Масс-спектрометрия

• Создан метод экстракции ионов из растворов при атмосферном давлении ЭРИ АД (Electrospray) для масс-спектрометрического анализа состава сложных  органических, неорганических и биологических веществ (1978-1982 г.г.). 

• Предложен метод ионизации в скользящем разряде для масс-спектрометрического элементного анализа диэлектриков (1986 - 1994 г.г.).

• Разработаны новые принципы расчета статических масс-спектрометров на основе секторных электрических и магнитных полей (1985 – 1990 г.г.).


2000 - 2005

• На основе разработанной теории расчета статических масс-спектрометров создан статический высокоэффективный магнитный масс-анализатор, обеспечивающий одновременную фокусировку второго порядка по углу расходимости в плоскости фокусировки и 100% транспортировку ионного пучка через масс-анализатор.

• Радиус центральной траектории ионов 250 мм, угол поворота ионного пучка 90°. Диапазон массовых чисел: 1–600 а.е.м. при ускоряющем напряжении 8 кВ.

• Масс-анализатор является базовой частью разработанного совместно с ЭЗНП РАН и предприятиями Минатома масс-спектрометра МТИ-350Г для анализа изотопного состава гексафторида урана. Прибор сертифицирован, выпускается серийно.

• Разработан масс-спектрометрический метод изотопного анализа следовых концентраций актинидов с использованием специально разработанного многоканального счетчика ионов.

• Метод применяется для проведения анализов урана и плутония в ультра-малых пробах окружающей среды в рамках программы МАГАТЭ по контролю за нераспространением ядерного оружия.

• Применительно к изотопному и химическому анализу разработаны новые методы математической обработки масс-спектрометрической информации, позволяющие повышать чувствительность и разрешающую способность анализа.

• Предложена и рассчитана принципиально новая схема многоотражательного времяпролетного масс-анализатора, в котором ионы последовательно отражаются от двух параллельных друг другу двумерных бессеточных электростатических зеркал.

• На основе принципиально новой схемы впервые в мире реализован планарный многоотражательный времяпролетный масс-анализатор, работающий без ограничения диапазона масс. Показана устойчивость движения ионов и малые ионные потери на большом числе полных оборотов. Масс-анализатор демонстрирует исключительно низкий фон рассеянных ионов, что позволило записать масс-спектры с динамическим диапазоном до 10⁶. Экспериментально продемонстрирована разрешающая способность анализатора по массе – 200000.

• Разработан и изготовлен времяпролетный масс-спектрометр МХ5303 с ортогональным источником ионов и электрораспылением (типа «электроспрей») для анализа нелетучих веществ органического и биоорганического происхождения непосредственно из растворов. Разрешающая способность масс-спектрометра 10000 на уровне 50% высоты пика масс-спектра. Точность определения масс 10^–4% (с внутренней калибровкой). Скорость полной записи спектра не менее 10 спектров в секунду. Прибор может работать в сочетании с жидкостным хроматографом.
Приоритетное применение: решение биохимических задач (расшифровка генома, протеомика, синтез пептидов, поиск маркеров болезней и др.).

• Предложен новый принцип работы тандема из двух времяпролетных анализаторов в режиме «вложенных времен»: медленное разделение родительских ионов в первом анализаторе на миллисекундной временной шкале и быстрая фрагментация и быстрый масс-анализ фрагментов во втором анализаторе. Новый принцип обеспечивает существенное повышение скорости и чувствительности МС–МС анализа.

• Предложен и реализован аналитический комплекс жидкостный хроматограф – масс-спектрометр. В состав комплекса входят времяпролетный масс-спектрометр МХ-5303 (ИАП РАН) и жидкостный портативный хроматограф «Милихром А-02» (ЗАО Институт хроматографии "ЭкоНова"). Комплекс предназначен для анализа нелетучих веществ органического и биоорганического происхождения непосредственно из растворов.
Сочетание  ВПМС МХ-5303 и хроматографа с многоволновым спектрофотометрическим детектированием позволяет идентифицировать состав проб с большей скоростью и достоверностью и одновременно повышает коэффициент использования масс-спектрометра.


2006 - 2009

• Разработан метод масс-спектрометрического изотопного анализа актинидов на уровне содержания от единиц фемтограмм (концентрация порядка 10^-15) в образцах техногенного и растительного происхождения. Использованы новые алгоритмы измерений потоков ионов с помощью специально разработанного многоканального счетчика ионов с высоким пространственным разрешением (лучше 25 мкм) и большим динамическим диапазоном (более 10⁵). Достигаемое качество анализов ультра-малых проб позволяет применять данный метод при решении аналитических задач в рамках программы МАГАТЭ по наблюдению за нераспространением ядерного оружия.

•  Предложен новый электродинамический способ монохроматизации потока ионов по энергии для масс-спектрометрических ионных источников. Монохроматизация потока ионов осуществляется путем преобразования энергетического спектра частиц в высоком вакууме за счет ударного воздействия коротких электрических импульсов на ионы с последующей фокусировкой потока ионов системой одиночных или иммерсионных электростатических линз.

