Введение к работе
Актуальность проблемы В связи с дальнейшим развитием методов магнитного резонанса появляется возможность более детального исследования веществ и материалов органической и неорганической структуры на молекулярном уровне
Исследования веществ и материалов, подвергнутых воздействию различного рода ионизирующим излучениям, а также тепловым, механическим и химическим воздействиям, вызывают постоянный повышенный интерес Известно, что они, в одних случаях, оказывая воздействия на молекулярном уровне, разрывают молекулярные связи, и эти частицы или ионы становятся центрами возникновения так называемых «дефектов» в твердых телах В других случаях они стимулируют ход определенных химических реакций, в результате которых изменяются получаемые конечные результаты тех или иных процессов, как в живой, так и в неживой природе Чем значительнее и дольше воздействие, тем больше количество образованных дефектов и отклонений в ходе химических или технологических процессов Определение количества этих дефектов и тем самым косвенное определение поглощенной дозы облучения является актуальнейшей задачей как в чисто научно-теоретическом плане, так и в прикладном и практическом приложениях этого явления. Стимулируя процессы образования этих дефектов высокочастотным электромагнитным или ионизирующим излучением в определенных промежутках или участках технологического процесса, можно получить тот или иной конечный продукт, с определенными запланированными или необходимыми химическими и физическими свойствами
Наряду с множеством способов фиксирования этих дефектов, метод дефектоскопии с использованием томографии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) позволяет оперативно получать информацию не только о наличии трещин и раковин, но и об их размерах и конфигурациях Этот способ востребован как в микроэлектронной и полимерной промышленности, так и в других отраслях экономики для неразрушающего контроля за качеством диэлектрических элементов высоковольтного энергетического оборудования, материалов и изделий Когда естественных парамагнитных центров (ПЦ) в образце нет, то можно использовать метод так называемого спинового зонда
Предмет исследования. Развитие методов магнитного резонанса для неразрушающего контроля структуры веществ в дефектоскопии, дозиметрии, датировании, интроскопии и диагностике одонтогенных заболеваний
Датирование археологических находок является одной из главных задач, стоящих перед археологами Кроме традиционных методов получили развитие новые методы датировки биологические, физические, химические и их сочетания Наряду с множеством методов датирования в последнее время начали использовать родственный с термолюминесценцией метод - метод ЭПР датирования При использовании последнего количество электронов в ловушках подсчитывается без разрушения и нагрева образца Определяя в
образце накопившуюся поглощенную дозу облучения, с достаточной точностью легко идентифицировать возраст исследуемой находки
Получение картины пространственного распределения парамагнитных центров по всему объему биологического объекта - зерна пшеницы на основе ЭПР в неоднородных магнитных полях и установление их гетерогенности, а также установление особых зон в области зародыша и в центре эндоспермы, фиксирование пространственной локализации зон зерна с высокой проницаемостью для воды являются актуальными проблемами биологии
В оптически детектируемой ЭПР томографии для быстротечных химических реакций при облучении рентгеновским излучением важна проблема исследования структуры и свойств ион-радикальных состояний в радиационном треке, которое включает изучение не только временных характеристик реакций, структуру и свойств образующихся при радиолизе короткоживущих парамагнитных центров, но и распределение реагирующих частиц в пространстве Получение такого рода сведений является информативным также и с точки зрения изучения проникающей способности и геометрии ионизирующего излучения
Поиск новых методов ранней диагностики и комплексного лечения воспалительных процессов в организме человека востребованы для врачебной практики При острых одонтогенных гнойно-воспалительных заболеваниях методом ЭПР можно оценить состояние антиоксидантной системы организма, тяжесть течения воспалительного процесса и степень повреждения вовлеченных в этот процесс костных и околочелюстных тканей регистрируя соотношение церулоплазмина (Цр) и трансферрина (Тр) в плазме крови и слюны
Изучение структуры металлокерамических веществ и определение оптимальных условий технологии подготовки их составляющих с помощью ЭПР при механических и температурных воздействиях необходимы для качественного контроля изготовления протезов
