• Экспериментальное и теоретическое исследование электрических и механических свойств различных жидкостей акустическими методами
  Руководители направления
  

  Зайцев Борис Давыдович г.н.с., д.ф.-м.н, профессор эл. почта: [email protected]
  Бородина Ирина Анатольевна в.н.с., к.ф.-м.н., эл. почта: [email protected]

  
  

  Проводятся экспериментальные исследования жидкостей с разными характеристиками (вязкостью, проводимостью, диэлектрической проницаемостью) с помощью акустических датчиков на основе резонаторов и линий задержки из пьезоэлектрических пластин. Ведутся эксперименты по обнаружению вирусов, бактерий и антител в жидких средах с различной электрической проводимостью. Определение жизнеспособности вирусов и бактерий, а также их чувствительность/резистентность по отношению к различным антибиотикам с помощью различных акустических систем.
  На рис. 1 представлена установка, состоящая из измерителя S – параметров E5071C “Agilent” и разработанного биологического датчика на основе щелевой моды в акустической линии задержки для анализа бактерий и вирусов в водных растворах с различной проводимостью. Исследования показали, что внесение специфичных реагентов в раствор с бактериями или вирусами приводит к изменению глубины и частоты резонансных пиков на частотной зависимости вносимых потерь датчика, что позволяет сделать вывод о наличии/отсутствии исследуемых бактериальных клеток или вирусов в анализируемом растворе. Время анализа не превышает 10 мин.

  

  Рис. 1. Установка для экспериментального исследования вирусов и бактерий в жидкостях, включающая измеритель S-параметров E5071C и акустический датчик на основе щелевой моды.

  На рис. 2а представлена схема разработанного биологического датчика на основе резонатора с поперечным возбуждающим электрическим из ниобата лития для анализа микробных клеток и определению их чувствительности/резистентности к антибиотикам. Для работы датчик подключается к измерителю LCR – параметров 4285A “Agilent” (рис. 2б).

  

  Рис. 2. (а) - Схема датчика на основе резонатора с поперечным электрическим полем из плпстины ниобата лития X среза; (б) – Измеритель LCR – параметров 4285A “Agilent”

  На рис. 3 представлен разработанный компактный аппаратно-программный комплекс для измерения электрической проводимости и вязкости жидкости на основе пьезоэлектрического резонатора с поперечным возбуждающим электрическим полем. Исследовано влияние проводимости и вязкости жидкости на характеристики резонатора. Показана возможность использования данного устройства для анализа биологических объектов (бактерий, вирусов, антител) в жидкой фазе

  

  Рис. 3. (a) – Внешний вид компактного анализатора жидкостей; (b) – жидкостный датчик, основанный на резонаторе с поперечным электрическим полем.

  На рис. 4 представлены разработанные излучатель и приемник акустической волны в жидкости на основе акустической антисимметричной моды нулевого порядка, распространяющейся в пластине 128-Y-X ниобата лития. Указанные устройства могут быть использованы для определения скорости потока и уровня воды в различных каналах.

  

  Рис. 4. Излучатель и приемник акустической волны в жидкости на основе акустической антисимметричной моды нулевого порядка, распространяющейся в пластине 128-Y-X ниобата лития.

• Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик различных акустических элементов линий задержки на объемных, пластинчатых, поверхностных и щелевых волнах и пьезоэлектрических резонаторов различных типов
  Руководители направления
  
  

  Зайцев Борис Давыдович г.н.с., д.ф.-м.н, профессор эл. почта: [email protected]
  Теплых Андрей Алексеевич с.н.с., к.ф.-м.н., эл. почта: [email protected]

  
  

  Проводятся теоретические и экспериментальные исследования различных характеристик пьезоэлектрических материалов и структур (модуль упругости, коэффициент вязкости, пьезоконстанты, диэлектрическая проницаемость и др.). Создана программа на основе метода конечных элементов, позволяющая анализировать электрические и акустические поля в резонаторах с поперечным электрическим полем.

