CC BY
252
УДК 535
РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИИ НАРКОТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ И РАССЕЯНИЯ
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедры специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Татьяна Валерьевна Маганакова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (913)795-71-01, e-mail: [email protected]
Рассмотрен метод дифференциального поглощения и рассеяния для дистанционного определения некоторых наркотических веществ. Проведены расчеты спектроскопических параметров наркотических веществ с помощью ИК-параметрического лазера.
Ключевые слова: параметрический генератор света, нелинейный кристалл, дифференциальное поглощение и рассеяние.
CALCULATE THE CONCENTRATION DRAGS METHOD OF DIFFERENTIAL ABSORPTION AND SCATTERING
Valerik S. Ayrapetyan
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., department head of special devices and technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Tatyana V. Maganakova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student, tel. (913)795-71-01, e-mail: [email protected]
The method of differential absorption and scattering for remote determination of certain drugs. The calculations of spectroscopic parameters of drugs using infrared parametric laser.
Key words: parametric generator of light, nonlinear crystal, differential scattering and absorption.
Дистанционное обнаружение и идентификация опасных веществ в атмосфере на сегодняшний день является актуальным. На данный момент исследуются и разрабатываются новые методы для точного и оперативного анализа веществ в атмосфере: метод импульсной терагерцовой спектроскопии, терагер-цовая спектроскопия на основе квантово-каскадных лазеров [1], также ведутся исследования методов диодной лазерной спектроскопии, лазерно-индуцированной флуоресценции, лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии, лазерной оптико-акустической спектроскопии [2].
Как известно, наркотические вещества (НВ) это химические вещества синтетического или естественного происхождения, которые состоят из слож-
ных органических молекул и вызывают психическую и физическую зависимость человека [3].
Большое число НВ относятся к классу летучих соединений и характеризуются высоким давлением паров, вследствие чего они могут быть обнаружены при анализе компонент атмосферы.
Результаты исследований [4,5,6] свидетельствуют, что основные колебательно-вращательные полосы поглощения (пропускания) излучения легально применяемыми НВ приходятся на ближний и средний инфракрасный (ИК) диапазон длин волн (от 1 до 8 мкм). В этой связи роль плавно перестраиваемого ИК-параметрического лазера в данном диапазоне длин волн неоценимо возрастает. Кроме того, спектры поглощения (пропускания) наиболее известными наркотическими веществами, такими как производные фенэтиламина 2С-Е (2,5-диметокси-4-этилфенэтиламин) и синтетического каннабиноида JWH-250 (2-(2-метоксифенил)-1-(1-пентил-1Н-индол-3-ил) этанон) представляют собой узкие полосы сложной формы с полушириной, равной нескольким единицам см-1. Поэтому дистанционное исследование спектров поглощения (пропускания) нужно проводить высокомонохроматичным параметрическим лазером с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения, спектральная ширина которого (Дvизл) должна быть меньше спектральной ширины полосы поглощения детектируемой молекулой (ДVп0ГЛ).
Исследования спектров поглощения наркотическими веществами можно проводить также косвенным способом. Практически все молекулы НВ имеют слабые СН (углеродные) связи, которые при нормальных условиях атмосферы разрушаются, а при превышении температуры от 30 до 60°С концентрация паров из некоторых наркотических веществ увеличивается почти на порядок. Вращательные спектры паров имеют достаточно интенсивные изолированные линии в диапазоне длин волн от 1,4 до 4,2 мкм, следовательно, их можно идентифицировать с помощью ИК - ПГС, работающего в таком же диапазоне.
В публикациях [5,9,10,11] приведено сообщение о разработке, создании и испытании автоматизированного дифференциального лазерного комплекса (рис. 3) на основе параметрического генератора света, перестраиваемого в ближней и средней инфракрасной области спектра, для измерения малых концентраций атмосферных газов.
При прохождении импульсного излучения параметрического лазера через кювету с наркотическим веществом часть излучения поглощается молекулами данного вещества. Посредством плавной перестройки частоты излучения первый импульс, генерируемый лазером, устанавливается на максимум линии поглощения молекулой НВ. Следующий импульс параметрического лазера дискретно перестраивается на крыло этой линии поглощения. Сигналы двух импульсов регистрируются фотодетектором и сравниваются в АЦП. Дифференциальное значение этих двух сигналов выводится на монитор ПК в виде колебательно - вращательных спектров поглощения молекулами НВ.