Вышеизложенные актуальные научные проблемы позволяют в конечном итоге определить цель работы расширение возможностей и области применения методов магнитного резонанса, базирующихся на неразрушающем контроле структуры веществ (дефектоскопии, датирования, анализа структуры веществ, диагностики заболеваний)
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
1 На основе основных закономерностей, определяемых динамической поляризацией ядер (ДЛЯ) и экспериментальных данных выяснить возможности импульсной техники двойного ядерно-электронного резонанса (ДЯЭР) в исследовании структуры и свойств веществ - растворов парамагнетиков в области промежуточных магнитных полей Разработать методику проведения экспериментов, сконструировать датчик, создать и усовершенствовать основные блоки установки нестационарного ДЯЭР, работающую в промежуточных магнитных полях
2 Для получения информации о пространственном распределении
парамагнитных центров в веществе и повышения чувствительности и
разрешающей способности низкочастотного ЯМР томографа разработать метод
ЯМР интроскопии с использованием нестационарного ДЯЭР
3 Усовершенствовать и оптимизировать методику проведения
экспериментов по ЭПР дозиметрии в заданных лабораторных условиях и
предложить метод ЭПР датирования, адаптированный к местным условиям
археологических исследований
4 Для контроля за качеством изделия (в микроэлектронной и полимерной
промышленности и в других отраслях экономики) и получения экспресс-
информации о наличии дефекта и его размерах разработать новый способ
дефектоскопии, позволяющий визуализировать и отображать эти дефекты на
экране монитора компьютера
5 Для визуализации быстротечных химических процессов при
рентгеновском облучении исследуемого вещества усовершенствовать методику
радиоспектроскопии - оптически детектируемую ЭПР томографию
Разработать и создать действующую установку по оптически детектируемой
ЭПР томографии и предложить новые способы и методики их практического
применения
6 Для ранней экспресс-диагностики острых одонтогенных заболевании
предложить новый метод оценки состояния очага воспаления, разработать ЭПР
способ определения влияния новых композиций аминокислот с
микроэлементами на содержание парамагнитных центров в биологических
объектах с лимфосаркомой Плисса и унифицировать технологию изготовления
металлокерамических протезов
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов
В процессе выполнения работы на различных ее этапах использовались методы магнитного резонанса - ЭПР, ЯМР, ДЯЭР, ЭПР томография, ЭПР датирование, ЭПР дозиметрия и их сочетания
Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечиваются физической корректностью использованных допущений, применением хорошо апробированной теории для обработки экспериментальных результати, метрологической стабильностью работы установки и возможностью статистического накопления и обработки регистрируемых в эксперименте данных, согласием полученных теоретических и экспериментальных результатов и сравнительным сопоставлением их с результатами, полученными другими авторами, а также проведенным анализом ошибок измерений, экспертизами ФИПС с выдачей патента РФ
Научная новизна 1 Усовершенствована методика нестационарного' двойного ядерно-электронного резонанса, сконструирован датчик и основные блоки установки для работы в промежуточных магнитных полях с использованием импульсной развертки внешнего магнитного поля
Предложен алгоритм корректного выбора физической модели раствора по частотным измерениям динамической поляризации ядер в промежуточных магнитных полях
Исследован положительный эффект Оверхаузера уникального соединения - сольватированного электрона в органических растворителях
Предложена методика проведения экспериментов по ЭПР дозиметрии и адаптирована методика ЭПР датирования к местным условиям
Для регистрации быстротечных химических процессов при ионизирующем облучении исследуемого вещества и визуализации распределения образованных парамагнитных центров по всему объему объекта разработана новая методика радиоспектроскопии - оптически детектируемая ЭПР томография
Разработана новая методика ЭПР томографической дефектоскопии
Впервые предложен способ оценки состояния очага острого одонтоген-ного воспаления для ранней диагностики процесса в биологических тканях, новизна подтверждена патентом (патент РФ на изобретение № 2132068)
Предложен способ ЭПР спектроскопии для скрининга анга- и прооксидантов среди новых химических соединений в фармакологических исследованиях
Впервые предложен способ контроля технологического процесса изготовления зубных металлокерамических протезов, новизна подтверждена патентом (патент РФ на изобретение №2208417)
Практическая ценность работы.
