eng
Выпуск #3/2017
А.Вахтель, Д.Кравцов, М.Нехин
Раман-спектрометр с кодирующей апертурой: новые рынки для известной технологии
Раман-спектрометр с кодирующей апертурой: новые рынки для известной технологии
Просмотры: 2269
DOI: 10.22184/2227-572X.2017.34.3.10.18
Рассказывают директор по маркетингу ООО "Кода Девайсез" Алексей Вахтель, руководитель проекта Дмитрий Кравцов и генеральный директор ООО "Найтек Инструментс" Михаил Нехин
Этого не может быть, потому что если бы это было так, то означало бы, что мы видим, как "говорит" молекула.
Реплика неизвестного физика на первом докладе Г.С.Ландсберга
об открытии эффекта комбинационного рассеяния
на московском оптическом семинаре 27 апреля 1928 года*.
Метод рамановской спектроскопии, или спектроскопии комбинационного рассеяния (СКР) трудно назвать новым. Почти 90 лет назад, 21 февраля 1928 года эффект комбинационного рассеяния света обнаружили Леонид Исаакович Мандельштам и Григорий Самуилович Ландсберг в Москве, а неделю спустя – Чандрасекхара Венката Раман и Кариаманиккам Сриниваза Кришнан в Калькутте. СКР стала привычным инструментом для лабораторных исследований, воплощенным в приборах многих ведущих компаний. Однако в классе портативных приборов, ориентированных на экспресс-анализы, рамановская спектроскопия пока не заняла подобающего ему места.
Изменить эту ситуацию – такова миссия российской компании "Кода Девайсез". Как именно совсем молодая фирма решает столь сложную задачу – наш разговор с руководителем этого проекта и сооснователем компании Дмитрием Кравцовым, директором по маркетингу ООО "Кода Девайсез" Алексеем Вахтелем и генеральным директором АО "Найтек Инструментс" Михаилом Нехиным.
"Кода Девайсез" – совершенно новое имя на российском рынке. Какова история компании?
А.Вахтель Действительно, "Кода Девайсез" – это очень молодая компания, но возникла она не на пустом месте. В начале 2000-х группа ученых Университета Дьюка из "исследовательского треугольника" в штате Северная Каролина (США) разработала метод применения кодирующей апертуры в оптических спектрометрах. Такой подход был известен и ранее, М.Голей описал его в 1951 году, попытки использовать кодирующие апертуры в спектрометрии предпринимались с конца 1950-х годов. Но тогда от них отказались из-за недостаточной чувствительности фотодетекторов. Тем не менее, кодирующие апертуры активно используют в гамма- и рентгеновской астрономии, в ЯМР-системах. Но в оптической спектрометрии о них забыли на десятки лет. Ситуация изменилась в конце 1990-х годов с появлением относительно дешевых и чувствительных ПЗС-матриц. Ученые из университета Дьюка вспомнили об этом методе и сделали несколько пилотных устройств, на которых получили качественные спектры. Оказалось, что оптические спектрометры на основе кодирующих апертур демонстрируют результаты не хуже, чем традиционные приборы.
Коммерциализацией данной технологии Университет Дьюка занялся совместно с российским венчурным фондом Quantum Wave Fund, затем присоединился и Российский квантовый центр. Напомню, Quantum Wave Fund – венчурный фонд, созданный российскими инвесторами. В России и за рубежом он инвестирует в высокотехнологические стартап-компании, создающие инновационные аппаратные решения. Российский квантовый центр – это российская научно-исследовательская организация, занимающаяся изучением, разработкой и коммерциализацией технологий на базе квантовой оптики и квантовых технологий.
Изначально коммерциализация технологии, разработанной в Университете Дьюка, началась на рынке США – самом крупном рынке решений на базе рамановской спектроскопии. За последние пять лет было продано порядка 150 компактных, помещающихся в небольшом чемодане, аналитических комплексов для проведения экспрессных анализов на основе СКР. География их пользователей простирается от США и стран Юго-Восточной Азии до Австралии и Новой Зеландии.
По иронии судьбы, среди клиентов не было россиян. И вот в 2015 году мы приняли решение исправить этот недостаток и открыть исследовательский и производственный центр в нашей стране. Поскольку компания "Кода Девайсез" небольшая, около 15 сотрудников в России и США, нам сложно организовывать собственную глобальную сеть продаж. Поэтому мы сосредоточились на поиске региональных партнеров. Одним из них стала компания "Найтек Инструментс". Она обладает большим опытом работы в области рамановской спектроскопии и сможет быстро использовать конкурентные преимущества наших приборов для их продвижения на рынок России и стран СНГ.
В чем особенность технологии кодирующей апертуры, какие преимущества она дает?
А.Вахтель Само название компании "Кода" означает "кодирующая апертура". Это – сердце наших приборов. Чтобы понять особенность данной технологии, давайте посмотрим на схему обычного рамановского спектрометра. В нем на исследуемый образец направляется возбуждающее лазерное излучение. Рассеянный сигнал от образца фокусируется на узкую щель. Она играет роль источника, от которого свет через коллиматор попадает на дифракционную решетку (или другой диспергирующий элемент), и затем – на линейный детектор.
В нашем случае вместо одиночной щели используется матрица отверстий – кодирующая апертура. И на дифракционную решетку, а затем и на детектор (на основе ПЗС-матрицы) поступают сигналы от множества щелей. Конечно, спектральные изображения от отдельных щелей будут накладываться. На детекторе мы получим сложный сигнал, и восстановить исходный образ, казалось бы, нереально. Однако здесь можно использовать свойства дискретных взаимно ортогональных последовательностей, в частности – матриц Адамара. Формируя матрицу апертур по такому принципу, из композитного сигнала на фотодетекторе с помощью обратного преобразования Адамара можно восстановить интенсивность для каждой длины волны, то есть восстановить оптический спектр.
Конечно, это лишь теория, реальный алгоритм обработки достаточно сложен, с учетом того, что приходится иметь дело с некорректно поставленной задачей. Однако прикладная математика и, самое главное, вычислительная техника достигли такого уровня, что даже сложные алгоритмы теперь работают быстро. А мы знаем как сделать их еще быстрее за счет программно-аппаратных решений.