  

  Рис. 5. Схема резонатора с поперечным возбуждающим электрическим полем (а); Распределение компонент механического смещения (b-d) и электрического потенциала (e) резонатора.

  Разработаны методы определения электрических и механических характеристик тонких слоев, нанесенных на свободную сторону пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем. Методом акустической спектроскопии определены модули упругости и коэффициент вязкости пленки ацетата хитозана, нанесенной на пьезоэлектрический резонатор с продольным электрическим полем, при различных концентрациях аммиака и паров воды в воздухе.
  Предложен и детально исследован новый тип пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем с радиальными электродами и показана его перспективность для создания датчиков жидкости (рис. 6).

  

  Рис. 6. (а) - Геометрия электродов резонатора с радиальными электродами на одной стороне диска из пьезокерамики: 1 – внутренний электрод, 2 – внешний электрод, 3 – пьезокерамика; (б) – Измерительная установка, включающая анализатор импедансов E4990А “Keysight Technologies” и разработанный резонатор с радиальными электродами.

• Создание различных акустических устройств и их экспериментальное исследование в контакте с различными жидкостями, включая реологические
  Руководители направления
  
  

  Зайцев Борис Давыдович г.н.с., д.ф.-м.н, профессор эл. почта: [email protected]
  Семёнов Александр Павлович с.н.с., к.ф.-м.н., эл. почта: [email protected]

  
  

  Исследуется влияние суспензий, состоящих из вязкой жидкости и микрочастиц твердых материалов на характеристики пьезоэлектрических резонаторов с продольным электрическим полем. Определены коэффициенты вязкости и модули упругости суспензий путем фитинга теоретических частотных зависимостей реальной и мнимой частей электрического импеданса резонатора, нагруженного исследуемой жидкостью, к экспериментальным. Указанные теоретические зависимости построены с помощью метода эквивалентных схем.

  

  Рис. 7. Зависимость продольного модуля упругости C₁₁^s образцов суспензий от объемной концентрации частиц синтетического алмаза с размером частиц 1 – 2 мкм, полученная путем фитинга теории к эксперименту (синий цвет). Зависимости, представленные зеленым и оранжевым цветами, получены из известных уравнений Р. Урика и A. Вуда, соответственно.

  

  Рис. 8. Зависимость продольного модуля упругости C₁₁^s образцов суспензий от объемной концентрации частиц синтетического алмаза с размером частиц 1 – 2 мкм, полученная путем фитинга теории к эксперименту (синий цвет). Зависимости, представленные зеленым и оранжевым цветами, получены из известных уравнений Р. Урика и A. Вуда, соответственно.

• Разработан новый биологический датчик на основе щелевой моды в акустической линии задержки для бесконтактного экспресс-анализа бактериальных клеток в проводящих суспензиях. В этом датчике жидкостной контейнер, основание которого было выполнено из пластины ниобата лития, располагался над линией задержки с заданной шириной зазора. Возбуждение щелевой моды в данном устройстве характеризовалось появлением резонансных пиков поглощения на частотной зависимости вносимых потерь линии задержки. Установлено, что специфическое взаимодействие бактериальных клеток с антителами в суспензиях с разной проводимостью приводило к изменению глубины и частоты указанных резонансных пиков. Показана возможность анализа бактериальных клеток в суспензиях с концентрацией 10⁴ – 10⁸ кл/мл. Конструкция нового датчика позволяет легко и качественно очищать контейнер от отработанной клеточной суспензии и использовать несколько жидкостных контейнеров с одной линией задержки для ускорения анализа различных образцов суспензии. Время анализа не превышало 10 мин.

  

  Схематическое изображение датчика на основе щелевой моды в акустической линии задержки (а); Частотные зависимости вносимых потерь датчика до (черная кривая) и после (розовая кривая) добавления к суспензии микробных клеток специфичных антител.

