Разработка и создание детекторной системы для исследования сверхслабого оптического излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Дунин Никита Владимирович

• Дунин Никита Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Дунин Никита Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Cверхслабое оптическое и УФ излучения биообъектов. Происхождение и

состав

1.2 Фотоприёмники для изучения слабого оптического излучения биологических

систем

1.3 Виды фотоприёмников

1.4 Фотоумножители

1.5 P-n и p-i-n фотодиоды

1.6 Лавинные фотодиоды

1.7 ПЗС-матрицы

1.8 Альтернативные КМОП-структуры

1.9 Выводы

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОДНОКАНАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР СВЕРХСЛАБОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 Расчет интенсивности излучения, падающего на фотокатод ФЭУ

2.2 Особенности темнового тока

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ СВЕРХСЛАБОГО ОПТИЧЕСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ БИОКУЛЬТУРЫ

ГЛАВА 5. ОПИСАНИЕ ЧЕТЫРЁХКАНАЛЬНОЙ ДЕТЕКТОРНОЙ СИСТЕМЫ

5.1 Шумовые отсчёты

5.2 Методика приготовления образцов для измерений сверхслабого фотонного

излучения

5.2.1 Агар Сабуро с глюкозой и хлорамфениколом

5.2.2 Saccharomyces boulardii CNCM 1-745 от Enterol (Biocodex, Франция)

5.3 Применение схемы антисовпадений

5.4 Учёт мёртвого времени системы

5.5 Регистрирующее устройство на базе отладочной комплекта LDM

5.6 Версия регистратора на базе печатной платы собственной разработки

5.7 Использование микроконтроллера в электронике Регистратора

5.8 Программное обеспечение регистратора

5.9 Приём данных и мониторинг регистратора

5.10 Метод определения интенсивности импульсов с использованием программируемых логических интегральных схем (FPGA)

ГЛАВА 6. ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХСЛАБОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С

УВЕЛИЧЕННОЙ СТАТИСТИКОЙ

ГЛАВА 7. ИЗЛУЧЕНИЕ БИОКУЛЬТУРЫ ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ ПРОТОННЫМ

ПУЧКОМ

ГЛАВА 8. СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО СБОРА ДАННЫХ ДЛЯ ДЕТЕКТОРА СОИ

8.1 Принцип действия клиентской программы для удалённого сбора данных от отладочной платы

8.2 Алгоритм и реализация программного обеспечения в среде LabVIEW

ГЛАВА 9. НАУЧНАЯ НОВИЗНА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Разработка и создание детектора сверхслабого оптического излучения была выполнена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук в рамках выполнения государственного контракта по теме «МКС» (Эксплуатация-4) между ПАО «РКК «Энергия» и ГК «Роскосмос». Данный контракт был направлен на создание детекторной системы, отвечающей требованиям эксперимента по измерению сверхслабого оптического излучения от биообъектов в условиях работы на космической станции. Долгосрочная программа научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на РС МКС необходима для оценки значимости, сверхслабого оптического излучения при реализации процессов культивирования или хранения. В общем, постановку задачи в данной диссертационной работе можно сформулировать: «Экспериментальное исследование влияния космического полета на электромагнитные колебания, генерируемые микроорганизмами в активной и покоящейся фазах».

Междисциплинарная значимость созданной аппаратуры объединяет как задачи космической биофизики, так и радиационной биологии. Созданная детекторная система позволит получить новые данные о биофизических процессах в условиях космического полета, так и об эффектах воздействия ионизирующих излучений на биообъекты. Так проект прикладных исследований ARIADNA на ускорительном комплексе NICA ОИЯИ нацелен на создание аналитических устройств для регистрации эффектов воздействия ионизирующих излучений, в частности тяжелых ионов, на биологические объекты и материалы.

Отметим, также, что методы измерения сверхслабого оптического излучения может использоваться как способ неинвазивной диагностики. Разработанная детекторная система для регистрации сверхслабого оптического излучения способна найти применение в медицинской диагностике, в частности для выявления онкологических заболеваний на ранних стадиях.

Измерения сверхслабого оптического излучения используются для неинвазивной диагностики биообъектов [49, 70].

Первыми физическими приборами, которые позволили зафиксировать сверхслабое оптическое свечение (СОИ) от биологических объектов, стали модифицированные счётчики Гейгера-Мюллера. Однако исследования проводились только в среднем ультрафиолетовом диапазоне из-за чувствительности используемых фотокатодов. Одной из ключевых сложностей при применении усовершенствованных детекторов Гейгера-Мюллера для изучения крайне слабых световых потоков являлось отсутствие стандартизированных процедур поверки, а также различия в производственных процессах. Подходы к настройке точности у разных исследователей варьировались в такой степени, что сопоставление рабочих характеристик становится крайне затруднительным, как и воспроизвести измерения из-за разной технологии модификации трубок Гейгера включая их разборку и способ нанесения фоточувствительного слоя [30, 47, 59, 60].

В середине 1950-х годов сверхслабое оптическое излучение от живых организмов было зарегистрировано с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Важным фактором, который влиял на результаты ранних исследователей [56-58] являлись шумы. В состав шумовых импульсов входят два разных типа шумов, что необходимо учитывать, при проектировании детектора сверхслабого оптического излучения. Это шум процесса умножения и дробовые шумы, обусловленные случайным числом фотоэлектронов сигнала и электронов темновой генерации.

Шумы (коэффициента) умножения, это шумы, возникающие в устройствах, таких как фотопреобразователи с лавинным умножением (ЛФД) и электронно-умножающие ПЗС-матрицы (EMCCD), где сигналы усиливаются путем процесса лавинного умножения. Этот тип шума обусловлен стохастической природой процесса умножения, при котором каждый электрон может порождать дополнительное количество электронов с некоторой вероятностью. Этот шум увеличивается с коэффициентом усиления и ведет к увеличению общей неопределенности в измерении сигнала.

Шумовые импульсы темновых электронов (Темновой счет - Dark current noise) это шум, обусловленный генерацией электронов при отсутствии света в фотодетекторах, таких как ПЗС и КМОП-матрицы. Эти электроны создаются за счет тепловой энергии и приводят к возникновению ложных сигналов. Темновой счет увеличивается с температурой и временем экспозиции. Он характеризуется случайными импульсами тока, которые добавляются к истинному фототоку.

Дробовой шум фото- и темновых электронов (Shot noise) это шум, возникающий из-за случайного числа дискретных зарядов и связан как с фотоэлектронами (сигнальными электронами), так и с темновыми электронами (шумом темнового тока). Это фундаментальный вид шума, который проявляется при детектировании света и является результатом квантовой природы света и заряда. Дробовой шум имеет статистическое распределение Пуассона и его величина пропорциональна квадратному корню от количества электронов (как сигнальных, так и шумовых). Выражается формулой VN, где N - среднее количество электронов.

«Сверхслабое оптическое излучение характеризуется низкой интенсивностью и временной структурой узких вспышек света. При детектировании данного излучения с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) существует проблема сепарации одноэлектронного полезного сигнала от одноэлектронного сигнала темнового тока ФЭУ» [10].

В ходе диссертационного исследования создан четырёхканальный детектор оптического излучения (280-630 нм) на основе ФЭУ, осуществляющий регистрацию сверхслабого оптического излучения от биообъектов. Прибор представляет собой модуль научной аппаратуры (НА), предназначенный для интеграции с биореактором (диаметр 080 мм, обеспечивающий время жизни образца до 1 месяца), и имеет следующие технические характеристики: низкий уровень собственного шума (<5 ppm при усилении 2*107), высокую термостабильность (25 ppm), наличие четырёх каналов (два независимых измерительных канала оснащённых счётчиками антисовпадений), что обеспечивает прецизионные измерения сверхслабых оптических сигналов от

биологических объектов. Модуль регистрации, интегрированный в детекторную систему, осуществляет температурный мониторинг биообъекта с помощью датчика DS18B20, а также обеспечивает эффективное хранение данных измерений на съёмных SD-картах с файловой системой exFAT для последующей статистической обработки.

В период с 2021 по 2022 год были созданы макетные образцы детекторов СОИ. В 2023 году опытные образцы детекторов с собственным программным обеспечением использовались для изучения сверхслабого оптического излучения, испускаемого образцами сахаромицет. Для решения задачи сбора данных с этого оборудования создан модуль регистрации на основе микроконтроллера Миландр 1986BE92QI (г. Зеленоград) и создано соответствующее программное обеспечение для него.