Сконструирована установка импульсного ДЯЭР, позволяющая технически просто проводить частотные измерения динамической поляризации ядер, а также регистрировать спектры ЭПР в очень слабых и промежуточных магнитных полях без применения больших объемов образцов и перестройки ЯМР и ЭПР трактов аппаратуры. Сконструированное компактное исполнение дагчика позволяет отказаться от традиционных громоздких устройств для создания внешнего магнитного поля (конструкция датчика удостоена серебряной медали ВДНХ СССР)
Разработан алгоритм корректного выбора физической модели раствора
Предложены методы ЭПР томографической дефектоскопии и оптически детектируемой ЭПР томографии
В стоматологии для оценки состояния острых одонтогенных гнойно-восналигелышх заболеваний разработан и внедрен в практику способ оценки сосюяния очага воспаления
Результаты работы внедрены и применяются в лабораториях Казанского физико-технического института КНЦ РАН, Казанскою ї осударственного медицинского университета, Института экологии природных систем Академии наук Республики Татарстан Материалы исследований использовались при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, при выполнении НИР по нрохрамме НИОКР РТ «Развитие приоритетных направлений науки в РТ на 2001-2005 годы» и регионального конкурса РГНФ, а также в научно-исследовательском и учебном процессах КГТУ им А Н Туполева и ТГГПУ
Личный вклад автора заключается в проектировании и конструировании датчика, блока импульсной развертки внешнего магнитного поля установки ДЯЭР, выборе и подготовки образцов, разработке основной программы экспериментальных расчетов, обработке и анализе полученных данных по ДЯЭР исследованиям, участии в работах по применению эффекта Оверхаузера для получения ЯМР изображений, подготовке, проведении и анализе экспериментов по сольватированному электрону, обосновании, руководстве и участии в работах по ЭПРТ дефектоскопии, подготовке и проведении эксперимента по ОД ЭПРТ, обосновании и проведении ЭПР исследований биологических объектов по оценке степени изменения барьерных функций тканей, окружающих очаг осгрого одонтогенного воспалительною заболевания, проведении ЭПР исследований по оценке состояния антиоксидантной системы организма человека и эффективности герании при острых одонтогенных воспалительных заболеваниях; проведении ЭПР исследований по оценке влияния на содержание парамагнитных центров биологических объектов с лимфосаркомой Плисса новой композиции аминокислот с микроэлементами медью, кобальтом и марганцем, проведении ЭПР исследований по изучению магниторезонансных характеристик металлокерамических конструкций при механических воздействиях
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на итоговых научных конференциях КФТИ КНЦ РАН, на втором всесоюзном совещании по ядерно-спектроскопическим исследованиям СТВ (Грозный, 1987), Всесоюзной конференции «Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве» (Казань, 1988), XXIV Congress AMPERE on magnetic resonance and related phenomena (Poznan, 1988), V Всесоюзном совещании «Спектроскопия координационных соединений» (Краснодар, 1988), V International Sympozium on Organic Free Radicals (Zurich, 1988); XII Всероссийском школе-симпозиуме по магнитному резонансу (Пермь, 1991), Всероссийском совещании «Физико-химические методы исследования структуры и динамики молекулярных систем» (Йошкар-Ола, 1994), XXVII конгрессе AMPERE (Казань, 1994), региональной научной конференции «Окружающая среда и здоровье» (Казань, 1996), II Всероссийской научной конференции молодых ученых и специалистов (Казань, 1996), научной конференции молодых ученых (Казань, 1997), 7 европейской конференции по биологическим молекулам (San lorenso de El Esconal, Madrid, Spain, 1997), IV научно-практической конференции молодых ученых (Казань, 1999), Всероссийской