  Публикации:
  
  • Borodina I.A., Zaitsev B.D., Burygin G.L., Guliy O.I., Sensor based on the slot acoustic wave for the non-contact analysis of the bacterial cells – antibody binding // Sensors and Actuators B-Chemical. 2018. Vol. 268. pp. 217-222

• Разработан новый биологический датчик на основе резонатора, выполненного из отрезка прямоугольного волновода с поперечными размерами 28.5×12.6 мм². С одной стороны, резонатор ограничен металлической стенкой, с другой - пластиной из ниобата лития с пористой пленкой полистирола, содержащей иммобилизованные бактериальные клетки Escherichia coli K-12. Показано, что добавление водного раствора ампициллина в количестве 4-50 мкг/мл к иммобилизованным клеткам приводит к изменению коэффициента отражения в пределах -10.15 – -15.09 дБ. При этом резонансная частота меняется в диапазоне 8.06 – 8.068 ГГц. Установлено, что иммобилизованные клетки в пленке полистирола сохраняют свою активность в течение 4 месяцев при температуре 4°С. Разработанный датчик может быть использован для обнаружения β-лактамных антибиотиков в жидких средах.

  

  Схема детекторной системы: секция прямоугольного волновода (1), пластина ниобата лития (2), чувствительный слой (3), направляющие для точной ориентации пластины ниобата лития(4), коаксиально – волноводный переход (5).

  

  Частотные зависимости коэффициента отражения S₁₁ для резонатора с иммобилизованными клетками до (0) и после добавления пенициллина в количестве 4 мкг/мл (1), 10 мкг/мл (2), 25 мкг/мл (3), и 50 мкг/мл (4).

  Публикации:
  
  • О.I. Guliy, B.D. Zaitsev, A.V. Smirnov, O.A. Karavaeva, I.A. Borodina, Sensor for the ampicillin activity assays based on the microwave electrodynamic resonator // Biosensors and Bioelectronics. 2019. vol. 130. pp. 95–102

• Методом акустической спектроскопии определены модули упругости и коэффициент вязкости пленки ацетата хитозана, нанесенной на пьезоэлектрический резонатор с продольным электрическим полем, при различных концентрациях аммиака и паров воды в воздухе. Установлено, что продольный и сдвиговый модули упругости уменьшаются на порядок с увеличением концентрации аммиака от 100 до 1600 ppm, а при изменении влажности в пределах 20-65% остаются практически неизменными. Вязкость пленки и ее проводимость в обоих случаях существенно увеличиваются. Экспериментальное исследование резонатора с поперечным электрическим полем, нагруженного пленкой хитозана ацетата, показало, что рост концентрации аммиака и влажности воздуха в указанных выше пределах приводит к уменьшению максимального значения действительной части электрического импеданса на 38 и 9%, соответственно. Результаты теоретического анализа резонансных свойств этого резонатора в присутствии аммиака и паров воды с учетом изменения упругих модулей, коэффициента вязкости и проводимости пленки хитозана оказались в хорошем количественном соответствии с экспериментальными данными.

  

  Схема газовой камеры: 1 – корпус камеры, 2 – герметичная крышка, 3 – резонатор, 4 – пленка хитозана ацетата, 5 – твердое основание, 6 – низкоимпедансное основание, 7 – легкоиспаряемая жидкость в контейнере, 8 – электроды для анализатора импедансов.

  

  Зависимости продольного c₁₁ (кривая 1) и поперечного c44 (кривая 2) модулей упругости и фактора вязкости η (кривая 3) пленки хитозана ацетата от концентрации аммиака.

  

  Зависимости продольного c₁₁ (кривая 1) и поперечного c44 (кривая 2) модулей упругости и фактора вязкости η (кривая 3) пленки хитозана ацетата от влажности.

  Публикации:
  
  • Boris D. Zaitsev, Andrey A. Teplykh, Fedor S. Fedorov, Artem K. Grebenko, Albert G. Nasibulin, Alexander P. Semyonov, and Irina A. Borodina, Evaluation of Elastic Properties and Conductivity of Chitosan Acetate Films in Ammonia and Water Vapors Using Acoustic Resonators // Sensors. 2020. Vol. 20, 2236

• Разработан биологический датчик на основе резонатора с поперечным электрическим полем из керамики ЦТС-19. Показана возможность анализа микробных клеток в водных растворах с проводимостью 4.5–1000 мкСм/см, а также в водопроводной и питьевой воде. Нижний предел обнаружения микробных клеток составил 10³ кл/мл, время анализа не превышало 4 мин. Проведенные эксперименты с неспецифическими антителами показали, что их добавление к суспензии клеток не приводит к изменению аналитического сигнала датчика. Это подтверждает возможность не только обнаруживать, но и идентифицировать микробные клетки в суспензиях.