На сегодняшний день детекторы использовались и испытаны в 2 научных центрах: Физический институт имени П.Н. Лебедева (Москва) и Объединенный институт ядерных исследований (Дубна)

На территории ФИАН создан четырёхканальный детектор сверхслабого оптического излучения. Система использует фотоэлектронные умножителей (ФЭУ) от ET Enterprises ввиду их широкой апертуры, подходящего диапазона и быстродействия. Для регистрации данных используется микроконтроллер от компании «Миландр». В этой работе мы сравнили системы регистрации на основе микроконтроллера и программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Было продемонстрировано, что новые созданные детекторы на основе ФЭУ, способны регистрировать слабое оптическое излучение, исходящее от образцов сахаромицет.

Также в ходе диссертационного исследования было изучено влияние собственных шумов ФЭУ и космического излучения на регистрацию сигналов от биокультур. Были предложены возможные решения для снижения этого влияния.

Цели и задачи работы:

- разработка и создание детектора на основе фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) с заданными масса-габаритными характеристиками для регистрации сверхслабого фотонного излучения в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах в условиях работы на космической станции;

- разработка встроенного программного обеспечения для новой прецизионной аппаратуры. Создание нового устройства и соответствующей пользовательской программы для сбора данных;

- проверка работы новой прецизионной аппаратуры, разработка методов подсчёта и хранения информации о количестве зарегистрированных фотонов от биологических образцов;

- регистрация данных с помощью разработанного детектора.

Научная новизна:

- впервые создана компактная детекторная система с полнодиапазонной регистрацией фотонов (2п) для четырех каналов, обладающая высокой устойчивостью к внешним воздействиям и уникальными масса-габаритными характеристиками для подобных устройств, что делает данное решение подходящим для использования в условиях экспериментов на борту МКС или других космических станциях, обеспечивая высокую точность измерений в условиях космического полёта;

- предложен ряд новых схемотехнических решений для регистрации фотонного излучения, обеспечивающих эффективную фильтрацию темновых шумовых импульсов и ложных сигналов с большей амплитудой, возникающих при взаимодействии космических мюонов с материалом подложки, аналогов которым ранее не существовало;

- впервые создано устройство регистрации оптического сверхслабого излучения на базе отечественного микроконтроллера Миландр 1986BE92QI для решения задачи сбора данных. Создано соответствующее программное обеспечение как для микроконтроллера (встроенное ПО), так и для работы с

данным устройством (клиентское ПО). Впервые разработано решение для удалённого мониторинга устройства сбора данных через на основе микроконтроллера Миландр 1986BE92QI;

- созданы новые первоначальные технические решения - включая механический конструктив, печатные платы блока регистрации (1 канал и 4 канала) и платы для блока подсчёта фотонов, которые заложили основу и сформировали ряд правил и концепций для проектируемой аппаратуры совместного эксперимента ЦНИИМАШ и ФИАН «Исследование влияния космического полета на электромагнитные колебания, генерируемые микроорганизмами в активной и покоящейся фазах».

Практическая и научная значимость:

1. Создано принципиально новое измерительное устройство с заданными масса-габаритными характеристиками, функциональным назначением которого являются исследования сверхслабого оптического излучения, исходящего от биообъектов. Это излучение представляет собой фотоны в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах.

2. Оригинальный модуль регистрации данных использует интегральную микросхему микроконтроллера, произведённую в России, с собственным встроенным программным обеспечением, разработанным в ФИАН. Это обеспечивает надёжность и целостность хранения данных.

3. Использование новой детекторной системы, основанной на фотоумножителях (ФЭУ) и микроконтроллере, для регистрации слабого оптического излучения имеет большое практическое значение для исследований и приложений в области радиационной биологии и биофизики по нескольким причинам:

- высокая чувствительность: фотоумножители обладают чрезвычайно высокой чувствительностью к слабым оптическим сигналам, что позволяет обнаруживать и регистрировать минимальные уровни слабого оптического излучения, характерного для живых организмов. Это особенно важно для

исследований в области биофизики, где сигнал может быть очень слабым порядка десятка фотонов в секунду;

- минимизация шумов: современные схемотехнические решения, методика фильтрации шумов в сочетании с применением прецизионных и широкоаппертурных ФЭУ позволяют значительно уменьшить фоновый шум, обеспечивая качественные измерения. Это критически важно для достоверности и повторяемости результатов исследований;

- диагностика: такие детекторы могут использоваться для изучения межклеточной и внутриклеточной передачи информации, которой обмениваются живые системы. Например, регистрация слабого биофотонного излучения от тканей человека может дать новые возможности для неинвазивных методов диагностики.

Созданный четырёхканальный детектор оптического излучения (280-630 нм) на основе ФЭУ, осуществляет регистрацию сверхслабого оптического излучения от биообъектов. Прибор представляет собой модуль научной аппаратуры (НА), предназначенный для интеграции с биореактором (диаметр 080 мм, обеспечивающий время жизни образца до 1 месяца), и имеет следующие технические характеристики: низкий уровень собственного шума (<5 ррт при усилении 2^107), высокую термостабильность (25 ррт), наличие четырёх каналов (два независимых измерительных канала оснащённых счётчиками антисовпадений), что обеспечивает прецизионные измерения сверхслабых оптических сигналов от биологических объектов.

Достоверность

Данные, полученные от различных устройств (1 и 4 канала), согласуются между собой. Экспериментальные результаты, их достоверность, также

соотносятся с выводами долгосрочных измерений, проведенных ранее другими исследователями [78].

Данная работа имела целью:

- разработку и создание детекторной системы в аэрокосмическом исполнении для измерения сверхслабого оптического излучения от биообъектов в условиях работы на космической станции;

- создание специализированной системы сбора данных для четырёхканального детектора сверхслабого оптического излучения с целью хранения данных и последующей обработки полученных измерений.

На защиту выносятся:

- полезная модель компактного четырёхканального детектора сверхслабого оптического излучения на основе ФЭУ с уникальными масса-габаритными характеристиками, не достигнутыми ранее;

- методика измерения фотонного излучения биообъектов в условиях работы на космической станции с функцией фильтрации сигнала от взаимодействия мюонного космического излучения с материалом подложки биореактора и одновременной фильтрацией темнового шума ФЭУ;

- полезная модель и конструкция устройства регистрации для задачи сбора данных от детекторной системы.

Основные результаты работы:

1. Создан одноканальный детектор оптического фотонного излучения.

2. Создана четырёхканальная детекторная система.

3. Создано устройство регистрации для сбора данных.

4. Разработано программное обеспечение для управления устройством регистрации, для удалённого мониторинга измеренных данных, а также для хранения и последующей обработки полученных данных.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и создание детекторной системы для исследования сверхслабого оптического излучения»

Апробация работы

Полученные результаты докладывались на семинарах ОФТТ ФИАН (г. Москва). Представлены доклады на 5 научных конференциях:

1. Одноканальный детектор сверхслабого оптического излучения для исследования образцов сахаромицет / Н.В. Дунин, В.Б. Дунин, С.А. Савинов, С.Н. Майбуров, Т.Е. Демихов, Е.И. Демихов // Проблемы оптической физики и биофотоники SFM-2023 : материалы 11-го Международного симпозиума и 27-ой Международной молодежной научной школы Saratov Fall Meeting 2023, Саратов, 25-29 сентября 2023 года. - Саратов: Саратовский источник, 2024. - 117 с. - ISBN 978-5-605-13930-0. - C. 5-11. DOI: 10.24412/cl-37145-2023-1-5-11

2. Детекторные системы для измерений ионизирующих излучений и слабых оптических излучений [Электронный ресурс] / Н.В. Дунин, В.В. Фимушкин, Е.И. Демихов, С.А. Савинов // The XII Annual Conference of Young Scientists and Specialists Alushta-2023. 4-11 июн. 2023 г. - URL: https://indico.jinr.ru/ event/3737/contributions/21583/attachments/15819/26855/ Презентация_Алушта. pdf

3. Четырехканальная система детекторов на основе ФЭУ для измерения слабых фотонных излучений / Н.В. Дунин, В.Б. Дунин, Т.Е. Демихов, С.А. Савинов, С.Н. Майбуров, В.В. Фимушкин, Е.И. Демихов // The XV-th International School-Conference The Actual Problems of Microworld Physics". Minsk, Belarus, 27 August - 3 September, 2023. URL: https://indico.jinr.ru/event/3604/