Выигрыш такого подхода очевиден – поскольку на фотодетектор падает поток не от одного, а от множества источников, увеличивается светосила спектрального прибора. Соответственно, растет соотношение сигнал / шум. Значит, можно либо существенно увеличить чувствительность прибора, либо, при той же чувствительности, уменьшить себестоимость ПЗС-матрицы. В результате при тех же характеристиках приборы оказываются в два-три раза дешевле аналогов.
Этот принцип реализован в конкретных приборах?
А.Вахтель Именно так построены приборы "Кода Девайсез", которые уже продаются на рынке, и которые мы продвигаем в России и по всему миру. Сейчас мы предлагаем две модели. Наше базовое изделие – настольный рамановский спектрометр CDI 1BT. Этот небольшой и легкий прибор (16,5 × 28 × 9 см, 5,3 кг) обладает всеми возможностями современных компактных спектрометров комбинационного рассеяния. Он оснащен лазерным источником с длиной волны 785 нм и способен регистрировать рамановские спектры в диапазоне 500–1 800 см–1 с исключительно высоким – для портативных устройств – спектральным разрешением 6–8 см–1. Измерение длится порядка 15 с, при этом можно идентифицировать до четырех компонентов смеси с пределами обнаружения на уровне единиц процентов (до 10%).
Прибор предназначен для измерения спектров различных образцов – твердых и жидких, геле- и порошкообразных. Его можно использовать как для идентификации образцов с неизвестным химическим составом, так и для количественного анализа известных веществ. Причем анализ не требует практически никакой пробоподготовки. Достаточно на горизонтальное окно для образцов установить виалу с исследуемым материалом – твердым, гелем или порошком, капнуть водный или масляный раствор и т.п. Измерения можно проводить, не нарушая упаковку продукта, прямо в пакетах, блистерах, ампулах и т.п.
Конечно, такой анализ не может считаться аналитически точным, арбитражным методом. Он лишь с определенной вероятностью, зависящей от содержания детектируемого вещества, позволяет оценить наличие в смеси определенных компонентов и их концентрацию. А дальше эту оценку нужно проверять другими лабораторными методами. Но очень часто пользователям нужны именно экспрессность метода и мобильность прибора, а не стопроцентная точность. Вместе с тем, метод СКР имеет международное признание как юридически достоверный метод анализа. Например, Scientific Working Group for the Analysis of Seized Drugs (SWGDRUG) – международное агентство, разрабатывающее минимальные требования к юридической достоверности проверки веществ – относит данный метод к категории с высшим уровнем доказательности.
Наши спектрометры можно подключать к внешнему компьютеру через порт USB. Для работы с прибором мы поставляем удобное программное обеспечение (ПО), а также обновляемые библиотеки спектров. Сейчас мы предлагаем две базы данных – по наркотическим веществам (порядка 200 спектров) и по фармакологическим препаратам (3 600 спектров). Причем база фармакологических препаратов позволяет задавать форму и цвет таблетки, другие параметры, с помощью которых можно дополнительно повысить точность идентификации, установить их производителя. Кроме того, мы поставляем аналитическое ПО и библиотеки компании S.T. Japan. Эта очень известная фирма предлагает десятки баз данных спектров для различных областей применения – минералогии, текстильной промышленности, экологического мониторинга и т.д.
Для работы в полевых условиях мы производим мобильную лабораторию – аналитическую систему CDI 1M. Это раман-спектрометр, размещенный в удобном защитном чемодане вместе с ноутбуком и аккумулятором (10 ч автономной работы) и оснащенный необходимыми аксессуарами. Прежде всего, такая система востребована сотрудниками специальных служб, которым необходимо в самых разных условиях оперативно определять наркотические, отравляющие, взрывчатые вещества и т.п.
Однако аналитические возможности приборов и метода СКР в целом позволяют использовать его в гораздо более широком спектре задач. Как важный шаг в данном направлении, в третьем квартале 2017 года мы собираемся представить новый прибор – ручной рамановский анализатор CDI 2. Он предназначен в первую очередь для промышленного экспресс-контроля – это может быть входной и выходной контроль качества продуктов и материалов, межоперационный контроль и множество других производственных задач. Спектрометр CDI 2 обладает аналитическими характеристиками настольного решения, но легче трех килограмм и размещен в эргономичном корпусе. Даже малоподготовленный оператор сможет обрабатывать большие потоки образцов. Причем не вскрывая упаковки – через прозрачные мешки, пакеты, любую прозрачную тару.
Сегодня на рынке немало СКР-оборудования различных производителей. Какие принципиальные преимущества дают потребителям решения "Кода Девайсез"?
А.Вахтель Главное преимущество наших приборов – они значительно доступнее всех своих конкурентов. Базовая цена настольного анализатора CDI 1BT – всего 990 тыс. руб., что в два-три раза ниже аналогичных решений. При этом его аналитические и эксплуатационные параметры не хуже, а зачастую и значительно лучше аналогов.
Кроме того, поскольку производство размещено в России, многие компоненты приборов, определяющие стоимость, также являются отечественными. Это значит, что цена изделия значительно меньше подвержена колебаниями курса мировых валют, чем у зарубежных аналогов. Заказчик может заранее планировать приобретение прибора, закладывать его в бюджет следующего года, фиксируя цену в рублях и быть уверенным, что эта цена сохранится. Не говоря о том, что произведенный в России прибор дешевле точно такого же, изготовленного в США. Для российских пользователей это очень значимо.
Конечно, наши решения обладают и чисто техническими достоинствами. Диапазон измерений прибора охватывает основную область "отпечатков пальцев" 500–1 500 см–1, где лежат все основные колебания, по которым идентифицируются вещества. А спектральное разрешение наших приборов (6–8 см–1) в полтора-два раза лучше, чем у большинства конкурентов.
Отмечу одну важную деталь. Далеко не все раман-спектрометры, даже самых знаменитых производителей, способны анализировать соотношение четырех компонентов в пробе. Причина понятна – в сложной смеси начинается переналожение оптических спектров от нескольких веществ. При не слишком высоком разрешении, характерном для приборов данного класса, точность идентификации компонентов смеси оказывается низкой. Спектрометры "Кода Девайсез" в этом отношении существенно превосходят аналоги, поскольку совмещают необычно высокое спектральное разрешение с быстротой получения полезного сигнала. Сочетание этих возможностей позволяет получать воспроизводимые результаты и анализировать соотношение до четырех компонентов в пробе.