  

  Схема датчика: 1 – пластина из керамики ЦТС – 19, 2 – электроды, 3 – жидкостный контейнер, 4 – герметик, 5 – суспензия бактериальных клеток (а). Зависимости изменения резонансного значения реальной части электрического импеданса датчика ΔR_max от концентрации бактериальных клеток A. brasilense Sp7 для резонансных пиков вблизи частоты 68.7 kHz (кривая 1), вблизи частоты 97.8 kHz (кривая 2) и вблизи частоты 264 kHz (кривая 3). Концентрация добавляемых антител рана 4 мкг/мл (б)

  Публикации:
  
  • Irina Borodina, Boris Zaitsev, Andrey Teplykh, Gennady Burygin and Olga Guliy. Sensor Based on PZT Ceramic Resonator with Lateral Electric Field for Immunodetection of Bacteria in the Conducting Aquatic Environment // Sensors. 2020. Vol. 20, 3003

• Экспериментально и теоретически исследовано влияние проводимости жидкости, контактирующей с пьезоэлектрическим резонатором с поперечным электрическим полем на основе пьезокерамики ЦТС-19, на его характеристики. Частотные зависимости действительной и мнимой частей электрического импеданса резонатора показали существование трех резонансов на частотах 68, 98 и 264 кГц со значениями коэффициента электромеханической связи 12%, 14% и 6.5%, соответственно. Высокие значения коэффициента электромеханической связи и отсутствие нормальной к поверхности пьезопластины компоненты механического смещения, вызывающей радиационные потери в жидкости, обусловили высокую чувствительность параметров резонатора к изменению проводимости жидкости. Увеличение проводимости от 4 до 10000 мкСм/см приводит к уменьшению максимального значения реальной части электрического импеданса на 90%. Экспериментальные результаты для каждого резонанса оказались в хорошем соответствии с теоретическими данными, полученными методом эквивалентных схем.

  

  Частотные зависимости действительной части электрического импеданса резонатора из керамики ЦТС-19 с пустым контейнером (а); Частотные зависимости реальной части электрического импеданса резонатора для резонансных пиков на частоте 68.7 кГц (б) при контакте резонатора с жидкостью с проводимостью 3.2, 11, 50, 115 и 9000 мкСм/см.

  Публикации:
  
  • I.A. Borodina, B.D. Zaitsev, A.A. Teplykh. Influence of the conductivity of a liquid contacting with a lateral electric field excited resonator based on PZT ceramics on its characteristics. Ultrasonics. 2020. Vol.102, 106059

• Разработан новый метод быстрого обнаружения коронавирусов на примере вируса трансмиссивного гастроэнтерита (TGEV) непосредственно в водных растворах с различной проводимостью. Для проведения измерений использовали датчик на основе щелевой моды в акустической линии задержки. Показано, что внесение специфичных антител в раствор с вирусом приводит к изменению глубины и частоты резонансных пиков на частотной зависимости вносимых потерь датчика, что позволяет сделать вывод о наличии/отсутствии исследуемых вирусов в анализируемом растворе. Продемонстрирована возможность определения вируса в водных растворах с проводимостью от 1.9 до 900 мкСм/см в присутствии посторонних вирусных частиц. Время анализа не превышает 10 мин.