Одним из высокочувствительных и оперативных методов дистанционной диагностики наркотических веществ в настоящее время является лазерное зондирование, основанное на принципе дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР).
пг
Рис.1. Оптическая схема экспериментальной установки для исследования структуры, состава и концентрации наркотических веществ: YAG: Nd - лазер
накачки; НК - нелинейный кристалл из LiNbO3 ; М1, М2, М3 - зеркала; ЭФП - эталон Фабри-Перо; ПГ - поглотитель основного излучения; юс , юх , юн -сигнальная, холостая и основная частоты лазерного излучения; НВ - наркотическое вещество; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;
ПК - персональный компьютер
Метод ДПР основан на сравнении обратно рассеянных лазерных сигналов: одного (т. В) (рис. 3) на частоте линии поглощения (пропускания, интересующей молекулы), а другого (т. А) (рис. 3) - в крыле линии. В этом случае пространственное разрешение и сильные сигналы на используемых частотах обуславливаются большим сечением рассеяния, а отношение сигналов дает требуемую оценку дифференциального поглощения. Благодаря этому, метод ДПР обладает наилучшей чувствительностью при зондировании определенных составляющих с больших расстояний.
Волновое число (см-1)
Рис. 2. Спектр пропускания 2С-Е (2,5-диметокси-4-этилфенэтиламин) (т. В - частота на линии пропускания, т. А - частота в крыле этой линии)
Рассмотрим более подробно метод измерения ДПР на примере расчета концентрации наркотического вещества фенэтиламина 2С-Е (2,5-диметокси-4-этилфенэтиламин).
Рис. 3. Спектр пропускания 2С-Е (2,5-диметокси-4-этилфенэтиламин)
около 3 мкм
Длина волны на максимуме Х0= 343*10-6 см в точке В; длина волны на полувысоте (длинноволновая) ^ = 342*10-6 см; длина волны на минимуме (начало высоты поглощения) Х2 = 354*10-6 см; конец границы поглощения = 318*10-6 см, точка А.
Относительная интенсивность лазерного излучения 10 =1; относительная интенсивность падающего лазера на длине волны Х0, II = 0,58; относительная интенсивность падающего лазера на длине волны 12 = 0,04.
Для вычисления количества частиц на энергетических уровнях воспользуемся формулой [6]:
ЪсЧ /2
где (*) - частоты лазерного излучения и собственная частота исследуемой молекулы; Г - коэффициент затухания; с - скорость света; ё - толщина (10 мм). Коэффициент затухания или обратное время релаксации вычисляется по
формуле:
Г - 2жАЗ, (2)
где Ад - полуширина излучения;
Расчет полуширины лазерного излучения (Ли1) можно выполнить с помощью уравнения [7]:
Я2 -Л1
^ = (3)
о
По результатам вычислений интенсивности и минимальной энергии излучения, необходимых для детектирования наркотического вещества фенэтила-мина 2С-Е (2,5-диметокси-4-этилфенэтиламин) разработан автоматизированный дифференциальный комплекс (рис.1).
На основе интенсивностей были вычислены объемные коэффициенты обратного рассеяния Р(Х0Д) на длине волны Х0 и расстоянии до объекта Я , а затем получено значение минимальной выходной энергии зондирующего лазера для детектирования минимальной концентрации НВ в соответствии с формулой [6]:
2Я2(С/Я/)га
Еь гап ~-—-——ехр
"т1п дл, колоты
2
(4)
где С/Ш - отношение интенсивности сигнала к шуму; - коэффициент спектрального пропускания приемной оптической системы; и(Х0) - параметр чувствительности приемной системы; к(Х0Д) - коэффициент ослабления на соответствующей длине волны Х0.
Учитывая, что отношение интенсивности сигнала к шуму С/Ш для созданной системы (рис.1) равно 1,5, зная величины параметров лазерной установки (^(Х0)= и(Х0)=1), с учетом проведения экспериментальных исследований в лабо-
о
раторных условиях ^ = 5 м) по формуле (1) получим, что минимально необходимая энергия зондирующего лазера будет равна 10 мДж.