• Получены аналитические выражения для оценок временных и пространственных характеристик диссипации энергии потока ионов. Новый метод имеет фундаментальное физическое отличие от методов, используемых ранее, в частности, от метода «охлаждения» потока ионов в столкновительных ионных ловушках.

• Разработан математический аппарат и методами математического моделирования проведено исследование физических процессов при движении ионов в плотном движущемся газе и внешних электрических полях. Корректность полученных результатов подтверждена натурными экспериментами.
Результаты положены в основу разработки высокоэффективного интерфейса для масс-спектрометрического изотопного, элементного и молекулярного анализа методами электрораспыления растворов.

• Создана общая теория возникновения режима сверхразрешения для времяпролетного масс-анализатора на основе периодических электростатических систем, функционирующих в режиме нелинейного гамильтонова авторезонанса.
Доказано обобщение теоремы Ю.К.Голикова об обязательном наличии предельного разрешения многокаскадных времяпролетных масс-анализаторов для любых конфигураций за исключением систем с идеальными свойствами (с абсолютной независимостью времени пролета от начальной энергии), и установлены пределы действия теоремы Ю.К.Голикова случаями функционирования периодической системы в аберрационных (слабонелинейных) режимах.

• Предложен новый ионно-оптический подход к расчету и юстировке безаберрационных статических масс-анализаторов с одинарной и двойной фокусировкой, позволяющий повысить аналитические параметры статических масс-спектрометров при одновременном упрощении их конструкции.

• Разработан и изготовлен настольный времяпролетный масс-спектрометр МХ5310 с ортогональным вводом и источником ионов (типа «электроспрей») для анализа растворов лабильных веществ.

• Разработан и изготовлен настольный времяпролетный масс-спектрометр МХ5310 с ортогональным вводом и источником ионов (типа "нано-электроспрей") для анализа растворов лабильных веществ.

• Разработано и изготовлено рабочее место биохимика-аналитика на базе настольного времяпролетного масс-спектрометр МХ5310 с ортогональным вводом и источником ионов типа электроспрей и жидкостного хроматографа «Милихром А-02» с комплектом устройств для пробоподготовки.

• Разработан исследовательский прототип базового алгоритма распознавания аминокислотных последовательностей в масс-спектрах пептидов Sequence Tag. Проведены экспериментальные испытания алгоритма на наборах фрагментных спектров полученных на приборах следующих классов: Q-TOF, FT-ICR, ESI-TOF (масс-спектрометр МХ 5303). Проведено макетирование поиска в биоинформационной базе данных Swiss-Prot.
Показано, что подход применим как к индивидуальным пептидам, так и к пептидам – продуктам хроматографического разделения смеси пептидов в режиме прямой стыковки микрохроматографа «Альфахром» и масс-спектрометра МХ5310.

• Разработан и изготовлен малой серией переносной квадрупольный масс-спектрометр МС7-100 для анализа смесей газов, в том числе – в выдыхаемом воздухе.

• Разработан квадрупольный масс-спектрометр МС7-800 с ионизацией электронным ударом и диапазоном масс 2 - 800 а.е.м., предназначенный для аналитических исследований в химическом и биохимическом анализе, в том числе – в качестве детектора газового хроматографа.

 

Мессбауэровская спектроскопия

• Предложен новый способ ядерного гамма - резонанса – «многомерная параметрическая мессбауэровская спектроскопия» и разработана его методология. Способ дает возможность проводить динамические эксперименты, получать систему мессбауэровских спектров от исследуемого образца (1981 г.).

• Разработан комплекс приборов многомерной  параметрической мессбауэровской спектроскопии. Комплекс состоит из универсальных (СМ2201 и СМ3201), проблемно-ориентированных (СМ2201DR) и технологических (СМ2101Turbo и СМ1101) спектрометров (1993 – 1996 гг.).

• Создан метод исследований ультратонких слоев поверхностей – «скользящая мессбауэровская спектроскопия». Метод позволяет проводить фазовый анализ ультратонких слоев поверхности и измерять макро- и микроскопические свойства исследуемого вещества (1992 – 1995 гг.).

• Обнаружены новые эффекты: асимметрия базовой линии в резонансных спектрах вторичных электронов в области углов полного внешнего отражения и изменение знака асимметрии при переходе через критический угол (1992 – 1995 г.г.).

• Впервые экспериментально обнаружен эффект образования мессбауэровской стоячей волны и исследовано ее влияние на форму мессбауэровских спектров (1992 – 1995 гг.).


1995 – 2005

• Возможности нового способа ядерного гамма - резонанса — скользящей мессбауэровской спектроскопии — впервые в мире реализованы в спектрометре Мессбауэра СМ 1101TER.
Прибор позволяет проводить одновременную и независимую регистрацию ядерных гамма - резонансных спектров зеркально отраженного и вторичных излучений в широком диапазоне углов падения.

•  Объединение в гамма - оптической схеме прибора двух физических явлений — эффекта Мессбауэра и эффекта полного внешнего отражения — открывает новые возможности при исследовании поверхности и многослойных синтетических структур.

• Разработан многофункциональный спектрометр СМ 4201 TERLAB для неразрушающего бесконтактного исследования физико-химических свойств поверхности и объема изучаемых объектов.
Прибор реализует возможности мессбауэровской и рентгенофлуоресцентной спектроскопии, а также рентгеновской дифракции при нормальных и скользящих углах падения излучения на исследуемую поверхность.