Получается, ключевая особенность раман-спектрометров компании "Кода Девайсез" – низкая цена при высоких для своего класса аналитических и эксплуатационных параметрах. Как удается реализовать эти показатели при производстве в России?
Д.Кравцов Компания ООО "Кода Девайсез" является участником Инновационного центра "Сколково". Проект привлек мини-грантовое финансирование от Фонда "Сколково", разумеется, при частных соинвестициях. Наша лаборатория организована в рамках Российского квантового центра – это, по сути, инфраструктурный хаб внутри "Сколково", с рядом очень хорошо оснащенных лабораторий по фотонике.
Следуя основной идее "Сколково", мы стремимся в максимальной степени использовать отечественные материалы и комплектующие. Сейчас мы организовали производство приборов первого поколения CDI 1. Пока речь идет о небольшом, опытном участке, с объемами выпуска до 10 приборов в месяц – но ведь мы в самом начале пути. Не буду говорить, что мы сразу начали изготавливать приборы из российских компонентов. Нет, но мы последовательно их улучшаем. Этим занимается наша команда разработчиков.
При выборе партнеров мы не идем на какие-либо уступки уровню качества, однако стремимся использовать передовые отечественные технологии, выступаем для них частью реального рынка сбыта. Например, для компактного прибора следующего поколения CDI 2 требовалась уникальная асферическая дифракционная решетка. Мы ее разработали совместно с казанским АО "НПО ГИПО" (Государственный институт прикладной оптики). Это предприятие в представлении не нуждается, научная школа НПО ГИПО по вогнутым дифракционным решеткам – одна из лидирующих в мире. И производить решетки для наших приборов также будет НПО ГИПО.
Ряд комплектующих мы закупаем в Беларуси, там производство оптических компонентов поставлено на хорошем уровне. В частности, у нас отличное взаимодействие с компанией "Изовак", мы используем их интеференционные оптические фильтры. Мы нашли прекрасных российских партнеров в области механообработки, при нужном нам уровне допусков 50 мкм.
Конечно, заказное производство всегда дороже серийного. Поэтому мы в максимальной степени стремимся использовать стандартные компоненты. Например, в новом приборе все элементы оптического тракта, кроме дифракционной решетки – стандартные, выпускаемые серийно. Или важный узел прибора – высокостабильный лазерный источник мощностью 350 мВт. Изначально мы использовали дорогостоящий модуль зарубежного производства. Затем нашли универсальные драйверы Dragonfly, которые разработала команда выпускников МГТУ им. Н.Е.Баумана. Изумительные драйверы, позволяют управлять любыми полупроводниковыми лазерами в стандартных корпусах Butterfly. И теперь мы можем использовать стандартный лазерный модуль любого производителя, подходящий по параметрам – в первую очередь по ширине оптического спектра. В дальнейшем, оптимизируя конструкцию и снижая требования к мощности излучателя, надеемся перейти на продукты российских компаний.
В следующем поколении приборов мы усовершенствуем и управляющую электронику. В частности, перейдем на универсальные управляющие платы компании Krtkl, которые содержат ПЛИС со встроенным процессорным ядром. Это не только позволит повысить скорость обработки, но и оптимизировать электронную систему.
Конечно, для нас очень важен контроль качества продукции. На производстве действует ERP-система, построенная на платформе lsFusion. Эту систему мы разработали совместно с нашим партнером – другой компанией из "Сколково" ООО "Номософт". С помощью ERP мы полностью прослеживаем всю цепочку изготовления приборов.
Для каждого узла есть контрольные характеристики, на соответствие которым мы проводим входной контроль. Большое внимание уделено юстировке и калибровке устройств. У нас эти процессы автоматизированы под управлением специального ПО. Достижение требуемого уровня юстировки определяется автоматически. Так минимизируется фактор человеческой ошибки. Все параметры юстировок и калибровок хранятся в ERP, где для каждого прибора мы всегда можем увидеть его полную историю – от происхождения отдельных компонентов до калибровочных данных отгруженных устройств и их сервисной истории.
Какие задачи сегодня стоят перед разработчиками "Кода Девайсез"? В каких направлениях будут развиваться ваши решения?
А.Вахтель Сейчас перед разработчиками стоят две глобальные цели. С одной стороны, сделать прибор максимально универсальным, улучшив его технические характеристики – расширить спектральный диапазон, повысить разрешение, чувствительность или отношение сигнал / шум. С другой стороны, необходимо создавать модификации прибора, оптимально подходящие для решения тех или иных задач.
Например, сейчас спектральный диапазон прибора – 500–1 800 см–1. Но если кому-то нужно изучать вещества с тройными связями, азотистые соединения, колебания гидроксильных групп -OH, то есть работать в диапазоне 2 000–3 600 см–1, то под заказ мы можем перенастроить прибор и на эту спектральную область.
Кроме того, если в прибор с кодирующей апертурой поставить высокочувствительный детектор, то он будет способен решать еще более серьезные задачи за счет значительного выигрыша в соотношении сигнал / шум. В целом, варьируя отдельные элементы – лазер, детектор, оптическую систему, – мы сможем без существенного удорожания прибора создавать модификации, необходимые для конкретных приложений.
Однако все это – специальные задачи, которые будут появляться у заказчиков не столь часто. Сегодня же наша главная цель – выйти на массовый рынок. Поэтому важно минимизировать цену, оставив чувствительность на существующем уровне.
Какую реакцию рынка вы ожидаете на появление приборов "Кода Девайсез"?
М.Нехин Компания "Найтек Инструментс" накопила большой опыт работы на российском рынке аналитического оборудования, как в научной сфере, так и для промышленного применения. Мы сотрудничали с рядом ведущих производителей рамановских спектрометров, что позволяет сделать определенные выводы.
С нашей точки зрения, техника СКР недооценена в России. Технология раман-спектроскопии развивается, сегодня на рынке немало предложений. Но нет продаж. И мы, и конкуренты приходим, скажем, на фармацевтические предприятия, показываем образцы, проводим демонстрации, но клиенты все равно не покупают. Проблема, видимо, в том, что приборы достаточно дороги. Многие компании приобрели бы рамановский спектрометр для своих аналитических задач или просто попробовать, если бы цена была чуть ниже.