4. Detector Systems for Gamma Spectroscopy and Biophotonics / N.V. Dunin, E.I. Demikhov, V.V. Fimushkin // The Third International Forum Physics - 2024 April 2325, 2024, Samarkand, Uzbekistan Book Of Abstracts Institute of Nuclear Physics, Academy of Sciences of Uzbekistan, 2024, 174 pages. С. 128. URL: https: //conference. samdu.uz/ru/index.php. URL: https: //conference. samdu.uz/7. pdf

5. Detector system for measuring ultra-weak optical emission from biocultures / Dunin N.V., Mayburov S.N., Demikhov E.I. // Annual International Conference Saratov Fall Meeting XXVII Endogenous Biophotonics: Ultra-Weak Luminescence From Biological Systems II, Saratov State University (National Research University ofRussia) Саратов, Россия. URL: https://sfmconference.org/sfm/sfm23/

6. NICA Absolute Polarimeter / N.V. Dunin, V.V. Fimushkin, M.V. Kulikov, SPD collaboration meeting, VBLHEP, JINR, Dubna, Russia, 2022 URL: https://indico.jinr.ru/event/3737/sessions/2115/#20230608

Публикации

Всего было опубликовано четыре работы по теме диссертации. Основные результаты этой работы, обозначенные как [A1-A4], были опубликованы в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, а также соответствуют критериям, установленным Высшей аттестационной комиссией (ВАК):

A1. Н. В. Дунин, В. Б. Дунин, С. А. Савинов, А. С. Рыбаков, С. Н. Майбуров, А. Н. Багдинова, Е. И. Демихов. "Precision Equipment for Measuring Ultra-Weak Optical Emissions from Biocultures." Приборы и Техника Эксперимента, ISSN: 00328162, Издательство: Российская академия наук (Москва), 2023, № 1, с. 132-139. Приборы и техника эксперимента, № 1, 2023 (sciencejournals.ru).

A2. Н. В. Дунин, В. Б. Дунин, С. А. Савинов, Т. Е. Демихов, С. Н. Майбуров, Е. И. Демихов. "Встроенная микропроцессорная система регистрации импульсов для четырехканальной системы оптических детекторов на базе 32-битных ARM-контроллеров Миландр 1986BE92QI." Приборы и Техника Эксперимента, ISSN: 0032-8162, Издательство: Российская академия наук (Москва), № 3, с. 153, 2023. Приборы и техника эксперимента, № 3, 2023 (sciencejournals.ru).

A3. Dunin, N., Mayburov, S., Demikhov, T. et al. Measurement Automation of Ultra-Weak Optical Emission for Detectors Systems Based on PMTs. Phys. Part. Nuclei Lett. 21, 1084-1092 (2024). https://doi.org/10.1134/S1547477124701620

A4. Marek J. Peryt, Krystian Roslon, Nikita Dunin, Urszula D^browska, Ewelina Kolpa, Paulina Zawadzka Data Acquisition From Spectrometry And Dosimetry Systems Using LabVIEW environment* Vol. 14 (2021) Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement No 3. URL: https://www.actaphys.uj.edu.pl/fulltext?series=Sup&vol= 14&page=629

Личный вклад автора

В данной диссертационной работе автор лично принимал активное участие в создании и разработки новой детекторной системы. Это включает следующие основные действия:

1. Создание компьютерных трёхмерных моделей печатных плат для «Четырёхканального детектора СОИ», «Регистратора данных для детектора СОИ» и «Одноканального детектора СОИ».

2. Разработку и изготовление модулей научной аппаратуры «Четырёхканальный детектор СОИ», включая интерфейсный блок, главную плату детектора СОИ, регистратор для детектора СОИ и модуль питания.

3. Разработку программного обеспечения в средах Lazarus, LabVIEW и на языке C для научной аппаратуры включая «Четырёхканальный детектор СОИ», «Регистратор данных для детектора СОИ» и «Одноканального детектора СОИ».

4. Конфигурацию и программирование ПЛИС Xilinx Zynq для решения задачи сбора данных.

5. Проведение измерений с помощью разработанной аппаратуры для образцов биообъектов (дрожжи сахаромицет).

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Cверхслабое оптическое и УФ излучения биообъектов.

Происхождение и состав

Оптическое излучение - это электромагнитные волны с длиной волны от 1 нм до 1 мм. К оптическому излучению, кроме видимого излучения, воспринимаемого человеческим глазом, относятся ИК излучение и ультрафиолетовое излучение. Различные виды клеток в процессе деления генерируют оптическое и УФ излучение, везде ниже называемое «Сверхслабым оптическим излучением» (СОИ). Примечательно, что клетки испускают такое излучение не только во время деления, но и в других состояниях - например, при стрессе или в ходе нормального метаболизма.

Сверхслабое оптическое излучение является излучением чрезвычайно низкой интенсивности около 101-103 фотонов в секунду с см2. Интенсивность этого излучения зависит от времени, типа биоструктуры и процессов, которые в них происходят. Сверхслабое оптическое излучение состоит из оптической и УФ-компоненты. Ультрафиолетовая составляющая СОИ была обнаружена в работах [44, 79]. СОИ наблюдалось у бактерий и высших растений. В исследованиях было показано, что механизм генерации УФ компоненты отличается от перекисного окисления липидов и предположительно связан с синтезом белка.

Из-за его низкой интенсивности его невозможно обнаружить невооруженным глазом, но возможно зарегистрировать с помощью ФЭУ, лавинного фотодиода [80] или CCD матриц.

Интерес к этому типу излучения связан с возможностью изучать процессы метаболизма в клетках при помощи регистрации этого излучения. Кроме этого, сверхслабое оптическое излучение (СОИ) несёт в себе информацию о состоянии изучаемой биосистемы. При воздействии на растущие культуры клеток оно может вызвать реакции окисления-восстановления.

Сверхслабое оптическое излучение невозможно наблюдать при полном дневном свете, его невозможно наблюдать на больших расстояниях. Также, СОИ может функционировать только как внешний импульс для соседних биосистем, другими словами это излучение не может передавать длинные «сообщения». В силу того, что излучение обладает низкой интенсивностью это требует высокой чувствительности от регистрирующей аппаратуры и само по себе является нетривиальной задачей.

Основная сложность методики регистрации излучения СОИ состоит в фильтрации искомого сигнала от темновых шумовых импульсов.

Существующая методика обнаружения СОИ включала в себя наблюдения с помощью различных физических светочувствительных устройств. К ним относятся - фотопластинки, модифицированные счетчики Гейгера, фотоэлектронные умножители (PMT), кремниевые фотоэлектронные умножители (SiPM) и матрицы фотоаппаратов КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник CMOS).

Впервые с помощью физических детектирующих устройств СОИ было изучено при помощи фотопластинок [60, 62, 65, 75]. Результаты измерений были либо противоречивыми [62], либо отрицали существование СОИ [75].

Улучшенная методика регистрации СОИ [60] предполагает использование модифицированных счетчиков Гейгера-Мюллера с кварцевым окном.

Изучение СОИ с помощью счетчика Гейгера-Мюллера была осуществлено в работах [30, 47, 75]. Модификация счетчика Гейгера-Мюллера состояла в наличии специального фоточувствительного слоя, нанесенного на катод внутри трубки счетчика. Кванты света, проходящие через кварцевое окно, попадали на катод и вызывали разряд в счетчике. Таким образом, осуществлялось детектирование СОИ. Результаты улучшенной методики показали успешное обнаружение СОИ с интенсивностью 10-103 квантов/см2 [60, 66].

Недостатком этой методики являлась сложная настройка и отсутствие критериев оценки чувствительности модифицированного счётчика Гейгера-Мюллера. Это приводило к следующим проблемам при детектировании СОИ:

потеря чувствительности фоточувствительного слоя [47], наличие высокого тока утечки, что ухудшает отношение сигнал/шум [45]. В случае малых размеров катода и его неправильного расположения, это также ухудшает соотношение сигнал/шум и приводит к недостаточной апертуре для регистрации СОИ. Из-за несовершенства методики и сложной настройки ряд специалистов также отрицало существование СОИ [47, 75].