2006 - 2009

• Теоретически и экспериментально обоснованы достоинства совместного применения рентгеновской и гамма-оптики скользящего падения для селективного по глубине элементного и фазового анализа поверхности.
Проведено численное моделирование формирования аналитического сигнала при взаимодействии излучения с поверхностью в окрестности углов полного внутреннего отражения (ПВО), на основе которого созданы алгоритмы обработки экспериментальных данных.
Разработана комбинированная рентгено- и гамма-оптическая схема многофункционального приборного комплекса для селективных по глубине исследований поверхности, которая позволяет проводить измерения рентген-рефлектометрических, рентген-флуоресцентных, рентген-дифракционных и мессбауэровских спектров в условиях ПВО.

• Создан многофункциональный приборный комплекс для исследования физико-химического состояния поверхности и границ раздела низкоразмерных планарных структур.
Аналитические возможности, разработанного комбинированного комплекса, подтверждены результатами исследований многослойной синтетической наноструктуры Zr9.5нм/[Cr0,49нм/Fe0.91нм]x26/Cr50нм/стекло. На примере исследования пленок железа показана возможность применения метода для анализа продуктов коррозии образцов априорно неизвестного состава.
Впервые определена спиновая текстура в сверхрешетках Fe/V.

• Проведены теоретические исследования с целью создания методов количественного определения фазового состояния исследуемых веществ с помощью мессбауэровской спектроскопии.

 

Молекулярно-пучковая эпитаксия

• Созданы технологии выращивания гомо- и гетероэпитаксиальных слоев в полупроводниковой системе А₃В₅  на отечественной установке МПЭ 1203 (СКБ АП АН СССР) (1996 г.).

• Экспериментально подтверждено существование «паркетных» структур на поверхности полупроводников, возникающее при термической обработке вицинальных подложек (1994 – 1996 г.г.).

• Предложен и экспериментально апробирован новый эпитаксиальный метод – субмонослойная миграционно-стимулированная эпитаксия, позволяющий увеличить однородность квантовых точек в системе InAs/GaAs (1994 – 1996 г.г.).

• Разработан и изготовлен опытный образец комплекса для компьютерной обработки картин дифракции быстрых электронов на отражение (1996 г.).

• Разработаны технологии создания полупроводниковых наногетероструктур (квантовые ямы, квантовые точки, квантовые проволоки, квантовые молекулы и т.д.), образующиеся при молекулярно-пучковой эпитаксии и ее разновидностях, а также методы диагностики на основе дифракции быстрых электронов (1994 – 2005 г.г.).


2000 – 2005

• Разработана воспроизводимая технология эффективных светоизлучающих диодных структур, работающих при комнатной температуре, на основе многослойных селективно легированных гетероструктур Ge/Si на подложках Si.

• Теоретически и экспериментально исследованы кинетические аспекты образования квантовых точек в системах InAs/GaAs и Ge/Si.

• Обнаружено, экспериментально и теоретически обосновано образование квантовых точек в докритической области толщин упруго напряженной эпитаксиальной пленки.

• Разработаны детальные кинетические теории роста нанометровых нитевидных кристаллов (нановискеров) в методе молекулярно-пучковой эпитаксии по механизму пар-жидкость-кристалл и диффузионному механизму.

• Синтезированы массивы нановискеров GaAs, InAs и AlGaAs на подложках GaAs и Si различной ориентации. Исследованы основные особенности формирования нановискеров в зависимости от условий МПЭ роста.

• Синтезирован новый тип полупроводниковых квантовых структур – квантовые молекулы, представляющие собой туннельно - связанные пары InAs квантовых точек в матрице GaAs, и детально исследованы их оптические и структурные свойства.


2006 - 2009

• Методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) синтезированы квантовые точки InAs/GaAs при докритической толщине осажденного слоя (в интервале 1.4-1.5 монослоя InAs) на вицинальных поверхностях GaAs (001) для обеспечения сверхнизкой плотности квантовых точек (3–30 um^-2). Исследованы оптические свойства одиночных квантовых точек. Показано, что подобные нанообъекты обладают повышенной яркостью и более узкой линией фотолюминесценции (ФЛ) по сравнению с обычными квантовыми точками, полученными по механизму Странски-Крастанова.

• Исследованы оптические свойства многослойных структур с вертикально-упорядоченными (стэкированными) квантовыми точками InAs, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии и помещенных в p-n-переход матрицы GaAs. При приложении электрического поля к структуре достигнут резонанс основных электронных состояний квантовых точек в стэке. Показано, что резонанс является оптимальным условием проявления коллективных свойств в таких структурах. Вблизи резонанса растут интенсивность фотолюминесценции и излучательное время жизни экситонов, а время туннелирования носителей уменьшается.

• Детально исследованы люминесцентные свойства многослойных структур с кватовыми точками (КТ)в системе Ge/Si, легированных сурьмой. Проведенные расчеты электронной структуры в данной системе доказывают, что при опредленных условиях, в колонках КТ возможно создание минизоны для электронов.
Показано, что оптические переходы, обусловленные рекомбинацией электронов в минизоне и локализованных дырок, приводят к появлению интенсивной полосы излучения в диапазоне 1.4 – 1.8 мкм при комнатной температуре.
Изготовленные на основе многослойных структрур светоизлучающие диоды демонстрируют внешнюю эффективность ~0.05 % при 300К на длине волны 1.55 мкм.

