Биомедицина, контроль качества продуктов и не только: над какими исследованиями работают ученые Университета ИТМО
В Университете ИТМО создают методы и приборы на основе терагерцового излучения для биомедицинской диагностики, контроля качества продуктов питания и исследования арт-объектов. В частности, такими исследованиями занимаются сотрудники Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, созданного в 2013 году в рамках программы Министерства науки и образования РФ.
В его состав входит несколько международных лабораторий, в том числе лаборатория цифровой и изобразительной голографии и лаборатория фемтосекундной оптики и фемтотехнологий, где также работает научная группа по фемтомедицине под руководством Ольги Смолянской, доцента факультета фотоники и оптоинформатики. Как отмечает исследователь, сейчас группа сотрудничает с широким спектром научных центров и организаций. Среди них ФГБУ «НМИЦ им. В. А. Алмазова» Минздрава России, Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н.Н. Петрова, Научный центр «Биотехнологии третьего тысячелетия», с которым осуществляются совместные проекты по контролю качества пищевых продуктов, а также Санкт-Петербургский государственный институт культуры.
Кроме того, научная группа работает и с ведущими терагерцовыми лабораториями России. В 2017 году исследователи выиграли грант РФФИ, в рамках которого ведется сотрудничество с терагерцовыми лабораториями МГУ, ТГУ и Нижегородского ИФМ (# 17-00-00275). Руководит работой, которая посвящена детектированию информативных признаков социально значимых заболеваний с помощью терагерцового излучения, один из ведущих российский специалистов в области терагерцовых технологий Александр Шкуринов.
Как объясняет Ольга Смолянская, широкополосное терагерцовое излучение, прошедшее или отраженное от объекта, несет большой объем информации как о внутренней структуре, так и о его спектральных свойствах, благодаря наличию спектральных линий молекул, входящих в состав объектов (например, биологические ткани, пищевые продукты, лакокрасочные покрытия живописных полотен) и их компонентов. Кроме того, анализ таких объектов и их компонентов терагерцовым излучением является идеальной неконтактной, неионизирующей, безопасной технологией неразрушающего контроля.
Основное конкурентное преимущество разрабатываемых методик терагерцового анализа — это возможность за однократное сканирование произвести полный цикл исследований, включающий в себя определение спектральных свойств материалов, дающее возможность качественного или количественного детектирования потенциально опасных компонентов, и томографическую визуализацию локализации нежелательных объектов.
«Использование терагерцового излучения для определения параметров безопасности объектов позволяет снизить продолжительность анализа и при этом снизить затраты на проведение испытаний. Предлагаемые технологии позволят в десятки и сотни раз увеличить количество анализируемых образцов пищевой продукции, обеспечить потоковый неразрушающий контроль упаковочной единицы промышленной упаковки (без вскрытия упаковки). Это может применяться на производстве, таможенном контроле, при дефектоскопии картин живописи, а также при проведении лабораторной диагностики социально значимых заболеваний», — говорит Ольга Смолянская.
Международная коллаборация
Уже несколько лет ученые Университета ИТМО работают со специалистами IMS лаборатории, которая располагается в городе Бордо (Франция). Сотрудничество началось в 2016 году после участия в 42-й конференции по терагерцовым, инфракрасным и миллиметровым волнам (41 IRMMW-THz).
Первая совместная научная работа российских и французских ученых была посвящена исследованию оптических свойств in vitro плазмы крови лабораторных животных с развивающейся карциномой Эрлиха в терагерцовом диапазоне частот. По итогам исследований ученые разработали пакет прикладных программ, позволяющий численно моделировать фантомы биологических образцов сложной структуры, а также решать задачу расчета параметров отраженной от этих фантомов электромагнитной волны терагерцового диапазона частот. Однако с тех пор в процессе развития сотрудничества между двумя лабораториями исследователи существенно расширили круг совместных научных интересов.
