CC BY
29
Chernov Nikolay Nikolaevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomous Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371795.
The Department of Hydroacoustic and Medical Engineering; Dr. of Eng. Sc.; Professor.
Timoshenko Maria Alexeevna
E-mail: [email protected].
The Department of Hydroacoustic and Medical Engineering; Post-graduate Student.
Golosov Peter Sergeevich
E-mail: [email protected].
2, Shevchenko Street, Building E, Taganrog, 374922, Russia.
Phone: +79518256497.
The Department of Hydroacoustic and Medical Engineering; Undergraduate Student.
УДК534:535
Г.Ю. Джуплина, B.A. Закарян, Г.В. Калашников, А.В. Саенко, И.Б. Старченко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТОАКУСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В МОДЕЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЯХ НАНОТРУБОК И НАНОВОЛОКОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФРАКРАСНОГО ЛАЗЕРА*
Разработана экспериментальная установка по исследованию оптоакустического эффекта в жидких средах в присутствии нанотрубок и нановолокон. Установка включает две части: источник лазерного излучения и приемный акустический тракт. Подготовлены модельные жидкие среды в виде суспензий наночастиц в 2 %, 5 %, 10 % и 15 % желатине. Проанализированы источники шума, которые следует учитывать при обработке сигналов. Проведен анализ базы записей оптоакустических сигналов, выявлено возрастание амплитуды основной гармоники сигнала в присутствии углеродных наночастиц в 1,5-2 раза.
Оптоакустический эффект; нанотрубки; нановолокна; лазер.
G.Yu. Dzhuplina, V.A. Zakaryan, G.V. Kalashnikov, A.V. Saenko,
I.B. Starchenko
EXPERIMENTAL STUDY OF THE OPTOACOUSTIC EFFECT IN THE MODEL NANOTUBES AND NANOFIBERS SUSPENSIONS WITH INFRARED
LASER
An experimental assembly for studying of photoacoustic effect in liquids in the presence of nanotubes and nanofibers was developed. Assembly consists of two parts: the laser light source and receiving acoustic path. Model fluids were prepared as suspensions of nanoparticles in 2 %, 5 %, 10 % and 15 % gelatin. The sources of noise that should be considered in signal processing were analyzed. An analysis of database records of optoacoustic signals showed an increase of the amplitude of the main harmonic signal in the presence of carbon nanoparticles in the 1,5—2 times.
Optoacoustice ffect; nanotubes; nanofibers; laser.
Теоретические исследования формирования оптоакустических полей при облучении лазером жидких сред и рассеяния оптоакустических импульсов на бактериальных частицах были проведены в [1]. В [2, 3] было показано, что увеличение
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (ГК № 14.740.11.0452).
уровня оптоакустического (ОА) сигнала в среде с углеродными наночастицами может являться признаком присутствия бактериальных клеток. Для проверки этого утверждения были выполнены экспериментальные исследования.
Экспериментальные исследования формирования оптоакустических полей при облучении пробы, содержащей наноразмерные частицы, проводились в Центре коллективного пользования «Л^ерные технологии» Южного федерального университета. ОА-импульсы регистрировались в жидких средах с различной кон, .
Интегральная установка была построена, как описано в работе [4], с использованием инфракрасного лазера, модель ЫМО 100-532/1064-и на основе Ш:УАО лазера с фиксированной длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 45 не и энергией в импульсе, которая могла задаваться программно в диапазоне от 0,1 до 100 Вт. Значение частоты следования импульсов (ЧСИ) /гер лазера - 100 кГц. Облучение проб лазером выполнялось с помощью настраиваемой цилиндрической линзы, формировавшей линейный луч лазера диаметром от 3,5 мм. На рис. 1 представлена структурная схема экспериментальной установки.
Сгенерированный лазером ОА-сигнал детектировался ультразвуковым преобразователем, который прикреплялся к стенке кюветы. Кювета наполнялась раствором, содержащим наночастицы в различных концентрациях. Расстояние от лазерного пятна до ультразвукового (УЗ) приемника составило 0,5-1 см. Сигнал от УЗ датчика усиливался и регистрировался цифровым осциллографом. Полученные данные сохранялись в файл на ПК и обрабатывались отдельно. ОА сигналы отображались на осциллографе для анализа формы сигнала.
