Handheld spectrometers — ABC Chemicals

Энди Экстанс обнаружил, что портативные инструменты для инфракрасного поглощения и анализа комбинационного рассеяния вдохновляют на новые применения — от поля битвы до домов людей

Handheld spectrometers - ABC Chemicals

Когда команда исследует тайник с таблетками, спрятанными в лесу, не только солнечный свет, проникающий сквозь листья, освещает их исследование. Они оснащены портативными инфракрасными и рамановскими спектрометрами, с помощью которых они быстро устанавливают, с какими наркотиками имеют дело. Затем отправляйтесь в Ирак, где эксперт по обезвреживанию взрывчатых веществ с аналогичным вооружением расследует подозрительный пакет.

Это сцены, которые я представляю себе, когда стою в своих местных магазинах с помощью спектрометра SCiO, близкого к инфракрасному (NIR), размером с спичечный коробок, собирая фрукты и мясо (см. Спектроскопия в домашней коробке). Хотя то, что я делаю, для сравнения кажется обыденным, переход от систем с высокими техническими характеристиками стоимостью более 25 000 фунтов стерлингов, которые я представляю, к потребительскому устройству SCiO $300 (£ 230), которое я держу в руке, поразительно. Разработчики таких устройств переместили химический анализ за пределы лабораторий, что позволило нам потенциально стать звездами наших собственных судебных фантазий.

В то время как инфракрасные и рамановские ручные спектрометры излучают похожие мишени невидимого света на своих мишенях, они не являются одинаковыми и не являются пользователями. Требования для специалиста-криминалиста, регулятора качества лекарственных средств, фермера, солдата или просто человека, который очень требователен к своей еде, будут сильно отличаться. Эти новые инструменты разжигают воображение пользователей во многих областях и постоянно порождают новые приложения.

Некоторые из первых пользователей, оснащенных портативными спектрометрами, не были даже людьми — они были удаленными роботизированными космическими зондами, охотящимися на признаки внеземной жизни. По словам Роя Гудэйка из Университета Манчестера, Великобритания, другими пионерами были военные, охотящиеся на взрывчатку и биологическое оружие. Эти требования совпали с сокращением оптических технологий благодаря смартфонам, которые «были бы действительно очень сложными всего пару десятилетий назад», добавляет Goodacre. Опираясь на эту конвергенцию, по состоянию на 2015 год для его команды для проведения обследования было доступно не менее 38 различных портативных инфракрасных и рамановских спектрометров в диапазоне цен от 25 000 до 45 000 фунтов стерлингов.1

Портативному спектрометру FirstGuard Raman в лаборатории Сулафа Асси в Борнмутском университете, Великобритания, уже шесть лет, и он показывает, насколько хорошо устоялся рынок. Рядом находится контейнер, заполненный ромбовидными синими таблетками, потому что ручная спектроскопия вдохновила Асси исследовать отпускаемые по рецепту лекарства и разоблачить их поддельных самозванцев. Эти образцы утверждают, что они являются препаратом для оказания помощи при сексуальных болезнях Виагра, полученным из источников, включая уличный рынок в Турции.

Спектроскопия в домашних условиях

Бродить по моим местным магазинам, держать гаджет в своих продуктах вызывает странное чувство. Это точно не паранойя — я хотел, чтобы персонал пришел и спросил, что я делаю. Нажав на светящуюся кнопку на гаджете и прочитав выводы с моего телефона, я почувствовал, что SCiO может помочь им следить за тем, чтобы их запас был как обычно.

В то время как я был впечатлен тем фактом, что SCiO мог тестировать продукты питания через прозрачные пластиковые пакеты, тестирование сыпучих фруктов было для меня наиболее удовлетворительной функцией программного обеспечения. SCiO, которому я был одолжен, сказал мне, что яблоки, доставленные в мой дом по схеме с ящиками для фруктов и овощей, были слаще, чем в соседних магазинах. В то время как я чувствовал себя довольным тем, что сделал хорошие покупки, станет ли это обычным делом, если я им владею? Я не уверен.

Я думаю, что спектрометр SCiO наиболее перспективен для ученых-любителей. Мне больше всего нравилось пытаться использовать его для демонстрации инфракрасного поглощения углекислым газом — принципа, лежащего в основе парникового эффекта. Я смешал уксус и бикарбонат натрия, чтобы получить углекислый газ в маленькой пластиковой бутылке, и измерил результат. Не видя изменений в спектре пустой бутылки, я посмотрел на полосы поглощения углекислого газа и обнаружил, что они выходят за пределы окна длин волн 700–1100 нм SCiO, оставляя меня (инфра) с красным лицом!