Развитие электровакуумных приборов и последующее изобретение фотоэлектронного умножителя (ФЭУ - photomultiplier tube) и лавинных фотодиодов (ЛФД - avalanche photodiode) позволило создать приборы с большей эффективностью и чувствительностью. К первым работам по измерению СОИ при помощи ФЭУ относятся публикации [23, 74, 84]. Объектам излучающими СОИ были растения и ткани животных [84]. В работах исследователей [57] также проверяли существование такого явления как СОИ от культур микроорганизмов (s. cerevisiae).

Исследователи [80] для регистрации сверхслабого оптического излучения от срезов мозга, использовали кремниевые лавинные диоды. Их темновой счёт составил 0,08 отсчётов в секунду при охлаждении детектирующего устройства жидким азотом (77К).

Серьёзным недостатком этого исследования является малая рабочая площадь кремниевых лавинных диодов, менее 1 мм2, и большое количество шумовых импульсов на единицу площади фоточувствительной поверхности (обычно больше 105 квантов * см-2 *с-1) по сравнению с фотоэлектронными умножителями. По этой причине, для большей чувствительности детекторной системы предпочтительнее использовать ФЭУ.

В данном диссертационном исследовании у разработанного устройства диаметр ФЭУ составляет 25 мм (ET Enterprises 9114 B). Количество темновых

9 _ 40 импульсов импульсов с 1 мм2 без охлаждения составило ---= 0,08 темновых

D 2 4

импульсов в секунду.

Используя элемент Пельтье для охлаждения, можно ещё больше уменьшить количество темновых импульсов у разработанной детекторной системы. Расстояние между исследуемым образцом биокультуры и ФЭУ для разработанного одноканального детектора (воздушный зазор) составляет 0,6 мм (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема измерительной установки сверхслабого

оптического свечения

Методика регистрации и исследования сверхслабого оптического излучения при помощи ФЭУ подробно описана в работах [56-58, 77].

В работе "Weak luminescence from the yeast Saccharomyces cerevisiae and the existence of mitogenetic radiation" измерение СОИ [58] проводилось с помощью фотоэлектронного умножителя E.M.I. 9635 QU. Этот ФЭУ был выбран исследователями из-за его высокой катодной чувствительности и низкого темнового тока равного 0,5 нА (измеренного при напряжении 1040 Вольт между анодом и катодом и температуре 293 К). Чувствительность ФЭУ находится в диапазоне длин волн 200 до 630 нанометров. Детектор был подключен к счетчику фотонов, который включал в себя импульсный усилитель (Nuclear Enterprises

NE 4658), анализатор высоты импульса (NE 4602) и измеритель скорости (NE 4622).

Методика подсчёта импульсов осуществлялась следующим образом. В течение каждого периода времени, который длился 2,35 мин, выходные импульсы поступали в многоканальный анализатор с 1024 каналами (Ortec 6240B). Кривые люминесценции строились путем загрузки содержимого многоканального анализатора на записывающее устройство JJ Instruments PL 1500.

Цилиндрическая кювета для дрожжей (длина 20 см, внутренний диаметр 4,5 см) была полностью сконструирована из диоксида кремния. Она имела оптически плоское основание, которое находилось на 1,5 см выше лицевой стороны трубки фотоэлектронногоумножителя.

Для уменьшения количества темновых импульсов корпус трубки ФЭУ поддерживался при температуре 306,15 К путём пропускания термостатированной воды через внешнюю рубашку корпуса. Температуру дрожжевой суспензии постоянно контролировали с помощью термистора, чувствительность которого составляла ± 0,01 К.

Исследователи Quickenden и Que Hee [57, 58] во время измерений поддерживали температуру 306,15 ± 0,05К. Это значение является средним между более высокими температурами, оптимизирующими рост дрожжей, и более низкими температурами, которые минимизируют фоновую скорость счёта в трубке фотоэлектронного умножителя.

В другом исследовании T.I Quickenden и R.N. Tilbury [77], использовали следующие настройки счётчика фотонов: напряжение между анодом и катодом составляло 1100 B и значение для усиления равнялось 2500 В. Анализатор мощности импульсов работал в интегральном режиме с нижним порогом, установленным на 0,18 В.

Эти настройки были применены для схемы, в которой каждый импульс тока от анода ФЭУ создавал импульс напряжения на нагрузочном резисторе 1,00 кОм и проходил через резистор и конденсатор связи 560 пФ на вход импульсного усилителя. Температура во время измерений также равнялась 306,15 K. Вышеупомянутые настройки были оптимальными [39].

Перед началом измерений люминесценции трубку ФЭУ тщательно проверяли на отсутствие засветки. Затем, когда заслонка, разделяющая трубку ФЭУ и кювету для дрожжей, была открыта, в кювету через трубку из нержавеющей стали с диаметром 0,1 см вводили 280 см3 стерильной питательной среды.

Во время каждого прогона скорость счёта фоновых частиц измеряли периодически, временно закрывая заслонку. Фон фотоэлектронного умножителя был стабильным и составлял примерно 500 отсчетов в секунду. Его вычитали из скоростей счета, полученных при открытом затворе, чтобы получить графики сверхслабого оптического излучения.

В данном диссертационном исследовании собственный фон и темновой счёт разработанной детекторной системы составил 40 отсчётов секунду, что ниже больше чем в 10 раз чем у ранних детекторов на основе ФЭУ в исследованиях [5658, 77].

В исследовании [77] были обнаружены четыре различных пика эмиссии на разных стадиях роста культур дрожжей S.cerevisiae, выращенных в присутствии кислорода.

Из результатов исследования [77] следует, что два пика излучения СОИ от сахаромицет S. cerevisiae воспроизводимы, и их можно получить предсказуемым образом для разных образцов исследуемых дрожжей. Это важный вывод, поскольку предыдущие работы по изучению сверхслабого оптического излучения подвергались критике из-за плохой воспроизводимости результатов измерений [59].

Исследователи после 2000 года развили методику изучения СОИ с помощью применения в работе кремниевых фотоэлектронных умножителей (SiPM) и КМОП матриц. Данные методики использовались для детектирования СОИ в следующих работах исследователей [12, 26, 68]. В статье «Smartphone-based low light detection for bioluminescence application» [69] исследователи рассмотрели возможность использования стандартных КМОП-матриц в смартфонах. Для создания детектора СОИ на основе смартфона необходимо применить алгоритмические методы контроля времени экспозиции камеры и подавления шумовых артефактов камеры.

Данная методика позволяет исследовать СОИ от биоструктур на длине волны 490 нм.

К недостаткам этого метода измерения можно отнести, то что собственный темновой ток КМОП-матрицы может самопроизвольно возрасти, что ухудшит отношение сигнал/шум и итоговую чувствительность детектирующего устройства. При разработке алгоритма управления КМОП-матрицы необходимо контролировать время выдержки, и не все устройства позволяют управлять им на уровне ПО. Также, в условиях низкой освещенности встроенные алгоритмы автофокусировки неэффективно позиционируют объектив камеры, что ухудшает итоговую чувствительность.

В данном диссертационном исследовании предлагается улучшенная методика измерения сверхслабого оптического излучения используя современные способы регистрации. Для устранения недостатков альтернативных методик счёта фотонов, перечисленных выше, была спроектирована и создана электронная аппаратура для детектирования СОИ и сбора данных, включая собственные спроектированные печатные платы, механический конструктив и программное обеспечение для встроенной микроэлектроники на основе микроконтроллера. Основной блок регистрации излучения представляет собой фотоэлектронные умножители, окружающие биологический объект (например, дрожжи) и регистрирующие испускаемое от них сверхслабое оптическое излучение.

Была рассмотрена возможность использования следующих типов ФЭУ. Анализ имеющихся в продаже устройств выявил преимущество вакуумных фотоумножителей перед другими типами детекторов. В Таблице 1 приведены параметры некоторых моделей вакуумных фотоумножителей, наиболее подходящих в качестве детекторов оптических фотонов.

