Оптика и спектроскопия

Рентгеновская визуализация в темном поле в последние годы нашла применение в различных областях науки и техники, в том числе в медицине, биологии и материаловедении. Обзор посвящен описанию различных методов рентгеновской темнопольной визуализации. Рассмотрены экспериментальные оптические схемы методов, приемы сбора данных и их обработки, перспективность и ограничения их использования. Особое внимание уделено мультимодальным методам, способным отделить сигнал малоуглового рассеяния от абсорбционного и фазово-контрастного сигнала. Ключевые слова: рентгеновские лучи, визуализация, темное поле, мультимодальные методы, интерферометр Тальбота, кристаллический анализатор, рентгеновская решетка, рентгеновская сетка.

Теоретически исследовано прохождение униполярного полуциклового импульса через слой неравновесной трехуровневой резонансной среды с разными схемами уровней энергии. Показано, что в такой системе исходный униполярный импульс постепенно трансформируется в биполярный за счет образования осциллирующих хвостов на заднем фронте импульса. В то же время в зависимости от конкретной схемы уровней энергии среды может происходить как усиление, так и затухание основного полуциклового всплеска поля с пройденным расстоянием в среде. При этом во всех случаях выполняется правило сохранения электрической площади, но степень униполярности импульса всегда уменьшается по мере распространения в слое среды. Ключевые слова: предельно короткие импульсы, электрическая площадь импульса, униполярные импульсы, взаимодействие излучения с веществом.

На основе численного решения системы уравнений Максвелла-Блоха проведено сравнение динамики решеток разности населенностей и поляризации среды, моделированных в двух- и трехуровневом приближении. Показано, что решетки также возникают и в трехуровневой среде, однако их динамика качественно не отличается от двухуровневой среды при выбранных параметрах модели. Ключевые слова: решетки разности населенностей, полуцикловые импульсы, аттосекундные импульсы, когерентные эффекты, двухуровневая среда.

Теоретически описан класс однонаправленных осесимметрических локализованных импульсов. Установлена эквивалентность их представлений в виде относительно неискажающихся квазисферических волн, в виде интегралов Фурье-Бесселя и в виде суперпозиции плоских волн с волновыми векторами, имеющими положительные проекции на заданное направление. Ключевые слова: локализованные импульсы, однонаправленные импульсы, точные решения.

Выполнено моделирование эффекта когерентного обратного рассеяния на основе уравнения Бете-Солпитера при учете анизотропии с помощью двух различных фазовых функций. Обнаружено, что с ростом анизотропии индикатрисы однократного рассеяния расчеты с фазовой функцией Рэлея-Ганса приводят к более широким угловым пикам когерентного обратного рассеяния, чем расчеты с фазовой функцией Хеньи-Гринштейна. Моделирование когерентного обратного рассеяния методом Монте-Карло на основе фазовой функции Рэлея-Ганса выполнено впервые. На основе альтернативных фазовых функций исследовано влияние понижения длины пространственной когерентности падающего излучения на форму углового пика когерентного обратного рассеяния. Показано, что с уменьшением длины когерентности обе модели приводят к уширению пика, что может быть использовано в биомедицинской диагностике. Ключевые слова: Когерентное обратное рассеяние, моделирование Монте-Карло, уравнение Бете-Солпитера.

Оптимизированы химический состав и структура фотокатализатора ZnO-SnO2-Fe2O3 для сенсорных и медицинских приложений. Фотокаталитические материалы синтезированы жидкостным полимерно-солевым способом, их структура и химический состав исследованы методами рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, оптической и люминесцентной спектроскопии. Полученные композиты состоят из гексагональных кристаллов ZnO, тетрагональных кристаллов SnO2 и шпинели ZnSn2O4. Ширина запрещенной зоны композитов составляет 3.17-3.24 eV. Кинетические зависимости адсорбции органического диазокрасителя Chicago Sky Blue из растворов на поверхности композитов хорошо описываются кинетическими уравнениями как псевдопервого, так и псевдовторого порядков. Кинетика фотокаталитического разложения красителя в растворах под действием как УФ, так и видимого света хорошо описывается кинетическим уравнением первого порядка. Показано, что добавки серебра позволяют заметно повысить адсорбционные и фотокаталитические свойства материалов системы SnO-SnO2-Fe2O3. Ключевые слова: нанокристаллы, гетероструктура, фотокатализ, адсорбция.

