Превосходящий зарубежные аналоги портативный спектрометр электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) «Лабрадор», позволяющий на молекулярном уровне определять химический состав органических и неорганических веществ, разработан учеными Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург).
Разработчики подчеркивают: только метод ЭПР позволяет гарантированно регистрировать свободные радикалы — частицы, содержащие один или несколько неспаренных электронов на внешней электронной оболочке и обладающие парамагнитными свойствами. Типичным свободным радикалом являются атомы кислорода, поэтому, как известно, чрезмерное количество свободных радикалов приводит к окислению, быстрой порче продуктов, к старению и гибели организмов, в том числе человеческого.
Принцип действия спектрометра достаточно прост. Внутри прибора создают магнитное поле, в которое помещают исследуемый образец. При этом все свободные радикалы, присутствующие в образце и представляющие собой элементарные магниты, упорядочиваются и ориентируются вдоль поля прибора. Затем образец просвечивают СВЧ-излучением. В зависимости от количества и типа свободных радикалов происходит избирательное (резонансное) поглощение СВЧ-излучения, которое и регистрирует прибор. Анализируя энергию поглощения и интенсивность, определяют тип и количество свободных радикалов.
«Мы применяем гибридное решение для создания магнитного поля: в нашем случае используются не мощные (и потому тяжелые и большие) электромагнитные системы, а комбинация множества небольших постоянных магнитов и малых электромагнитных катушек. Это делает наш прибор компактным и легким, — рассказывает руководитель группы разработчиков Андрей Тарарков. — При этом мы применяем оригинальный, инновационный способ регистрации сигнала ЭПР. В нашем случае используется несколько взаимосвязанных источников СВЧ-излучения, ведется их синхронное детектирование. Благодаря этому мы сохраняем точность и чувствительность, присущую большим и дорогим лабораторным приборам».
Но если германские аналоги весят порядка 5 тонн и стоят 1,5–2 млн евро, вес этого прибора всего 14 килограммов, а стоимость — от 3 млн рублей. Эти преимущества значительно расширяют возможности использования технологии, предложенной учеными УрФУ.
Прибор может применяться, в частности, для контроля производства и хранения продуктов питания (мяса, консервов, выпечки, рафинированного подсолнечного масла и жиров, чая, кофе, соков, алкогольных напитков и т. д.). То есть тех процессов, где происходит окисление и образуются свободные радикалы. В компьютерную память прибора закладываются данные, отражающие нормальное состояние вещества и разные степени его отклонения от нормы, испорченности.
«Кроме того, „Лабрадор“ способен выявлять радиационно-обработанные продукты и определять дозу облучения. Не секрет, что, например, специи и сухофрукты, поступающие из стран Юго-Восточной Азии и Китая, подвергаются облучению для уничтожения микроорганизмов и продления сроков хранения», — подчеркивает Андрей Тарарков.
Небольшие дозы радиационного облучения считаются безвредными, однако если доза велика, это может привести к онкозаболеванию, негативно отразиться на потомстве.
«На сегодняшний день инструментов, позволяющих точно определять уровень радиационного облучения продуктов, нет. Существующие детекторы дают погрешность порядка 40 %. „Лабрадор“ четко устанавливает дозу облучения по количеству свободных радикалов в продукте. Установив с помощью „Лабрадора“ разницу между приемлемым и реальным количеством свободных радикалов, можно остановить их „размножение“ путем применения антиоксидантов», — добавляет заместитель директора центра по работе с предприятиями УрФУ, кандидат физико-математических наук Александр Черепанов.
Другие сферы использования прибора — фармацевтика и медицина: контроль над процессом производства субстанций для приготовления лекарственных средств, мониторинг транспортировки лекарственных препаратов в организме человека, диагностика здоровья.
«Человеческий организм на 80 % состоит из жидкости, это кровь, слезы, слюна, пот и т. д. Изменения в состоянии здоровья приводят и к изменению состава этих биологических жидкостей. Анализируя их, можно определить отклонения в здоровье, причем на первоначальном этапе зарождения болезненных явлений», — объясняет Александр Черепанов.
В свою очередь Андрей Тарарков уточняет: очень важно, что «Лабрадор» способен диагностировать онкологические заболевания, причем на самых ранних стадиях их развития и вне зависимости от локации раковых клеток.
Области применения «Лабрадора» неисчерпаемы: радиационная дозиметрия, поиск полезных ископаемых, разведка и разработка нефтяных месторождений, контроль качества воды, используемой для повышения отдачи нефтяных пластов, контроль качества производства текстильной продукции, синтетического каучука, полимеров, селекция растений сельхозназначения, изучение минералов, пород и кристаллов, датировка ранних человеческих артефактов.
Изобретение екатеринбургских ученых получило поддержку государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонд содействия инновациям). Предприятие «Спектр», созданное разработчиками «Лабрадора» и производящее спектрометр, является резидентом инновационного центра «Сколково». Участие в проекте крупнейших российских инновационных организаций позволило существенно усовершенствовать прибор. В настоящее время он используется в фундаментальных и прикладных исследованиях ведущих вузов страны — в Новосибирском, Казанском, Уральском федеральном университетах и других.
— Популярная наука: Иностранные ученые в Екатеринбурге
УрФУ — участник Проекта 5-100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020-му году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.