Лаборатория лазерной диагностики | Кафедра лазерной химии Химического факультета МГУ

О лаборатории

Лаборатория лазерной диагностики была основана одновременно с созданием кафедры лазерной химии в 1988 году. Заведующим лабораторией был назначен Никита Борисович Зоров, который остается в этой должности по настоящее время.

Коллектив лаборатории составляют 8 сотрудников.

Основное направление научных исследований лаборатории – разработка новых лазерных методов анализа веществ и материалов.

Исследования

В лаборатории был впервые в СССР разработан новый высокочувствительный и селективный аналитический метод лазерной атомно-ионизационной спектроскопии (Laser-enhanced ionization spectrometry) в пламени. Метод основан на селективном лазерном возбуждении атомов с последующей их ионизацией и детектированием образующихся ионов. При атомизации пробы в пламени с целью снижения пределов обнаружения и повышения селективности определения предложена ступенчатая схема возбуждения определяемых атомов. Экспериментально был реализован метод определения элементов на уровне 10^-9 – 10^-10% (Матвеев О.И., Чаплыгин В.И., Горбатенко А.А. и др.). В последующем метод был экспериментально модифицирован и реализованы приемы электротермического и лазерного пробоотбора в пламя (Новодворский О.А., Муртазин А.Р. и др.), приемы корреляционного анализа с использованием одновременной регистрации атомно-ионизационного, оптико-акустического и эмиссионного сигнала с целью снижения матричных влияний при лазерном пробоотборе в пламя (Лабутин Т.А., Попов А.М., Горбатенко А.А.), а также метод лазерно-индуцированной ионизационной спектрометрии молекулярных частиц в пламени (Горбатенко А.А., Ревина Е.И.).

В лаборатории ведутся исследования по улучшению метрологических характеристик лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (ЛИЭС) при определении следовых и минорных компонентов в твердых пробах разнообразного происхождения (Лабутин Т.А., Попов А.М., Зайцев С.М. и др.). Разработаны методологические подходы, сочетающие высокую чувствительность и хорошую воспроизводимость в ЛИЭС при определении следовых и минорных компонентов в наиболее распространенных типах твердых проб. Предложен алгоритм для автоматической идентификации эмиссионных спектров лазерной плазмы, который значительно облегчает проведение рутинных стадий эмиссионного спектрального анализа. Для коррекции матричных влияний пробы предложено использовать корреляцию аналитического и опорных сигналов, измеряемых одновременно, а также корреляцию с физико-химическими свойствами пробы. Опорными называют сигналы, связанные со свойствами пробы, но не зависящие от содержания определяемого компонента. Создано программное обеспечение для одновременной высокоскоростной регистрации четырех различных по своей природе сигналов. Использование корреляционного анализа для выявления оптимальных сочетаний аналитических и опорных сигналов позволило эффективно устранять матричные влияния при анализе твердых проб. Предложенные подходы использованы для повышения точности экспрессного анализа конструкционных материалов, почв и для выявления геохимических аномалий, могут быть рекомендованы для уменьшения влияния основы и микроструктуры пробы на результаты анализа различных сплавов (стали, бронзы, латуни и т.д.), керамик и порошков.

В лаборатории ведутся также исследования по использованию лазерно-индуцированной флуориметрии (ЛИФ) для разработки высокочувствительных методов определения органических и комплексных соединений (Бекетов В.И., Воронина Р.Д.). Преимущества ЛИФ, заключающиеся в возможности достижения весьма высоких плотностей мощности светового потока возбуждающего излучения, в полной мере могут быть реализованы только для достаточно фотоустойчивых систем. Сравнительное исследование на основе изучения фотоустойчивости флуоресцирующих продуктов под действием ультрафиолетового лазерного излучения позволило выбрать наиболее оптимальные органические реагенты для определения аминокислот и других и других первичных аминов по реакции с орто-фталевым альдегидом.. Для ускорения образования флуоресцирующих продуктов предложено использовать воздействие высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) поля на исследуемые системы. Ведутся работы по использованию флуоресцентных зондов для диагностики растворов и выяснения механизма воздействия ВЧ и СВЧ электромагнитного поля на медленные реакции комплексообразования и образования замещенных изоиндолов в водных растворах для расширения их аналитического применения.

