Лаборатория лазерной спектроскопии водных сред и лазерной биофотоники

Лаборатория лазерной спектроскопии водных сред и лазерной биофотоники (сайт лаборатории) образовалась в 1965 году, одновременно с созданием кафедры волновых процессов. Руководитель лаборатории – ученик основателя кафедры Рема Викторовича Хохлова. В соответствии со стратегической установкой Р.В. Хохлова лаборатория несколько раз меняла направление научных исследований, оставаясь при этом в русле лазерной физики – нелинейной оптики и лазерной спектроскопии.

В 1965 – 1968 г.г. основным направлением исследований было параметрическое усиление, параметрическая генерация и параметрическое рассеяние света. В частности, был обнаружен новый вид рассеяния света — спонтанное трехфотонное параметрическое рассеяние, а позднее, в 1979 году впервые осуществлено абсолютное измерение яркости лазерных пучков с использованием этого эффекта (методом Д. Н. Клышко). Эти результаты отмечены дипломом на открытие (Д. Н. Клышко, В.В. Фадеев, О.Н. Чунаев) и Государственной премией СССР (Д.Н. Клышко, А.Н. Пенин, В.В. Фадеев). 

Ключевые публикации:

  • Ахманов С.А., Ершов А.Г., Фадеев В.В., Хохлов Р.В., Чунаев О.Н., Швом Е.М. Наблюдение двумерного параметрического усиления световых волн. Письма в ЖЭТФ, 1965, т.2, №10, с.458-463.
  • Ахманов С.А., Фадеев В.В., Хохлов Р.В., Чунаев О.Н., Квантовые шумы в параметрических усилителях света. Письма в ЖЭТФ, 1967, т.6, №4, с.575-578.
  • Китаева Г.Х., Пенин А.Н., Фадеев В.В., Янайт Ю.А. Измерение яркости световых потоков с использованием вакуумных флуктуаций в качестве репера. Докл. АН СССР 1979, т.247, с.586-590.

В 1968 – 1977 г.г. научные интересы лаборатории были связаны с лазерами на органических соединениях. Впервые получена перестраиваемая по частоте генерация в УФ диапазоне на растворах органических сцинтилляторов, осуществлена генерация в бинарных растворах с переносом энергии возбуждения, изобретен новый способ самосинхронизации мод, использующий генерирующий насыщающийся поглотитель (получены два свидетельства на изобретения).

Ключевые публикации:

  • Абакумов Г.А., Симонов А.П., Фадеев В.В., Харитонов Л.А., Хохлов Р.В. Оптические квантовые генераторы ультрафиолетового диапазона на молекулах органических сцинтилляторов. Письма в ЖЭТФ, 1969, т.9, №1, с.15-22.
  • Abakumov G.A., Fadeev V.V., Khokhlov R.V., Simonov A.P., UV Dye Lasers. Spectrosc. Lett., 1975, v. 8, N 9, p.651-667.
  • Abakumov G.A., Simonov A.P., Fadeev V.V., Kharitonov L.A., Khokhlov R.V., Sakharov A.S., Laser Action in Some Single and Binary Organic Scintillator Solutions. J. of Opto-Electronics, 1970, v.2, p.235-237.
  • Абакумов Г.А., Антипов А.И., Симонов А.П., Синицин А.Б., Фадеев В.В. Получение пикосекундных импульсов в условиях вынужденного сокращения времени релаксации насыщенного поглотителя. Квантовая электроника, 1977, т.4, №11, с.2442-2447.

В 1974 году лаборатория организовала свою первую морскую экспедицию в Черном море, а в 1975 году — первую океанскую экспедицию, в Атлантическом океане на научно–исследовательском судне «Академик Петровский». В ходе этой экспедиции с применением созданного в лаборатории первого варианта лидара были получены спектры эхо–сигналов, содержащие полосы флуоресценции фитопланктона и растворенного органического вещества, а также полосу комбинационного рассеяния света молекулами воды. Последнюю было предложено использовать в качестве внутреннего репера для непрерывной калибровки интенсивности полос флуоресценции. С этого момента исследования в области лазерной спектроскопии водных сред становятся основными и ведутся в лаборатории все более широким фронтом. При этом особое внимание лаборатория уделяет исследованию механизмов взаимодействия лазерного излучения с водной средой в целом и ее отдельными компонентами и разработке на этой основе научно обоснованных методов и алгоритмов дистанционного определения характеристик водной среды, в том числе, в дистанционном режиме. Эти методы и средства были применены для решения научных и практических задач в более чем двадцати экспедициях в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах (в том числе, дважды в Антарктическом секторе Атлантики), в Балтийском и Черном морях, а также в большом числе береговых экспедиций и экспедиций на внутренних водоемах. В 1985 году группе учеников В.В. Фадеева была присуждена премия Ленинского комсомола – наиболее престижная в СССР премия для молодых учёных - за цикл исследований в области лазерной спектроскопии водных сред.

