Лазерный оптико-акустический спектрометр для газоанализа в медицине

Научная библиотека Комментарии к записи Лазерный оптико-акустический спектрометр для газоанализа в медицине отключены

М. Старикова, И. Кузнецова, Н. Костюкова // журнал Фотоника, №2, 2015, с:84-91

Представлен лазерный оптико-акустический спектрометр для газоанализа в медицине на основе параметрического генератора света. Разработанный спектрометр позволяет анализировать спектры поглощения двадцати газовых биомаркеров в режиме реального времени в спектральном диапазоне от 2,5 до 10,7 мкм. Продемонстрирована возможность использования спектрометра для медицинской диагностики некоторых бронхо-лёгочных заболеваний различной этиологии.

Оптико-акустическая спектроскопия (ОАС) в настоящее время относится к одному из наиболее динамично развивающихся направлений в спектроскопии. Метод ОАС основан на оптико-акустическом (ОА) эффекте, открытом А. Г. Беллом в 1880 году [1]. Сам эффект заключается в возникновении акустических колебаний в газе под воздействием модулированного на звуковой частоте электромагнитного излучения в спектральном диапазоне длин волн ‒ от ультрафиолетового до инфракрасного и соответствующего линиям поглощения газа.

Применение оптико-акустического эффекта для анализа газовых смесей характеризуется простотой, надежностью, высокой селективностью и возможностью быстрого получения результатов измерений. Кроме того, метод обеспечивает широкий динамический диапазон чувствительности, позволяющий детектировать в пробе газы с концентрациями, значения которых могут различаться в десятки тысяч раз.

В первых экспериментах по исследованию ОА-эффекта было обнаружено, что усиление оптико-акустического сигнала возможно за счет такого явления, как акустический резонанс [2]. Было разработано множество конструктивных вариантов резонансных ОА-ячеек, с помощью которых и была продемонстрирована эффективность данного метода. Однако из-за отсутствия надлежащих технических средств (такихкак источники света, микрофоны и электроника) ОА-эффект был почти полностью забыт более чем на полвека. И только в 1938 году М. Л. Вейнгеров предложил ОА-систему на основе излучения черного тела в качестве источника излучения и микрофона для анализа газовой смеси [3]. В 1960-е годы важный результат был получен при первом использовании источника лазерного излучения в ОА-детектировании газа [4]. По сравнению с обычными световыми источниками, лазеры имеют лучшее качества пучка и спектральную чистоту, а также могут обеспечить более высокие мощности излучения.

В 1970-х и 1980-х годах наблюдался бум развития оптико-акустического детектирования различных веществ. В ОА-системах, построенных на основе газовых СО- и СО2-лазеров с выходной мощностью оптического излучения порядка нескольких ватт, были достигнуты значения концентрационной чувствительности к детектируемому газу на уровне единиц ppbv (одна часть на миллиард по объему) и даже ниже [5–9].

Лазеры оказались идеальными источниками оптического излучения для задач ОАС:

  • во-первых, некоторые лазеры имеют возможность перестройки длины волны в области спектра, где расположены линии поглощения молекул различных газов;
  • во-вторых, узкая спектральная ширина линии излучения повышает селективность детектирования газов, линии поглощения которых находятся рядом;
  • в-третьих, лазеры обеспечивают необходимую мощность излучения в нужном спектральном диапазоне, что позволяет в полной мере использовать возможности ОА-эффекта.

При ОА-детектировании газа основным первичным измерительным преобразователем является ОА-ячейка, конструктивно выполненная в виде полости, в которой происходит ОА-взаимодействие молекул исследуемого газа с оптическим излучением. Возникающие при этом акустические колебания регистрируются с помощью микрофона, установленного непосредственно в ОА-ячейке. Особенности ОА-ячейки, наиболее важными из которых являются ее небольшой размер, простота и отсутствие высоких требований на точность изготовления, могут быть в полной мере реализованы только в сочетании с подходящим лазерным источником.