«Сейчас я могу с уверенностью сказать, что терагерцовые технологии находятся на пике своей популярности и наша научная группа выходит на новый, международный уровень работы. Так, в 2018 году я выиграла российско-французский грант, поддержанный фондом РФФИ и CNRS (#18-51-16002), и наши французские коллеги помогают нам сформировать более широкие перспективы научных исследований в области терагерцовых технологий», — рассказывает Ольга Смолянская.
В рамках совместного гранта от РФФИ и правительства Франции Университет ИТМО вместе с Университетом Бордо планирует собрать базу данных электродинамических характеристик компонентов биоподобных объектов, разработать прототипы портативных ТГц устройств для диагностики реальных объектов, а также разработать для них программное обеспечение.
В лаборатории фемтомедицины Университета ИТМО ученые совместно с коллегами из IMS Лаборатории Университета Бордо во Франции работают над созданием терагерцовых устройств и систем дефектоскопии живописи. В исследовании также заинтересованы сотрудники Эрмитажа, Русского Музея, Российской Академии художеств им. И.Е. Репина и Института культуры в Санкт-Петербурге.
«Сотрудничество с Университетом ИТМО очень интересно, потому что наши команды уже много лет работают в области терагерцовых технологий и имеют взаимодополняющие подходы и специализации. Это позволяет нам эффективно работать совместно, например, проводя измерения в лаборатории, оснащенной оборудованием, адаптированным к образцам, — комментирует Жан-Поль Гийе, доцент лаборатории IMS Университета Бордо. — После совместной работы наших университетов в области биомедицинских областей, методов визуализации и голографии теперь мы можем сосредоточиться на приложениях для применения этих технологий для сохранения предметов искусства. Мы показали, что можно проанализировать картину, изучив все ее слои, а также обнаружить структурные дефекты, которые необходимо будет исправить в ходе реставрационных работ»
Как именно терагерцовые технологии помогают реставраторам
По словам Татьяны Шлыковой, доцента кафедры реставрации и экспертизы объектов культуры СпбГИК, специалисты в области сохранения объектов культурного наследия — реставраторы — видят преимущества применения терагерцового излучения в работе с объектами прежде всего в том, что это дает возможности диагностики и экспертизы объектов, зачастую недоступные другим методам исследования.
«Хорошо известно, что специалист не вправе приступить к реставрации объекта, не проведя предварительно всесторонних исследований — их данные во многом определяют программу реставрации. Терагерцовое излучение позволяет "увидеть" перекрывающие друг друга слои, что, в свою очередь, помогает выявить скрытые надписи, авторскую поверхность под позднейшими реставрационными записями, загрязнениями, наслоениями различного характера. Все это важно в реставрации и исследовании как живописи, так и памятников декоративно-прикладного искусства», — комментирует эксперт.
Терагерцовые датчики, благодаря которым специалисты могут исследовать полотна, основаны на различных технологических платформах, рассказывает Дон Арнон, директор компании TeraView ltd. (Cambridge, UK). В настоящее время технология, наиболее полезная для анализа художественных работ, основана на использовании легкодоступных («готовых») лазеров видимого диапазона в сочетании с полупроводниковой технологией. Этот метод также позволяет создавать трехмерные изображения, которые можно использовать для изучения различных слоев картины.
Преимущество терагерцовых технологий над другими методами
По словам Жана-Поля Гийе, метод анализа живописных полотен, основанный на использовании терагерцового излучения, существенно превосходит традиционно использующиеся сегодня методы анализа по ряду параметров.
Так, многие традиционные методы, которые годами использовались для анализа предметов искусства и определениях их подлинности, предполагают удаление фрагмента картины или химический анализ, разрушающий часть полотна. Использование терагерцовых технологий исключает повреждение картины.
Кроме того, в отличие от ультразвукового исследования, при котором используются датчики, касающиеся картины, в процессе анализа с использованием терагерцовых технологий контакт с полотном полностью исключен. Это также помогает избежать повреждения предмета искусства.
И наконец, терагерцовые технологии безопасны. За счет использования очень низких уровней мощности удается избегать нагрева поверхности полотна. Также, в отличие от рентгеновского излучения, которое использует ионизирующее излучение, ТГц излучение безопасно для человека.