Научные достижения

Улучшение метрологических характеристик лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (ЛИЭС) при определении следовых и минорных компонентов в твердых пробах разнообразного происхождения.

Предложен алгоритм для автоматической идентификации эмиссионных спектров лазерной плазмы. Для коррекции матричных влияний пробы предложено использовать корреляцию измеряемых одновременно аналитического и опорных сигналов, связанных со свойствами пробы, но не зависящие от содержания определяемого компонента, а также корреляцию с физико-химическими свойствами пробы. Создано программное обеспечение для одновременной высокоскоростной регистрации четырех различных по своей природе сигналов;

Проведено сравнение правильности ЛИЭС анализа при сравнении линейных проекционных регрессионных методов и классических одномерных градуировок с использованием внутреннего стандарта. Показано, что в случае существенных спектральных помех целесообразно использовать первый подход, а при незначительном перекрывании линий — второй подход. Предложенные подходы использованы для повышения точности экспрессного анализа конструкционных материалов, почв и для выявления геохимических аномалий.

На рисунке схематически изображена миниатюрная камера, действие которой основано на пространственном сжатии лазерной плазмы отраженной ударной волной. В результате, в 10-20 раз вырастает интенсивность линий микрокомпонентов в эмиссионном спектре.

Использование лазерно-индуцированной флуориметрии (ЛИФ) для разработки высокочувствительных методов определения органических и комплексных соединений

Сравнительное исследование фотоустойчивости флуоресцирующих продуктов под действием ультрафиолетового лазерного излучения позволило выбрать наиболее оптимальные органические реагенты для определения аминокислот и других и других первичных аминов по реакции с орто-фталевым альдегидом. Для ускорения образования флуоресцирующих продуктов предложено использовать воздействие высокочастотного и сверхвысокочастотного поля на исследуемые системы.

Приборное оснащение

В лаборатории имеются установки для работ по лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии, лазерной флуориметрии, а также следующие приборы и комплектующие:

Спектрографы EG&G PARC со сменными дифракционными решетками (1800 штр/мм, 2400 штр/мм, 3600 штр/мм) и сменными щелями (10-100 мкм) обеспечивают высокое спектральное разрешение (до 0,005 нм) в спектральном интервале 10-20 нм.
Nd:YAG лазер твердотельный LS-2134UTF. Излучение лазера на четырех гармониках (1064, 532, 355 и 266 нм) с длительностью импульса 8 нс и энергией 5-300 мДж/импульс, частотой повторения 5-15 Гц, поперечно-модовая структура — кольцевая.
Nd:YALO лазер твердотельный ИЛТИ-202. Излучение лазера на двух гармониках (1080 и 540 нм) с длительностью импульса 10 нс и энергией 35 мДж/импульс (540 нм), частотой повторения 5-10 Гц, поперечно-модовая структура – одномодовая TEM00.
Nd:YAG лазер твердотельный с диодной накачкой TECH-527 Advanced. Излучение лазера на второй гармонике (527 нм) с длительностью импульса 4 нс, частотой повторения до 4 кГц, энергией до 0,5 мДж/импульс (4кГц), поперечно-модовая структура – одномодовая TEM00.
Высокоскоростная электронно-оптическая стробируемая камера.
Высокоскоростная четырехканальная плата АЦП NuDAQ PCI-9812 позволяет одновременно с эмиссионным спектром плазмы регистрировать независимые опорные сигналы: оптоакустический сигнал, суммарный эмиссионный сигнал с фотодиода, ионный ток и т.д.

Оптоволоконные жгуты с сечением «линия-линия», «круг-линия» для сбора и заведения излучения лазерной плазмы в спектрограф (кварц, 82 волокна, диаметр 100 мкм/волокно).

Сотрудничество

Сотрудничество с российскими вузами и организациями

В 2010 г началось сотрудничество с РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров) по теме «Современные спектроскопические методы анализа с использованием лазерных источников для диагностики материалов». Сотрудники лабораторию осуществляли руководство стажировками исследователей из РФЯЦ ВНИИЭФ (лекции, экспериментальные исследования), выезжали с докладами на Всероссийскую школу для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям,, организованную в г. Саров.