• Исследована фотолюминесценция многослойных структур с квантовыми точками InAs, выращенными в p-n-переходе в GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Образование вертикальных колонок квантовых точек подтвреждено данными просвечивающей электронной микроскопии.
Показано, что естественное увеличение от слоя к слою размеров квантовых точек приводит к их вертикальному объединению вверху колонки. Разбалансирование электронных уровней было компенсировано внешним электрическим полем и достигнут резонанс основных электронных состояний в колонке. Наступление резонансов контролировалось методами фотолюминесценции: стационарной и с временным разрешением.
Показано, что при резонансе растут интенсивность фотолюминесценции, излучательное время жизни экситонов (до 0.6-2 нс) и становится малым время туннелирования носителей (менее 15 пс). Вне резонанса туннелирование электронов существенно ускоряется участием продольных оптических фононов. Если участвуют только эти фононы, то время нерезонансного туннелирования между квантовыми точками становится меньше, чем время релаксации носителей из барьера (100 и 140 пс, соответственно).

• Методом МПЭ реализованы принципиально новые гетероструктуры, состоящие из квантовой ямы InGaAs, структурно соединенной с квантовой точкой InAs через наноперемычку - «nanobridge», представляющей собой нанопроволоку (одномерную структуру InGaAs). Показано, что время излучательной рекомбинации из КТ значительно уменьшается в случае образования наноперемычек.

• Разработаны детальные кинетические теории роста нанометровых нитевидных кристаллов (нановискеров) в методе МПЭ по механизму пар-жидкость-кристалл и диффузионному механизму. Синтезированы массивы нановискеров GaAs, InAs и AlGaAs на подложках GaAs и Si различной ориентации. Исследованы основные особенности формирования нановискеров в зависимости от условий МПЭ роста.

• Разработаны методические основы построения системы регистрации эмиссионных свойств и электронно-оптических параметров термополевых точечных источников электронов на основе ZrO₂/W наногетероструктур (НГС). Разработан алгоритм обработки экспериментальных данных и разработан пакет прикладного программного обеспечения для исследований термополевых эмиссионных свойств НГС.
Проведены исследования термополевых эмиссионных свойств W/ZrO₂ НГС и разработан действующий макет W/ZrO₂ точечного источника электронов (катода) со сверхвысокой приведенной яркостью.
Разработанные высокоинтенсивные источники электронов на основе ZrO₂/W НГС были апробированы и используются в электронных микроскопах ФТИ им А.Ф. Иоффе РАН, в сканирующих электронно-зондовых установках контроля и тестирования морфологии и структуры поверхности мультичипов (Applied Materials Company, USA) а также в системах формирования интенсивных потоков многозарядных ионов (ОИЯИ, г. Дубна).

 

Сканирующая зондовая микроскопия

• Разработан низкотемпературный сканирующий туннельный микроскоп - спектрометр .

• Обнаружены одноэлектронные осцилляции в локальных туннельных спектрах на образцах различной природы (металлы, высокотемпературные сверхпроводники, полупроводники, пленки Ленгмюра-Блоджетт, алмазоподобные пленки, легированные медью (1987 – 1998 г.г.).

• Впервые измерены структурные характеристики ансамблей квантовых точек в системах InAs/GaAs, InGaAs/GaAs, InAs/Si, образующихся на сингулярных и вицинальных плоскостях в процессе самоорганизации при молекулярно-пучковой эпитаксии (1993 - 2000 г.г.).

• Визуализированы пленки Ленгмюра-Блоджетт, модифицированные молекулами грамицидина-А, пептидные комплексы в клеточных мембранах; получены прямые структурные данные об ионных каналах и фотосинтетических центрах (1990 - 1991 г.г.).


2000 - 2005

• Разработаны прибор и метод, обеспечивающие совмещение методик сканирующей зондовой и растровой электронной микроскопии (СЗМ-РЭМ).

• Исследованы режимы нанооксидирования для применения СЗМ в нанотехнологии.

• Разработаны методы обработки СЗМ - изображений.

• Предложен и реализован СЗМ, предназначенный для визуализации леофильных и нативных биологических клеток и других биологических объектов с высоким пространственным разрешением (Цитоскоп).
Прибор позволяет получать карты пространственных распределений локальных свойств (твердость, электропроводность) биологических объектов в газообразных и жидких функционально активных средах, а также локально воздействовать на биообъекты электрическим полем, током, механическим давлением.


2006 - 2009

• Исследована кинетика механоэмиссии электронов из локального наноконтакта и ее зависимость от величины электрического напряжения между поверхностью образца и вытягивающим электродом. Предложены и рассчитаны схемы интегрального детектирования потока электронов и их энергоанализа с учетом параметров наноконтакта. Полученные результаты представляют собой физическую основу для создания новой СЗМ – методики для микро- и нанодиагностики материалов.