Удобные данные

Сравнивая таблетки подобного вида, Асси использует сверло FirstGuard в форме сверла, изготовленное Rigaku, и новый Bravo от Bruker. Оба являются рамановскими спектрометрами, но с дополнительными возможностями, с FirstGuard, покрывающим 200-2000 см-1 диапазон волновых чисел, и Bravo Duo, охватывающий 300–3200 см-1, Использование двух инструментов с разными диапазонами длин волн дает больше точек данных, что облегчает различие между реальными и поддельными лекарствами.

Handheld spectrometers - ABC Chemicals

Отмечая преимущество, заключающееся в том, что портативные инструменты не требуют измельчения и уничтожения таблеток, она обнаружила, что обе таблетки содержат цитрат силденафила, активный ингредиент виагры. «Иногда вы получаете больше подделок, чем подлинников», — добавляет Асси, — но это проблема, потому что повышает риск сердечных приступов. Инструменты излучают свои лазеры на таблетки, их детекторы измеряют свет, который рассеивается обратно. И для одной из таблеток полученные спектры комбинационного рассеяния имеют гораздо более сильный сигнал для диоксида титана, используемого в покрытии таблетки.

Сами приборы могут сравнивать спектры с эталонными библиотеками для идентификации простых веществ, но этого не всегда достаточно, если в поддельной таблетке содержится нужный препарат. Поэтому Асси ранее провела свой собственный математический анализ, обнаружив, что две области спектров являются критическими. Когда она наносит на карту силу сигнала от поглощения, касающегося цитрата силденафила на одной оси и диоксида титана на другой, подлинные образцы группируются вместе с разбросанными подделками. Исходя из этого, она заключает, что таблетки с более сильным сигналом диоксида титана являются настоящими.

Иногда вы получаете больше активных ингредиентов в поддельных препаратах, чем в подлинных версиях

Он сравнивает физические процессы, участвующие в спектроскопии комбинационного рассеяния, с борьбой между связями в молекулах в образце и падающими на него фотонами света. В большинстве случаев никто не выигрывает битву, и фотон возвращается без изменений, что известно как рассеяние Рэлея. Но однажды в сотнях миллионов боев один из них выигрывает и забирает энергию у своего противника, что меняет цвет возвращающегося фотона. Датчик обнаруживает изменение цвета, известное как стоксово или антистоксово рассеяние, в зависимости от направления передачи энергии.

Handheld spectrometers - ABC Chemicals

Редкость обмена энергией обеспечивает спектры с резкими, узкими сигналами поглощения, возникающими из углерод-углеродных или углерод-кислородных связей. Это идеально, если пользователи хотят идентифицировать конкретные молекулы. Но редкость комбинационного рассеяния также означает, что концентрации ниже 5–10% по массе трудно увидеть. Ниже этого уровня можно использовать спектроскопию комбинационного рассеяния, где плазмонное поведение на металлических поверхностях фокусирует свет и усиливает сигналы. Но в тестировании на наркотики, которое обычно включает в себя смешивание таблетки с соединениями металлов для получения коллоида серебра или золота, который разрушает таблетки, объясняет Асси.

Поглощение информации

Асси также использует NIR-спектроскопию для исследования таблеток. В ИК-спектроскопии свет поглощается при возбуждении молекулярных вибраций и вращений, давая гораздо более сильные сигналы, чем Раман. Она использует это, чтобы посмотреть на физические свойства, такие как форма таблетки, цвет и содержание воды. «Мы видим широкие пики, в основном водородные и ковалентные связи между атомами водорода, углерода и азота», — говорит она.

Столкнувшись с продовольственной неудовлетворенностью, когда он переехал с израильской фермы в США, Дрор Шарон также выбрал NIR. Ему было трудно найти еду, которая соответствовала бы выращенной дома, и поэтому искал в интернете гаджет, который мог бы оценить качество еды. «Я ничего не смог найти, поэтому решил пойти дальше и сделать это», — говорит Шарон, который в настоящее время является генеральным директором корпорации Consumer Physics, расположенной в Тель-Авиве. «По случайности мой соучредитель, Дамиан Голдринг, изучал различные оптические технологии, и мы смогли основать компанию».