Ключевые публикации:

  • Клышко Д.Н., Фадеев В.В. Дистанционное определение концентрации примесей в воде методом лазерной спектроскопии с калибровкой по комбинационному рассеянию. Докл. АН СССР, 1978, т.238, №2, с.320-323.
  • Фадеев В.В. Лазеры в океанологии. Природа, 1978, №9, с.54-59. / Фадеев В.В. Дистанционное лазерное зондирование фотосинтезирующих организмов. Квантовая электроника, 1978, №10, с.2221-2226.
  • Фадеев В.В., Чубаров В.В. Количественное определение нефтепродуктов в воде методами лазерной флуориметрии. Докл. АН СССР, 1981, т. 261, N2, с.342-346.
  • Беккиев А.Ю., Гоголинская Т.А., Фадеев В.В. Одновременное определение температуры и солености морской воды методом лазерной КР спектроскопии. Докл. АН СССР, 1983, т.271, №4, с.849-853.
  • Аброскин А.Г., Нольде С.Е., Фадеев В.В., Чубаров В.В. Определение концентрации эмульгированно-растворенных в воде нефтей методом лазерной флуоримтерии. ДАН СССР, 1988, т. 299, №2, с.351-354.
  • Глушков С.М., Панчишин И.М., Фадеев В.В. Спектры КР при фазовом переходе вода-лед и лазерная диагностика гетерофазных водных систем. Квантовая электроника, 1989, т.16, №4, с.843-852.
  • Фадеев В.В., Бунин Д.К., Венедиктов П.С. Методы лазерного мониторинга фотосинтезирующих организмов (обзор). Квантовая электроника, 1996, т.23, №11, с.963-973.
  • Буриков С.А., Климов Д.В., Литвинов П.Н., Маслов Д.В., Фадеев В.В. Лидар берегового базирования для мониторинга прибрежных морских акваторий. Квантовая электроника, 2001, т.31, №8, с.745-750.

К 1980 году в процессе создания и применения методов лазерной спектроскопии водных сред в лаборатории выкристализовалось научное направление «лазерная флуориметрия сложных органических соединений»: постепенно пришло понимание того, что при использовании лазеров во флуоресцентной спектроскопии большой научный и практический интерес представляет не столько возможность осуществлять дистанционное зондирование водных объектов, сколько реализация нелинейного режима возбуждения флуоресценции сложных органических соединений и возможность измерения кинетики флуоресцентного отклика с нано- и пикосекундным разрешением. Наиболее актуален этот подход в исследовании и диагностике природных органических соединений и, особенно, живых организмов, для изучения которых традиционные методы спектроскопии зачастую оказываются неприменимыми, в силу отсутствия необходимой для них априорной информации. Акцент на изучении фотофизических процессов именно в этих объектах с применением методов лазерной флуориметрии привёл к формированию в лаборатории научного направления «лазерная биофотоника», о содержании которого можно судить по спектру задач, решаемых в лаборатории в настоящее время (см. ниже). Новые методические подходы лазерной люминесцентной спектроскопии стали применяться в лаборатории и для решения задач физической химии (в частности, для исследования структуры координационных соединений лантанидов и актинидов).

Ключевые публикации:

  • Фадеев В.В., Чекалюк А.М., Чубаров В.В. Нелинейная лазерная флуориметрия сложных органических соединений. Докл. АН СССР, 1982, т.262, №2, с.338-341.
  • Фадеев В.В. Нелинейная флуориметрия как метод диагностики природных органических комплексов. Вестник МГУ. Сер.3. Физика, астрономия. 1998, № 4, с.49-58.
  • Банишев А.А., Ширшин Е.А., Фадеев В.В. Определение фотофизических параметров молекул триптофана методами лазерной флуориметрии. Квантовая электроника, 2008, т.28, с. 76-80.
  • A.A. Banishev, E.A. Shirshin, V.V. Fadeev. Laser fluorimetry of proteins containing one and two tryptophan residues. Laser Physics, 2008, v. 18, № 7, pp. 861-867.
  • Ширшин Е.А., Банишев А.А., Фадеев В.В. Локализованные донорно-акцепторные пары флуорофоров: определеие скорости переноса энергии методом нелинейной флуориметрии. Письма в ЖЭТФ, 2009, т.89, №10, с.567-570.
  • A. A. Banishev, E. A. Shirshin, V. V. Fadeev. Determination of photophysical parameters of red fluorescent protein mrfp1 under ultraviolet excitation by methods of laser fluorimetry. Applied optics, 2010, v. 49, № 34, pp. 6637–6644
  • Gorbunov M. Y., Kouzminov F. I., Fadeev V. V., Kim J. D., Falkowski P. G. A kinetic model of non-photochemical quenching in cyanobacteria. Biochemical Biophysical Acta, 2011, v. 1807, № 12, рр. 1591-1599.
  • V. V. Fadeev, M. Y. Gorbunov, T. S. Gostev. Studying photoprotective processes in the green alga Chlorella pyrenoidosa using nonlinear laser fluorimetry. J. of Biophotonics, 2012, v. 5, № 7,pp. 502-507.
  • V.V. Fadeev, E.A. Shirshin. Nonlinear laser flurescence spectroscopy of natural organic compounds. Chapter 30 in: «Handbook of Coherent-Domain Optical Metods: Biomedical Diagnostics, Enviromental Monitoring, and Material Science», edited by V.V. Tuchin . Springer Science+Business Media New York, 2013, pp. 1255-1288.
  • G. Budylin, E. Shirshin, V. Fadeev, V. Petrov, S. Kalmykov. Laser-induced fluorescence of uranyl complexes in aqueous solutions: the role of diffusion-controlled excited states annihilation. Optics express, 2013, v. 21, № 18, pp. 20517-20528.