• Создан пьезорезонансный датчик локального силового взаимодействия со съемным вольфрамовым зондом для сканирующего силового микроскопа, обеспечивающий визуализацию и диагностику микро- и нанообъектов различной природы в полуконтактной силовой моде.
Датчик устойчиво функционирует в вакууме, газе и жидкости без перенастроек. В отличие от традиционных оптических датчиков на основе кремниевых кантилеверов, пьезорезонансный датчик работает в жидкости без применения жидкостных ячеек. При использовании в качестве зонда микро- или нанопипеток, датчик обеспечивает проведение одновременных измерений в полуконтактной силовой моде и в моде токов ионной проводимости.

• Создан пьезосканер с большим полем сканирования с оптическими датчиками линейных перемещений (оптическими энкодерами) для сканирующих зондовых микроскопов и других применений в области нанотехнологий. Разработаны алгоритмы управления сканером, обеспечивающие линейные перемещения с точностью не хуже 10 нанометров в диапазоне 100 мкм.

 

Электронная спектроскопия

• Предложен и исследован новый класс электростатических аксиально симметричных энергоанализаторов с заданным изменением  продольно-поперечного градиента потенциала (1991 г.).

• Предложены схемы каскадных энергоспектрометров супервысокой светосилы и разрешения (1991 – 2005 г.г.).


2000 – 2009

• Предложены и созданы термополевые катоды электронных пушек со сверхвысокой яркостью – до 10¹⁰ А/(м² ср В).

• Создана малогабаритная встраиваемая электростатическая электронная пушка микро-наноамперной интенсивности тока с регулируемым диапазоном энергий от 500 эВ до 5000 эВ.

• Создан рентгеноэлектронный спектрометр для экспрессного химического анализа каталитически активных материалов и биопродуктов.
Прибор обеспечивает идентификацию всех химических элементов с энергетическим разрешением 1 – 1,4 эВ с погрешностью определения химических сдвигов энергий связи ± 0,1 эВ.

• Разработан аналитический комплекс аппаратных средств для исследования поверхности твердофазных материалов на базе рентгеноэлектронного спектрометра ЭС 2403. Комплекс обеспечивает идентификацию всех химических элементов с энергетическим разрешением 0,9 – 1,2 эВ с погрешностью определения химических сдвигов энергий связи ± 0,1 эВ.

• Создан электростатический анализатор аксиальной симметрии высокого разрешения и светосилы, на основе которого разработана экспериментальная модель электронного спектрометра для химического анализа (ЭМХА). Характерными особенностями прибора являются простота электронно-оптической системы и эффективность ее использования для микро- и нано исследований и технологий. Получено подтверждение теоретических и расчетных данных на экспериментальной модели ЭМХА с короткофокусной аксиально симметричной электронно-оптической системой анализатора сверхвысокой светосилы и разрешения.

 

Сепарационные методы

• Впервые показана возможность использования ультразвука для устранения неспецифической сорбции и ускорения иммуносуспензионных реакций. Создан ряд методов экспресс-обнаружения иммуноактивных объектов в жидких пробах (1982 – 1995 г.г.).

• Предложены и исследованы методы проточного ультразвукового разделения жидких дисперсных систем, показана эффективность их использования в биологии и медицине (1982 - 1995 г.г.).

• Разработаны принципы построения и технологии изготовления мембранных хемосенсоров для определения ионов металлов и рН в микрообъемах водных проб (1991 -1997 гг.).

• Предложен и разработан метод анализа состава жидких проб – электроинжекционный анализ (1996 г.).

• Впервые экспериментально исследовано взаимодействие in vivo фуллеренов С₆₀ с микромицетами . Установлена биотрансформация фуллеренов под воздействием живых клеток грибов (1997 г.).

• Развиты методы сверхчувствительного детектирования на основе лазер-индуцированной флуоресценции применительно к капиллярному электрофорезу (1990 – 2002 г.г.).

• Исследованы механизмы пространственной самоорганизации в биологических системах разного уровня иерархии в гомогенных средах: белок-белковые взаимодействия при диффузионных ограничениях и макроскопическая упорядоченность в колониях микроскопических грибов при их развитии (1998 – 2005 г.г.).


1999 – 2005

• Разработаны приборы высокоэффективного капиллярного электрофореза серии НАНОФОР^® для автоматического количественного анализа состава проб практически любых неорганических и органических веществ, в том числе биологически активных, в водных и водно-органических растворах:

НАНОФОР^® 01 – спектрофотометрический детектор. Прибор внесен в Госреестр средств измерений РФ.

НАНОФОР^® 02 – детектор с лазер-индуцированной флуоресценцией.

• Создан экспериментальный образец нового класса аналитических приборов на основе элекрофореза на планарном микрофлюидном чипе с детектором лазер-индуцированной флуоресценции.

• Разработан и изготовлен противоточный жидкость – жидкостной хроматограф для аналитического и препаративного разделения и экстракции веществ методом жидкостной хроматографии со свободной фазой.

• Изучен механизм пролонгации микробной устойчивости воды при воздействии наночастиц металлов, полученных импульсными электрическими разрядами.