В настоящее время в экспериментах используются СО2- и СО-лазеры мощностью порядка 10 Вт. Кроме того, полезный акустический сигнал может быть существенно увеличен за счет размещения измерительной ОА-ячейки в оптическом резонаторе лазера, где может быть достигнута мощность оптического излучения на уровне 100 Вт (внутрирезонаторная лазерная спектроскопия) [8]. Хотя перестраиваемые по линиям СО2- и СО-лазеры представляют собой относительно большие, сложные и дорогие системы, они уже использовались в мобильных установках для мониторинга атмосферы in situ [10].

Прогресс в области развития диодных лазеров в последние годы привел к созданию газовых ОА-анализаторов на их основе [11, 12]. Мощность доступных в настоящее время диодных лазеров ближнего ИК диапазона, работающих при комнатной температуре, мала по сравнению с СО2- и СО-лазерами и, следовательно, чувствительность детектирования ограничена диапазоном на уровне единиц ppm либо для некоторых газов на уровне менее 1 ppm. Тем не менее, это дает возможность предлагать альтернативные решения в тех случаях, когда требуются небольшие размеры, надежность и большой срок службы. Особым преимуществом диодных лазеров является возможность модуляции выходного излучения, как по интенсивности, так и по длине волны. Диодные лазеры имеют возможность плавной перестройки, но в узком диапазоне (обычно менее чем одно волновое число) [13]. Диапазон перестройки от 20 до 50 нм может быть получен в диодной лазерной системе с внешним резонатором (ECDL) [14, 15].

Особый прогресс в области детектирования малых концентраций газа был получен в результате использования квантово-каскадных лазеров (ККЛ) и параметрических генераторов света (ПГС) для ОАС. Эти лазерные источники обеспечивают перестраиваемое в широком диапазоне излучение достаточной мощности при достаточно малой спектральной ширине линии излучения. ККЛ, появившиеся относительно недавно, не получили широкого распространения ввиду их высокой стоимости и ограничений, связанных с методами нетарифного регулирования во внешней торговле. Параметрические генераторы света – эффективные источники когерентного перестраиваемого излучения от УФ- до ИК- и даже до терагерцового диапазона. Принцип работы ПГС заключается в трехчастотном параметрическом взаимодействии световых волн в нелинейном кристалле, за счет чего возможна перестройка длины волны в широком диапазоне. Выходная мощность оптического излучения ПГС во всем диапазоне перестройки больше, чем мощность диодных лазеров. Этот факт является определяющим для получения концентрационной чувствительности на ppb-ppm-уровне. Сам принцип работы ОА-детектора обеспечивает линейность отклика прибора при вариации измеряемых концентраций на шесть порядков, что упрощает процедуру получения результатов анализа в масштабе реального времени.

Накопленный к настоящему времени научно-технический потенциал в ОАС позволяет применять результаты исследований в самых разнообразных сферах жизнедеятельности. В частности, перспективным является использование ОАС в медицине, особенно при проведении массовых скрининговых обследований населения с целью профилактики и предупреждения социально значимых заболеваний.

Известно, что функциями легких, помимо респираторной, являются метаболическая и выделительная. Через легкие выделяются летучие химические соединения, образующиеся в ходе реакций обмена, происходящих как в легочной ткани, так и во всем организме человека. Так, например, ацетон выделяется в реакциях окисления жиров, аммиак и сероводород – при обмене аминокислот, предельные углеводороды – в ходе перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот. По изменению количества и соотношения, выделяемых при дыхании веществ, можно делать выводы об изменениях в обмене веществ и наличии болезни.

Например, обнаружение алканов и монометилированных алканов в выдыхаемом человеком воздухе позволяет диагностировать рак легких на ранних стадиях [16], в то время как стандартные скрининг-исследования при опухоли легких (рентгенография и цитология мокроты) не обладают достаточным уровнем информативности [17]. В 1999 году в ходе проведения исследований профессором Phillips et al. были определены 22 летучих органических вещества (преимущественно алканы и производные бензола), содержание которых в выдыхаемом воздухе было достоверно выше у больных с опухолью легких [18]. Ученые из Италии показали возможность использования стиролов (с молекулярной массой 10–12 M) и изопренов (10–9 M) в выдыхаемом воздухе как биомаркеров опухолевого процесса – диагноз был корректно подтвержден у 80% больных [19].

