результатов определяется применением калибруемых измерительных установок, апробированных методик измерений, соответствующими оценками погрешностей.
Терагерцовый диапазон частот электромагнитных волн располагается на шкале электромагнитных волн между КВЧ и оптическим инфракрасным диапазонами и интересен, прежде всего, тем, что именно в нем находятся молекулярные спектры излучения и поглощения (МСИП) различных клеточных метаболитов: NO, CO, активные формы кислорода и др.
К особенностям терагерцевых волн (ТГВ) относится также и то, что терагерцовое (ТГц) излучение свободно проникает сквозь одежду и кожу до мышц человека. Изучение биологических эффектов ТГц-излучения представляет значительный интерес как для теоретической, так и для практической медицины. Учитывая, что клетки живого организма излучают широкий спектр ТГц-колебаний, исследование воздействия на живые объекты ТГц-волн, имитирующих молекулярные спектры излучения и поглощения биологически активных веществ, также могло бы расширить современные представления о механизмах клеточной и межклеточной регуляции функций организма [1].
Во всем мире ведутся разработки по созданию методик применения излучения ТГц-частотного диапазона для задач медицины и биологии. Связано это, прежде всего, с тем, что в этом диапазоне лежат наиболее сильные линии поглощения многих веществ (например, вода, аммиак, спирты). Так же необходимо отметить, что в терагерцовом диапазоне находятся частоты колебаний больших групп атомов, образующих молекулу и колебания водородных связей многих органических веществ, представляющих интерес для биологии и медицины (белки, молекулы ДНК). Они являются очень чувствительными к геометрической форме молекулы, ее окружению и играют важную роль в биохимических реакциях. Кроме того, ТГц-излучение не является ионизирующим и, следовательно, опасным для биологических объектов, как часто используемое рентгеновское. В поглощении и первичных биологических эффектах ТГц-волн определенное место отводится резонансному механизму. Биологические объекты имеют собственные резонансные частоты, на которые они реагируют, если эти частоты совпадают с частотами внешнего электромагнитного
поля. В ТГц-диапазоне находятся частоты клеточных мембран (0,1 - 1 ТГц),
соматической клетки (2,39 ТГц), хромосом (0,75-15 ТГц), эритроцитов (0,5 - 1 ТГц), воды (0,5 - 0,65 ТГц) и др [2].
Терагерцовое излучение привлекательно не только тем, что открывает новые перспективы перед фундаментальной наукой, но и тем, что имеет широкий спектр практических применений. Оно позволяет проводить спектральный анализ через упаковочный материал - полимерные покрытия или сухую бумагу, благодаря чему его используют для проверки содержимого почтовых конвертов на наличие вредных веществ - наркотиков или спор биологического оружия [3]. Также с помощью этого излучения можно проводить анализ на присутствие каких-то предметов под одеждой, что уже используется в аэропортах [4].
Представляет интерес возможность применить колебания терагерцового диапазона частот для контроля потоотделения. Поскольку процесс распространения волн терагерцового диапазона очень чувствителен к воде и, возможно, к растворам солей, то можно предположить, что с помощью колебаний этого диапазона удастся дистанционно контролировать наличие и количество пота, что даст возможность дистантно контролировать психоэмоциональное состояние человека. Это позволит создать еще один инструмент, в котором терагерцовое излучение будет применяться в системах обеспечения безопасности в общественных местах.
В состав пота человека, кроме воды входит более десятка различных солей. Из них основные по концентрации: хлорид натрия и мочевина. В связи с этим, для реализации возможности дистантного контроля потоотделения целесообразно исследовать спектры растворов этих и других солей, входящих в состав пота, в терагерцовом диапазоне частот для нахождения характерных линий поглощения.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование спектров солевых растворов в терагерцовом диапазоне частот.
Объектом исследования являются образцы дистиллированной воды и солевых растворов: натрия хлорида (0,9 %) и раствора аммиака (10 %, нашатырный спирт), а также раствор карбамида 0,1 % в дистиллированной воде.
Методы исследования. В соответствии с поставленными задачами в диссертационной работе используется метод свободного пространства («на проход» и «на отражение»), используются методы импульсной и частотной спектроскопии в терагерцовой области частот.
Экспериментальное исследование электромагнитных параметров солевых растворов проводилось с помощью оборудования «Центра коллективного пользования радиоизмерений ТГУ».