Аналогичная ситуация и с учебными заведениями. Мало какой вуз может себе позволить дорогой прибор, что бы мы ни рассказывали про его выдающиеся возможности. Вузам нужна некая рабочая лошадка в рамках определенного бюджета, размер которого, к сожалению, не становится больше.
В результате потенциальные заказчики просто не знакомы с раман-спектрометрией: теоретически вроде интересно, но никто не пробовал. Поэтому очень сложно убедить клиента в эффективности метода СКР. А значит во многих проектах мы проигрываем не конкурентам, а другим технологиям.
Ситуация эта достаточно глобальна. Сейчас за рубежом в сфере раман-спектроскопии работают многие компании, но примерно 80% потребителей их продукции – армия, полиция и аналогичные структуры. Это очень маленький сегмент, фактически даже не рынок. Отдельные фирмы предлагают интересные решения, но массового спроса нет.
Поэтому мы сформулировали гипотезу: существующий ценовой барьер, а сейчас для портативных приборов в России он составляет порядка 3 млн руб., психологически слишком высок для потребителей. Если опустить его ниже миллиона рублей, ситуация изменится, компании начнут покупать. В результате в стране вырастет парк СКР-приборов, что поможет производителям всех раман-спектрометров – и дорогих, и дешевых.
С приборами "Кода Девайсез" мы сможем преодолеть ценовой барьер. Для рынка это прорыв. Например, среди вузов потребность в приборах "Кода Девайсез" может вырасти на порядок по сравнению с сегодняшними закупками рамановского оборудования. Мы выступаем за увеличение объема продаж, и с таким партнером, как "Кода Девайсез", это возможно. А с ростом объемов мы ожидаем появления и новых задач, и новых потребностей рынка, которые сейчас неизвестны. Поэтому в работе с "Кода Девайсез" мы видим не только прямой коммерческий интерес от продаж приборов данной компании, но и ставим своего рода эксперимент, надеемся проверить свою гипотезу по существенному расширению рынка СКР.
Насколько приборы "Кода Девайсез" по своим аналитическим и эксплуатационным возможностям соответствуют реальным потребностям ваших клиентов?
М.Нехин Мы всегда очень серьезно подходим к выбору партнеров. Наши специалисты изучали прибор, давали свои замечания, приезжали на производство, между нами установлены рабочие контакты. Мы тестировали прибор "Кода Девайсез" – и поверьте, он дает классные спектры. А база спектров фармакологических веществ "Кода Девайсез" на порядок интереснее, чем у ряда других производителей. В ней намного больше нужных веществ. Кроме того, не будем забывать, что приборы "Кода Девайсез" – это российский продукт, что в рамках тренда импортозамещения может быть интересно многим заказчикам.
Самое же главное, прибор "Кода Девайсез" – это абсолютно рабочий инструмент. Его можно купить и сразу начать работать. В фармакологии, например, приборы "Кода Девайсез" способны немедленно приносить прибыль. Ведь по российским законам, в фармацевтической отрасли любой продукт, любая упаковка подлежат 100%-ному контролю. И если действующее фармацевтическое предприятие сможет перевести входной контроль даже части сырья из лаборатории в цех, даже для отдельных видов продукции, – это даст серьезный экономический эффект. Наш опыт показывает, что во многих фармацевтических компаниях расходы на лабораторные анализы рассматривают как некое неизбежное зло. Поэтому возможность предложить решение не за пять миллионов рублей, а дешевле миллиона, – очень большое дело. Ведь лишних денег ни у кого нет.
Снижение цены как ключевой фактор для продвижения СКР оборудования – это особенность только российского рынка?
А.Вахтель Нет, это глобальное явление. Метод СКР недооценен не только в России, но и в мире в целом. Это связано как со стоимостью приборов, так и с особенностями, которые отличают ИК- и раман-спектроскопию. Основная категория наших потенциальных потребителей – это пользователи ИК-спектроскопии в среднем ИК-диапазоне, которые столкнулись с ограничениями этого метода. Например, анализ водных растворов методом ИК-спектроскопии требует очень тонких кювет, 4–5 мкм. Для работы с ними нужна определенная квалификация, следовательно – более дорогой сотрудник. Необходима и пробоподготовка. А методы СКР позволяют работать с образцами прямо через упаковку, что для спектроскопии в среднем ИК-диапазоне невозможно или крайне сложно.
Конечно, сегодня все эти задачи научились решать в ближнем ИК-диапазоне. И очень многие преимущества и ограничения СКР относятся и к спектроскопии ближнего ИК, включая пределы обнаружения на уровне процентов. Однако метод спектроскопии в ближнем ИК-диапазоне уже успешно используется в промышленности. Причем гораздо более масштабно, чем СКР. И это не очень справедливо. Ведь при сходных возможностях у раман-спектроскопии есть важнейшее преимущество – этот метод сохраняет аналитичность в сложных смесях. Интенсивность линий рамановского спектра пропорциональна концентрации аналита, то есть числу его молекул в смеси. А в ближнем ИК это верно только для абсолютно чистых веществ. В результате для калибровки раман-спектрометра достаточно трех-пяти точек. Не нужно, как в ближнем ИК, строить калибровки по десяткам-сотням образцов, чтобы понять корреляцию между формой спектра и содержанием определенного компонента. Не говоря уже об известной проблеме перекалибровки – если какой-либо параметр ушел за пределы калибровки, ее нужно проводить заново.
Все эти сложности отпадают или значительно снижаются при переходе к методам СКР. Поэтому сейчас основная задача и для нас, и для наших партнеров – продемонстрировать специалистам, которые привыкли использовать ИК-спектроскопию, достоинства СКР в целом. Убедить их, что ИК- и раман-спектроскопия – это взаимодополняющие методы вибрационной спектроскопии. И для значительной части задач промышленного анализа, которые сегодня решаются в ИК-диапазоне, достаточно одного компактного раман-спектрометра. В частности – компании "Кода Девайсез". Это большое поле для работы во всем мире, не только в России.
Коллеги, спасибо за интересный рассказ.