Таблица 1 - Сравнительная таблица вакуумных фотоумножителей для биоанализа

Производитель Диапазон чувствительности , нм Входная апертура, мм Время нарастания, нс Ток темновой, нА Чувствитшьность цА/lm Напряжение питания, В

9111B (ET Enterprises) 280 - 630 022 1,8 0,3 70 800

R3550P (Hamamatsu) 300 - 650 022 1,5 0,5 50 1 000

R10754-07-M16 (Hamamatsu) 160 - 850 23x23 0,2 5 110 2 700

R9880U-01 (Hamamatsu) 230 - 870 08 0.57 1 200 1 100

L25D19(ADIT) 290 - 630 022 1 0,5 80 1 200

ФЭУ-187 (АО Электрон) 220 - 650 020 1,4 10 60 1 800

ФЭУ "Country"(AO Электрон) 250 - 800 010 ? 1 100 1 200

По спектральному диапазону лучшим вариантом является Р9880У-01. Однако вся продукция Hamamatsu недоступна из-за проблем с логистикой. Для фотоумножителей ФЭУ-187 и ФЭУ "Country" из-за фактического отсутствия их массового производства довольно сложно спрогнозировать их поведение с точки зрения надежности при длительном использовании. Параметры конкретных устройств могут сильно отличаться друг от друга. В нашем случае это становится крайне важным фактором, поскольку оперативная замена ФЭУ в готовом изделии не предусмотрена. В результате, несмотря на более узкий спектральный диапазон, детекторная система на базе ФЭУ 9111B отличается высокой чувствительностью, рекордно низким темновым током и пониженным напряжением питания.

«Регистрируемый при помощи фотоумножителей (ФЭУ) спектр излучения близок к постоянному во всей видимой области и быстро убывает в УФ диапазоне - примерно в 10 раз от 300 до 100 нм. Типичная интенсивность излучения - от 1 до 10 фотонов в сек. c 1 мм2 поверхности организма» [10].

Преимущество электровакуумного ФЭУ перед кремниевыми ФЭУ (SiPM) состоит в том, что электровакуумный ФЭУ является радиационно- стойким прибором в отличие от кремниевых ФЭУ (SiPM).

1.2 Фотоприёмники для изучения слабого оптического излучения

биологических систем

Фотоприёмники, применяемые для задач регистрации сверхслабого оптического излучения биообъектов, характеризуются определённым набором показателей качества и ограничений. Чувствительность является приоритетным параметром при выборе фотоприемников или матриц фотоприемников. Вторичным набором параметров по отношению к чувствительности, являются световой диапазон длин волн и время отклика [1]. Соответствие фотоприемника спектральному пику часто является предполагаемым требованием максимальной чувствительности.

Совокупные технические показатели качества фотодетектора включают в себя квантовую эффективность, чувствительность, мощность, отношение сигнал/шум, значение темнового тока и время отклика.

Лучшими видами фотоприемников для обнаружения слабого оптического излучения, являются фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), лавинный фотодиод и современные разработки на основе структур металл-оксид-полупроводник.

1.3 Виды фотоприёмников

Принцип работы фотодетекторов основан на энергетическом переходе электрона из низкого в высокое состояние путём однофотонного поглощения. Существуют следующие категории энергетического перехода:

1) фотоэлектрический: электрон переходит в зону проводимости из зоны валентности. В фотопроводящих устройствах фотоны генерируют носители, которые снижают сопротивление устройства;

2) генерация фононов: электрон переходит в состояние средней запрещенной зоны и обратно в исходное релаксированное состояние. Это эквивалентно выделению тепла;

3) другое: энергия превращается в другие формы с помощью таких механизмов, как экситоны.

Помимо классификации, связанной с природой перехода электрона, фотоприемники также можно разделить на две широкие категории, основанные на эффективности перехода: прямого действия и косвенного.

Фотоприемники прямого действия преобразуют падающие фотоны непосредственно в электронный сигнал. Эти детекторы включают в себя фотоэмиссионные, объемные фотопроводящие устройства или устройства на основе переходов (фотоэлектрические). Работа датчиков прямого действия основана на процессах разделения носителей и их транспортировке, несущей генерации падающим светом, а также на основе сбора тока на внешнюю цепь.

Фотоприёмники косвенного действия обычно не могут обеспечить нужной чувствительности в оптическом диапазоне для задач измерения сверхслабого излучения. Системы, которые обнаруживают сверхслабое оптическое излучение, в основном полагаются на использование (фотоэмиссионных) фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), охлаждаемых устройств с зарядовой связью (ПЗС) или устройств на основе лавинного фотодиода (ЛФД) для обеспечения высокой чувствительности.

1.4 Фотоумножители

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) являются наиболее чувствительными фотодетекторами для видимого диапазона света. Типичный ФЭУ состоит из фотокатода для преобразования падающих фотонов в электроны, каскада динодов, анода и фокусирующей оптики для фокусировки электронов на первый динод (Рисунок 2). Рабочий спектральный диапазон отклика определяется материалом фотокатода ("красная" граница) и материалом окна ("синяя" граница). Далее содержится краткий обзор компонентов ФЭУ, более подробная информация доступна в [73].

PHOTOCATHODE FOCUSING ELECTRODES STEM

Рисунок 2 - Структура ФЭУ

Принцип работы фотокатодов заключается в возбуждении электрона из зоны проводимости в вакуум. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом и описывается уравнением Эйнштейна:

Е = НУ - Еь (1)

где Е - энергия, сообщаемая электрону, Н - постоянная Планка, V - частота света, Еь - энергия связи электрона с атомом.

В идеале фотокатодные материалы должны иметь низкую энергию связи электронов ЕЬ и высокую квантовую эффективность. Фотокатодные материалы обычно представляют собой щелочные металлы и металлы V группы (такие как К, ОБ, БЬ).

Фотокатоды либо отражают, либо пропускают генерируемый фотонами электрон. Фотокатоды на отражение представляют собой металлические пластины, покрытые фотоэмиссионным материалом.

Двумя наиболее распространенными вторичными механизмами усиления фотоэмиссионных датчиков являются ионизация газа и динодное умножение. Из них умножение динодов обеспечивает самую высокую чувствительность. Устройства умножения динодов имеют цепочку динодов, в которую попадают

электроны, когда они проходят через устройство. Динод - это тип катода, поверхность которого покрыта материалом с низкой работой выхода. Выбирая подходящую геометрию динода, электроны фокусируются, чтобы избежать большого разброса длины пути. Для п динодов со средним коэффициентом усиления электронов N общий коэффициент усиления составляет О = N х п.

Существует множество конфигураций динодов, которые приводят к разному времени отклика и усилению. Для приложений биологического зондирования наиболее распространены конфигурации с прямоугольной сеткой и с линейной фокусировкой из-за их высокой эффективности сбора. Время отклика ФЭУ в значительной степени определяется траекторией полета электронов через динодные структуры. В определенных пределах увеличение напряжения питания увеличивает скорость прохождения электронов и сокращает время прохождения.

На работу обычных ФЭУ существенное влияние оказывает внешнее магнитное поле - оно может отклонять электроны от их нормальных траекторий, ухудшая фокусировку, и, как следствие, уменьшать коэффициент усиления. Величина эффекта зависит от типа ФЭУ и его ориентации в магнитном поле. Часто для уменьшения этого влияния применяют интегрированный металлический экран, оборачиваемый вокруг ФЭУ, который, для более высокой степени защиты, можно дополнить и внешним магнитным экраном.

Расстояние между динодами как правило составляет 1 мм. Такая конструкция позволяет ФЭУ обладать отличными временными характеристиками в районе 1-2 нс и высоким коэффициентом усиления, достигающим порядка 105-106).

Микроканальные пластины менее чувствительны к магнитным полям по сравнению с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Коэффициент усиления микроканальных пластин (МКП) определяется формулой:

О = ехр(^)

(2)

где Ь - длина отверстия (канала), N - коэффициент вторичной эмиссии, й - его диаметр.

У однокаскадных МКП коэффициент усиления составляет примерно 104, у двухкаскадных - около 107, а у трёхкаскадных - до 109.

Чтобы частицы попадали на стенки каналов, они расположены под углом к направлению их движения (обычно 5°-15°). По сравнению с обычными ФЭУ МКП обладают лучшим временным разрешением (менее 1 нс) и меньшими массогабаритными характеристиками. Однако, они требуют большего рабочего напряжения (2-3 кВ) и в силу нелинейного характера умножения носителей более стабильного источника питания.

Основным источником шума для ФЭУ является темновой ток, который в основном возникает из-за термоэлектронной эмиссии электронов из фотокатода или динодов и определяется уравнением Ричардсона-Душмана:

л т2 (

}э = А0Т ехр - — I кТ

(3)

где А0 = 120,4 А/см2К2 - постоянная Зоммерфельда.

Режим счета фотонов реализуется установкой нижнего и верхнего порога для выходного сигнала. Электроны, генерируемые термически из динодов, умножаются последующими динодами в цепочке, но они подвергаются меньшему размножению, чем электроны, испускаемые фотокатодом.

