Современные приборы и методы индикации физиологически активных веществ

УДК 621.039.1:620.16

И.А. Пушкин, Н.П. Валуев

СОВРЕМЕННЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИНДИКАЦИИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Рассмотрено современное состояние разработок в области экспресс-индикации радиоактивных, химических и биологических веществ. Определены тенденции развития методов и направления их использования в деятельности по предупреждению и ликвидации ЧС.

Ключевые слова: индикация, физиологически активные вещества, спектрометрия ионной подвижности, газоанализатор, хемилюминесценция, система дозиметрического контроля.

A. Pushkin, N. Valuev

MODERN DEVICES AND METHODS INDICATIONS OF PHYSIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES

The article views modern developments in the sphere of express indication of radioactive, chemical and biological substances andputs forward tendencies of methods development and application in emergency situations.

Keywords: indication, physiologically active substances, spectrometry of ionic mobility, gas analyzer, chemiluminescence, radiation control system.

Одним из важных аспектов обеспечения экологической защиты населения является широкое использование эффективных средств индикации физиологически активных веществ (ФАВ). Научной школой индикации ФАВ под руководством профессора И.А. Пушкина заложены физико-химические основы создания приборов экспресс-контроля радиационной, химической и экологической обстановки [1], реализованные при разработке широкого круга средств индикации ФАВ. В данной статье рассмотрено современное состояние разработок в этой области.

Прибор ГС-М на основе спектрометрии ионной подвижности (СИП) позволяет осуществлять автоматический контроль окружающего воздуха с целью обнаружения и групповой идентификации таких опасных веществ, как разнообразные фосфорорганические соединения (ФОС) и аммиак. Прибор размещается на подвижных объектах (колёсных и гусеничных шасси) и стационарно в помещениях и на открытом воздухе. Пороги чувствительности по ФОС (зарину, зоману и веществу типа VX) и аммиаку составляют (3 - 7)-10^ и 5-10-2 мг/л соответственно при быстродействии 120 с. Важными преимуществами прибора ГС-М перед зарубежными аналогами, такими как приборы IMS-2000 и CAM-2, являются более высокая (в несколько раз) чувствительность по ФОС и использование нерадиоактивного источника ионизации.

Имеется значительная потребность в простых стационарных технических средствах, обеспечивающих автоматический химический контроль. Для этой цели служит быстродействующий газосигнализатор ГИБ на основе ионизационных камер. Прибор позволяет обнаруживать в воздухе ФОС и иприт в концентрациях (4 - 5)-10 и (5 - 6)-10-3 мг/л соответственно. Быстродействие по ФОС составляет не более 3 - 5 с, а по иприту - не более 15 с. Прибор может применяться для химического контроля различных объектов, в том числе для контроля мест массового скопления людей (станции метрополитена, вокзалы, аэропорты, супермаркеты и т. п.).

Весьма актуальны технические средства, позволяющие контролировать не только воздух, но и заражённость различных поверхностей. Созданный в ЗАО «Спецприбор» газосигнализатор ГСА-

5 на основе СИП позволяет обнаружить в воздухе и идентифицировать ряд токсичных веществ, включая ФОС в малоопасных и опасных концентрациях. Чувствительность прибора по ФОС находится на уровне 10-6 мг/л. Кроме того, прибор, позволяет проводить химический контроль заражённости поверхностей с целью определения необходимости специальной обработки. Других аналогичных приборов, обеспечивающих контроль заражённости поверхностей, ни в нашей стране, ни за рубежом пока не создано.

Перспективны индивидуальные приборы химического контроля. Разработан портативный модуль токсичных веществ (МТВ) на основе ионизационной камеры, предназначенный для обнаружения в воздухе ФОС и мышьяксодержащих веществ с порогами чувствительности 5-10-5 и 3-10-4 мг/л соответственно. МТВ входит в состав дозиметра ДКГ-РМ 2012 М. Дозиметр позволяет наряду с токсичными веществами регистрировать гамма-излучение в диапазоне мощности эквивалентной дозы от 0,01 мкЗв/ч до 13,0 Зв/ч. Масса дозиметра не более 0,6 кг. Дозиметр ДКГ-РМ 2012 М выпускается совместно ЗАО "Спецприбор" и ООО "Полимастер" (г. Минск).

Большое значение имеет своевременное выявление на объектах газовой и нефтеперерабатывающей промышленности, угольных шахтах горючих и взрывоопасных углеводородов. Для решения таких задач можно рекомендовать портативный термокаталитический газоанализатор МО-01 во взрывозащищённом исполнении. Диапазон измерений по метану составляет от 0 до 5 % (по объёму), погрешность - не более 0,2 % (по объёму). Масса прибора с источником питания составляет всего 266 г. Время непрерывной работы - 15 часов.