По значениям минимальной выходной энергии зондирующего сигнала, объемного коэффициента обратного рассеяния и расстояния до объекта вычислена интенсивность прошедшего сигнала (Е) через молекулы «2C-E» вещества по формуле Бэра:
Е = Е^.е~<* (5)
Величина концентрации органических веществ N(R) в объеме газа, которая может быть определена с помощью метода ДПР, была рассчитана по формуле:
N(К) =-1- А
1 7 ъгА(ЛД) ак
Р(Л0, К) р(Хо, К)
+ (6)
где оА(^о,^1) = оА(Х0) - оА^) - сечение дифференциального поглощения; Р(ХД) - мощность сигнала на длине волны X.
Затем вычислено относительное число НВ (п) по формуле:
ЩК)
п ■■
(7)
где Nл - число Лошмидта.
Результаты вычисления значений полуширины спектров поглощения (Дупогл) и энергии прошедшего излучения (Е), а также концентрации молекул (ЩК)) и относительное число молекул (п) НВ приведены в табл.
Таблица
Результаты расчетных данных концентрации наркотического вещества «2С-Е»
Наименование вещества Полоса поглощения, 1? (см"1) Полуширина излучения, Д0(см" 1) Сечение поглощения, о (см2/мол ь) Коэффициент поглощения, а (см-1) Г, Коэфф. затух., (с-1) конц. в точке А, (см-3) конц. в точке В, (см-3) Концентрация веществ, п
«2С-Е» 2739,7 -3144,7 34,01 2х10-7 4,1х10-12 6,4х1012 8,1х105 205,2 3,01х10-14
Таким образом, результаты проведенных расчетов показывают, что с помощью метода дифференциального поглощения и рассеяния и разработанного многофункционального автоматизированного параметрического лазерного комплекса, работающего в ближнем и среднем ИК области спектра, можно детектировать молекулы органических веществ с концентрацией на уровне нескольких единиц ррт.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Скворцов Л. А. Дистанционное (Standoff) обнаружение скрытых взрывчатых веществ, холодного и огнестрельного оружия с помощью методов импульсной терагерцовой спектроскопии и активного формирования спектральных изображений (обзор) // Журнал прикладной спектроскопии. - Т. 18, №5 (сентябрь-октябрь 2014). - Москва. - С. 653-678.
2. Набиев Ш.Ш. Современные тенденции развития методов дистанционного обнаружения радиоактивных и высокотоксичных веществ // Вестник РАЕН. Физика. 2012/1. -С. 14-25.
3. Токсикологическая химия: учеб. пособие. / Р. У. Хабриев [и др.]; под ред. Р. У. Хабриев, Н. И. Калетиной. - М.: ГЭОТАР - Медиа., 2010. - 752с.
4. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Обнаружение и измерение параметров наркотических веществ с помощью перестраиваемого ИК-лазера // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГТА, 2014. Т. 2. - С. 199-204.
5. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Лазерное зондирование в задаче обнаружения и измерения параметров наркотических веществ // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 2 (26). -С. 40-46.
6. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование атмосферы.- М.: Мир, 1987. -
548 с.
7. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика: учебник 2-е издание. - М.: Изд-во МГУ; Наука, 2004. - 656 с.
8. Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. - М.: Физматгиз, 1962. -
892 с.
9. Кабанов М. В., Андреев Ю. М., Гейко П. П. Мониторинг эмиссии антропогенного и природного метана. Докл. II Международной конференции по сокращению эмиссии метана, Новосибирск, 2000. - 800 с.
10. Ayrapetian V.S. IR lidar based on OPO/ A.V. Hakobyan, G.M. Apresyan, E.M. Poghos-syan, A H. Sahakyan, K A. Sargsyan, T.K. Sargsyan // SPIE. 2006. v.6160, pp.708 - 713
11. Айрапетян В.С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения// Вестник НГУ сер. Физика.- 2009, №3.-С.20 -24.
12. Rothman L.S., Gamache R.R., Tipping R.N. e.a. The HITRAN Molecular Database: edition of 1991 and 1992, JQSRT., 1992. v.48, pp.469 - 507.
13. Шевырин В.А., Мелкозеров В.П., Экспертное исследование некоторых наиболее распространенных «структурных аналогов» наркотических средств и психотропных веществ // УФСКН РФ Свердловской области базовый экспертно-криминалистический отдел, ЭКЦ ГУВД по свердловской области, Екатеринбург, 2010 г.
© В. С. Айрапетян, Т. В. Маганакова, 2015
