Надежное оборудование российской разработки. Обновление приборной базы в Кольском научном центре продолжается

Зачем покупать новое оборудование, если старое еще не вышло из строя? В современных научных организациях такой вопрос может вызвать только вежливое недоумение. Новое оборудование – это новые возможности: возможность быстрее проводить вычисления и точнее анализировать, обнаруживать самые малые дозы излучения и концентрации вещества, заглядывать внутрь живых организмов и минералов, в глубину земной коры и в просторы космоса. Чтобы помочь ведущим научным организациям своевременно приобретать необходимое для них оборудование, Министерство науки и высшего образования Российской Федерации в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты» ежегодно проводит конкурсы грантов на обновление приборной базы. Уже несколько лет в этих конкурсах успешно участвует Кольский научный центр.

В 2023 году из федерального бюджета центру выделили 227 миллионов рублей для закупки современного дорогостоящего оборудования. Новые приборы получили, в частности, Горный и Геологические институты, Полярно-альпийский ботанический сад-институт, Институт проблем промышленной экологии Севера и Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья, НИЦ МБП.

Кандидат геолого-минералогических наук Алёна Компанченко с радостью демонстрирует рамановский спектрометр EnSpectr R532/R785, с недавних пор разместившийся в одном из кабинетов Горного института.

– В кабинете поддерживаются стабильные условия, которые нужны этому прибору, – поясняет Алёна Аркадьевна. – Если будет слишком жарко или слишком холодно, начнутся колебания в спектрах, что для нас не очень хорошо. Второй момент, который для него важен, – это устойчивая поверхность. Коллеги все это обеспечили и организовали очень удобное место для оператора. На один монитор можно вывести интерфейс программы, на второй – изображение с микроскопа или базу данных для сравнения спектров.

Установка представляет собой рамановский спектрометр на базе оптического микроскопа. Микроскоп «Olympus BX43», который может работать как в проходящем, так и в отраженном свете, произведен в Японии, а спектрометры отечественные: R532 – это зеленый лазер, R785 – красный лазер. Вся система разработана российской командой «Спектр-М», которую сформировали ведущие ученые Института физики твердого тела РАН. Команда создает не только удобные и мощные приборы, но и программное обеспечение для них, а также единую базу данных рамановских спектров для разнообразных веществ со всего света.

Метод, который используется в приборе, называется спектроскопией комбинационного рассеяния, или рамановской – по фамилии индийского физика. Интересно, что он был открыт одновременно и Раманом, и нашими учеными. По ряду причин Нобелевскую премию за него получил именно Раман. Суть метода состоит в идентификации неупругого рассеяния фотонов. Свет (в современных моделях – монохроматических, то есть с узким диапазоном длин волны, как правило, от лазера) взаимодействует с колебаниями атомов в молекулах, фононами или другими возбуждениями в системе, что изменяет энергию фотонов. Образец освещают лазерным лучом, затем излучение от освещенного пятна проходит через фильтр, убирающий упругое рассеянное излучение, соответствующее длине волны лазера. Остальной свет попадает в детектор. Это и называется рамановским спектром. Для каждого минерала он индивидуален, как отпечаток пальца. Таким образом, идентифицируя спектр и сравнивая его с базой данных, можно точно расшифровать минеральный состав образца.

– Спектроскоп оборудован автоматическим столиком, которым мы управляем с пульта, – продолжает Алёна Компанченко. – У него очень маленький шаг: буквально несколько микрон. Это важно, если мы имеем дело с очень мелкими объектами или газово-жидкими включениями. Еще к вопросу об удобстве: прибор не требует сложной предварительной пробоподготовки. Сейчас мы исследуем шлиф, но можно отделить маленькое зернышко от образца, положить его на столик и начать работу.

Метод рамановской спектроскопии – неразрушающий. Некоторые органические вещества, перенасыщенные водой минералы или слишком маленькие частицы могут точечно выгорать под лучом лазера, но обычно образец остается неизменным. Использовать прибор можно не только для определения минералов, но и в других областях науки. База рамановских спектров команды «Спектр-М» (пожалуй, самая крупная в мире) содержит «отпечатки пальцев» множества органических и неорганических веществ, поэтому применять спектрометр могут и химики, и биологи, и другие специалисты.

– Свои «отпечатки» имеют не только химические вещества, но и отдельные химические структуры, например, сульфатные или карбонатные группы – поясняет Алёна Аркадьевна. – Опытный специалист по характерным пикам спектра может сказать, что за минерал перед ним или, как минимум, к какому классу он принадлежит. Если сразу идентифицировать не получилось, мы обращаемся к базе. У меня уже есть некоторая насмотренность, поэтому я могу сказать, что вот этот участок, скорее всего, является кварцем, а этот, более светлый – сидерит, карбонат железа, который обладает большим коэффициентом отражения, содержит больше железа, из-за чего интенсивнее отражает свет. А вот этот, возможно, рутил..

Смещая образец под объективом микроскопа, исследовательница определяет его состав. Действительно, спектр первого минерала на 96% совпадает со спектром кварца – форма и числовые значения пиков очень характерные. Второе исследование провели с большей выдержкой (прибор позволяет задавать количество «выстрелов» лазером и их продолжительность для каждого измерения), очистили спектр от шумов и сравнили с базой. Минерал оказался сфалеритом.