При регистрации световых сигналов низкой интенсивности ФЭУ часто являются лучшим вариантом для получения полезной информации из эксперимента. Например, в работе [35] продемонстрировано обнаружение чрезвычайно слабой собственной люминесценции бактериальной культуры с помощью ФЭУ. Чрезвычайно быстрое время отклика ФЭУ может также использоваться для получения зависящей от времени информации, например, в экспериментах по измерению флуоресцентной спектроскопии с временным разрешением [19]. В работе [76] ФЭУ использовался в качестве детектора

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дунин Никита Владимирович, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акимов, Ю. К. Фотонные методы регистраций излучений / Ю. К. Акимов. - Изд. 2-е, испр. и доп. - Дубна: ОИЯИ, 2014. - 323 с.

2. Владимиров, Ю. А. Сверхслабые свечения при биохимических реакциях / Ю. А. Владимиров. - М.: Наука, 1966. - 102 с.

3. Встроенная микропроцессорная система регистрации импульсов для четырехканальной системы оптических детекторов на основе 32-битных arm-контроллеров Миландр 1986BE92QI / Н. В. Дунин, В. Б. Дунин, С. А. Савинов [и др.] // Приборы и техника эксперимента. - 2023. - № 3. - С. 153. -DOI: 10.31857/S0032816223030205.

4. Детекторные системы для измерений ионизирующих излучений и слабых оптических излучений [Электронный ресурс] / Н. В. Дунин, В. В. Фимушкин, Е. И. Демихов, С. А. Савинов // The XII Annual Conference of Young Scientists and Specialists Alushta-2023. - URL: https://indico.jinr.ru/event/ 3737/contributions/21583/attachments/15819/26855/Презентация_Алушта.pdf (дата обращения: 26.03.2025).

5. Кузин, A. M. Вторичное биогенное излучение биологических структур после их гамма-облучения в малой дозе / A. M. Кузин, Г. Н. Суркенова, А. Ф. Ревин // Биофизика. - 1995. - Т. 40. - № 6. - С. 1385-1387.

6. Кузин, A. M. Обнаружение вторичного биологически активного излучения растительных культур после их гамма-облучения в малых дозах / A. M. Кузин, Г. Н. Суркевич // Доклады РАН. - 1994. - Т. 337. - № 4. - С. 535-537.

7. Кузин, А. М. Идея радиационного гормезиса в атомном веке / А. М. Кузин. - М.: Наука, 1995. - 156 с.

8. Одноканальный детектор сверхслабого оптического излучения для исследования образцов сахаромицет / Н. В. Дунин, В. Б. Дунин, С. А. Савинов [и др.] // Проблемы оптической физики и биофотоники. SFM-2023: материалы Международного симпозиума и Международной молодежной научной школы Saratov Fall Meeting 2023 (Саратов, 25-29 сентября 2023 г.) / под ред.

Г. В. Симоненко, В. В. Тучина. - Саратов: Саратовский источник, 2024. - С. 7-14.

- DOI: 10.24412/cl-37145-2023-1-7-14.

9. Петин, В. Г. Анализ действия малых доз ионизирующего излучения на онкозаболеваемость человека / В. Г. Петин, М. Д. Пронкевич // Радиация и риск (Бюллетень Национального радиационно-эпидемиологического регистра). - 2012.

- Т. 21. - № 1. - С. 39-57.

10. Прецизионная аппаратура для измерения сверхслабого оптического излучения от биокультур / Н. В. Дунин, В. Б. Дунин, С. А. Савинов [и др.] // Приборы и техника эксперимента. - 2023. - № 1. - С. 132-139. - DOI: 10.31857/S003281622206012X.

11. A Chinese literature overview on ultra-weak photon emission as promising technology for studying system-based diagnostics / M. He, M. Sun, E. van Wijk [et al.] // Complementary Therapies in Medicine. - 2016. - Vol. 25. - P. 20-26. - DOI: 10.1016/j.ctim.2015.12.015.

12. An integrated CMOS microluminometer for low-level luminescence sensing in the bioluminescent bioreporter integrated circuit / M. L. Simpson, G. S. Sayler, G. Patterson [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2001. - Vol. 72. - № 2. - P. 134-140. - DOI: 10.1016/s0925-4005(00)00641-9.

13. Application Potentiality of Delayed Luminescence in Medicine, Biology, and Food Quality Researches / R. Grasso, F. Musumeci, A. Scordino, A. Triglia // Ultra-Weak Photon Emission from Biological Systems / I. Volodyaev, E. van Wijk, M. Cifra, Y. A. Vladimirov (eds). - Cham: Springer, 2023. - P. 313-325. - DOI: 10.1007/978-3-031-39078-4_19.

14. Baldwin, J. Radiation hormesis: historical and current perspectives / J. Baldwin, V. Grantham // Journal of Nuclear Medicine Technology. - 2015. - Vol. 43. -№ 4. - P. 242-246. - DOI: 10.2967/jnmt.115.166074.

15. Bell, R. L. Negative Electron Affinity Devices / R. L. Bell. - Oxford: Oxford University Press, 1973. - 190 p.

16. Bhattacharya, P. Semiconductor Optoelectronic Devices / P. Bhattacharya. -Upper Saddle River: Prentice-Hall, 1997. - 640 p.

17. Biochemistry and genetics of yeast / P. P. Slonimski [et al.] // Biochemistry and Genetics of Yeasts: Pure and Applied Aspects: Proceedings of the Symposium Held at the Universidade de Sao Paulo, Brazil, December 4-10, 1977. - New York: Academic Press, 1978. - P. 391-402.

18. Bioluminescent biosensor device: United States Patent Application 20030027241 [Электронный ресурс] / G. S. Sayler // Free Patents Online. - URL: https://www.freepatentsonline.com/y2003/0027241.html (дата обращения: 21.03.2025).

19. Characterization of type I, II, III, IV, and V collagens by time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy / L. Marcu, D. Cohen, J. M. I. Maarek, W. S. Grundfest // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. - 2000. - Vol. 3917. - P. 93-101. - DOI: 10.1117/12.382720.

20. Chariton, J. Über die Wellenlänge und Intensität mitogenetischer Strahlung / J. Chariton, G. Frank, N. Kannegiesser // Naturwissenschaften. - 1930. - Vol. 18. - № 19. - P. 411-413.

21. Chemiluminescence of Acanthamoeba castellanii / D. Lloyd, A. Boveris, R. Reiter [et al.] // Biochemical Journal. - 1979. - Vol. 184. - № 1. - P. 149-156. - DOI: 10.1042/bj1840149.

22. Cifra, M. Ultra-weak photon emission from biological samples: definition, mechanisms, properties, detection and applications / M. Cifra, P. Pospisil // Journal of Photochemistry and Photobiology B Biology. - 2014. - Vol. 139. - P. 2-10. - DOI: 10.1016/j.j photobiol.2014.02.009.

23. Colli, L. Light emission by germinating plants / L. Colli, U. Facchini // Il NuovoCimento (1943-1954). - 1954. - Vol. 12. - № 1. - P. 150-153. - DOI: 10.1007/BF02820374.

24. Data Acquisition from Spectrometry and Dosimetry Systems Using LabVIEW Environment / M. J. Peryt, K. Roslon, N. Dunin [et al.] // Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement. - 2021. - Vol. 14. - № 3. - Art. 629. - DOI: 10.5506/APhysPolBSupp.14.629.

25. Delayed Luminescence as a Tool to Study the Structures of Systems of Biological Interest and Their Collective Long- Living Excited States / R. Grasso,

F. Musumeci, A. Scordino, A. Triglia // Ultra-Weak Photon Emission from Biological Systems / I. Volodyaev, E. van Wijk, M. Cifra, Y. A. Vladimirov (eds). - Cham: Springer, 2023. - P. 505-517. - DOI: 10.1007/978-3-031-39078-4_31.

26. Design and testing of a CMOS BDJ detector for integrated microanalysis systems / G.-N. Lu, G. Sou. F. Devigny, G. Guillaud // Microelectronics Journal. - 2001. - Vol. 32. - № 3. - P. 227-234. - DOI: 10.1016/S0026-2692(00)00136-1.

27. Detection of Ultraweak Photon Emission (UPE) from Cells as a Tool for Pathological Studies / A. Shanei, Z. Alinasab, A. Kiani, M. A. Nematollahi // Journal of Biomedical Physics and Engineering. - 2017. - Vol. 7. - № 4. - P. 389-396. - DOI: 10.22086/jbpe.v0i0.458.