В результате сотрудничества с Геологическим факультетом МГУ (кафедра геохимии) в 2012-2014гг были получены гранты Министерства науки РФ: 1. «Применение лазерно-искрового эмиссионного аналитического метода с целью комплексной экспрессной оценки элементного состава выявляемых геохимических аномалий при поисках, прогнозе, оценке и разведке месторождений твердых полезных ископаемых» (Зоров Н.Б.); 2. «Разработка новых высокочувствительных экспрессных методов спектрохимического анализа объектов окружающей среды с использованием лазерного микрозонда» (Попов А.М.); 3. «Применение лазерного микрозонда для экспрессного выявления геохимических аномалий при поисках, прогнозе, оценке и разведке серебрянорудных месторождений» (Лабутин Т.А.). Сотрудники лаборатории читают лекции студентам Геологического ф-та МГУ, которые также учатся в лаборатории работе на современном лазерном оборудовании (спецпрактикум для студентов-геохимиков).

В 2013-2014 г при сотрудничестве с Омским университетом путей сообщения (ФГБОУ ВПО ОмГУПС) был получен совместный грант РФФИ-офи по теме «Разработка фундаментальных основ использования лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии для выявления дефектов рельсового пути». Осуществлялось руководство стажировкой и выполнением в лаборатории экспериментальной части дипломной работы студента 5 курса из ФГБОУ ВПО ОмГУПС.

Международное сотрудничество

В результате сотрудничества с Белорусским институтом физики им. Б.И. Степанова в 2012-2013 гг был получен совместный грант РФФИ-БРФФИ «Определение содержания неметаллов в строительных материалах для оценки прочностных характеристик конструкций методом лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии в стационарных и полевых условия». Результаты совместных работ опубликованы в высокорейтинговых журналах и на международных конференциях.

На протяжении многих лет осуществляется сотрудничество лаборатории лазерной диагностики с Международным лазерным центром ENEA (г. Фраскатти, Италия). В 2007 г Попов А.М. получил стипендию ENEA для проведения совместных научных исследований. Сотрудники лаборатории неоднократно были на стажировках в этом итальянском центре, опубликован ряд совместных работ, сделаны совместные доклады на международных конференциях.

Продолжается многолетнее плодотворное сотрудничество с известным итальянским ученым проф. Н. Оменетто, который в настоящее время работает в университете штата Флорида (США). Сотрудники лаборатории лазерной диагностики работали в лаборатории проф. Оменетто, по его просьбе осуществляли рецензирование публикаций в журнале Spectrochimica Acta, а он помогал в расширении сотрудничества с итальянскими исследователями.

Премии и награды

На Международном конгрессе по аналитическим наукам ICAS-2006 работа «LEI with laser sampling for Li-ferrite analysis» сотрудников лаборатории была единственной, удостоенной премии издательства Elsevier. На 5-й Международной конференции LIBS-2008, посвященной проблемам развития ЛИЭС, предложенные методы экспрессной оценки твердости материалов по эмиссионным спектрам были отмечены премией за лучший стендовый доклад. На Ежегодной научной конференции Ломоносовские Чтения–2009 (Химический факультет МГУ) работа по созданию миниатюрной камеры для увеличения интенсивности эмиссии лазерной плазмы также была удостоена премии за лучший доклад. Сотрудники лаборатории Лабутин Т.А., Попов А.М., аспирант Зайцев С.М. неоднократно получали премии на конкурсе работ талантливых студентов, аспирантов и молодых ученых МГУ имени М.В.Ломоносова. За цикл работ «Лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия для анализа объектов окружающей среды» в 2014 году Лабутин Т.А. и Попов А.М. стали лауреатами молодежной премии Научного совета РАН по аналитической химии.

Патенты, свидетельства

Патенты

2015 Способ определения следовых компонентов в почвах методом лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии # RU 2550590 C2, (Опубликован 10.05.2015)

Авторы: Лабутин Т.А., Попов А.М., Зайцев С.М., Черных Е.В., Зоров Н.Б.

2014 Лазерно-искровой эмиссионный спектрометр с оптоакустическим датчиком # RU 142197 U1, (Опубликован 20.06.2014)

Авторы: Лабутин Т.А., Попов А.М., Зайцев С.М., Рукосуева Е.А., Зоров Н.Б.

Свидетельства о регистрации прав на программное обеспечение

2012 Vision LIBS #2012613634, 18 апреля

Автор: Зайцев С. М.

2014 Программа для обработки спектральной информации в методе лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии Fast LIBS #2014610164, 9 января

Авторы: Зайцев С.М., Попов А.М., Лабутин Т.А.

Гранты, 2013-2014 гг

Гранты Миннауки (программа ФЦП «Кадры»):

Применение лазерно-искрового эмиссионного аналитического метода с целью комплексной экспрессной оценки элементного состава выявляемых геохимических аномалий при поисках, прогнозе, оценке и разведке месторождений твердых полезных ископаемых (Мероприятие 1.1, Соглашение № 8359, Зоров Н.Б.);
Разработка новых высокочувствительных экспрессных методов спектрохимического анализа объектов окружающей среды с использованием лазерного микрозонда (Мероприятие 1.2.2, Соглашение № 14.740.11.1087, Попов А.М.);
Применение лазерного микрозонда для экспрессного выявления геохимических аномалий при поисках, прогнозе, оценке и разведке серебрянорудных месторождений (Мероприятие 1.2.2, Соглашение № 8773, Лабутин Т.А.).

Гранты РФФИ:

Разработка фундаментальных основ использования лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии для выявления дефектов рельсового пути — (№ 13-03-13104-офи_м_РЖД, Зоров Н.Б.).
Использование кинетических закономерностей развития лазерной плазмы для устранения влияния основы твердой пробы и учета самопоглощения в лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (№ 11-03-01187-а, Зоров Н.Б.);
Определение содержания неметаллов в строительных материалах для оценки прочностных характеристик конструкций методом лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии в стационарных и полевых условиях — (№ 12-03-90036-Бел_а, Зоров Н.Б.);
Прямое определение токсичных металлов в почвах и донных отложениях с помощью лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии- (№ 12-03-31782-мол_а, Попов А.М.);
Механизмы увеличения интенсивности спектральных линий в лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии в двухимпульсном режиме воздействия на вещество (№ 12-02-31273-мол_а, Лабутин Т.А.);
Автоматическое соотнесение спектральных линий в методе лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии при анализе сталей и почв (№ 14-03-31227-мол_а, Зайцев С.М.).

Гранты РНФ

Выбор стратегии количественного анализа твердых проб в лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (№14-13-01386, Зоров Н.Б.).

Гранты Президента РФ

Разработка экспресс методов определения химического состава при геохимическом поиске с использованием лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (МК-1184.2013.5, Лабутин Т.А.)

Разработка экспресс метода элементного анализа твердых полезных ископаемых с использованием лазерного микрозонда для повышения эффективности геолого-разведочных работ (МК-345.2014.5, Попов А.М.)

Публикации

Книги

По предложению ведущих специалистов из США Зоровым Н.Б. была написана глава в коллективную монографию «Laser-Enhanced Ionization Spectrometry», опубликованную в издательстве Wiley.

Коллектив лаборатории (А.А. Горбатенко, Т.А. Лабутин, В.Н. Леднев, А.М. Попов) перевел с английского языка на русский книгу известных американских ученых Д.А. Кремерса и Л.Дж. Радзиемски «Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия», которая была опубликована под редакцией проф. Н.Б. Зорова в 2009 году издательством «Техносфера». Она является первой, изданной в России книгой, посвященной одному из наиболее широкораспространенных современных лазерных аналитических методов — лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (ЛИЭС), который привлекает интерес химиков-аналитиков благодаря таким свойствам, как многоэлементность, возможность анализа практически любых образцов, высокая скорость измерений, отсутствие пробоподготовки и относительно невысокая стоимость используемой аппаратуры. В ней изложены теоретические аспекты метода и примеры его применения, включая последние достижения ЛИЭС в различных областях — от контроля коррозии ядерных реакторов до исследования поверхности космических объектов. Книга предназначена не только для специалистов в области аналитической спектрометрии, но и является великолепным учебным пособием для аспирантов и студентов.

В 2010 году сотрудники лаборатории Т.А. Лабутин, В.Н. Леднев и А.М. Попов приняли участие в написании большой главы (58 стр.) «Перспективы лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии» в коллективной монографии «Laser-Induced Plasmas. Theory and Applications», которая была опубликована под ред. Ethan J. Hemsworth в издательстве Nova.

Статьи, 2012-2014

А.M. Popov, T.A. Labutin, S.M. Zaytsev, N.B. Zorov, I.V. Seliverstova, I.A. Kalko, Yu.N. Sidorina, I.A. Bugaev, and Yu.N. Nikolaev. Determination of Ag, Cu, Mo and Pb in Soils and Ores by Laser-Induced Breakdown Spectrometry. J. Anal. Atom. Spectrom., 2014, V.29, No.10, P.1925-1933.
T.A. Labutin, S.M. Zaytsev, A.M. Popov, and N.B. Zorov. Carbon determination in carbon-manganese steels under atmospheric conditions by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Optics Express, 2014, V.22, No.19, P.22382-22387.
T.A. Labutin, A.M. Popov, S.M. Zaytsev, N.B. Zorov, M.V. Belkov, V.V. Kiris, and S.N. Raikov. Determination of chlorine, sulfur and carbon in reinforced concrete structures by double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy. Spectrochim. Acta B, 2014, V.99, P.94-100.
S.M. Zaytsev, A.M. Popov, E.V. Chernykh, R.D. Voronina, N.B. Zorov, and T.A. Labutin. Comparison of single- and multivariate calibration for determination of Si, Mn, Cr and Ni in high-alloyed stainless steels by Laser-Induced Breakdown Spectrometry. J. Anal. Atom. Spectrom., 2014, V.29, No.8, P.1417-1424.
S.M. Zaytsev, A.M. Popov, N.B. Zorov, and T.A. Labutin. Measurement system for high-sensitivity LIBS analysis using ICCD camera in LabVIEW environment. JINST, 2014, V.9, P.P06010-P06010-18.
A.M. Popov, T.A. Labutin, A.E. Goldt, O.V. Usovich, S.E. Bozhenko, and N.B. Zorov. Determination of Lithium in Lithium-Ionic Conductors by Laser-Enhanced Ionization Spectrometry with Laser Ablation. J. Anal. Atom. Spectrom., 2014, V.29, No.1, P.176-184.
R.Fantoni, S. Almaviva, L. Caneve, F. Colao, A.M. Popov, and G. Maddaluno. Development of Calibration Free Laser-Induced-Breakdown-Spectroscopy based techniques for deposited layers diagnostics on ITER-like Tiles. Spectrochim. Acta B, 2013, V.87, P.153-160.
T.A. Labutin, S.M. Zaytsev, A.M. Popov, I.V. Seliverstova, S.E. Bozhenko, and N.B. Zorov. Comparison of the thermodynamic and correlation criteria for internal standard selection in Laser-Induced Breakdown Spectrometry, Spectrochim. Acta B, 2013, V.87, P.57-64.
Т.А. Лабутин, А.М. Попов, С.Н. Райков, С.М. Зайцев, Н.А. Лабутина, Н.Б. Зоров. Определение хлора в бетонах на воздухе методом лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии. Ж. прикл. спектроск., 2013, Т.80, № 3, С.325-328.
T.A. Labutin, S.M. Zaytsev, and A.M. Popov. Automatic identification of emission lines in laser-induced plasma by correlation of model and experimental spectra. Anal. Chem., 2013, V.85, No.4, P.1985-1990.
А.М. Попов, М.О. Кожнов, Т.А. Лабутин, С.М. Зайцев, А.Н. Дроздова, Н.А. Митюрев. Экспресс-определение цинка в почвах с помощью лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии. Письма в Журнал Технической Физики, 2013, Т.39, №1, С.54-61.
В.И. Бекетов, Р.Д. Воронина, Н.Б. Зоров. Флуориметрическое определение аминокислот и фотохимическая устойчивость продуктов их реакции с орто-фталевым альдегидом под воздействием мощного импульсного лазерного излучения. Вестник Московского университета. Серия 2. Химия, 2012, Т. 53, №4, С. 228-233.
С.М. Першин, В.Н. Леднев, Д.Д. Богаткин, Т.А. Лабутин, А.Ф. Бункин. Физика селективного испарения компонентов при лазерной абляции нержавеющих сталей. Квантовая электроника, 2012, Т.42, №7, С.605-611.