С А.Вахтелем, Д.Кравцовым и М.Нехиным
беседовал И.Шахнович
* Фабелинский И.Л. Открытие комбинационного рассеяния света // Успехи физических наук. Сентябрь 1978. Т. 126. Вып.1.
Этого не может быть, потому что если бы это было так, то означало бы, что мы видим, как "говорит" молекула.
Реплика неизвестного физика на первом докладе Г.С.Ландсберга
об открытии эффекта комбинационного рассеяния
на московском оптическом семинаре 27 апреля 1928 года*.
Метод рамановской спектроскопии, или спектроскопии комбинационного рассеяния (СКР) трудно назвать новым. Почти 90 лет назад, 21 февраля 1928 года эффект комбинационного рассеяния света обнаружили Леонид Исаакович Мандельштам и Григорий Самуилович Ландсберг в Москве, а неделю спустя – Чандрасекхара Венката Раман и Кариаманиккам Сриниваза Кришнан в Калькутте. СКР стала привычным инструментом для лабораторных исследований, воплощенным в приборах многих ведущих компаний. Однако в классе портативных приборов, ориентированных на экспресс-анализы, рамановская спектроскопия пока не заняла подобающего ему места.
Изменить эту ситуацию – такова миссия российской компании "Кода Девайсез". Как именно совсем молодая фирма решает столь сложную задачу – наш разговор с руководителем этого проекта и сооснователем компании Дмитрием Кравцовым, директором по маркетингу ООО "Кода Девайсез" Алексеем Вахтелем и генеральным директором АО "Найтек Инструментс" Михаилом Нехиным.
"Кода Девайсез" – совершенно новое имя на российском рынке. Какова история компании?
А.Вахтель Действительно, "Кода Девайсез" – это очень молодая компания, но возникла она не на пустом месте. В начале 2000-х группа ученых Университета Дьюка из "исследовательского треугольника" в штате Северная Каролина (США) разработала метод применения кодирующей апертуры в оптических спектрометрах. Такой подход был известен и ранее, М.Голей описал его в 1951 году, попытки использовать кодирующие апертуры в спектрометрии предпринимались с конца 1950-х годов. Но тогда от них отказались из-за недостаточной чувствительности фотодетекторов. Тем не менее, кодирующие апертуры активно используют в гамма- и рентгеновской астрономии, в ЯМР-системах. Но в оптической спектрометрии о них забыли на десятки лет. Ситуация изменилась в конце 1990-х годов с появлением относительно дешевых и чувствительных ПЗС-матриц. Ученые из университета Дьюка вспомнили об этом методе и сделали несколько пилотных устройств, на которых получили качественные спектры. Оказалось, что оптические спектрометры на основе кодирующих апертур демонстрируют результаты не хуже, чем традиционные приборы.
Коммерциализацией данной технологии Университет Дьюка занялся совместно с российским венчурным фондом Quantum Wave Fund, затем присоединился и Российский квантовый центр. Напомню, Quantum Wave Fund – венчурный фонд, созданный российскими инвесторами. В России и за рубежом он инвестирует в высокотехнологические стартап-компании, создающие инновационные аппаратные решения. Российский квантовый центр – это российская научно-исследовательская организация, занимающаяся изучением, разработкой и коммерциализацией технологий на базе квантовой оптики и квантовых технологий.
Изначально коммерциализация технологии, разработанной в Университете Дьюка, началась на рынке США – самом крупном рынке решений на базе рамановской спектроскопии. За последние пять лет было продано порядка 150 компактных, помещающихся в небольшом чемодане, аналитических комплексов для проведения экспрессных анализов на основе СКР. География их пользователей простирается от США и стран Юго-Восточной Азии до Австралии и Новой Зеландии.
По иронии судьбы, среди клиентов не было россиян. И вот в 2015 году мы приняли решение исправить этот недостаток и открыть исследовательский и производственный центр в нашей стране. Поскольку компания "Кода Девайсез" небольшая, около 15 сотрудников в России и США, нам сложно организовывать собственную глобальную сеть продаж. Поэтому мы сосредоточились на поиске региональных партнеров. Одним из них стала компания "Найтек Инструментс". Она обладает большим опытом работы в области рамановской спектроскопии и сможет быстро использовать конкурентные преимущества наших приборов для их продвижения на рынок России и стран СНГ.
В чем особенность технологии кодирующей апертуры, какие преимущества она дает?
А.Вахтель Само название компании "Кода" означает "кодирующая апертура". Это – сердце наших приборов. Чтобы понять особенность данной технологии, давайте посмотрим на схему обычного рамановского спектрометра. В нем на исследуемый образец направляется возбуждающее лазерное излучение. Рассеянный сигнал от образца фокусируется на узкую щель. Она играет роль источника, от которого свет через коллиматор попадает на дифракционную решетку (или другой диспергирующий элемент), и затем – на линейный детектор.
В нашем случае вместо одиночной щели используется матрица отверстий – кодирующая апертура. И на дифракционную решетку, а затем и на детектор (на основе ПЗС-матрицы) поступают сигналы от множества щелей. Конечно, спектральные изображения от отдельных щелей будут накладываться. На детекторе мы получим сложный сигнал, и восстановить исходный образ, казалось бы, нереально. Однако здесь можно использовать свойства дискретных взаимно ортогональных последовательностей, в частности – матриц Адамара. Формируя матрицу апертур по такому принципу, из композитного сигнала на фотодетекторе с помощью обратного преобразования Адамара можно восстановить интенсивность для каждой длины волны, то есть восстановить оптический спектр.
Конечно, это лишь теория, реальный алгоритм обработки достаточно сложен, с учетом того, что приходится иметь дело с некорректно поставленной задачей. Однако прикладная математика и, самое главное, вычислительная техника достигли такого уровня, что даже сложные алгоритмы теперь работают быстро. А мы знаем как сделать их еще быстрее за счет программно-аппаратных решений.
Выигрыш такого подхода очевиден – поскольку на фотодетектор падает поток не от одного, а от множества источников, увеличивается светосила спектрального прибора. Соответственно, растет соотношение сигнал / шум. Значит, можно либо существенно увеличить чувствительность прибора, либо, при той же чувствительности, уменьшить себестоимость ПЗС-матрицы. В результате при тех же характеристиках приборы оказываются в два-три раза дешевле аналогов.
