Сотрудники малого инновационного предприятия СПбГУ «Спинус» разрабатывают промышленный образец прибора, позволяющего, не вскрывая упаковки, определять химический состав жидкости внутри любой тары — пластиковых бутылок, алюминиевых банок, стеклянных ампул. Работа анализатора основана на принципе ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Изобретение может использоваться для досмотров на таможне или на массовых мероприятиях, чтобы быстро и точно находить опасные или запрещенные жидкости.

«Прибор позволяет анализировать любые жидкости, даже если это напиток в алюминиевой банке. На сегодня никакой другой метод кроме ядерного магнитного резонанса не дает возможности проникнуть сквозь алюминиевую банку. Существуют методы, измеряющие электрическую проницаемость объекта, но их можно легко обмануть — например, если наклеить на стеклянную бутылку проводящую наклейку, прибор просто не поймет, что находится внутри бутылки. Наша разработка способна проникнуть через любую упаковку», — рассказал создатель прибора, генеральный директор Центра магнитно-резонансных исследований «Спинус» СПбГУ кандидат физико-математических наук Павел Куприянов.

Ранее ученый вместе с коллегами с кафедры ядерно-физических методов исследования создал рабочий макет прибора, с которым команда Павла Куприянова принимала участие в конкурсе инновационных бизнес-проектов «Start-up СПбГУ» в 2018 году. Идея родилась еще раньше — когда исследователь оканчивал магистратуру университета.

Работающий макет прибора включает в себя последние достижения радиофизики, а также применения ЯИР в слабых полях. Ученым удалось разработать устройство, способное в зашумленном электромагнитными помехами и искаженном магнитном поле Земли (именно такие условия создаются в обычной лаборатории) получать качественный сигнал от ядер водород- и фторсодержащих жидкостей. По качеству сигнала, как отмечают создатели, прибор может конкурировать с дорогостоящими ЯМР-спектрометрами высокого разрешения, при этом являясь доступным для любой лаборатории.

Датчик прибора окружают стенки из немагнитных металлов (алюминия и меди) — они помогают уменьшить электромагнитные помехи. Внутри находится катушка индуктивности, в которую помещается образец исследуемого вещества. На него в течение нескольких секунд воздействуют сильным магнитным полем, затем в течение нескольких миллисекунд — слабым радиоимпульсом. В итоге ядра вещества излучают радиосигнал, который с помощью компьютера преобразуется в спектр.

«У каждой жидкости есть свой спектр (характеристика, демонстрирующая способность атомов вещества излучать, поглощать или рассеивать свет — прим. ред.), который, как отпечаток пальца человека, индивидуален, из-за чего перепутать две жидкости невозможно, — объясняет принцип работы анализатора Павел Куприянов. — По спектру можно безошибочно определять, какая жидкость находится внутри упаковки, причем не открывая ее. Для этого необходимо бутылку или банку положить внутрь прибора, а значит, для разных размеров тары необходимо создавать соответствующие датчики. Но это возможно».

Аналогичные приборы, подчеркивает Павел Куприянов, зачастую весьма дорогие — стоят тысячи евро, так как измерения чаще всего ведутся в сильных магнитных полях. Это означает, что для создания такого поля в прибор монтируют сверхпроводящие магниты, которые необходимо обслуживать, а также содержать в сверхнизких температурах — использовать жидкий гелий или жидкий азот. Так, к примеру, работает Большой адронный коллайдер: там сверхпроводящие магниты почти купаются в жидком гелии и азоте для создания сверхпроводимости. Ученые же СПбГУ используют самое слабое магнитное поле — магнитное поле Земли, которое всегда находится в нашем распоряжении.

Несмотря на ограниченность по числу наблюдаемых ядер (водород и фтор), прибор позволяет идентифицировать фосфор-, кремний- и даже углеродсодержащие жидкости, поскольку имеет возможность наблюдать взаимодействие ядер разного вида. Прибору — анализатору жидкостей можно найти большое количество различных применений: исследование нефтяных эмульсий, водных растворов, содержания атомов водорода в топливе или молекул воды в продуктах, а также выявление опасных или запрещенных жидкостей во время таможенного досмотра или досмотра личных вещей в местах скопления людей.

Во время совершенствования прибора научная группа зарегистрировала еще три патента по данной тематике. Сейчас ученые завершают промышленный вариант анализатора. Интерес к разработке проявляют несколько научных коллективов, чтобы использовать его в собственных лабораториях. Кроме того, исследователи готовят базу данных спектров распространенных жидкостей, чтобы потом на ее основе создать систему для быстрого анализа содержимого емкостей распространенных форм, например бутылок для напитков.