28. Effects of Ion Irradiation on Seedlings Growth Monitored by Ultraweak Delayed Luminescence / R. Grasso, T. Abe, P. G. A. Cirrone [et al.] // PLoS ONE. -2016. - Vol. 11. - № 12. - Art. e0167998. - DOI: 10.1371/journal.pone.0167998.

29. Fels, D. The Possible Functions of Electromagnetic Cell Communication / D. Fels // Ultra-Weak Photon Emission from Biological Systems / I. Volodyaev, E. van Wijk, M. Cifra, Y. A. Vladimirov (eds). - Cham: Springer, 2023. - P. 427-434. - DOI: 10.1007/978-3-031- 39078-4_24.

30. Frank, G. Über den physikalischen Nachweis mitogenetischer Strahlung und die Intensität der Muskelstrahlung / G. Frank, S. Rodionow // Naturwissenschaften. -1931. - Vol. 19. - № 30. - P. 659-659. - DOI: 10.1007/BF01516035.

31. Gray, J. Apparent mitogenetic inactivity of active cells / J. Gray, C. Ouellet // Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character. - 1933. - Vol. 114. - № 786. - P. 1-9. - DOI: 10.1098/rspb.1933.0067.

32. Gundacker, S. The silicon photomultiplier: fundamentals and applications of a modern solid-state photon detector / S. Gundacker, A. Heering // Physics in Medicine & Biology. - 2020. - Vol. 65. - № 17. - Art. 17TR01. - DOI: 10.1088/1361-6560/ab7b2d.

33. Halliwell, B. Properties and physiological function of aglutathione reductase purified from spinach leaves by affinity chromatography / B. Halliwell, C. H. Foyer // Planta. - 1978. - Vol. 139. - № 1. - P. 9-17. - DOI: 10.1007/BF00390803.

34. Hee, S. S. Q. A Study of the Weak Luminescence Emitted by Aqueous

Suspensions of the Yeast Saccharomyces Cerevisiae / S. S. Q. Hee. - Brisbane: University of Queensland, 1971. - 167 p.

35. Heimer, M. L. Using a photomultiplier tubeto measure weak bioluminescence / M. L. Heimer, A. Gutman, A. Del Boca // IEEE Proceedings of the Southeastcon '91. -1991. - Vol. 1. - P. 494-498. - DOI: 10.1109/SECON.1991.147804.

36. Hollaender, A. Mitogenetic Rays? / A. Hollaender, W. D. Claus // Nature. -1937. - Vol. 140. - P. 1007-1008. - DOI: 10.1038/1401007c0.

37. Hybrid photodetector for single-molecule spectroscopy and microscopy / X. Michalet, A. Cheng, J. Antelman [et al.] // Single Molecule Spectroscopy and Imaging.

- 2008. - Vol. 6862. - P. 84-95. - DOI: 10.1117/12.763449.

38. Inaba, H. Super-high sensitivity systems for detection and spectral analysis of ultraweak photon emission in biological cells and tissues / H. Inaba // Experientia. - 1988.

- Vol. 44. - № 7. - P. 550-559. - DOI: 10.1007/BF01953302.

39. Ingle, J. D. Critical comparison of photon counting and direct current measurement techniques for quantitative spectrometric methods / J. D. Ingle, S. R. Crouch // Analytical chemistry. - 1972. - Vol. 44. - № 4. - P. 785-794. - DOI: 10.1021/ac60312a020.

40. Jargin, S. V. X-ray Hesitancy: Potential Concerns / S. V. Jargin // Dose-Response. - 2020. - Vol. 18. - № 4. - Art. 1559325820982410. - DOI: 10.1177/1559325820982410.

41. Jia, K. Measurement of Bacterial Bioluminescence Intensity and Spectrum: Current Physical Techniques and Principles / K. Jia, R. E. Ionescu // Bioluminescence: Fundamentals and Applications in Biotechnology - Volume 3. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology / G. Thouand, R. Marks (eds). - Cham: Springer, 2015. -Vol. 154. - P. 19-45.

42. Kearns, D. R. Physical and chemical properties of singlet molecular oxygen / D. R. Kearns // Chemical Reviews. - 1971. - Vol. 71. - № 4. - P. 395-427. - DOI: 10.1021/cr60272a004.

43. Konev, S. V. Fluorescence and phosphorescence of proteins and nucleic acids / S. V. Konev, - New York: Plenum, 1967. - 214 p.

44. Konev, S. V. On the problem of the very faint bioluminescence of cells in the ultraviolet range of the spectrum and its biological role / S. V. Konev, T. I. Lyskova, G. D. Nisenbaum // Biofizika. - 1966. - Vol. 11. - № 2. - P. 361-363.

45. Kreuchen, K. H. Physikalische und biologische Unter- suchungen uber mitogenetische strahlung / K. H. Kreuchen, J. B. Bateman // Protoplasma. - 1932. - Vol. 22. - № 2. - P. 243-273. - DOI: 10.1007/BF01608868.

46. Kucera, O. Limits to Information Transfer Through Biological Autoluminescence / O. Kucera // Ultra-Weak Photon Emission from Biological Systems / I. Volodyaev, E. van Wijk, M. Cifra, Y. A. Vladimirov (eds). - Cham: Springer, 2023.

- p. 441-445. - DOI: 10.1007/978-3-031- 39078-4_26.

47. Lorentz, E. Investigation on mitogenetic radiation by means of a photoelectric counter tube / E. Lorentz // Physical Reviews. - 1929. - Vol. 44. - P. 329-330.

48. Lorenz, E. Search for mitogenetic radiation by means of the photoelectric method / E. Lorenz // The Journal of General Physiology. - 1934. - Vol. 17. - № 6. -P. 843-862. - DOI: 10.1085/jgp.17.6.843.

49. Measuring ultra-weak photon emission as a non-invasive diagnostic tool for detecting early-stage type 2 diabetes: a step toward personalized medicine / M. Sun, E. van Wijk, S. Koval [et al.] // Journal of Photochemistry and Photobiology B Biology.

- 2016. - Vol. 166. - P. 86-93. - DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2016.11.013.

50. Methods of studying ultraweak photon emission from biological objects: I. History, types and properties, fundamental and application significance / E. V. Naumova, Yu. A. Vladimirov, L. Beloussov [et al.] // Biophysics. - 2021. - Vol. 66. - № 5. - P. 764-778. - DOI: 10.1134/S0006350921050158.

51. Methods of Studying Ultraweak Photon Emission from Biological Objects: III. Physical Methods / E. Naumova, Yu. Vladimirov, V. Tuchin [et al.] // Biophysics. - 2022.

- Vol. 67. - № 1. - P. 27-58. - DOI: 10.1134/S0006350922010109.

52. Motchenbacher, C. D. Low-Noise Electronic Design / C. D. Motchenbacher, F. C. Fitchen. - New York: Wiley, 1972. - 358 p.

53. Nagai, S. Advances in the study of respiration deficient (RD) mutation in yeast and other microorganisms / S. Nagai, N. Yanagishima, H. Nagai // Bacteriological

Reviews. - 1961. - Vol. 25. - № 4. - P. 404-426. - DOI: 10.1128/br.25.4.404-426.1961.

54. Nakano, M. Mechanism of chemiluminescence from the linoleate-lipoxygenase system / M. Nakano, K. Sugioka // Archives of Biochemistry and Biophysics. - 1977. - Vol. 181. - № 2. - P. 371-383. - DOI: 10.1016/00039861(77) 90242-9.

55. Photomultiplier Tube: Principle to Application / ed. H. Kume. - Toyooka: Hamamatsu Photonics K. K., 1994. - 247 p.

56. Quickenden, T. I. Growth dependent luminescence from cultures of normal and respiratory deficient Saccharomyces cerevisiae / T. I. Quickenden, R. N. Tilbury // Photochemistry and Photobiology. - 1983. - Vol. 37. - № 3. - P. 337-344. - DOI: 10.1111/j.1751-1097.1983.tb04482.x.

57. Quickenden, T. I. The spectral distribution of the luminescence emitted during growth of the yeast Saccharomyces cerevisiae and its relationship to mitogenetic radiation / T. I. Quickenden, S. S. Q. Hee // Photochemistry and Photobiology. - 1976. - Vol. 23. - № 3. - P. 201-204. - DOI: 10.1111/j.1751-1097.1976.tb07242.x.

