Физики из университета ИТМО разработали экспресс-метод определения распределения частиц в оптически-прозрачных средах на основе голограмм. Метод поможет практически моментально определять концентрацию загрязнений в жидкостях и газах, а также поможет в изучении микроорганизмов. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Анализ распределения и размеров частиц в жидкостях или аэрозоле как правило применяется при определении загрязнений воздуха и технологических или биологических жидкостей. Существующие методы требуют долгой подготовки или больших вычислительных мощностей, а некоторые из них не могут анализировать среды с высокой концентрацией частиц. К примеру, широко используется метод динамического рассеяния света, в котором измеряется рассеяние лазерного луча на частицах в жидкости. Но он позволяет определить только размер частиц, и имеет другие ограничения.

Прохождение лазера через кювету с взвесью песка в воде во время эксперимента. Татьяна Вовк / Университет ИТМО

Ученые попытались совместить в новом методе два важных свойства: скорость, позволяющая использовать метод для экспресс-диагностики и алгоритм обработки, не требующий больших вычислительных мощностей. Технология основана на снятии трехмерной голограммы Габора – первого метода голографии, представленного в 1947 году. В процессе снятия голограмм записывается не только интенсивность света, как в обычной фотографии, но и его фаза. Это позволяет получать объемное изображение снимаемого объекта.

Схема метода. I: прохождение лазера через объем жидкости, условно разделенной на слои (1, 2, 3, …, f, g, …, N); II: образование исходной трехмерной голограммы; III: извлечение снимков двух смежных слоев; IV: обработка с помощью корреляционного анализа. Татьяна Вовк / Университет ИТМО
.[image]

С помощью лазерной голографии исследователи получали трехмерное изображение частиц в жидкости. За счет того, что лазер излучает когерентный свет исследователи могли фокусироваться на конкретных слоях жидкости уже после съемки, с помощью математических алгоритмов. Таким образом, ученые извлекали из трехмерного изображения всего объема два плоских снимка соседних слоев, которые сравнивали и обрабатывали с помощью корреляционного анализа, сравнивая их схожесть. Полученную корреляционную зависимость распространяли на весь объем и высчитывали концентрацию частиц в среде, их прозрачность, размер и среднее расстояние между ними.

Представленный метод может применяться в двух режимах. Без предварительной калибровки для конкретного типа частиц и жидкости можно лишь сравнивать концентрации, к примеру, определять большую из двух. Если же предварительно снять несколько голограмм и определить размер, форму и прозрачность частиц, можно мгновенно определять концентрацию во всем объеме или в конкретном слое.

Ученые надеются, что их метод может быть в скором времени внедрен в областях, где необходим быстрый и легкий анализ, к примеру, мониторинг металлической стружки и пыли в машинном масле. Эксперименты показали, что метод может применяться как для статичной, так и для подвижной жидкости. Отдельно ученые указывают возможность применения в биологических нуждах, к примеру отслеживание количества и состояния планктона в воде или обнаружение вирусов в живых клетках.

В 2015 году химики из Санкт-Петербургского университета ИТМО представили первый в мире способ печати голографических изображений с помощью струйного принтера.

Автор: Григорий Копиев