Установлено, что при обострении бронхиальной астмы (БА) характерно повышение концентрации в выдыхаемом воздухе аммиака NH3 – в 250–3000 раз [20, 21]. При различных клинических формах туберкулеза легких в выдыхаемом воздухе отмечается высокий уровень пропана С3Н8 [22, 23]. В случае обострения хронических неспецифических заболеваний легких в выдыхаемом воздухе появляются альдегиды [24].

Таким образом, при некоторых нозологических формах протекания болезни анализ выдыхаемого воздуха позволяет выявить патологию на той стадии развития, когда другие методы диагностики малочувствительны, неспецифичны и неинформативны. Например, в случае бронхиальной астмы важную роль играет своевременная диагностика заболевания. Большинство пациентов с легкими формами заболевания не выявляются, а следовательно, не получают своевременную терапию, что не может не сказаться на прогнозе данной патологии. У детей с риском развития БА раннее выявление заболевания позволит проводить менее агрессивную, более безопасную терапию и улучшить прогноз, вплоть до полного выздоровления.

Анализ выдыхаемого воздуха также позволяет проводить мониторинг реакции организма на противовоспалительную терапию. К настоящему времени накоплен значительный материал по исследованию биомаркеров бронхолегочных заболеваний в выдыхаемом воздухе.

Отличительной особенностью применения в медицине газоанализа методом ОАС является неинвазивость взятия материала для анализа и отсутствие вредного воздействия на пациента.

В Сибирском государственном медицинском университете (Томск) методом ЛОАС в сочетании с перестраиваемыми CO2-лазерами, разработанными компанией ООО «Специальные технологии», проводились исследования спектральных характеристик проб выдыхаемого воздуха, взятых у пациентов с различными диагнозами. Результаты проведенных исследований представлены на рис.1.

Были исследованы образцы выдыхаемого воздуха у четырех групп пациентов. Первая группа – здоровые (контрольная группа), вторая – бронхолегочные заболевания (хроническая обструктивная болезнь легких, астма, пневмония), третья – другие заболевания (ишемическая болезнь сердца, язва желудка, язва двенадцатиперстной кишки), четвертая – с подтвержденным диагнозом туберкулеза (на различных стадиях).

Полученные спектры поглощения были обработаны методами математической статистики и получены интегральные оценки 1 и 2. Эти оценки позволяют определить заболевание пациента туберкулезом с достоверностью более 95%.

В компании ООО «Специальные технологии» на основе полученного в СибГМУ задела был разработан лазерный оптико-акустический спектрометр LaserBreeze на основе ПГС (патенты РФ № 133355, № 139181, № 85330). Спектрометр LaserBreeze обеспечивает измерение концентрации не менее 20 различных газов-биомаркеров, содержание которых в пробе связано со степенью тяжести заболеваний бронхов и легких (бронхиальная астма, острый бронхит, пневмония, хроническая обструктивная болезнь легких). Измерение концентрации биомаркеров в режиме «Анализ» занимает не более двух минут. Основные технические характеристики спектрометра LaserBreeze приведены в таблице.