Запускающий
генератор
Лазер Nd: YAG
Усилитель
Фильтр ВЧ
УЗ
преобразователь
Цифровой
осциллограф
ПК
Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки для in vitro исследований суспензий УНТ в пробирке
Для проведения исследований использовались углеродные нанотрубки (УНТ) со средней длиной 5 мкм и диаметром 20 нм и углеродные нановолокна (УНВ) со
70 30 , -
товлены в НОЦ «Нанотехнологии» Южного федерального университета. Нанот-
- - . Это подобие распространяется и на растворимость: ни сажа, ни углеродныенанот-рубки в воде или органических жидкостях не растворяются. Более того, они даже не смачиваются водой. Поэтому для образования суспензии из УНТ для растворения нанотрубок использовался пищевой желатин. В условиях ультразвукового облучения желатин разрушает сростки однослойных нанотрубок, обволакивает трубки и переводит их в водный раствор. Для эксперимента были приготовлены 2 %, 5 %, 10 % и 15 % растворы желатина. Концентрация УНТ и УНВ в растворе составляла 0,5 и 2,5 мг/мл. Раствор с нанообъектами обрабатывался ультразвуком в 15 . -
гатов УНТ и УНВ в растворе контролировался при помощи оптической визуализации. Суспензия из наночастиц состояла из отдельных нанотрубок и агрегатов на.
агрегатов был сформирован в диапазоне от 300 мкм.
Рассмотрим источники шума, которые следует учитывать при обработке сигналов. Электронные шумы (осцилляции частотой 7 МГ ц) длительностью 1-2 мкс вызываются электромагнитными полями, создаваемыми лазерными источниками. Рассеянный свет лазера создает акустические колебания на поверхности преобразователя, которые начинаются сразу после лазерного импульса. Момент, когда они , -лем. Для датчика, расположенного на расстоянии 0,5-1 см от лазерного луча, требуется 2-4 мкс для генерирования акустических волн от наночастиц до достижения ими преобразователя. Необходимо использовать временную селекцию для выбора подходящих ОА-сигналов от образца во временной области, таким обра-, , , записывались. Кроме того, цифровая полосовая фильтрация удаляет оставшиеся шумы и колебания сигнала.
- - . -
- - ( ), -рами, представленными в табл. 1. Измерительный гидрофон состоит из чувствительного пьезоэлектрического элемента (пьезокерамика ЦТС-19), который покрыт тонким резиновым покрытием для изоляции внешнего электрода от водной среды.
На рис. 2 представлено фото УЗ-датчиков для измерения ОА-сигнала в среде .
1 2 1 1
Рис. 2. УЗ-датчики для измерения ОА-штульсов
В табл. 1 представлены основные технические характеристики гидрофонов, с помощью которых проводились измерения.
1
Образцы датчиков Емкость С, нФ Резонансная частота £, кГц Диаметр, мм Механическая добротность, р
Преобразователь № 1 1,25 5598 6 = 64
Преобразователь № 2 3,65 3798 9,5
Преобразователь № 3 2,05 2630 12 = 63
Преобразователь № 4 5,5 2175 20
Датчики помещались непосредственно в пробирку с исследуемым раствором и закреплялись на стенке сосуда. Расстояние от облучаемой поверхности до датчика 0,5-1 см (рис. 3).
Рис. 3. Внешний вид исследуемых проб
На рис. 4 изображены осциллограммы соответствующих оптоакустических сигналов без и при наличии УНТ. Хотя схема не оптимальна, она обеспечивает возможное обнаружение сигналов туЫтоот малых отдельных агрегатов нанотру-300 .
Электронные помехи и акустические колебания, вызванные электромагнитными помехами (наводками) и рассеянием лазерного излучения, устранялись с помощью фильтра верхних частот. С помощью программного обеспечения для цифрового осциллографа записывались сигналы, которые можно было сохранять в виде отдельных файлов с расширением ё80 и проводить их обработку. Это позволяет устранить электронные и низкочастотные шумы. Для каждого лазерного импульса программное обеспечение обрабатывает акустические волны, измеряет ам-
-
ОА-сигналов на жесткий диск. Итоговый набор данных для каждого эксперимента включал амплитуды ОА-сигналов, соответствующие каждому последующему ла-.