Важными элементами системы выявления террористических угроз являются технические средства обнаружения взрывчатых веществ. Для этой цели служит прибор «След», основанный на термодесорбционной спектрометрии ионной подвижности. Прибор предназначен для поиска и идентификации в полевых условиях микрочастиц основных взрывчатых веществ - тротила (ТНТ), 2, 4-динитротолуола (ДНТ), гексогена, октогена, нитроглицерина, тетранитрата пентаэритрита (ТЭНа), тетрила, аммиачной селитры и пластидов на их основе на различных поверхностях. Прибор с высокой специфичностью способен обнаруживать пикограммы (10-10 г) взрывчатых веществ за время не более 10 с. Прибор удобен и прост в эксплуатации, обслуживается одним оператором. Специального обучения для использования прибора не требуется. Прибор «След» позволяет также определять наркотические вещества.

Рис. 1. Портативный прибор обнаружения взрывчатых веществ Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2010'4

Широкие перспективы, на наш взгляд, у индивидуальных приборов химического контроля на основе миниатюрных ионизационных камер и спектрометров ионной подвижности с нерадиоактивными источниками ионизации. Такие приборы могут стать основными индивидуальными приборами первичного звена подразделений МЧС, а также силовых министерств и ведомств.

Для принятия решения о безопасности объекта, подвергшегося террористической атаке, а также для раннего выявления террористической угрозы необходимы приборы, позволяющие обнаруживать очень низкие концентрации токсичных веществ в воздухе (вплоть до уровня ПДК в атмосферном воздухе).

По нашему мнению, наиболее перспективно для решения поставленной задачи создание портативного хроматографа с двумя высокочувствительными детекторами - детектором молекулярных ядер конденсации (МоЯК) и спектрометром ионной подвижности.

Детектор МоЯК - один из самых чувствительных в настоящее время детекторов. Он позволяет определять целый ряд токсикантов с пределами обнаружения от 10-6 до 10-13 мг/л, что существенно превосходит характеристики других детекторов. Быстродействие детектора не превышает 1 с. Детектор на основе спектрометра ионной подвижности обладает достаточно высокой чувствительностью (на уровне 10-6 мг/л) и быстродействием (менее 1 с) и позволяет ещё более расширить круг обнаруживаемых веществ и повысить надёжность определения. Детектор МоЯК и спектрометр ионной подвижности оптимально сочетаются с поликапиллярными колонками, позволяющими проводить высокоэффективное и экспрессное разделение сложных смесей токсикантов. Оба детектора имеют малые габариты и массу, конструктивно просты, не требуют баллонов со сжатым газом и генераторов газов. Необходимые потоки газа-носителя (очищенного воздуха) формируются встроенным мини-компрессором.

За рубежом для решения аналогичных задач используют портативные хромато -масс-спектрометры. Однако лучшие образцы (например, системы химической идентификации HAPSITE фирмы в ряде случаев не обладают требуемой чувствительностью, имеют

высокую стоимость, сложны в эксплуатации, требуют высококвалифицированных операторов.

Уникальные возможности детектора МоЯК и спектрометра ионной подвижности позволяют рассчитывать на успешную разработку хроматографического прибора для обнаружения взрывчатых веществ по запаховому компоненту.

Весьма перспективна модернизация прибора ГС-М с целью создания переносного малогабаритного прибора на основе СИП с нерадиоактивным источником ионизации для быстрого обнаружения широкого круга АХОВ, СДЯВ, ОВ и экотоксикантов в воздухе. Полученные предварительные результаты свидетельствуют о возможности включения в перечень определяемых веществ наряду с ФОС и аммиаком более трёх десятков АХОВ, а также некоторых ОВ и таких эко-токсикантов, как фосфорорганические пестициды, пластификаторы и стабилизаторы полимеров, фталаты и другие. Таким образом, один прибор может заменить множество используемых в настоящее время индивидуальных сенсоров. Актуально использование прибора для решения разнообразных задач химической разведки и химического контроля, в которых требуются высокие показатели оперативности и мобильности.

В последние годы в системе охраны здоровья и санитарно-эпидемиологического благополучия населения страны регистрируется заметное обострение ситуации вследствие растущего общего и бактериального загрязнения воздушной среды, питьевой воды, продуктов питания, помещений и мест наибольшего скопления людей, а также из-за появившейся в последние годы явной уг-

розы открытых террористических действий с применением химического и бактериологического оружия.