Разработанный спектрометр включает в себя источник излучения, оптико-акустический детектор (ОАД) с устройством доставки пробы и электронный блок управления. Источником излучения служит разработанный ООО «Специальные технологии» параметрический генератор света с перестройкой длины волны от 2,5 до 10,7 мкм с накачкой Nd:YLF-лазером на длине волны 1,053 мкм, который работает в режиме модуляции добротности. Столь широкая перестройка длины волны достигнута путем использования в качестве активного элемента двух различных кристаллов. Генерация излучения в спектральном диапазоне от 2,5 до 4,5 мкм обеспечивается за счет использования периодически поляризованной структуры ниобата лития, легированного оксидом магния MgO: PPLN. В спектральном диапазоне 4,3–10,7 мкм генерация получена за счет использования в резонаторе ПГС халькогенидного монокристалла тиогаллата ртути HgGa2S4 (HGS). Причем, изменение длины волны в первом случае достигается за счет прецизионного линейного поперечного перемещения структуры ниобата лития относительно пучка накачки, а во втором – за счет поворота кристалла HGS относительно оптической оси. На рис.2 приведена оптическая схема спектрометра LaserBreeze: Nd:YLF-лазер – лазер накачки с длиной волны 1,053 мкм; ОИ – оптический изолятор Фарадея; M1-M4 – зеркала резонаторов ПГС; M5, M6, M9, M10 – отражающие зеркала; M8 – отражающее зеркало, расположенное на моторизованной подвижке; λ/2 – полуволновая пластинка; L1 – линза; M7 –дихроичное зеркало; M11 – пластинка из ZnSe, расположенная под углом Брюстера к падающему излучению; ОАД – оптико-акустический детектор; ОЯ – опорная ячейка, наполненная газовой смесью; ПД – пиродетектор; ПК – персональный компьютер.

Регистрация спектров поглощения биомаркеров проводится при помощи резонансного ОАД, в состав которого входит опорная ячейка, содержащая смесь специально подобранных эталонных газов, таких как C3H6O, CH4, N2O, CF4 и SF6. Опорная ячейка используется при обработке результатов измерений в процессе исследования реальной газовой пробы для спектральной привязки линий поглощения биомаркеров относительно линий поглощения эталонных газов.

Устройство доставки пробы обеспечивает измерение температуры, влажности и давления взятой пробы, доставки ее в ОАД для анализа, а также прокачку газового тракта спектрометра чистым воздухом после проведения анализа.

Электронный блок управления осуществляет обработку измеренных с ОАД сигналов, управление исполнительными механизмами и вывод информации на монитор ПК. Сигнал с пиродетектора используется для контроля мощности оптического излучения, поступающего в ОАД, что впоследствии учитывается при окончательной обработке результатов измерений.

Разработанный спектрометр (рис. 3) позволяет проводить три вида измерений:

  • запись спектра поглощения анализируемой пробы во всем спектральном диапазоне для последующей обработки полученных данных статистическими методами, например методом главных компонент. Данный метод позволяет определить скрытые закономерности в больших массивах данных и, применительно к диагностике, качественно разделить исследуемых пациентов на группы с различными заболеваниями;
  • измерение концентраций набора газов в пробе для детального анализа состояния пациента с целью уточнения диагноза;
  • непрерывный мониторинг концентрации одного вещества в реальном времени для отслеживания динамики изменения состояния пациента при проводимой терапии, особенно с применением сильнодействующих препаратов.

    В заключение хотелось бы отметить, что на сегодняшний день разработанный спектрометр LaserBreeze представляет собой платформу для научных исследований, на основе которой можно оперативно создать специализированные приборы под конкретные задачи.

Литература

Bell A. G.  On the production and reproduction of sound by light. – American Journal of Science, 1880, v. 20, p. 305–324.

Bell A. G.  Upon the Production of Sound by Radiant Energy. – Philos. Mag., 1881, v.11, p. 510–528.

Viengerov M. L.  New method of gas analysis based on Tyndall-Roentgen opto-acoustic effect. – Dokl. Akad. Nauk SSSR., 1938, v. 19, p. 687–688.

Kerr E. L.  The laser illuminated absorptivity spectrophon: s method for measurement of weak absorptivity in gases at laser wavelengths. – Appl. Opt., 1968, v. 7, p. 915–921.

Harren F. J.M., Reuss J., Woltering E. J., Bicanic D. D.  Photoacoustic Measurements of Agriculturally Interesting Gases and Detection of C2H4 below the PPB Level. – Appl. Spectrosc, 1990, v. 44, p. 1360–1368.