научно-практической конференции «Лабораторное дело организация и методы исследований» (Пенза, 1999), на Всеармейской научно-практической конференции «Актуальные проблемы военной стоматологии, гнойной хирургии и травматологии челюсшо-лицевой области», посвященная к 70-летию образования кафедры челюсшо-лицевой хирургии и стоматологии Военно-медицинской академии (Санкт-Петербург, 1999), международной конференции «Эффект Мессбауэра магнетизм, материаловедение и гамма-оптика» (Казань, 2000), 4 международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлекгроника в медицине и
биотехнологии» (Владимир, 2000), региональных конференциях по теме «Проблемы истории и культуры Татарстана и народов Волго-уральского региона» (Казань, 2001), всероссийской научной конференции «Древнетюркский мир история и традиции» (Казань, 2001), Российском научном форуме с международным участием «Стоматология на пороге третьего тысячелетия» (Москва, 2001), международном семинаре «Современное развитие магнитно-резонансной томографии и спектроскопии Физические основы и применение в медицине и биологии» (Казань, 2001), 6-й международной научной конференции «Экология человека и природа» (Москва-Плес, 2004), международном симпозиуме «Агроэкологическая безопасность в условиях техногенеза» (Казань, 2006), первой конференции с международным участием «Инновации в медицине, наука - практике» (Казань, 2007), всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Казань, 2007)
Публикации По материалам диссертации опубликованы одна монография, две книги, 50 научных работ в отечественной и зарубежной литературе, в том числе 23 статей в реферируемых трудах и сборниках докладов всероссийских и международных научных конференций, симпозиумов и школ 12 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ Автор имеет 12 единоличных публикаций, 2 патента РФ на изобретение, является лауреатом серебряной медали и премии ВДНХ СССР
Основные положения, выносимые на зашиту
Методика нестационарного ДЯЭР, датчик и конструкция действующей установки импульсного ДЯЭР для работы в промежуточных магнитных полях с использованием импульсной развертки внешнего магнитного поля Основные аналитические соотношения, описывающие поведение ядерной намагниченности в импульсном ДЯЭР эксперименте Алгоритм выбора физической модели раствора по частотным измерениям ДЛЯ Результаты исследования частотно-температурной зависимости ДЛЯ соединений различной химической природы импульсным методом, а также результаты совместного использования методов ДПЯ и ядерной магнитной релаксации для получения молекулярно-кинети-ческих параметров
Способ получения изображений пространственного распределения сверхвысокочастотных (СВЧ) полей методом ЯМР интроскопии с использованием нестационарного ДЯЭР
Адаптированный к местным условиям метод ЭПР датирования археологических находок органического происхождения и методика проведения эксперимента
Метод ЭПР томографической дефектоскопии Метод оптически детектируемой ЭПР томографии
Способы оценки состояния очага острого одонтогенного воспаления для ранней диагностики и лечения острых одонтогенных гнойно-воспалительных заболеваний, оценки влияния новой композиции аминокислот с медью, кобальтом и марганцем на содержание парамагнитных центров биологических объектов с лимфосаркомой Плисса, контроля технологии изготовления
металлокерамических зубных протезов
Структура и объем и диссертации Диссертационная работа состоит и і введения, пяти глав, основных результатов и заключения, списка использованной литературы и приложения. Полный объем диссертации 269 страниц, основного текста - 231 страница машинописного текста, 57 рисунков, 11 таблиц, 18 страниц приложения Список литературы включает 294 источника
Похожие диссертации на Развитие методов магнитного резонанса для неразрушающего контроля структуры веществ