Для достижений целей требовалось решить следующие задачи:
а) Изучение литературы по спектральным свойствам компонентов пота и по экспериментальным методам терагерцовой спектроскопии.
б) Измерения спектров отражения (поглощения) растворов основных солевых компонентов пота (хлорид натрия, мочевина) методами тайм-доменной спектроскопии.
в) Исследование спектров отражения растворов (хлорид натрия, мочевина) и воды частотным методом.
г) Сопоставление полученных спектральных характеристик, определение частот возможного дистанционного зондирования компонентов пота.
На защиту выносятся следующие положения.
Первое защищаемое положение. В диапазоне частот 450 - 800 ГГц спектр отражения (поглощения) 0,9 % раствора хлорида натрия содержит ряд характерных областей поглощения (669,34 ГГц, 737,99 ГГц, 746,58 ГГц), где наблюдается отличие спектральных свойств данного раствора и воды, позволяющее реализовать обнаружение наличия данной соли по данным радиоволнового рассеяния.
Второе защищаемое положение. В диапазоне частот 450 - 800 ГГц спектр отражения (поглощения) 0,1 % раствора мочевины содержит ряд характерных
областей поглощения (557,79 ГГц, 643,60 ГГц), где наблюдается отличие спектральных свойств данного раствора и воды, позволяющее реализовать обнаружение наличия данной соли по данным радиоволнового рассеяния. В указанном диапазоне частот наблюдаются различия радиоволновых спектров отражения растворов хлорида натрия и мочевины, позволяющие организовать их раздельную фиксацию по результатам радиоволнового зондирования.
Новизна полученных результатов заключается в выявлении характерных линий отражения электромагнитных волн терагерцового диапазона от смоченной солями поверхности, позволяющих дистанционно идентифицировать наличие на данной поверхности соответствующих солевых растворов.
Достоверность результатов определяется применением калибруемых измерительных установок, апробированных методик измерений, соответствующими оценками погрешностей.
В ходе работы над диссертацией было сделано следующее:
а) проведен литературный обзор по методам свободного пространства частотной и импульсной спектроскопии в терагерцовой области частот;
б) проведен обзор литературы и выбор физических моделей, описывающих:
1) рассеяние электромагнитных волн ТГЦ диапазона на солевых растворах;
2) особенности рассеяния электромагнитных волн влажной кожей человека.
в) проведены измерения спектральных характеристик водных растворов солей, входящих в состав человеческого пота;
г) проведены экспериментальные исследования рассеяния квазиоптических пучков терагерцового диапазона частот на влажной (с солевыми растворами) поверхности, имитирующей кожу человека.
д) показано наличие характерных спектральных линий, позволяющих дистантно контролировать потоотделение.
Публикации по теме работы:
1. Макарова А.В. К вопросу о дистанционном контроле потоотделения / А.В. Макарова, А.И. Князькова // Полифункциональные химические материалы и технологии. Сборник статей. Томск, - 2019. Т. 2. - С. 157-159.
2. Макарова А.В. Радиоволновое исследование солевых растворов / А.В. Макарова // Научная сессия ТУСУР-2019. Сборник статей. Томск, - 2019. Т. 1. - С. 8184.
а) проведен литературный обзор по методам свободного пространства частотной и импульсной спектроскопии в терагерцовой области частот;
б) проведен обзор литературы и выбор физических моделей, описывающих:
1) рассеяние электромагнитных волн ТГЦ диапазона на солевых растворах;
2) особенности рассеяния электромагнитных волн влажной кожей человека.
в) проведены измерения спектральных характеристик водных растворов солей, входящих в состав человеческого пота;
г) проведены экспериментальные исследования рассеяния квазиоптических пучков терагерцового диапазона частот на влажной (с солевыми растворами) поверхности, имитирующей кожу человека.
д) показано наличие характерных спектральных линий, позволяющих дистантно контролировать потоотделение.
Публикации по теме работы:
1. Макарова А.В. К вопросу о дистанционном контроле потоотделения / А.В. Макарова, А.И. Князькова // Полифункциональные химические материалы и технологии. Сборник статей. Томск, - 2019. Т. 2. - С. 157-159.
2. Макарова А.В. Радиоволновое исследование солевых растворов / А.В. Макарова // Научная сессия ТУСУР-2019. Сборник статей. Томск, - 2019. Т. 1. - С. 8184.