58. Quickenden, T. I. Weak luminescence from the yeast Saccharomyces cerevisiae and the existence of mitogenetic radiation / T. I. Quickenden, S. S. Q. Hee // Biochemical and Biophysical Research Communications. - 1974. - Vol. 60. - № 2. - P. 764-770. -DOI: 10.1016/0006-291X(74)90306-4.

59. Rahn, O. Invisible radiations of organisms / O. Rahn // Protoplasma. - 1936. -Vol. 26. - P. 495-496. - DOI: 10.1007/BF01628694.

60. Rajewsky, B. Zur Frage des physikalischen Nachweises der Gurwitsch-Strahlung / B. Rajewsky // Zehn Jahre Forschung Auf Dem Physikalisch - Medizinischen Grenzgebiet / eds F. Dessauer. - Leipzig: Georg Thieme Verlag, 1931. - P. 244-257.

61. Raynor, J. M. A linear array of photodetectors with wide dynamic range and near photon quantum-noise limit / J. M. Raynor, P. Seitz // Sensors and Actuators A: Physical. - 1997. -Vol. 61. - № 1-3. - P. 327-330.

62. Reiter, T. Ultraviolette Strahlen und Zellteilung / T. Reiter, D. Gabor // Strahlentherapie. - 1928a. - Vol. 28. - P. 125-131.

63. Reiter, T. Zellteilung und Strahlung / T. Reiter, D. Gabor. - Berlin: Springer,

1928b. - 200 p.

64. Saleh, B. E. A. Fundamentals of Photonics / B. E. A. Saleh, M. C. Teich. - New York: Wiley, 1991. - 804 p.

65. Schreiber, H. Ueber nachweis und intensitat der mitogenetischen strahlung / H. Schreiber, W. Friedrich // Biochemische Zeitschrift. - 1930. - Vol. 227. - P. 387-400.

66. Siebert, W. W. Physikalischer nachweis der gurwitsch strahlung mit hilfe eines differenzverfahrens / W. W. Siebert, H. Seffert // Naturwissenschaften. - 1933. - Vol. 31.

- P. 193-194.

67. Silicon photomultiplier (SPM) detection of low-level bioluminescence for the development of deployable whole-cell biosensors: Possibilities and limitations / H. Li, N. Lopes, S. Moser [et al.] // Biosensors and Bioelectronics. - 2012. - Vol. 33. - № 1. - P. 299-303. - DOI: 10.1016/j.bios.2012.01.008.

68. SiPM as miniaturised optical biosensor for DNA- microarray applications / M.

F. Santangelo, E. L. Sciuto, A. Busacca [et al.] // Sensing and Bio-Sensing Research. -2015. - Vol. 6. - P. 95-98. - DOI: 10.1016/j.sbsr.2015.08.003.

69. Smartphone-based low light detection for bioluminescence application / H. Kim, Y. Jung, I.-J. Doh [et al.] // Scientific Reports. - 2017. - Vol. 7. - № 1. - Art. 40203. - DOI: 10.1038/srep40203.

70. Spectral Distribution of Ultra-Weak Photon Emission as a Response to Wounding in Plants: An In Vivo Study / A. Prasad, P. Gouripeddi, H. R. N. Devireddy [et al.] // Biology. - 2020. - Vol. 9. - № 6. - Art. 139. - DOI: 10.3390/biology9060139.

71. Stillman, G. E. Avalanche Photodiodes. Semiconductors and Semimetals /

G. E. Stillman, C. M. Wolfe // Infrared Detectors II / R. K. Willardson, A. C. Beer (eds).

- New York: Academic, 1977. - P. 291-393.

72. Stress-induced photon emission from perturbed organisms / J. Slawinski, A. Ezzahir, M. Godlewski [et al.] // Experientia. - 1992. - Vol. 48. - № 11-12. - P. 10411058. - DOI: 10.1007/BF01947992.

73. Sze, S. M. Physics of Semiconductor Devices / S. M. Sze. - New York: Wiley, 1981. - 824 p.

74. Tarusov, B. N. Study on ultra-weak spontaneous luminescence of animal cells

/ B. N. Tarusov, A. I. Polivoda, A. I. Zhuravlev // Biofizika. - 1961. - Vol. 6. - P. 490492.

75. Taylor, G. W. The theory of mitogenetic radiation / G. W. Taylor, E. N. Harvey // The Biological Bulletin. - 1931. - Vol. 61. - № 3. - P. 280-293.

76. Technological conception of an optical biosensor with a disposable card for use with bioluminescent bacteria / H. Horry, T. Charrier, M.-J. Durand [et al.] // Sensors and Actuators B Chemical. - 2007. - Vol. 122. - № 2. - P. 527-534. - DOI: 10.1016/j.snb.2006.06.033.

77. Tilbury, R. Luminescence from the yeast Candida utilis and comparisons across three genera / R. Tilbury, T. Quickenden // Journal of Bioluminescence and Chemiluminescence. - 1992. - Vol. 7. - № 4. Р. 245-253.

78. Tilbury, R. N. Spectral and time dependence studies of the ultraweak bioluminescence emitted by the bacteruim Escherichia coli / R. N. Tilbury, T. I. Quickenden // Photochemistry and Photobiology. - 2008. - Vol. 47. - № 1. - P. 145150. - DOI: 10.1111/j.1751-1097.1988.tb02704.x.

79. Троицкий, Н. А., "Исследование ультрафиолетовой хемилюминесценции биологических систем." Н. А. Троицкий, С. В. Конев, М. А. Катибников // Биофизика. - 1961. - Т. 6. - Вып. 2 - С. 238-240.

80. Ultrahigh sensitivity singlephoton detector using a Si avalanche photodiode for the measurement of ultraweak biochemiluminescence / T. Isoshima, Y. Isojima, K. Hakomori [et al.] // Review of Scientific Instruments. - 1995. - Vol. 66. - № 4. -P. 922-925.

81. Ultra-weak photon emission as a dynamic tool for monitoring oxidative stress metabolism / R. C. R. Burgos, J. C. Schoeman, L. Winden [et al.] // Scientific Reports. -2017. - Vol. 7. - № 1. - Art. 1229. - DOI: 10.1038/s41598-017-01229-x.

82. Van Wijk, R. Integrating Ultraweak Photon Emission in Mitochondrial Research / R. van Wijk, E. van Wijk // Ultra-Weak Photon Emission from Biological Systems / I. Volodyaev, E. van Wijk, M. Cifra, Y. A. Vladimirov (eds). - Cham: Springer, 2023. - P. 461-474. - DOI: 10.1007/978-3-031-39078-4_28.

83. Van Wijk, R. Light in Shaping Life - Biophotons in Biology and Medicine / R.

van Wijk. - Geldermalsen: Meluna, 2014. - 419 p.

84. Vladimirov, I. A. Investigation of very weak luminescence in biological systems / I. A. Vladimirov, F. F. Litvin // Biophysics. - 1959. - Vol. 4. - № 5. - P. 601605.

85. Volodyaev, I. Physics of Photon Emission / I. Volodyaev, Y. A. Vladimirov // Ultra-Weak Photon Emission from Biological Systems / I. Volodyaev, E. van Wijk, M. Cifra, Y. A. Vladimirov (eds). - Cham: Springer, 2023. - P. 61-82. - DOI: 10.1007/978-3-031-39078-4_5.

86. Volodyaev, I. Revisiting the mitogenetic effect of ultra-weak photon emission / I. Volodyaev, L. V. Beloussov // Frontiers in Physiology. - 2015. - Vol. 6. - Art. 241. - DOI: 10.3389/fphys.2015.00241.

87. Wickerhams, L. J. Taxonomy of Yeasts / L. J. Wickerhams // US Department of Agriculture, Washington DC, Technical Bulletin. - 1951. - № 1029. - P. 1-56.

88. Wright, A. G. The photomultiplier handbook / A. G. Wright. - Oxford: Oxford University Press, 2017. - 640 p.

89. Yotter, R. A. A review of photodetectors for sensing light-emitting reporters in biological systems / R. A. Yotter, D. M. Wilson // IEEE Sensors Journal. - 2003. - Vol. 3. - № 3. - P. 288-303. - DOI: 10.1109/JSEN.2003.814651.

90. Zeuthen, E. The temperature-induced division synchrony in Tetrahymena / E. Zeuthen // Synchrony in cell division and growth. - New York: Interscience Publishers, 1964. - P. 99-158.