  

  Схема эксперимента по определению вируса трансмиссивного гастроэнтерита (TGEV) в водных растворах с различной проводимостью с использованием датчика на основе щелевой моды в акустической линии задержки

  Публикации:
  
  • Guliy O., Zaitsev B., Teplykh A., Balashov S., Fomin A., Staroverov S., Borodina I.A. Acoustical slot mode sensor for the rapid coronaviruses detection // Sensors. 2021. vol. 21. #5. p.1822

• Разработан и создан новый сенсорный элемент на основе пьезоэлектрического резонатора с радиальным возбуждающим электрическим полем для определения электрических и механических свойств различных пленок и жидкостей. На одной стороне пьезокерамического диска из керамики ЦТБС расположены электроды виде кольца и круга с некоторым зазором, а вторая сторона остается свободной для контакта с исследуемым объектом. Рассчитано акустическое и электрическое поле внутри резонатора для ряда радиальных, изгибных и толщинных типов колебания и найдены зависимости резонансной частоты, добротности и коэффициента электромеханической связи от размеров электродов. Определены упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические постоянные пьезокерамики путем фитинга теоретической частотной зависимости модуля электрического импеданса к экспериментальной.

  

  Зависимости частоты параллельного (1) и последовательного (2) резонансов для изгибной моды нулевого (первый рисунок) и первого (второй рисунок) порядков.

  Публикации:
  
  • Teplykh A.A., Zaitsev B.D., Semyonov A.P., Borodina I.A. The radial electric field excited circular disk piezoceramic acoustic resonator and its properties // Sensors. 2021. vol. 21. #2, p. 608.

• Показана возможность обнаружения коронавирусов на примере вируса трансмиссивного гастроэнтерита (TGEV) непосредственно в водных растворах с помощью датчика на основе пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем. Внесение специфичных антител в водный раствор с вирусами приводит к изменению электрического импеданса резонатора, что свидетельствует о наличии исследуемых вирусов в анализируемом растворе. Продемонстрирована возможность определения вирусов в присутствии посторонних вирусных частиц. Время анализа не превышает 10 мин.

  

  Частотные зависимости реальной (а) и мнимой (б) частей электрического импеданса резонатора, когда жидкостный контейнер содержит: суспензию TGEV без антител (1); суспензию TGEV со специфическими антителами (мкл/мл): 2.5 (2); 5 (3); 10 (4); 12.5 (5); 15 (6). Зависимости изменения реальной (в) и мнимой (г) частей электрического импеданса на частоте 6.5 МГц от количества антител, добавляемых к суспензии вирусов.

  Публикации:
  
  • O.I. Guliy, B.D. Zaitsev, A.P. Semyonov, O.A. Karavaeva, A.S. Fomin, A.M. Burov, S.A. Staroverov, I.A. Borodina, Sensor system based on a piezoelectric resonator with a lateral electric field for viruses diagnostics // Ultrasound in Medicine & Biology, Vol. 48, Issue 5, 2022, pp. 901-911

• Разработан метод определения вязкости, диэлектрической проницаемости и модуля упругости жидкостей с помощью пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем. Метод основан на фитинге частотной зависимости модуля электрического импеданса, рассчитанного с помощью модифицированной электромеханической схемы Мэзона, к измеренной зависимости для резонатора, нагруженного исследуемой жидкостью. Метод испытан на смеси вода - глицерин с различным содержанием глицерина.

  

  Зависимость скорости продольной акустической волны в смеси «вода – глицерин» от концентрации глицерина

  

  Зависимость продольной компоненты вязкости смеси «вода – глицерин» от концентрации глицерина

  

  Зависимость диэлектрической проницаемости смеси «вода – глицерин» от концентрации глицерина

  Публикации:
  
  • Zaitsev B.D., Borodina I.A., Teplykh A.A., Compact liquid analyzer based on a resonator with a lateral excitation electric field // Ultrasonics. 2022. vol. 126, 106814

• Показана возможность определения антибиотиков в водной среде с помощью акустического биологического датчика на основе пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем. В качестве чувствительного биологического элемента использовалась суспензии бактериальных клеток с разной степенью чувствительности к антибиотикам (канамицин, хлорамфеникол). Для анализа хлорамфеникола использовался компактный анализатор импеданса на основе резонатора с поперечным электрическим полем, включающий цифровой генератор сигнала и управляющий микроконтроллер, который сопрягается с персональным компьютером. Нижний предел определения хлорамфеникола и канамицина оказался равным 0.5 и 1 мкг/мл, соответственно, при времени анализа не более 10 мин.