Зарегистрированы спектры люминесценции кристалла YAl3(BO3)4:Cr3+ в спектральном диапазоне запрещённых по спину электронных переходов 2E->4A2 в ионах Cr3+ (14550-14700 cm-1) с высоким спектральным разрешением при температурах 4-300 K. Температурные зависимости отношений интегральных интенсивностей линий R2 и R1, а также N’ и N (предположительно линий переходов 2E->4A2 центра Cr3+ в искажённой вследствие близости некоторого дефекта позиции) хорошо соответствуют распределению Больцмана. На измерении этих отношений может быть реализован ратиометрический термометр с максимумами абсолютной чувствительности при температурах 40.3 и 21.6 K и относительной чувствительностью до 12% K-1. Измерение ширины самой интенсивной спектральной компоненты - линии R1 - может быть способом регистрации температуры в диапазоне от 100 K и выше. Ключевые слова: люминесцентная криотермометрия, кристалл YAl3(BO3)4:Cr3+, фурье-спектроскопия высокого разрешения.

Предложено для измерения реакции зрачка глаза на изменение освещенности использовать инфракрасную подсветку, что позволяет разделить функции воздействия на глаз и регистрации его реакции. Создана соответствующая установка, позволяющая измерять диаметр и интегральную площадь зрачка, а также скорость его сужения. Представлены результаты тестирования установки, свидетельствующие о ее технических возможностях. Ключевые слова: оптические измерения, зрение человека, зрачковая реакция глаза.

Микроскопия на основе эффекта твердотельной иммерсии - это метод ближнепольной визуализации, который позволяет преодолеть дифракционный предел Аббе за счет фокусировки светового пучка на малом расстоянии за линзой с высоким показателем преломления. Он обеспечивает высокую энергетическую эффективность благодаря отсутствию каких-либо субволновых зондов или диафрагм в оптическом тракте. Выгодное сочетание сверхразрешения и высокой энергетической эффективности открывает широкие возможности применения данного метода в различных областях науки и техники. Пространственное разрешение микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии в основном ограничено значением показателя преломления линзы, при этом более оптически плотные линзы обеспечивают более высокое разрешение. В настоящей работе объемный кристалл рутила (TiO2) впервые используется в качестве материала для иммерсионной линзы, которая обеспечивает впечатляющий показатель преломления ~10 в терагерцовом диапазоне. Это самое высокое значение показателя преломления, когда-либо использовавшееся в микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии. Для создания микроскопа использовались лавинно-пролетный диод в качестве источника непрерывного излучения на частоте 0.2 THz (длина волны λ=1.5 mm) и детектор Голея. Экспериментальные исследования показали, что пространственное разрешение разработанного микроскопа находится в пределах 0.06-0.11λ. Это самое высокое разрешение, когда-либо зарегистрированное для любой оптической системы на основе эффекта твердотельной иммерсии. Ключевые слова: терагерцовые технологии, терагерцовые оптические материалы, рутил, высокий показатель преломления, ближнепольная микроскопия, микроскопия на основе эффекта твердотельной иммерсии, сверхразрешение.

Рассмотрены два метода анализа изображений, полученных с помощью оптической когерентной томографии (ОКТ): анализ коэффициента ослабления и спекл-структур изображений применительно к дифференциации интактных тканей и опухолей головного мозга крыс. Использована модель глиомы 101.8. Для извлечения информации из спекл-структур был применен метод вейвлетного анализа ОКТ-изображений и посчитана мощность локальных флуктуаций яркости в спеклах. При помощи линейного дискриминантного анализа оценивалась эффективность разработанного подхода, состоящего из двух методов, на основе значений чувствительности, специфичности и точности при дифференциации модели глиомы и интактных тканей. Результаты исследования показали преимущества разработанного метода анализа ОКТ-изображений для нейрохирургии. Ключевые слова: оптический когерентный томограф, глиома, вейвлетный анализ, линейный дискриминант Фишера, спекл-структуры, коэффициент ослабления.