Наборы экспериментальных данных были затем проанализированы для обна-
- , . -пользовался критерий 3а (тройной стандартный критерий девиации) для нахождения отличий между случайными колебаниями амплитуды сигнала и статистически
.
- • ' . •
Шумовой сигнал
Спектр шума
ОА-сигнал в 10 % растворе желатина
-
Частота основного 0А-сигнала100 кГц Амплитуда максимума спектра 11 мВ
ОА-сигнал в 10 % растворе желатина с УНТ
-
Частота основного ОА-сигнала 100 кГ ц Амплитуда максимума спектра 19 мВ
ми
І FFT Point of frequency = 97,40 KHz
ОА-сигнал в 10 % растворе Спектр ОА-сигнала
желатина с УНВ Частота основного ОА-сигнала 100 кГ ц
Амплитуда максимума спектра 22 мВ
Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований
Таким образом, разработана установка для экспериментальных исследований генерации оптоакустических волн в различных суспензиях. Были подготовлены и исследованы суспензии с различными концентрациями наночастиц и нановолокон. Проведен анализ базы записей ОА-сигналов, выявлено возрастание амплитуды основной гармоники ОА-сигнала в присутствии УНТ и УНВ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Джуплина Г.Ю., Старченко И.Б. Теоретическая модель оптико-акустического эффекта в среде с наноразмерными рассеивателями // Известия ЮФУ. Технические науки.
- 2009. - № 10. - С. 189-192.
2. Джуплина ГМ., Поляков В.В., Старченко И.Б. Перспективы применений нанотехноло-
// . . - 2008.
- С. 221-225.
3. Zharov V.P. Photothermal image flow cytometry in vivo [Текст] / V.P. Zharov. P., E.I. Ga-lanzha, and V.V. Tuchin // Opt. Lett. - 2005. - № 30. - P. 628-630.
4. Джуплина ГМ., Соботницкий КС, Старченко КБ., Шишкин М.С Ультразвуковые исследования крови с применением наноразмерных объектов in vivo и in vitro. XXII сес-
. . - 2010.
- С. 158-162.
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н. Г.В. Куповых.
Джуплина Галина Юрьевна
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371795.
Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники; аспирант.
Старченко Ирина Борисовна E-mail: [email protected].
; . . .; .
Закарян Ваге Араикович
E-mail: [email protected].
Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники; ведущий инженер.
Саенко Александр Викторович
E-mail: [email protected].
Тел.: 88634371603.
« » ; .
Калашников Глеб Валерьевич
E-mail: [email protected].
« » ; .
Dzuplina Galina Yur’evna
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomous Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371795.
The Department of Hydroacoustic and Medical Engineering; Post-graduate Student.
Starchenko Irina Borisovna
E-mail: [email protected].
The Department of Hydroacoustic and Medical Engineering; Dr. of Eng. Sc.; Professor.
Zakaryan Vage Araikovich
E-mail: [email protected].
The Department of Hydroacoustic and Medical Engineering; Senior Engineer.
Saenko Alexander Viktorovich
E-mail: [email protected].
Phone: +78634371603.
CKP “Laser Technologies”; Post-graduate.
Kalashnikov Gleb Valer’evich
E-mail: [email protected].
CKP “Laser Technologies”; Post-graduate Student.
УДК 595.2(1-21)
Н.И. Еремеева
ФОРМИРОВАНИЕ МЕЗОФАУИЫ ЧЛЕНИСТОНОГИХ В УСЛОВИЯХ
УРБАНИЗАЦИИ
В промышленном городе Сибири - г. Кемерово - провели исследование и сравнение ме-зофауны членистоногих различных городских лугов с загородной зоной. Установлено, что формирование мезофауны урбанизированных и естественных лугов происходит главным образом за счет герпетобионтов. В промышленном городе по сравнению с загородной зоной наблюдается снижение плотности популяций мезобионтов, в основном представителей герпетобионтов; численное обилие хортобионтов в условиях города, напротив, повы-.
, - . -.
; ; ; ; ;
.