• Созданы приборы для анализа ДНК и РНК в режиме реального времени– АНК-16 и
АНК-32. 
Реализован принципиально новый подход, позволяющий проводить измерение исходного количества специфической ДНК (РНК) в исследуемом образце в широком динамическом диапазоне от единичных до 10⁹ копий.
Обеспечена возможность сравнительного количественного анализа для четырех различных типов ДНК в одной пробирке одновременно. Приборы внесены в Госреестр изделий медицинского назначения и медицинской техники.

• Разработаны и апробированы методики разделения фрагментов ДНК, продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) методом электрофореза на микрофлюидных чипах на прототипе микрофлюидного анализатора.

• Продемонстрирована возможность определения инсулина методом конкурентного иммунного анализа и электрофоретического разделения на микрофлюидном чипе.


2006 - 2009

• Разработаны новые топологии и созданы макеты прототипов микрофлюидных чипов (МФЧ) с наноразмерными структурами: а) массивом кристаллических наноструктур (КНС) из GaAs и б) нанопористыми стеклами (НПС).
Интеграция наноструктур в МФЧ позволяет получить аналитические микрочипы с улучшенными характеристиками для исследований биологических проб.
Впервые выявлены: отличия в спектральных зависимостях отражения для разных КНС; эффект спектрально-селективного воздействия лазерного излучения на КНС, приводящий к разрушению наноструктур; эффект образования регулярных дендритных структур на нанокристаллах, который может быть использован при создании биологических сенсоров.

• Продемонстрирована возможность применения нанопористых стекол с размером пор от 20 нм до 500 нм и пористостью свыше 20 % в качестве мультифункциональных элементов микрофлюидного чипа: фильтрующей мембраны или разделительной системы, сенсорного элемента и электроосмотического насоса. При этом обеспечивается оперативный контроль и управление микропотоками пробы и буферного раствора, что является важным при создании микроаналитических систем на микрочиповой платформе.

• Проведены исследования оптических характеристик нанопористых стекол методами спектроскопии и микроскопии высокого разрешения (с использованием конфокального лазерного сканирующего микроскопа и сканирующего ближнепольного оптического микроскопа). Обоснована возможность создания оптических сенсоров на основе микро- и нанопористых стекол для регистрации продуктов иммунных реакций.

• Созданы прототипы аналитических микрочипов для высокочувствительного метода молекулярной диагностики - метода молекулярных колоний (ММК) с реакционными камерами из стекла, полиметилметакрилата, поликарбоната, алюминия.
Проведены исследования влияния материалов микрочипа и способов обработки поверхности на эффективность полимеразной цепной реакции.
Для регистрации результатов ММК применены методы микроскопии высокого разрешения, в том числе конфокальной лазерной сканирующей микроскопии.. Полученные результаты являются развитием методов экспресс-анализа нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и создают основу для дальнейшей коммерциализации ММК.

• Поставлена методика экспресс-определения сульфадиазина методом электрофореза на микрофлюидном чипе.

• Разработаны методики синтеза полых и монолитных капиллярных колонок с заданными физико-химическими параметрами сорбента. Впервые использована электронно-лучевая обработка для модифицирования поверхности кварца и синтеза полимерного сорбента.

• Создан аналитический комплекс АК на основе полимеразной цепной реакции в реальном времени, предназначенный для обнаружения и количественной оценки патогенных агентов в жидких и твердых пробах различного происхождения. Основное преимущество – обеспечение биологической безопасности при эксплуатации. АК содержит: систему пробоотбора; участок пробоподготовки, участок выделения нуклеиновых кислот; участок внесения проб, анализа и обработки результатов; наборы реагентов для определения микроорганизмов; наборы расходных материалов и наборы средств дезинфекции. Успешно проведены Государственные испытания.

• Создан экспресс-анализатор АНК-4 для анализа 4-х образцов нуклеиновых кислот. Прибор предназначен для проведения анализов методом ПЦР-РВ за 30 минут в стационарных и полевых условиях. Прибор может комплектоваться наборами реагентов для молекулярной диагностики социально-значимых и особо опасных инфекционных заболеваний. Качественный анализ обеспечивается в автоматическом режиме.

• Впервые исследованы процессы образования в геле иммунопреципитационных паттернов в результате диффузии и взаимодействия белков «антигена» и «антител». Показано – макроскопическая иммунопреципитационная структура определяется пространственным концентрированием продукта иммунной реакции; имеет место образование достаточно крупных кластеров, обусловливающих визуализацию иммунопреципитационных макроструктур; структура кластеров характеризует степень гетерогенности взаимодействующих популяций «антигенов» и «антител» и может быть использована для оценки степени поликлональности антител.

• Создан автоматизированный прибор Регистратор иммунодиффузии РИД-01.
Регистратор обеспечивает: высокочувствительную детекцию иммунопреципитационных колец в чашках Петри; автоматизированный расчет концентрации белка по методу радиальной иммунодиффузии в геле за считанные секунды.

• Разработана математическая модель, впервые позволяющая оценить поведение микрочастиц в ультразвуковом поле стоячей волны в проточном и статическом режимах при сорбции веществ на поверхность частиц. Модель основана на учете совместного действия акустической радиационной силы, силы Стокса и силы тяжести при удерживании частиц в ультразвуковом поле.
Показано, что, при вертикальном расположении ультразвуковой камеры и наложении ультразвукового поля параллельно направлению потока можно обеспечить фракционирование природных неорганических частиц, плотность которых меняется в широком диапазоне (1500 - 9000 кг•м^-3), а отклонение размеров частиц во фракциях от заданных значений может не превышать ±5 %.