Лаборатория успешно участвует в конкурсах на получение грантов: получено 5 грантов на выполнение междисциплинарных (межфакультетских) проектов МГУ; более 30 грантов международных фондов (INTAS, CRDF, NATO), РФФИ, Минобрнауки, из них в настоящее время (2014 г.) лаборатория выполняет исследования по 4 грантам.

В лаборатории подготовлена одна докторская и 30 кандидатских диссертаций, более 100 дипломных работ.

Все выпускники лаборатории состоялись как высококвалифицированные специалисты – одни в области физики, другие нашли себя в других сферах деятельности. Они успешно трудятся - на нашей кафедре (Т. Доленко, С. Буриков, Е. Ширшин), в других подразделениях МГУ (в частности, И. Панчишин и С. Пацаева – на кафедре общей физики), в институтах РАН, в фирмах научно-технического профиля, в зарубежных университетах и институтах (в частности, Р. Дорсенвиль и М. Горбунов - профессора американских университетов, Ю. Ладеманн - профессор Берлинского университета); один из первых выпускников лаборатории А. Антипов долгие годы был зам. главного редактора журнала «Природа», а доктор физ.-мат. наук А. Беккиев -директором Высокогорного геофизического института, затем начальником управления министерства науки РФ. Этот список можно было бы продолжить. Знаменательно сделанное недавно высказывание выпускника лаборатории Г. Рубина: «Я добился быстрого успеха в приборостроительном бизнесе в Канаде, в условиях жёсткой конкуренции, только благодаря великолепной подготовке, которую получил на кафедре квантовой электроники МГУ, в лаборатории лазерной спектроскопии водных сред».

Научные задачи, решаемые в лаборатории в настоящее время (2014 год)

Задачи из области лазерной биофотоники и медицинской физики:

1. Исследование – оптическими методами - конформационных изменений белков плазмы крови, сопутствующих патологическим процессам в организме (при заболевании диабетом, оксидативном стрессе, воздействии патогенных факторов). Формирование интегральных фотофизических параметров для диагностики патологических процессов на молекулярном и клеточном уровнях.

2. Исследование - оптическими методами – процессов комплексообразования транспортного белка плазмы крови – альбумина с актуальными для функционирования живого организма лигандами (порфирином, глюкозой, металлами, лекарственными препаратами, токсикантами).

3. Исследования, направленные на создание методов флуоресцентной диагностики раковых тканей.

4. Исследование природы сигнального состояния фотосенсорных белков и динамики изменения их структурных и фотофизических характеристик при фотоактивации.

5. Разработка оптических методов исследования характеристик фибриллярных наноструктур.

Применение методов лазерной спектроскопии для решения задач физической химии:

6. Выявление связи структурных и фотофизических характеристик координационных соединений урана(VI).

7. Разработка оптических методов для контроля технологических процессов с участием актинидов и лантанидов, в частности, экстракции редкоземельных элементов органическими лигандами.

8. Исследование динамики изменения фотофизических свойств гуминовых веществ в процессе синтеза коллоидных наночастиц золота. Разработка гибридных структур на основе металлических наночастиц для детектирования экотоксикантов.

Применение методов лазерной спектроскопии в исследованиях и диагностике природных и технологических водных сред и их компонентов:

9. Исследование механизмов фотофизических процессов в цианобактериях – древнейших водных фотосинтезирующих организмах.

10. Исследование природы полосы флуоресценции водного растворённого органического вещества (РОВ).

11. Исследование фотофизических процессов, формирующих спектры флуоресценции координационных соединений радионуклидов в природных водах.

Более подробную информацию о лаборатории лазерной спектроскопии водных сред и лазерной биофотоники можно найти на сайте лаборатории.