В Академии гражданской защиты МЧС России разработана методика количественного определения общего числа микробных тел в пробах воды, взятых из водоёмов или полученных методом смыва с твёрдых поверхностей. Методика основана на применении прибора-анализатора жидких проб ОСЕ-2, регистрирующего люминесценцию, связанную с химическими реакциями, протекающими в жидкой пробе под действием специально подобранных реагентов. Методика сокращает время получения информации по одной отобранной пробе с 2-х суток до 10 минут, а также позволяет составить предварительное заключение о возможности присутствия в исследуемой пробе патогенных опасных санитарно-показательных микроорганизмов.

Методика обеспечивает проведение анализа в полевых условиях с помощью полевой, маршрутной или походной лаборатории. Методика позволяет быстро и с достаточной точностью получать информацию о специфическом составе воды, на основании которого в соответствии с имеющимися классификациями можно с высокой достоверностью делать выводы об общем уровне присутствия антропогенного органического и биологического загрязнения воды, типе и специфике источника - загрязнителя воды.

Рис. 2. Высокочувствительная система радиационного контроля

Важным направлением разработок является использование нанотехнологий для индикации веществ и состояния материалов. Проведённые на кафедре химии и материаловедения АГЗ МЧС России исследования процессов агрегации и конденсации при взаимодействии ионов с субнаноча-стицами ФАВ при реакциях в газовой фазе позволили разработать научные основы аэрозольно-

ионизационного метода индикации субмикроколичеств высокотоксичных веществ в воздухе, что даёт возможность снизить риски поражений токсичными веществами при проведении террористических актов и в случаях возникновения техногенных аварий и катастроф.

В результате исследований механостимулированной фото- и ионной эмиссии металлических материалов установлено, что спектр эмиссии содержит флуоресцентное излучение атомов, десор-бируемых при зарождении и развитии трещин, и длинноволновое излучение, связанное с пластическим деформированием в субмикрообъёмах (5 - 20 нм) металла. На основе исследований разрабатываются методики обнаружения зарождения микротрещин в металлах, что важно для предупреждения внезапных разрушений металлоконструкций и последующих аварий на различных объектах.

Разработан и апробирован экспресс-метод дистанционной геохимической разведки скрытых подземных утечек и разливов нефтепродуктов. Метод основан на том, что при инфильтрации нефтепродуктов в грунты любого гранулометрического состава (от галечника и песков до глин) происходит выделение из горючего, наряду с его парами, самых лёгких фракций углеводородов в газообразной форме, и прежде всего, - метана. Эти газообразные фракции сравнительно легко проникают по пористому пространству грунта с глубин до 10 - 15 метров и достигают поверхности земли, а затем поступают в приземный слой атмосферного воздуха.

Указанное явление позволило применить газоанализаторы довзрывных концентраций легкогорючих паров и газов для улавливания и определения объёмной концентрации газообразных фракций углеводородов в воздухе почвенного слоя и тем самым точно определить место скрытой подземной утечки горючего или же определить в плане точную конфигурацию внешней границы формирующегося подземного разлива горючего.

Одним из направлений обеспечения радиационной безопасности является использование высокочувствительных систем дозиметрического контроля радиационной обстановки [2]. Указанные системы применяются для автоматизированного дистанционного обнаружения радиоактивных веществ и загрязнений при высокопроизводительном обследовании территорий и движущихся объектов (автомобильного и железнодорожного транспорта, различных грузов, багажа, людей).

Система СИММЕТ обеспечивает обнаружение гамма-, бета-излучающих радионуклидов в энергетическом диапазоне 0,05 - 3 МэВ. Порог обнаружения - менее 4 нЗв/ч. Размеры детектирующей системы не более 1000 х 200 х 500 мм. Для регистрации информации используется компьютер (ноутбук) с программным обеспечением. Предусмотрена сигнализация момента обнаружения радиационного источника.

Информация с детекторов обрабатывается компьютером, обеспечивающим непрерывную регистрацию и запись получаемых данных в реальном масштабе времени. Это позволяет выявлять локальные радиационные аномалии, длительность сигнала от которых менее 1 - 2 с, и обнаруживать источники на существенно большем (в 3 - 5 раз) расстоянии до прибора при непрерывной записи мощности дозы окружающей среды в процессе обследования территорий.

Литература

1. Пушкин И.А., Залозная Н.Г., Козловская Э.Б., Валуев Н.П., Ряхов Д.В. Методы экспресс-контроля химической и биологической обстановки в условиях локальных вооруженных конфликтов. - В кн. Совершенствование гражданской обороны в Российской Федерации», Материалы 6 научно-практической конференции, МЧС России - М., 2009, с. 246.

2. Валуев Н.П., Качалов В.М., Мойш Ю.В., Никоненков Н.В. Автоматизированные системы радиационного контроля сырья и металлолома. «Проблемы чёрной металлургии и материаловедения», 2009, № 3, с. 107 - 110.