• Разработана математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в многослойных трубчатых системах. Впервые учтено влияние акустических параметров отдельных слоев на резонансные свойства трубчатой системы. Модель впервые позволяет выявить особенности образования стоячей ультразвуковой волны в жидких дисперсных системах, находящихся в трубках и решать проблемы анализа процессов, происходящих в капиллярных многослойных системах ультразвукового фракционирования суспензий.
Предложен новый подход к расчету сил радиационного давления ультразвука на частицы дисперсных систем в произвольном поле, впервые позволяющий учитывать поперечную составляющую радиационной силы и моделировать процессы удерживания частиц ультразвуковым полем, направленным под углом к потоку жидкости.

• Создан комплекс приборов и тест-систем для ускоренной постановки и регистрации латексной агглютинации. Комплекс приборов обеспечивает: автоматизированную лабораторную диагностику иммунозависимых заболеваний и мониторинг их протекания; детектирование патогенной флоры в различных средах; целенаправленный сбор сывороток крови; сохранение и архивирование результатов анализов в электронном виде. Использование ультразвука обеспечивает ускоренную постановку реакции агглютинации в планшетах.

• Создан комплекс приборов для автоматизированного анализа генетического разнообразия, сортовой принадлежности и чистоты семян сельскохозяйственных культур.
Комплекс представляет собой систему приборов и устройств, автоматизирующих труд лаборантов-биохимиков и повышающих производительность труда при анализе сортовой чистоты и сортовой принадлежности семян методом электрофореза запасных белков семян, утвержденным в качестве международного стандартного арбитражного метода семенного контроля. Комплекс может быть использован для исследований генетического потенциала сельскохозяйственных растений, а также анализа коммерческих партий зерна.

 

Цитометрический анализ

2003 – 2005

• Разработаны научно-технические основы метода цитометрии в реальном времени по цифровым микроскопическим изображениям клеток и создан экспериментальный образец лазерного цитофлуориметрического анализатора.

2006 – 2009

• Разработан детектор субпопуляций клеток, предназначенный для автоматизированного анализа субпопуляционной структуры ансамблей иммунокомпетентных клеток или других микро-объектов с использованием внесенных флуоресцентных меток. Реализован метод цитометрии по микроскопическим изображениям клеток. Обнаружение и определение индивидуальных параметров клеток производятся с помощью быстрых алгоритмов анализа цифровых изображений со скоростью более 100 клеток/с и порогом чувствительности около 300 молекул флуорохрома на клетку.

 

Поляризационно-оптический анализ

• Обнаружено субпуассоновское лазерное излучение в цепи обратной связи фотоприемник-накачка. Полученный результат расширил представления о физике процессов, определяющих статистику излучения лазеров (1985 – 1996 г.г.).


1999 – 2003

• Создан первый отечественный поляризационно-оптический анализатор, предназначенный для количественного поляризационно-оптического анализа структурных особенностей различных веществ, материалов и объектов в процессе сканирующего зондирования лазерным излучением с глубокой модуляцией состояния поляризации.

• Выполнен цикл исследований прецизионных элементов лазерной поляризационной оптики, образцов стекол высокого оптического качества и уникальных образцов совершенных оптических кристаллов.

• Предельные значения чувствительности и разрешающей способности измерений нестационарного двулучепреломления (или других эквивалентных величин) ограничены только фотонными шумами зондирующего излучения .


2004 - 2009

• C общих позиций рассмотрен механизм формирования параметрического эхо-сигнала. Установлено, что при выполнении условия линейности сигнал параметрического эха описывается выражением типа свертки. Теоретически предсказано и экспериментально продемонстрировано усиление параметрического эхо-сигнала. Показаны возможности применения эффекта параметрического эха в физических и аналитических исследованиях, в системах обработки информации. Данные результаты получены в соавторстве с И.В. Плешаковым (ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН).

• Развита теория селективного отражения, на основании которой получены спектры отражения для одиночной линии и для серии близкорасположенных линий в случаях параллельной и ортогональной ориентаций плоскости поляризации падающего лазерного излучения.
Рассчитаны корреляционные функции второго и четвертого порядка по напряженности отраженного поля, вычислены дробовые и информативные шумы фоторегистрации.
Получены аналитические выражения для спектров флуктуаций, определяемых хаотическим движением атомов. Выполненный анализ дает возможность находить оптимальные условия наблюдения и использования явления сильного селективного отражения для снижения флуктуаций отраженного света.

• Экспериментально исследована серия отражательных резонансов, образованных сверхтонкими компонентами D2-линий естественной смеси изотопов рубидия при наклонном падении. Контраст наиболее сильных резонансов отражения превышает 500%. В условиях полного внутреннего отражения зарегистрировано сильное резонансное взаимодействие лазерного излучения с ансамблем атомов, находящихся в приповерхностном слое толщиной около 0,1 мкм. На вершинах пиков резонансного отражения зарегистрированы новые нелинейные структуры.
Выполнены исследования полных спектров флуктуаций отраженного света. Наблюдаемые явления могут быть положены в основу новых оптических методов квантовой обработки информации.