Этот принцип реализован в конкретных приборах?
А.Вахтель Именно так построены приборы "Кода Девайсез", которые уже продаются на рынке, и которые мы продвигаем в России и по всему миру. Сейчас мы предлагаем две модели. Наше базовое изделие – настольный рамановский спектрометр CDI 1BT. Этот небольшой и легкий прибор (16,5 × 28 × 9 см, 5,3 кг) обладает всеми возможностями современных компактных спектрометров комбинационного рассеяния. Он оснащен лазерным источником с длиной волны 785 нм и способен регистрировать рамановские спектры в диапазоне 500–1 800 см–1 с исключительно высоким – для портативных устройств – спектральным разрешением 6–8 см–1. Измерение длится порядка 15 с, при этом можно идентифицировать до четырех компонентов смеси с пределами обнаружения на уровне единиц процентов (до 10%).
Прибор предназначен для измерения спектров различных образцов – твердых и жидких, геле- и порошкообразных. Его можно использовать как для идентификации образцов с неизвестным химическим составом, так и для количественного анализа известных веществ. Причем анализ не требует практически никакой пробоподготовки. Достаточно на горизонтальное окно для образцов установить виалу с исследуемым материалом – твердым, гелем или порошком, капнуть водный или масляный раствор и т.п. Измерения можно проводить, не нарушая упаковку продукта, прямо в пакетах, блистерах, ампулах и т.п.
Конечно, такой анализ не может считаться аналитически точным, арбитражным методом. Он лишь с определенной вероятностью, зависящей от содержания детектируемого вещества, позволяет оценить наличие в смеси определенных компонентов и их концентрацию. А дальше эту оценку нужно проверять другими лабораторными методами. Но очень часто пользователям нужны именно экспрессность метода и мобильность прибора, а не стопроцентная точность. Вместе с тем, метод СКР имеет международное признание как юридически достоверный метод анализа. Например, Scientific Working Group for the Analysis of Seized Drugs (SWGDRUG) – международное агентство, разрабатывающее минимальные требования к юридической достоверности проверки веществ – относит данный метод к категории с высшим уровнем доказательности.
Наши спектрометры можно подключать к внешнему компьютеру через порт USB. Для работы с прибором мы поставляем удобное программное обеспечение (ПО), а также обновляемые библиотеки спектров. Сейчас мы предлагаем две базы данных – по наркотическим веществам (порядка 200 спектров) и по фармакологическим препаратам (3 600 спектров). Причем база фармакологических препаратов позволяет задавать форму и цвет таблетки, другие параметры, с помощью которых можно дополнительно повысить точность идентификации, установить их производителя. Кроме того, мы поставляем аналитическое ПО и библиотеки компании S.T. Japan. Эта очень известная фирма предлагает десятки баз данных спектров для различных областей применения – минералогии, текстильной промышленности, экологического мониторинга и т.д.
Для работы в полевых условиях мы производим мобильную лабораторию – аналитическую систему CDI 1M. Это раман-спектрометр, размещенный в удобном защитном чемодане вместе с ноутбуком и аккумулятором (10 ч автономной работы) и оснащенный необходимыми аксессуарами. Прежде всего, такая система востребована сотрудниками специальных служб, которым необходимо в самых разных условиях оперативно определять наркотические, отравляющие, взрывчатые вещества и т.п.
Однако аналитические возможности приборов и метода СКР в целом позволяют использовать его в гораздо более широком спектре задач. Как важный шаг в данном направлении, в третьем квартале 2017 года мы собираемся представить новый прибор – ручной рамановский анализатор CDI 2. Он предназначен в первую очередь для промышленного экспресс-контроля – это может быть входной и выходной контроль качества продуктов и материалов, межоперационный контроль и множество других производственных задач. Спектрометр CDI 2 обладает аналитическими характеристиками настольного решения, но легче трех килограмм и размещен в эргономичном корпусе. Даже малоподготовленный оператор сможет обрабатывать большие потоки образцов. Причем не вскрывая упаковки – через прозрачные мешки, пакеты, любую прозрачную тару.
Сегодня на рынке немало СКР-оборудования различных производителей. Какие принципиальные преимущества дают потребителям решения "Кода Девайсез"?
А.Вахтель Главное преимущество наших приборов – они значительно доступнее всех своих конкурентов. Базовая цена настольного анализатора CDI 1BT – всего 990 тыс. руб., что в два-три раза ниже аналогичных решений. При этом его аналитические и эксплуатационные параметры не хуже, а зачастую и значительно лучше аналогов.
Кроме того, поскольку производство размещено в России, многие компоненты приборов, определяющие стоимость, также являются отечественными. Это значит, что цена изделия значительно меньше подвержена колебаниями курса мировых валют, чем у зарубежных аналогов. Заказчик может заранее планировать приобретение прибора, закладывать его в бюджет следующего года, фиксируя цену в рублях и быть уверенным, что эта цена сохранится. Не говоря о том, что произведенный в России прибор дешевле точно такого же, изготовленного в США. Для российских пользователей это очень значимо.
Конечно, наши решения обладают и чисто техническими достоинствами. Диапазон измерений прибора охватывает основную область "отпечатков пальцев" 500–1 500 см–1, где лежат все основные колебания, по которым идентифицируются вещества. А спектральное разрешение наших приборов (6–8 см–1) в полтора-два раза лучше, чем у большинства конкурентов.
Отмечу одну важную деталь. Далеко не все раман-спектрометры, даже самых знаменитых производителей, способны анализировать соотношение четырех компонентов в пробе. Причина понятна – в сложной смеси начинается переналожение оптических спектров от нескольких веществ. При не слишком высоком разрешении, характерном для приборов данного класса, точность идентификации компонентов смеси оказывается низкой. Спектрометры "Кода Девайсез" в этом отношении существенно превосходят аналоги, поскольку совмещают необычно высокое спектральное разрешение с быстротой получения полезного сигнала. Сочетание этих возможностей позволяет получать воспроизводимые результаты и анализировать соотношение до четырех компонентов в пробе.