По словам Шарона, появился «молекулярный датчик» SCiO, который использует как мощь облачных вычислений, так и «передовые технологии производства из микрооптики». Крошечное устройство подключается к смартфону по Bluetooth и использует свое интернет-соединение для сравнения того, что оно чувствует, с большой и растущей справочной библиотекой. Это сравнение включает «алгоритмы анализа, которые раньше вы не смогли бы реализовать, если бы вы не были высококвалифицированным техником с очень большой машиной», — говорит он.

Мы дополняем аналитических химиков

Шарон утверждает, что SCiO превосходит обычные ожидания в отношении анализа пищевых продуктов при обнаружении компонентов, которые присутствуют в концентрациях до 0,5% по массе. Тем не менее, он не может рассказать пользователям о таких вещах, как остатки пестицидов, которые могут присутствовать в количестве частей на миллион (ppm). Потребительское устройство в основном обеспечивает простые для понимания показания, такие как количество сахара, жира, воды и калорий, содержащихся в куске пищи, аналогично этикеткам на большинстве упаковок пищевых продуктов. Это позволяет перепроверять этикетки, а также измерять продукты, например свежие фрукты, которые продаются без информации о питательных веществах. Это также может помочь фермерам принимать решения, например, когда оптимальное время для сбора урожая.

По словам Шарона, Consumer Physics, разработанная для тестирования продуктов питания, также продала SCiO промышленным клиентам, которые «используют это для дополнения химиков и их лабораторий». Он описывает гипотетическую лабораторию качества, которая должна делать 500 тестов в день, но может делать только 100 тестов, если не купит дополнительные настольные машины и не наймет более опытных ученых. Если только 100 тестов должны быть особенно скрупулезными, SCiO можно использовать для дополнительных 400. «Мы дополняем химиков-аналитиков, позволяя им сосредоточиться на высококачественных тестах», — говорит Шарон.

SCiOs используются в нефтегазовой промышленности, здравоохранении и для обнаружения подделок в специальных химикатах и фармацевтических препаратах, добавляет он. Например, исследователи из Лондонской школы здравоохранения и тропических болезней использовали устройство SCiO для обнаружения поддельных лекарств от малярии в странах Африки.2

Скотч подделок

NIR использовался в настольных устройствах в пищевой промышленности на протяжении десятилетий, объясняет коллега Goodacre из Манчестера Дэвид Эллис. Таким образом, портативные NIR-устройства хорошо подходят для анализа пищевых макромолекул, таких как углеводы, жиры и белки. Но для характерных молекулярных отпечатков пальцев Эллис соглашается с Асси, что, если они могут себе это позволить, пользователи должны выбрать Раман. Поэтому ручные усилия его команды все больше сосредотачиваются на комбинационном рассеянии, особенно на относительно новом подходе, известном как спектроскопия комбинационного рассеяния в пространстве (Sors).

Научно-исследовательский институт шотландского виски (SWRI) в Эдинбурге, Великобритания, быстро увидел потенциал Sors, когда Эллис представил предварительные результаты испытаний на конференции. Впоследствии, сотрудничая, исследователи SWRI и Манчестера показали, что Sors может различать марки шотландского виски, рома, джина и водки в закрытых стеклянных контейнерах, включая 40 имитированных подделок.3 Он также может обнаруживать добавки в концентрациях до 0,2 ч / млн и определять метанол в концентрациях значительно ниже максимально допустимого для человека предела.

Люди пострадали от портативных рамановских спектрометров предыдущего поколения

Goodacre добавляет, что это «только первый пример в области продовольственной безопасности» потенциала столь необходимого теста. По его словам, около 101ТП1 т продуктов питания и напитков являются мошенническими и обходятся отрасли в 39 миллиардов фунтов стерлингов в год. Теперь власти могут проверять каждую подозрительную бутылку в режиме реального времени, даже не открывая ее.

Обнаружение потенциально отравленной пищи и алкоголя — не единственный способ, которым Sors является буквально спасателем, подчеркивает Роберт Стоукс, менеджер по продукции Agilent Raman в Абингдоне, Великобритания, который разработал эту технику. Хотя традиционная рамановская спектроскопия принесла большую пользу военным, «ряд людей пострадали от портативных рамановских спектрометров предыдущего поколения», объясняет он. «Это были военные, которые направили мощный лазер на чувствительное взрывчатое вещество, которое взорвалось или дефлагратировалось».