Meyer P. L., Sigrist M. W.  Atmospheric pollution monitoring using CO2-laser photo acoustic spectroscopy and other techniques. – Rev. Sci. Instrum., 1990, v. 61, p. 1779–1807.

Bernegger S., Sigrist M. W. CO-laser photoacoustic spectroscopy of gases and vapours for trace gas analysis. – Infrared Phys., 1990, v. 30, p. 375–429.

Harren F. J.M., Bijnen F. G.C., Reuss J. et al. Sensitive intracavity photoacoustic measurements with a CO2 waveguide laser. – Applied. Physics B, 1990, v. 50, p. 137–144.

Harren F. J. M., Berkelmans R., Kuiper K. et al. On-line laser photoacoustic detection of ethene in exhaled air as biomarker of ultraviolet radiation damage of the human skin. – Appl. Phys. Lett., 1999, v. 74, p. 1761.

Meyer P. L., Bernegger S., Sigrist M. W. – Springer Ser. Opt. Sci., 1988, v. 58, p. 127.

Miklós A., Hess P.  Modulated and pulsed photoacoustics in trace gas analysis. – Anal. Chem., 2000, v. 72, p. 30A–37A.

Bozoki Z., Sneider J., Gingl Z. et al. – Meas. Sci. Technol., 1999, v. 10, p. 999.

Miklos A., Hess P., Mohacsi A. et al. Photoacoustic and photothermal phenoma. – 10th International Conference/Edited by F. Scudieri and M. Bertolotti (AIP, Woodbury, NY, 1999).

Sneider J., Bozóki Z., Szabó G., Bor Zs. Photoacoustic Gas Detection Based on External Cavity Diode Laser Light Sources. – Optical Engineering. 1997, v. 36, p. 482–486.

Miklos A., Hess P., Romolini A. et al. Measurement of the (ν2+2ν3) band of methane by photoacoustic and long path absorption spectroscopy. – AIP Conf. Proc., 1999, v. 463, p. 217.

Szidon J. P., Krotoszynski B. K., Gibbons R. D. et al. Voatile organic compounds in exhaled air from patients with lung cancer. – Clin.Chem., 1985, p. 1278–1282.

Teutsch S., Johnson M. Humphrey L. L.  Preventive Services Task Force: Lung cancer screening with sputum cytologic examination, chest radiography, and computed tomography: an update for the U. S. Preventive Services Task Force. – Ann. Intern. Med., 2004, p. 740–753.

Gleeson K., Hughes J. M., Greenberg R. N. et al. Volatile organic compounds in breath as markers of lung cancer: a cross-sectional study. – Lancet., 1999, p. 1930–1933.

Carbognani P., Corradi M., Goldoni M. et al. Exhaled volatile organic compounds in patients with non-small cell lung cancer: cross sectional and nested short-term follow-up study. – J. Respiratory Research. 2005, № 6, вып.71.

Kharitonov S. A.  Exhaled markers of pulmonary disease. – Am. J. Respir. Crit. Care Med., 2001, p. 1693–1722.

Yamara M.  Exhaled carbon monoxide levels during treatment of acute asthma. – Eur. Respir. J., 1999, № 13, p. 757–760.

Kwiatkowska S.  Elevated exhalation of hydrogen peroxide and circulating IL – 18 in patients with pulmonary tuberculosis. – Respiratory Medicine. 2007, № 101, p. 574–580.

Pikas O. B.  Effects of alcoholic beverages on the fatty acid spectrum of the expired air condensate lipids in patients with tuberculosis of the respiratory organs. – Lik. Sprava, 2000, № 7–8, p. 30–33.

Lechner M.  Mass spectrometric profiling of low-molecular-weight voltatile compounds. – Diagnostic Potential and Latest Applications Current Medicinal Chemistry, 2007, № 14, p. 987–995.

Источник: http://www.photonics.su/files/article_pdf/4/article_4647_487.pdf

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top