Получается, ключевая особенность раман-спектрометров компании "Кода Девайсез" – низкая цена при высоких для своего класса аналитических и эксплуатационных параметрах. Как удается реализовать эти показатели при производстве в России?
Д.Кравцов Компания ООО "Кода Девайсез" является участником Инновационного центра "Сколково". Проект привлек мини-грантовое финансирование от Фонда "Сколково", разумеется, при частных соинвестициях. Наша лаборатория организована в рамках Российского квантового центра – это, по сути, инфраструктурный хаб внутри "Сколково", с рядом очень хорошо оснащенных лабораторий по фотонике.
Следуя основной идее "Сколково", мы стремимся в максимальной степени использовать отечественные материалы и комплектующие. Сейчас мы организовали производство приборов первого поколения CDI 1. Пока речь идет о небольшом, опытном участке, с объемами выпуска до 10 приборов в месяц – но ведь мы в самом начале пути. Не буду говорить, что мы сразу начали изготавливать приборы из российских компонентов. Нет, но мы последовательно их улучшаем. Этим занимается наша команда разработчиков.
При выборе партнеров мы не идем на какие-либо уступки уровню качества, однако стремимся использовать передовые отечественные технологии, выступаем для них частью реального рынка сбыта. Например, для компактного прибора следующего поколения CDI 2 требовалась уникальная асферическая дифракционная решетка. Мы ее разработали совместно с казанским АО "НПО ГИПО" (Государственный институт прикладной оптики). Это предприятие в представлении не нуждается, научная школа НПО ГИПО по вогнутым дифракционным решеткам – одна из лидирующих в мире. И производить решетки для наших приборов также будет НПО ГИПО.
Ряд комплектующих мы закупаем в Беларуси, там производство оптических компонентов поставлено на хорошем уровне. В частности, у нас отличное взаимодействие с компанией "Изовак", мы используем их интеференционные оптические фильтры. Мы нашли прекрасных российских партнеров в области механообработки, при нужном нам уровне допусков 50 мкм.
Конечно, заказное производство всегда дороже серийного. Поэтому мы в максимальной степени стремимся использовать стандартные компоненты. Например, в новом приборе все элементы оптического тракта, кроме дифракционной решетки – стандартные, выпускаемые серийно. Или важный узел прибора – высокостабильный лазерный источник мощностью 350 мВт. Изначально мы использовали дорогостоящий модуль зарубежного производства. Затем нашли универсальные драйверы Dragonfly, которые разработала команда выпускников МГТУ им. Н.Е.Баумана. Изумительные драйверы, позволяют управлять любыми полупроводниковыми лазерами в стандартных корпусах Butterfly. И теперь мы можем использовать стандартный лазерный модуль любого производителя, подходящий по параметрам – в первую очередь по ширине оптического спектра. В дальнейшем, оптимизируя конструкцию и снижая требования к мощности излучателя, надеемся перейти на продукты российских компаний.
В следующем поколении приборов мы усовершенствуем и управляющую электронику. В частности, перейдем на универсальные управляющие платы компании Krtkl, которые содержат ПЛИС со встроенным процессорным ядром. Это не только позволит повысить скорость обработки, но и оптимизировать электронную систему.
Конечно, для нас очень важен контроль качества продукции. На производстве действует ERP-система, построенная на платформе lsFusion. Эту систему мы разработали совместно с нашим партнером – другой компанией из "Сколково" ООО "Номософт". С помощью ERP мы полностью прослеживаем всю цепочку изготовления приборов.
Для каждого узла есть контрольные характеристики, на соответствие которым мы проводим входной контроль. Большое внимание уделено юстировке и калибровке устройств. У нас эти процессы автоматизированы под управлением специального ПО. Достижение требуемого уровня юстировки определяется автоматически. Так минимизируется фактор человеческой ошибки. Все параметры юстировок и калибровок хранятся в ERP, где для каждого прибора мы всегда можем увидеть его полную историю – от происхождения отдельных компонентов до калибровочных данных отгруженных устройств и их сервисной истории.
Какие задачи сегодня стоят перед разработчиками "Кода Девайсез"? В каких направлениях будут развиваться ваши решения?
А.Вахтель Сейчас перед разработчиками стоят две глобальные цели. С одной стороны, сделать прибор максимально универсальным, улучшив его технические характеристики – расширить спектральный диапазон, повысить разрешение, чувствительность или отношение сигнал / шум. С другой стороны, необходимо создавать модификации прибора, оптимально подходящие для решения тех или иных задач.
Например, сейчас спектральный диапазон прибора – 500–1 800 см–1. Но если кому-то нужно изучать вещества с тройными связями, азотистые соединения, колебания гидроксильных групп -OH, то есть работать в диапазоне 2 000–3 600 см–1, то под заказ мы можем перенастроить прибор и на эту спектральную область.
Кроме того, если в прибор с кодирующей апертурой поставить высокочувствительный детектор, то он будет способен решать еще более серьезные задачи за счет значительного выигрыша в соотношении сигнал / шум. В целом, варьируя отдельные элементы – лазер, детектор, оптическую систему, – мы сможем без существенного удорожания прибора создавать модификации, необходимые для конкретных приложений.
Однако все это – специальные задачи, которые будут появляться у заказчиков не столь часто. Сегодня же наша главная цель – выйти на массовый рынок. Поэтому важно минимизировать цену, оставив чувствительность на существующем уровне.
Какую реакцию рынка вы ожидаете на появление приборов "Кода Девайсез"?
М.Нехин Компания "Найтек Инструментс" накопила большой опыт работы на российском рынке аналитического оборудования, как в научной сфере, так и для промышленного применения. Мы сотрудничали с рядом ведущих производителей рамановских спектрометров, что позволяет сделать определенные выводы.
С нашей точки зрения, техника СКР недооценена в России. Технология раман-спектроскопии развивается, сегодня на рынке немало предложений. Но нет продаж. И мы, и конкуренты приходим, скажем, на фармацевтические предприятия, показываем образцы, проводим демонстрации, но клиенты все равно не покупают. Проблема, видимо, в том, что приборы достаточно дороги. Многие компании приобрели бы рамановский спектрометр для своих аналитических задач или просто попробовать, если бы цена была чуть ниже.
