Биологический адронный коллайдер
Уникальный прибор, разработанный в лаборатории цитометрии и биокинетики ИХКиГ СО РАН, сами создатели в шутку называют биологическим адронным коллайдером. Цитометр BioUniScan является прибором-анализатором, позволяющим исследовать состав любых биологических жидкостей, например, крови – наиболее часто используемого в медицине предмета анализов. В отличие от стандартных измерителей цитометр может произвести высокоточный анализ клеток крови, включающий в себя целый ряд ранее не доступных параметров, например, плотность и размер ядра лимфоцитов.
Исследования, проводимые в лаборатории, обеспечивают методический базис, необходимый прибору-анализатору. Свою задачу физики определяют следующим образом: предоставить с помощью анализатора всю максимально возможную информацию о клетках. Дальше, по их словам, в дело вступят медики, выясняя, коррелируют ли новые параметры с заболеваниями.
«Это – прототип инструментальной платформы универсального анализатора для биологии и медицины, – говорит Валерий Мальцев, показывая на цитометр – сложное сооружение, имеющее для непосвященных разобранный вид и занимающее всю поверхность стола. – С точки зрения близости между коммерсантом и ученым, это самый доступный аппарат – железо, готовое для коммерциализации. Накройте его крышкой и получите прибор, который можно ставить в клинику».
В случае успешной коммерциализации стоимость подобного прибора составит от 1 до 1,5 млн рублей. По словам заведующего лабораторией, созданный анализатор является уникальной системой и по своим возможностям превосходит любой из существующих анализаторов.
«Существующие в мире анализаторы находятся в ведении компаний, получающих основную прибыль с использования необходимых расходных биохимических материалов. Наша система предполагает существенное уменьшение расходных материалов. Основной упор идет не на химию, а на математику и железо», – комментирует ситуацию Валерий Мальцев.
Секреты пламени
«75 % всей энергии в мире получается за счет горения. В пламени протекает множество химических реакций, механизмы которых необходимо изучить для управления процессом горения», – рассказывает профессор Олег Коробейничев, долгое время возглавлявший лабораторию кинетики процессов горения, демонстрируя уникальную масс-спектрометрическую установку для изучения структуры пламени.
Кварцевый зонд с диаметром отверстия не больше человеческого волоса отбирает пробу из пламени. За счет перепадов давления (внутри установки вакуум, снаружи – атмосферное давление) газ втягивается и охлаждается, а протекавшие в нем реакции «замораживаются». Отобранная зондом проба состоит из атомов, радикалов, короткоживущих соединений, параметры которых (масса, концентрация) мгновенно регистрируются. Полученные профили сопоставляются с результатами компьютерной модели и позволяют установить механизмы реакций, определить максимальную полноту сгорания, минимальный уровень образования вредных продуктов – оптимальные условия процесса горения выбранного топлива, например биоэтанола, изучением которого занимаются в лаборатории.
Новое направление, которое активно развивается в лаборатории связано с получением пленок диоксида титана из пламени. Разработанная одноступенчатая технология получения вещества может быть использована для производства фотоэлементов солнечных батарей. Это дешевле и эффективнее, чем применение пленок из поликристаллического кремния.
Частицы диоксида титана образуются в пламени в результате термического разложения титансодержащих органических соединений, которые вводятся в горючую смесь. Полученные частицы осаждаются на охлаждаемой подложке – нижней плоскости вращающегося диска и образуют тонкую пленку. Работа проводится совместно с Институтом неорганической химии. Задача ученых – не только изучение свойств материала, но и механизма реакции с целью оптимизации процесса.
Полученные результаты будут представлены в августе 2010 на международном симпозиуме в Пекине, посвященном горению. Судьба дальнейшего внедрения разработанной технологии пока неясна, поскольку «потребители продукта сегодня еще не найдены».
В борьбе с огнем
Также в лаборатории разрабатываются новые составы для тушения пожаров – «пламегасители», более эффективные и экологически безопасные.
«Мы предложили новый способ пожаротушения с помощью мелкодисперсных фосфорсодержащих аэрозолей растворов солей, увеличивающий эффективность средств пожаротушения в 15-30 раз», – говорит кандидат химических наук Андрей Шмаков, заведующий лабораторией.
Предлагаемый состав позволяет делать огнетушители в 30 раз легче или гасить в 30 раз больше горящего материала. Ученые предлагают добавлять разработанный фосфорорганический пламегаситель к содержимому стандартных огнетушителей. Даже если предполагаемая добавка составит 2 % от общего содержимого огнетушителя, эффективность действия повысится в 2 раза, в то время как увеличение стоимости огнетушителя будет незначительным. Новый пламегаситель не оказывает разрушительного воздействия на озоновый слой и уже запатентован, причем совладельцем является Институт противопожарной обороны МЧС России.
Ракетное топливо и спин-меченые антибиотики
Существует ряд данных, которые трудно или даже невозможно получить экспериментальным путем. Тестирование компонентов состава ракетного топлива, процессы, протекающие при его горении и хранении, в лаборатории механизмов реакции изучают с помощью теоретических расчетов квантовой химии и компьютерного моделирования.
«Мы изучаем, как устроено выбранное вещество в маленьком масштабе и происходящие с ним превращения, – рассказывает Виталий Киселев, кандидат физико-математических наук, и приводит соответствующий пример применения своей работы. – Теоретические расчеты помогают предсказать, какое из веществ будет давать больший импульс для разгона ракеты, не занимаясь дорогостоящим тестированием».
В то время как объектом интереса одних ученых является ракетное топливо, их коллеги несколькими этажами ниже из лаборатории химии и физики свободных радикалов изучают с помощью спиновых меток поведение и механизмы взаимодействия сложных биологических веществ. Например, как новые перспективные антибиотики класса пептидов разрушают мембраны вредоносных бактерий.
«На антибиотики прикрепляется специальная спиновая метка, позволяющая с помощью спектрометра отследить процесс взаимодействия с клетками и сделать выводы о механизме разрушения мембран», – поясняет заведующий лабораторией, директор Института химической кинетики и горения Сергей Дзюба. Таким же образом здесь изучается и воздействие холестерина на организм.
Непосредственно в момент посещения журналистами на спектрометре протекал эксперимент, связанный с созданием нового метода диагностики полимеров, – еще одного направления, которым занимаются в лаборатории.
Фото автора
Дина Голубева