• Выполнен цикл исследований нестационарных явлений в поляризационно-чувствительных оптических схемах. Подробно рассмотрены методы дифференциальной регистрации поляризационно-модулированных сигналов. Предложено применение описанных методик в отражательных конфигурациях. Изучены динамические свойства резонансных границ раздела «диэлектрик - атомарный газ». Полученные результаты важны для дальнейшего развития и расширения области применений прецизионных методов поляризационно-оптических измерений и исследований.

• Разработан измерительно-аналитический комплекс, предназначенный для исследования сильного селективного отражения поляризованного света при наклонном падении. Изучаемые явления перспективны для использования в нанофотонике, квантовой информации и квантовой оптике.

 

Математическое моделирование, автоматизация измерений, цифровая обработка
        сигналов

• Разработаны новые принципы расчета статических масс-спектрометров на основе секторных электрических и магнитных полей (1985 -1990 г.г.).


2000 - 2005

• Применительно к изотопному и химическому анализу разработаны новые методы математической обработки масс-спектрометрической информации, позволяющие повышать чувствительность и разрешающую способность анализа.


2006 - 2010

• Предложен оригинальный подход к развитию алгоритмических и программных средств систем автоматизации приборов для научных исследований на основе нового класса вейвлетов, названных аппаратно-ориентированными. Они синтезируются на основе принципа «от прибора к вейвлетам». Их применение позволяет почти на порядок увеличить чувствительность приборов и повысить их разрешение.

• Разработаны и отлажены модули расчета полного набора аберрационных коэффициентов до третьего порядка включительно на основе метода тау-вариаций М.А. Монастырского для времязависимых (квазистатических) электрических и магнитных полей общего вида.

• Предложен комплекс алгоритмов, позволяющих производить разделение «наложившихся» масс-спектрометрических пиков. Алгоритмы основаны на решении обратной задачи алгебраическим методом.

• Предложен метод оценки информационных признаков в сильно зашумленных сигналах. Метод основан на спектральном анализе в приспособленном базисе. Его реализация позволила создать методику определения наличия примесей с неизвестными массами в изотопном масс-спектре стандарта, в котором существуют пики с известными массами.

• Разработан исследовательский прототип базового алгоритма распознавания аминокислотных последовательностей в масс-спектрах пептидов «Sequence Tag», применимого как к индивидуальным пептидам, так и к пептидам - продуктам хроматографического разделения смеси пептидов.

• Предложен комплекс алгоритмов, позволяющих производить обнаружение и оценку параметров сигналов малой интенсивности, искаженных низкой полосой пропускания измерительных каналов.

• Создана общая теория возникновения режима сверхразрешения для времяпролетного масс-анализатора, построенного на основе периодических электростатических систем, функционирующих в режиме нелинейного гамильтонова авторезонанса.

• Разработана компьютерная модель газонаполненного магнитного сепаратора. На основе математического моделирования предложена ионно-оптическая схема сепаратора нового поколения для исследования сверхтяжелых элементов.

•  Разработаны компьютерные модели движения ионов в электрогазодинамических полях газонаполненных (давление порядка единиц Торр) радиочастотных транспортирующих каналов. Определены условия пространственного захвата и сжатия ионных пучков.

• Разработана математическая модель, впервые позволившая оценить поведение микрочастиц в ультразвуковом поле стоячей волны в проточном и статическом режимах при сорбции веществ на поверхность частиц.

• Разработана математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в многослойных трубчатых системах. Впервые учтено влияние акустических параметров отдельных слоев на резонансные свойства трубчатой системы и выявлены особенности образования стоячей ультразвуковой волны в жидких дисперсных системах, находящихся в таких трубках.

• Предложен новый подход к расчету сил радиационного давления ультразвука на частицы дисперсных систем в произвольном поле, позволивший учитывать поперечную составляющую радиационной силы и моделировать процессы удерживания частиц ультразвуковым полем, направленным под углом к потоку жидкости.

• Разработан комплект устройств для ввода видео-информации и управления трёх-координатным предметным столом, выполненные в виде отдельных программно-управляемых функциональных плат.

• Разработана библиотека RWND типовых интерфейсных элементов, ориентированных на разработку приложений для автоматизации научных приборов и для численного исследования физических процессов и моделей.

• На основе численного моделирования движения ионов в пространственно неоднородных электростатических полях впервые разработаны бессеточные ионные зеркала, обладающие высоким (вплоть до 5-го) порядком фокусировки и позволяющие создавать времяпролетные масс-анализаторы с разрешающей способностью выше 100 000.

• Сформулирована и реализована в виде программы на языке С++ модель движения и взаимодействия иона с молекулами газовой среды, основанная на представлении потенциала взаимодействия в виде комбинации потенциала абсолютно жесткой сферы и поляризационного потенциала.

• Разработана новая модель процесса полимеразной цепной реакции, лежащей в основе метода количественного анализа молекул ДНК. С помощью модели показано, что стохастическая природа данного процесса не препятствует точному определению количества единичных копий ДНК.