  

  Частотные зависимости модуля электрического импеданса Z для суспензии бактериальных клеток E. coli K-12 cells до (кривая 1) и после (кривая 2) добавления хлорамфеникола с концентрацией (мкг/мл): (a) – 0.5; (b) – 2.5; (c) – 5; (d) – 10; (e) – 12; (f) – 15.

  Публикации:
  
  • B. Zaitsev, I. Borodina, A. Alsowaidi, O. Karavaeva, A. Teplykh and O. Guliy, Microbial Acoustical Analyzer for Antibiotic Indication // Sensors. 2022. vol. 22, 2937
  • O.I. Guliy, B.D. Zaitsev, A.P. Semyonov, A.К.M. Alsowaidi, A.A. Teplykh, O. A. Karavaeva, I.A. Borodina, Microbial acoustic sensor test-system based on a piezoelectric resonator with a lateral electric field for kanamycin detection in liquid // Ultrasonics. 2022. vol. 120, 106651

Выполняемые гранты: - Грант РНФ № 23-22-00134 Теоретическое и экспериментальное исследование пьезоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем, нагруженных вязкой и проводящей жидкостью, с целью разработки измерителей параметров жидкости нового поколения (2023-2024)
- Грант РНФ № 22-29-00587 Акустические микробные сенсорные системы для определения антибиотиков в проводящих растворах (2022-2023)
- Грант РНФ № 21-49-00062 Исследование характеристик жидких суспензий при помощи акустоэлектронных технологий и разработка нового поколения сенсоров (2021-2023)
- Грант РФФИ № 20-07-00602 Теоретическое и экспериментальное исследование акустических колебаний в дисковых пьезокерамических резонаторах с радиальным возбуждающим полем и разработка метода определения акустических и электрических параметров пленок на основе широкополосной акустической резонансной спектроскопии (2020-2022)
- Грант РФФИ № 19-07-00304а Разработка новых принципов создания акустических биологических анализаторов нового поколения для быстрого определения концентрации и жизнеспособности бактериальных клеток в жидкой фазе для биосенсорных информационных систем (2019-2021)
- Грант РФФИ № 19-07-00300а Исследование характеристик пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем, контактирующего с газочувствительным слоем конечной толщины на основе хитозана в присутствии различных газов, с целью разработки газовых датчиков нового поколения (2019-2021)
- Грант РФФИ № 16-07-00818а Разработка новых методов детекции и анализа бактериальных клеток в проводящих суспензиях на основе акустических волн в пьезоэлектрических пластинах и структурах для биосенсорных информационных систем (2016-2018)
- Грант РФФИ №1 6-07-00821а Разработка новых принципов создания газовых анализаторов на основе матрицы пьезоэлектрических резонаторов с поперечным возбуждающим электрическим полем для информационных систем мониторинга окружающей среды (2016-2018)
- Грант РФФИ № 16-07-00984а Разработка нового метода определения полного набора упругих констант пьезокерамики по измеренным частотным зависимостям реальной и мнимой частей электрического импеданса пьезоэлектрического резонатора на ее основе (2016-2018)
- Грант РФФИ № 16-07-00629а Обратные акустические волны в пьезоэлектрических и пьезополупроводниковых пластинах и анализ возможности разработки новой электронной компонентной базы на их основе (2016-2018)

Научная коллаборация:
Работа по разработке и созданию новых акустических датчиков жидкости и газов ведутся совместно с сотрудниками Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского. При тесном сотрудничестве с Институтом биохимии и физиологии растений и микроорганизмов, ФИЦ «Саратовский научный центр РАН» (ИБФРМ РАН) ведется совместная работа с по разработке новых акустических сенсорных систем для обнаружения вирусов в водных растворах, анализу и оценке жизнеспособности бактерий, а также по определению их чувствительности/резистентности по отношению к различным антибиотикам.