Аналогичная ситуация и с учебными заведениями. Мало какой вуз может себе позволить дорогой прибор, что бы мы ни рассказывали про его выдающиеся возможности. Вузам нужна некая рабочая лошадка в рамках определенного бюджета, размер которого, к сожалению, не становится больше.
В результате потенциальные заказчики просто не знакомы с раман-спектрометрией: теоретически вроде интересно, но никто не пробовал. Поэтому очень сложно убедить клиента в эффективности метода СКР. А значит во многих проектах мы проигрываем не конкурентам, а другим технологиям.
Ситуация эта достаточно глобальна. Сейчас за рубежом в сфере раман-спектроскопии работают многие компании, но примерно 80% потребителей их продукции – армия, полиция и аналогичные структуры. Это очень маленький сегмент, фактически даже не рынок. Отдельные фирмы предлагают интересные решения, но массового спроса нет.
Поэтому мы сформулировали гипотезу: существующий ценовой барьер, а сейчас для портативных приборов в России он составляет порядка 3 млн руб., психологически слишком высок для потребителей. Если опустить его ниже миллиона рублей, ситуация изменится, компании начнут покупать. В результате в стране вырастет парк СКР-приборов, что поможет производителям всех раман-спектрометров – и дорогих, и дешевых.
С приборами "Кода Девайсез" мы сможем преодолеть ценовой барьер. Для рынка это прорыв. Например, среди вузов потребность в приборах "Кода Девайсез" может вырасти на порядок по сравнению с сегодняшними закупками рамановского оборудования. Мы выступаем за увеличение объема продаж, и с таким партнером, как "Кода Девайсез", это возможно. А с ростом объемов мы ожидаем появления и новых задач, и новых потребностей рынка, которые сейчас неизвестны. Поэтому в работе с "Кода Девайсез" мы видим не только прямой коммерческий интерес от продаж приборов данной компании, но и ставим своего рода эксперимент, надеемся проверить свою гипотезу по существенному расширению рынка СКР.
Насколько приборы "Кода Девайсез" по своим аналитическим и эксплуатационным возможностям соответствуют реальным потребностям ваших клиентов?
М.Нехин Мы всегда очень серьезно подходим к выбору партнеров. Наши специалисты изучали прибор, давали свои замечания, приезжали на производство, между нами установлены рабочие контакты. Мы тестировали прибор "Кода Девайсез" – и поверьте, он дает классные спектры. А база спектров фармакологических веществ "Кода Девайсез" на порядок интереснее, чем у ряда других производителей. В ней намного больше нужных веществ. Кроме того, не будем забывать, что приборы "Кода Девайсез" – это российский продукт, что в рамках тренда импортозамещения может быть интересно многим заказчикам.
Самое же главное, прибор "Кода Девайсез" – это абсолютно рабочий инструмент. Его можно купить и сразу начать работать. В фармакологии, например, приборы "Кода Девайсез" способны немедленно приносить прибыль. Ведь по российским законам, в фармацевтической отрасли любой продукт, любая упаковка подлежат 100%-ному контролю. И если действующее фармацевтическое предприятие сможет перевести входной контроль даже части сырья из лаборатории в цех, даже для отдельных видов продукции, – это даст серьезный экономический эффект. Наш опыт показывает, что во многих фармацевтических компаниях расходы на лабораторные анализы рассматривают как некое неизбежное зло. Поэтому возможность предложить решение не за пять миллионов рублей, а дешевле миллиона, – очень большое дело. Ведь лишних денег ни у кого нет.
Снижение цены как ключевой фактор для продвижения СКР оборудования – это особенность только российского рынка?
А.Вахтель Нет, это глобальное явление. Метод СКР недооценен не только в России, но и в мире в целом. Это связано как со стоимостью приборов, так и с особенностями, которые отличают ИК- и раман-спектроскопию. Основная категория наших потенциальных потребителей – это пользователи ИК-спектроскопии в среднем ИК-диапазоне, которые столкнулись с ограничениями этого метода. Например, анализ водных растворов методом ИК-спектроскопии требует очень тонких кювет, 4–5 мкм. Для работы с ними нужна определенная квалификация, следовательно – более дорогой сотрудник. Необходима и пробоподготовка. А методы СКР позволяют работать с образцами прямо через упаковку, что для спектроскопии в среднем ИК-диапазоне невозможно или крайне сложно.
Конечно, сегодня все эти задачи научились решать в ближнем ИК-диапазоне. И очень многие преимущества и ограничения СКР относятся и к спектроскопии ближнего ИК, включая пределы обнаружения на уровне процентов. Однако метод спектроскопии в ближнем ИК-диапазоне уже успешно используется в промышленности. Причем гораздо более масштабно, чем СКР. И это не очень справедливо. Ведь при сходных возможностях у раман-спектроскопии есть важнейшее преимущество – этот метод сохраняет аналитичность в сложных смесях. Интенсивность линий рамановского спектра пропорциональна концентрации аналита, то есть числу его молекул в смеси. А в ближнем ИК это верно только для абсолютно чистых веществ. В результате для калибровки раман-спектрометра достаточно трех-пяти точек. Не нужно, как в ближнем ИК, строить калибровки по десяткам-сотням образцов, чтобы понять корреляцию между формой спектра и содержанием определенного компонента. Не говоря уже об известной проблеме перекалибровки – если какой-либо параметр ушел за пределы калибровки, ее нужно проводить заново.
Все эти сложности отпадают или значительно снижаются при переходе к методам СКР. Поэтому сейчас основная задача и для нас, и для наших партнеров – продемонстрировать специалистам, которые привыкли использовать ИК-спектроскопию, достоинства СКР в целом. Убедить их, что ИК- и раман-спектроскопия – это взаимодополняющие методы вибрационной спектроскопии. И для значительной части задач промышленного анализа, которые сегодня решаются в ИК-диапазоне, достаточно одного компактного раман-спектрометра. В частности – компании "Кода Девайсез". Это большое поле для работы во всем мире, не только в России.
Коллеги, спасибо за интересный рассказ.
С А.Вахтелем, Д.Кравцовым и М.Нехиным
беседовал И.Шахнович
* Фабелинский И.Л. Открытие комбинационного рассеяния света // Успехи физических наук. Сентябрь 1978. Т. 126. Вып.1.
Отзывы читателей