Handheld spectrometers - ABC Chemicals

Переносная система Sors Agilent Resolve не фокусирует свой луч на одном месте, как это делают некоторые другие рамановские системы — ей даже не нужно светить прямо на нее. Вместо этого он направляет луч по диагонали на поверхность контейнера с веществом и измеряет результирующий рассеянный сигнал. Затем он направляет второй луч на небольшое расстояние или пространственное смещение в сторону прямо на контейнер и проникает в него, даже если он непрозрачный. Луч вызывает комбинационное рассеяние в интересующем материале так же, как и другие спектрометры, некоторые из которых достигают детектора Resolve.

«Мы сравниваем первое измерение и измерение смещения, используя сложный алгоритм, который может изолировать сигнал, полученный из содержимого», — объясняет Стоукс. Это вычитание показывает материалы, скрытые внутри контейнеров, изготовленных из цветных и непрозрачных пластиков, стекла и ткани, которые могут вызывать множество различных типов проблем для других методов спектроскопии.

Алгоритмы, лежащие в основе метода, являются строго охраняемым секретом. Тем не менее, они сделаны особенно мощными, чтобы гарантировать, что пользователям не нужно быть высококвалифицированными учеными — просто чтобы позволить себе примерно 45 000 фунтов стерлингов за инструмент Resolve. «Это детектор, а не лабораторный аналитический инструмент», — подчеркивает Стоукс. «Нужно позвонить оператору — это угроза?»

Взрывной потенциал

Обнаружение химических веществ через барьеры, такие как бутылки и конверты, является особым преимуществом, объясняет Ребекка Хопкинс из Британской лаборатории оборонной науки и техники (DSTL) в Портон-Даун, Великобритания. По словам Хопкинса, руководителя группы по химической защите и обнаружению в DSTL, благодаря этой функции Sors может обеспечить быструю проверку безопасности на контрольно-пропускных пунктах, устраняя трудоемкие и рискованные этапы отбора проб. «Примером этого могут быть контрольно-пропускные пункты в аэропортах, где пассажиры, перевозимые пассажирами на самолетах, могут проверяться», — говорит она. «Недавняя разработка портативных приборов Sors может расширить потенциал технологии, позволяющей обнаруживать сквозные барьеры на местах как в гражданских, так и в военных сценариях, где могут присутствовать опасные химические вещества».

Портативный Sors уже используется для защиты здоровья людей, работающих с подозрительными наркотиками, как легальными, так и нелегальными. Новые наркотики, такие как опиоид карфентанил, высокоэффективный транквилизатор для слонов, все чаще продаются людям. «Если вы вдыхаете несколько частиц, у вас могут быть проблемы», — говорит Стоукс. «Было много сообщений о ранениях сотрудников полиции и тюрьмы». Поэтому полезно, чтобы инструмент Resolve мог анализировать их, не открывая контейнер, независимо от того, находятся операторы в лаборатории или на месте преступления. Handheld Sors аналогичным образом используется в производстве лекарственных препаратов для тестирования активных фармацевтических ингредиентов, которые могут быть токсичными в высококонцентрированной форме, в которую их получают производители.

Ручная спектроскопия все еще находится в зачаточном состоянии

Сегодня все мы, возможно, в большей безопасности благодаря портативным инфракрасным и рамановским спектроскопическим детекторам, которые позволяют быстро идентифицировать неизвестные химические вещества в полевых условиях. По словам Хопкинса, инструменты позволяют пользователям принимать обоснованные решения о том, что делать дальше, например надевать средства индивидуальной защиты после обнаружения токсичного химического вещества. И она с нетерпением ожидает, что «дальнейшее развитие компонентных технологий, таких как лазерные источники и детекторы, может привести к дальнейшей миниатюризации и повышению чувствительности».

Портативная спектроскопия «все еще находится в зачаточном состоянии», повторяет Эллис. Он сравнивает это с технологиями мобильных телефонов до взрыва смартфонов и ожидает скорых изменений, особенно благодаря облачным вычислениям. Эллис отмечает, что в настоящее время портативная спектроскопия в основном выполняет только функции мобильного инструмента с встроенными химическими базами данных. «Мы думаем, что это изменится очень быстро в течение следующих нескольких лет. Это просто поиск новых областей, в которых они могут быть применены, и демонстрация их возможностей и потенциала ».

Статья обновлена 6 февраля 2018 года для уточнения и корректировки спектрального диапазона приборов FirstGuard и Bravo.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *