Рассмотрены вопросы применения квантово-каскадных лазеров (ККЛ) в медико-биологической практике. Проведен сравнительный анализ методов лазерной спектроскопии для неинвазивной диагностики заболеваний по выдыхаемому воздуху, приведены примеры практической реализации этой идеи на базе ККЛ. Обсуждаются вопросы применения ККЛ в традиционной лазерной хирургии и лазерной ангиопластике. Особое внимание уделено рассмотрению терагерцового имиджинга мягких тканей, а также вопросам микроспектроскопии и созданию с ее помощью гиперспектральных изображений биоткани в среднем инфракрасном диапазоне. Сформулирован ряд проблем, связанных с применением ККЛ в медицине, а также указаны возможные направления перспективных исследований, где ККЛ могут сыграть решающую роль.

Проведен расчет коэффициентов Эйнштейна спонтанного испускания, сил осциллятора поглощения, факторов Франка-Кондона, волновых чисел электронно-колебательных переходов в системах полос (2)²S ⁺ -Х²S ⁺ молекулярных ионов NaK⁺ (0£v′£14, 0£v′′£100) и NaCs⁺ (0£ v′ £14, 0 £ v′′ £69) и радиационных времен жизни возбужденных электронных состояний. Расчеты проведены с использованием потенциальных кривых Гульберта-Гиршфельдера для основных и возбужденных электронных состояний, построенных с помощью литературных данных расчетов ab initio. Необходимые для расчета радиационных параметров колебательные энергии и соответствующие волновые функции найдены в результате численного решения уравнения Шрёдингера.

Исследованы спектры поглощения и флуоресценции положительно и отрицательно сольватохромных мероцианиновых красителей одного структурного типа в пленках полимеров различной полярности: полистирола, поливинилбутираля и поли-N-эпоксипропилкарбазола. Установлено, что отрицательно сольватохромные мероцианины более склонны к агрегации, чем положительно сольватохромные. На основании квантово-химических расчетов методом DFT это объяснено большими дипольными моментами первых. Ассоциаты мероцианинов имеют сандвич-строение, что обусловливает тушение флуоресценции. Показано, что в более полярных полимерах агрегация происходит при больших концентрациях красителей. Установлено, что, как и в жидких растворах, в полимерных пленках исследуемые мероцианины проявляют заметную сольватохромию. Несмотря на то что интенсивность флуоресценции мероцианинов повышается при переходе от жидких растворов к полимерным матрицам, важнейшим фактором, определяющим флуоресцентную способность мероцианинов в полимерах, являются полиен-полиметиновые трансформации в их молекулах.

Исследовано влияние матрицы на калибровочные кривые аналитических элементов Cu, Ti, Fe и Ni в пяти различных маслах. Показано, что это влияние пренебрежимо мало. Поэтому для металлов в различных типах масел может быть получена обобщенная калибровочная кривая. Представлены такие обобщенные калибровочные кривые для определения концентраций Cu, Ti, Fe и Ni. Результаты спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы показывают хорошее соответствие между измеренными и известными концентрациями металлов в образцах.

Исследованы особенности формирования режима одночастотной однонаправленной моноимпульсной генерации в YAG:Nd-лазере с кольцевым трехзеркальным резонатором и поперечной диодной накачкой при инжекции в резонатор внешнего узкополосного оптического излучения. Экспериментально показано, что асимметрия расположения внутрирезонаторных элементов относительно выходного зеркала и деполяризационные эффекты в них приводят к различию в энергии и поляризации моноимпульса кольцевого YAG:Nd-лазера в зависимости от направления (по часовой или против часовой стрелки) ввода излучения инжекции. Наиболее заметно различие в выходных характеристиках одночастотного однонаправленного моноимпульса кольцевого YAG:Nd-лазера проявляется при переходе от активной модуляции добротности к пассивной.

Представлены ИК-фурье-спектры отражения в области 50-500 см^-1 керамик ZnS, полученных методами химического газофазного осаждения (в том числе с дополнительной обработкой горячим изостатическим прессованием), горячего прессования, физического газофазного осаждения. В спектрах отражения и рассчитанных оптических постоянных всех образцов проявилась слабая полоса вблизи 295 см^-1, характерная для гексагональной фазы кристалла ZnS (вюрцит). Перекристаллизация сфалерит®вюрцит ниже номинальной температуры фазового перехода (1023 ºС) может быть следствием склонности соединения ZnS к образованию политипных форм, что в данном керамическом материале обусловлено высокой неоднородностью строения собственно кристаллитов.

Показано, что в нанокристаллах, изготовленных механической фрагментацией облученных кристаллов LiF, происходят изменения концентраций обычных и формирование прикластерных радиационных дефектов (центров окраски). Концентрации прикластерных центров после фрагментации увеличиваются до стационарного значения и при комнатной температуре остаются постоянными в течение длительного времени. Установлено, что воздействие УФ излучения на изготовленные нанокристаллы после завершения в них процессов формирования центров значительно увеличивает концентрацию прикластерных дефектов, содержащих три анионные вакансии и два электрона. Продемонстрировано, что в необлученных нанокристаллах, изготовленных фрагментацией необлученных кристаллов, присутствуют одновакантные центры окраски, а также обычные и прикластерные агрегатные центры.

Установлена корреляция между дифференциальной сканирующей калориметрией и спектроскопией комбинационного рассеяния света при определении механических свойств нанокомпозитов TiO₂/эпоксидная смола. Исследована коммерческая эпоксидная смола RTM6 с наночастицами TiO₂ диаметром 21 нм. Для получения этой эпоксидной смолы использовано магнитное перемешивание в течение 5, 30 и 60 мин. Скорость ретикуляции эпоксидной смолы усилена варьированием процентного содержания наночастиц TiO₂, причем она сильно зависит от температуры отверждения. Показано, что интенсивность максимума при 1255 см^{- 1} , соответствующего растяжению связи С-С, во время отверждения и, следовательно, изменения механических свойств (твердости) нанокомпозитов уменьшается.

Показана возможность усиления комбинационного рассеяния света с помощью Au/SiGe- и Au/Ge-подложек, полученных методами химического осаждения слоев SiGe и Ge из газовой фазы при пониженном давлении на кремниевые подложки и термического осаждения золота. На основе анализа поверхности подложек методом сканирующей зондовой микроскопии определена форма образовавшихся наноструктур - конусообразные наностержни. Данные наноструктуры позволяют получить усиление комбинационного рассеяния света митоксантрона (С = 10^{- 5} М) как минимум на 2-3 порядка. Показано, что при возбуждении гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР) на длине волны 785 нм наблюдается дополнительное усиление ГКР-сигнала от 1.7 до 4.3 раза для Au/Ge и от 1.5 до 5.5 раза для Au/SiGe-подложек.

Для идентификации происхождения зеленого чая Шаньдуна предложена простая процедура классификации, основанная на многоволновом статистическом дискриминантном анализе в сочетании со спектроскопией ближнего ИК диапазона. После сглаживания спектра и предварительной обработки первой производной выбраны семь характерных длин волн, для каждой рассчитан порог классификации в соответствии с различиями в поглощении, которые могут наилучшим образом выделить спектры чая из разных источников происхождения. На основе характерных длин волн и соответствующих пороговых значений получены семь классификаторов, формирующих классификационную модель. Эффективность калибровочной модели оценивалась по чувствительности, избирательности и точности классификации. Результаты показали, что многоволновой статистический дискриминантный анализ может успешно использоваться для построения классификационных моделей. Прогнозируемые характеристики модели: чувствительность 1, избирательность 0.977 и точность 98.3%.

Исследованы образцы хвои ели европейской Picea abies и сосны обыкновенной Pinus sylvestris L., собранные в г. Твери в зонах с различной антропогенной нагрузкой. Определен химический состав хвойных игл разных лет жизни. По ИК и УФ спектрам поглощения проведено сравнение накопления поллютантов в иглах этих видов хвойных пород деревьев в пунктах сбора с аналогичной антропогенной нагрузкой. Определена зависимость качественного химического состава хвои (в соответствии с типом загрязняющего фактора) от пункта сбора образцов.

Синтезированные двуслойные магнитные металлорганические нанокристаллы использованы в качестве матрицы для времяпролетной масс-спектрометрии на основе лазерной десорбции/ионизации (MALDI-TOF MS). Четыре нитрополициклических ароматических углеводорода (нитро-ПАУ) успешно обнаружены методом MALDI-TOF MS с использованием отрицательных ионов без фоновых помех. Магнитные нанокомпозиты, покрытые цеолитовой имидазолатной оболочкой (ZIF-8), показали отличную адсорбционную и обогащающую способность и могут быть изолированы магнитом и непосредственно нанесены на пластину из нержавеющей стали для измерения методом MALDI. Проанализированы нитро-ПАУ в образцах PM2.5 с использованием покрытого оболочкой ZIF-8 магнитного нанокомпозита в качестве адсорбента и матрицы.

С использованием методов УФ-спектроскопии и хемометрии проведено распознавание хлопковых и шерстяных текстильных волокон по красителям. Для извлечения красителя из волокон использованы семь систем растворителей, а также испытаны различные условия экстракции. Для различения текстильных волокон предложены два различных подхода - визуальное сравнение максимумов и хемометрический анализ. Сравнение максимумов в спектрах УФ и видимого диапазонов обеспечивает степень дискриминации 83.6% для хлопковых и 94.3% для шерстяных волокон. Применение хемометрии позволило повысить степень дискриминации до 100% для хлопковых и до 98.1% для шерстяных волокон. Дискриминация в 100% достигается при незначительных величинах t-критерия Уэлша, показывающих, что все образцы различаются.

Разработаны быстрые методы снижения размерности спектральных данных, таких как данные ИК спектроскопии, хроматографии и т. д. В отличие от широко известных методов проецирования данных с размерностью N отсчетов в пространства меньшей размерности, имеющих вычислительную сложность порядка N´N, пропорциональную размерности ковариационных матриц данных, для снижения трудоемкости предлагается использовать новые методы, реализуемые в скользящем окне в n отсчетов. В результате быстрые методы имеют вычислительную сложность порядка n´N. Приводятся результаты компьютерных экспериментов по уменьшению размерности ИК спектров автомобильных бензинов. Задача понижения размерности ИК спектров актуальна как для их наглядной образной визуализации, так и для уменьшения мультиколлинеарности и снижения влияния шума при моделировании поведения или анализа параметров, зависящих от спектральных характеристик.

Экспериментально получено подтверждение возможности определения зерновой культуры, имеющей различный помол, по спектру диффузного отражения. В качестве признаков, описывающих спектры диффузного отражения пшеницы и овса различных помола и влажности в ближнем ИК диапазоне, использованы комбинации оптических плотностей и их вторых производных для длин волн 1200, 1422, 1778, 1916 и 2114 нм. На примере логистической регрессии построено 20 моделей классификации по двум признакам: 10 моделей для оптической плотности и 10 моделей для второй производной от оптической плотности, соответствующих выбранным длинам волн. Наилучшие результаты классификации получены с помощью алгоритма, использующего в качестве признаков значения второй производной от оптической плотности на l = 1778 и 2114 нм.

Предложена электродинамическая модель волоконно-оптического сенсора водорода, в котором чувствительным элементом служит тейпер с наноразмерным палладиевым покрытием, созданный в фотонно-кристаллическом волокне. На ее основе выполнена обработка экспериментальных данных для спектра пропускания тейпера с палладиевым покрытием толщиной 8 нм при различных концентрациях водорода в атмосфере азота. Установлено, что увеличение концентрации водорода приводит к росту интегрального пропускания сенсора и практически не сказывается на положении интерференционных максимумов пропускания сенсора на шкале длин волн. Определены возможности оптимизации сенсора за счет выбора длины перетяжки тейпера.

Для случая неоднородной по глубине температуры поверхностного слоя кожного покрова человека, обусловленной биофизической необходимостью нормальной работы организма, а также наличием патологических процессов в определенных участках тела, предложена температурная поправка. Она позволяет уточнять температуру поверхности, определяемую стандартным неинвазивным термографическим методом на основе ИК изображений. Измеряемая яркость может быть спектральной или полихромной. Дан анализ величины поправки в зависимости от размеров, формы и тепловой мощности патологического источника, глубины его залегания, теплофизических и оптических характеристик биологической среды.

Изучен ЭПР ионов Mn²⁺ в трех образцах кубического нано-ZnS, различающихся технологией получения и размерами наночастиц. Марганец находится в образцах как неконтролируемая примесь. Спектры ЭПР могут быть описаны двумя компонентами - спектром иона Mn²⁺ в кубическом окружении (Mn²⁺ (С)) с параметрами g = 2.0022 ± 0.0002, A = (-63.5 ± 0.5) ×10^{- 4} cм^{- 1} , b₄⁰ ³3.5 ×10^{- 4} cм^{- 1} , и спектром иона Mn²⁺, ассоциированного с планарным решеточным дефектом упаковки (Мn²⁺(Д)), с параметрами g = 2.0022 ± 0.0002, A = (-63.5 ± 0.5) × 10^{- 4} cм^{- 1} , b₂⁰ = (-36 ± 1) × 10^{- 4} cм^{- 1} . Соотношение количества центров Mn²⁺ (С)/Mn²⁺(Д) 2.1:1 для образца 1 и 1.7:1 для образцов 2 и 3. Планарные дефекты упаковки являются характерными решеточными дефектами кубического нано-ZnS. ЭПР ионов Mn²⁺ позволяет контролировать их наличие.

Представлены результаты исследований методом спектральной эллипсометрии поверхности кремния, имплантированного ионами кислорода в интервале доз 7.5 × 10¹⁴-3.7 × 10¹⁶ ион/см² и ионами гелия в интервале доз 6 × 10¹⁶-6 × 10¹⁷ ион/см² с энергией 40 кэВ при постоянной плотности тока в ионном пучке 2 мкА/см² и комнатной температуре облучаемых подложек. Получены зависимости толщины имплантированного слоя в облученных пластинах и степени его аморфизации от дозы ионной имплантации.

Экспериментальными и численными методами исследованы структурные, геометрические, спектроскопические и электронные свойства молекулы 1-(бензилокси)мочевины (C₈H₁₀N₂O₂). Экспериментальные исследования выполнены с применением ИК-Фурье, КР и ЯМР-спектроскопии для определения колебательных и магнитных свойств. Оптимальная геометрия молекулы, колебательные частоты, химические сдвиги¹H и¹³C ЯМР (в ДМСО), HOMO-LUMO-анализ и параметры спектров в УФ-видимом диапазонах (в ДМСО) рассчитаны методом DFT/B3LYP в базисном наборе 6-311++G(2d,2p). Гармонические колебательные частоты вычислены с помощью программного обеспечения VEDA 4 в терминах распределения потенциальной энергии. Для определения внутримолекулярного переноса заряда и электронных переходов проведен анализ HOMO-LUMO и спектров УФ-видимого диапазонов. Экспериментальные колебательные частоты и химические сдвиги ЯМР находятся в удовлетворительном согласии с рассчитанными.

Спектроскопические и колебательно-вращательные константы, факторы Франка-Кондона и r-центроиды для системы полос A²Π_1/2-X²Σ, A²Π_3/2-X²Σ, B²Σ-X²Σ, E²Π_1/2-X²Σ, E²Π_3/2-X²Σ, F²Σ-X²Σ и L²Π-X²Σ молекулы дейтерида бария (BaD) рассчитаны с использованием методов численного интегрирования. Обсуждается важность полученных факторов Франка-Кондона и r-центроид для физических и астрофизических приложений. Из расчетов следует, что влияние колебательно-вращательного взаимодействия на факторы Франка-Кондона несущественно для вращательных квантовых чисел J < 50. Для более высоких J, например J = 100, наблюдаются небольшие изменения факторов Франка-Кондона из-за эффекта колебательно-вращательного взаимодействия.

С помощью флуоресцентной спектроскопии, молекулярного докинга и молекулярно-динамического моделирования исследовано взаимодействие кверцетина и таксифолина с β-лактоглобулином (БЛГ). Показано, что кверцетин обладает большим сродством связи с БЛГ, чем таксифолин, что объясняется непланарностью С-кольца и эффектом стерического несоответствия в таксифолине. Спектры синхронной флуоресценции показывают, что кверцетин и таксифолин не вызывают конформационных изменений в БЛГ. Исследования методом молекулярного докинга показали, что несколько аминокислот участвуют в стабилизации взаимодействия. Анализ полученных при молекулярно-динамическом моделировании траекторий демонстрирует, что среднеквадратичное отклонение различных систем достигает равновесия. Временная эволюция радиуса вращения также свидетельствует о стабильности БЛГ и БЛГ-флавоноидных комплексов в пределах 5 нс. Анализируя среднеквадратичные колебания, можно предположить, что структура сайта связывания лиганда остается жесткой в ходе моделирования. При взаимодействии с этими флавоноидами вторичная структура БЛГ сохраняется.

Импульсный CO₂-лазер успешно применен для анализа содержания углерода в почве методом спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы. Мелкодисперсные частицы образца почвы прикреплялись к поверхности металлической подложки путем нанесения небольшого количества влаги. Металл использован для возбуждения газовой плазмы. В результате при фокусировке излучения лазерного факела на подложку возникало светящееся плазменное образование. Частицы испарялись, и продукты испарения поступали в плазму. Процессы диссоциации и возбуждения происходили в высокотемпературной области плазмы. Полученные результаты подтвердили возможность проведения анализа углерода в почве, построить надежную калибровочную кривую для определения концентрации углерода. Предел обнаружения углерода в почве составил 23 мг/кг.

Проведен анализ жидких и твердых образцов 78 пестицидов методом спектроскопии комбинационного рассеяния света с использованием портативного спектрометра Delta Nu Raman с длиной волны 785 нм и разрешением 8 см^-1. Результаты для различных пестицидов сгруппированы в таблицы, показывающие класс действия, химический класс, активный ингредиент и относительную интенсивность характеристических полос комбинационного рассеяния.

Предложено развитие аналитических спектрофотометрических методов, которые могут быть применены для одновременного определения спектрально перекрывающихся цинхокаина гидрохлорида (CIN) и бетаметазона валерата (BMV) в присутствии их продуктов гидролитической деградации и в фармацевтической композиции без их предварительного разделения. Обычные математические одномерные методы используют изоабсорбционную точку, две длины волны, первую производную спектров и разностные спектры. Эти методы способны одновременно определять два препарата в бинарных смесях, но не в присутствии их продуктов разложения. Для определения CIN проводилось прямое измерение спектров поглощения нулевого порядка на длине волны 327.0 нм, где BMV показывал нулевое поглощение. Бетаметазона валерат определяли с помощью разработанных одномерных методов после разрешения спектрального перекрытия CIN. Для определения как CIN, так и BMV в присутствии их продуктов разложения предложены два метода многомерной калибровки с использованием регрессии главных компонент и частных наименьших квадратов. Разработанные методы проверены в соответствии с рекомендациями ICH и могут применяться для контроля качества.