Исследованы спектральные свойства растворенного органического вещества природной воды двух частей искусственно отделенного от Белого моря водоема — губы Канда: морского плеса и меромиктического Федосеевского плеса. Для сравнения проанализированы данные для естественных меромиктических водоемов — озера Елового, Трехцветного, Лагуны на Зеленом мысе. Для проб воды с разных горизонтов получены спектры поглощения, спектры флуоресценции и зависимости квантового выхода флуоресценции от длины волны возбуждения в диапазоне изменения длины волны возбуждения 250−500 nm. Построены зависимости длины волны максимума испускания от длины волны возбуждения и рассчитана величина “ синего сдвига“ — смещения максимума полосы испускания в коротковолновую сторону. Показано, что интенсивность флуоресценции растворенного органического вещества в Федосеевском плесе выше, чем в морском, при этом зависимость квантового выхода флуоресценции от длины волны возбуждения в обеих частях Канда-губы имеет качественно сходный характер, но различается абсолютными значениями.

В естественных меромиктических водоемах эта зависимость имеет аналогичный характер, также различаясь абсолютной величиной квантового выхода флуоресценции, что говорит о разном соотношении ароматических и алифатических органических соединений. Таким образом, выявлены различия в спектрально-оптических свойствах растворенного органического вещества двух частей искусственно отделенного водоема и природных водоемах, изолированных от Белого моря. Спектрально-оптические характеристики водной толщи морских заливов, естественно или искусственно отделенных от основного морского бассейна, могут служить объективным индикатором трофического (экологического) состояния водоема.

Исследовано взаимодействие бактериохлорофилла с различными полярными растворителями, такими как вода, метанол, этанол и изопропанол. Проведены расчеты с использованием программного пакета Gaussian и базиса 6-31G (d) для определения структуры бактериохлорофилла и свойств его водородных связей. Полученные результаты подтверждают значимость водородных связей при взаимодействии бактериохлорофилла е с полярными растворителями. Данные растворители чаще всего используются для экстракции бактериохлорофиллов из бактериальных клеток, поэтому настоящая работа полезна для разработки методов количественного определения бактериохлорофилла e в бактериальных клетках или в водоёмах.

Исследованы индукционные изменения флуоресценции листьев растений картофеля и бархатцев после обработки клубней (картофель) и опрыскивания вегетирующих растений (бархатцы) препаратом “ ЭпинЭкстра“ и кремнийсодержащим жидким органическим удобрением “ Силиплант“. Использование этих препаратов позволило компенсировать негативные воздействия на фотосинтетический аппарат растений, связанные с обработкой клубней картофеля фунгицидом “ Максим“, а также выдерживанием растений бархатцев при температуре 5◦С в течение трех суток.

Оценен потенциал применимости мультихромофорного соединения, состоящего из восьми хромофоров 4,4-дифтор-4-бор-3а,4а-диаза-s-индацен (BODIPY), связанных через алифатический спейсер с силоксановым ядром, для мониторинга параметров мембран в живых эукариотических клетках. Указанное соединение обладает значительным сольватохромизмом за счет внутримолекулярных взаимодействий хромофоров.

Обнаружено, что параметры внешней среды существенно влияют на флуоресцентные свойства красителя, в частности, на время жизни флуоресценции. Это позволило использовать его для мониторинга параметров мембранных структур клетки методом микроскопии с визуализацией времени жизни флуоресценции (fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM).

Представлены результаты исследования по оценке состава разных форм аллогенного коллагенсодержащего материала (гидрогеля) в качестве потенциального компонента биочернил в перспективном направлении тканевой инженерии с помощью оптических методов (рамановской и ИК спектроскопии). В результате проведенных исследований с помощью метода спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) установлено, что в негидролизованной форме коллагена относительное содержание пролина и гидроксипролина меньше, чем в гидролизованной форме, что может говорить о нарушениях структурной организации коллагенсодержащего материала (по спектральным особенностям пролина и гидроксипролина). На основе дисперсионного анализа был разработан алгоритм идентификации разных форм аллогенного коллагенсодержащего материала с помощью дерева решений. Установлено, что с помощью методов рамановской и ИК спектроскопии можно проводить экспресс-анализ состава и типов коллагеновых материалов, а также контролировать степень денатурации коллагена при разработке биочернил. Ключевые слова: рамановская спектроскопия, ИК спектроскопия, алгоритм идентификации коллагенов, гидрогель, биочернила, коллагенсодержащий материал, дисперсионный анализ.