Лазерная спектроскопия и анализ микрокомпонентов выдыхаемого воздуха

• Автор: Степанов, Евгений Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 293 с. : ил

ОГЛАВ ЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО АНАЛИЗА В ИССЛЕДОВАНИЯХ ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Высокочувствительный анализ состава выдыхаемого воздуха

как инструментальная задача

1.2. Аналитический потенциал диодной лазерной спектроскопии

1.3. Альтернативные аналитические методы исследований состава выдыхаемого воздуха

1.4. Молекулярные объекты высокочувствительного анализа состава выдыхаемого воздуха
1.5 Выводы

ГЛАВА 2. СПЕКТРАЛЬНЫЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПДЛ И СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ

2.1. Методы управления характеристиками ПДЛ

2.2. Чувствительность детектирования резонансного молекулярнго поглощения с помощью ПДЛ
2.3. Применение ИК волоконной оптики в схемах ДЛС
2.4. Выводы
ГЛАВА 3. СПЕКТРАЛЬНЫЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ИССЛЕДУЕМЫХ ГАЗОВЫХ СРЕД
3.1. Особенности концентрационных измерений с помощью ПДЛ
3.2. Специфика спектрального анализа выдыхаемого воздуха
3.3. Метод выбора оптимальной аналитической линии
3.4. Выводы
ГЛАВА 4. ЛАЗЕРНЫЙ МОНИТОРИНГ ЭНДОГЕННОЙ МОНООКИСИ
УГЛЕРОДА В ВЫДЫХАЕМОМ ВОЗДУХЕ
4.1. Актуальность и проблематика детектирования эндогенного СО
4.2. Лазерный анализатор СО в выдыхаемом воздухе
4.3. Экспериментальные данные по мониторингу СО в выдохе человека и малых животных
4.4. Применения для клинической диагностики заболеваний

4.5. Лазерный анализ СО в исследованиях по физиологии растений
4.6. Выводы
ГЛАВА 5. ЛАЗЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЭНДОГЕННЫХ N0, ЫН3 ИСН4 В
ВЫДЫХАЕМОМ ВОЗДУХЕ
5.1. Эндогенная моноокись азота (N0)
5.2. Эндогенный аммиак (ЕШз)
5.3. Эндогенный метан (СН4)
5.4. Выводы
ГЛАВА 6. АНАЛИЗ ИЗОТОПИЧЕСКОГО ОТНОШЕНИЯ УГЛЕРОДА
13С/12С В ВЫДЫХАЕМОЙ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА
6.1. Специфика определения ИОУ в СОг выдыхаемого воздуха
6.2. Измерение отношения 13С02/12С02 методами ДЛС
6.3. Источники погрешностей при определении
изотопического отношения углерода с помощью ПДЛ
6.4. Моделирование влияния систематических погрешностей
6.5. Экспериментальные результаты
6.6. Результаты применений в клинической диагностике
6.7. Выводы
ГЛАВА 7. МЕТОДЫ МНОГОКОМПОНЕНТНОГ О ЛАЗЕРНОГО
ГАЗОАНАЛИЗА ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИЙ ДИАГНОСТИКИ
7.1. Использование случайного близкого расположения аналитических линий детектируемых молекул
7.2. Специальные методы накачки ПДЛ
7.3. Многоканальные оптические схемы
7.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Основные направления и актуальность исследований
Диссертация посвящена разработке нового направления диагностических применений диодной лазерной спектроскопии (ДЛС), связанного с высокочувствительным анализом газообразных молекул-биомаркеров в выдыхаемом воздухе (ВВ). Развиваемые в ней принципы и методы лазерной молекулярной спектроскопии предназначены для решения широкого круга как фундаментальных, так и прикладных задач в биомедицине, в частности, для исследований обменных процессов в живых организмах и диагностики заболеваний.
В воздухе, выдыхаемом человеком, помимо основных компонентов N2, 02, С02 и Н20 содержатся следы еще около 600 летучих соединений, образуемых в организме (эндогенных) [1,2]. Продукция каждого такого вещества обусловлена течением определенных биохимических реакций и физиологических процессов, что позволяет использовать в качестве биомаркеров некоторые молекулы, имеющие высокую специфичность образования [1]. Этим обусловлена актуальность разработки современных методов высокочувствительного анализа молекул-биомаркеров, выделяемых с выдыхаемым воздухом и в результате других газообменных процессов в организме.
Детектирование следов газообразных молекул в выдыхаемом воздухе относится к числу наиболее сложных задач газового анализа, что связано с очень низкими их концентрациями и, напротив, высоким содержанием соединений, мещающих анализу. Используемые для этих целей инструментальные подходы должны обеспечивать возможность детектирования эндогенных соединений в диапазоне концентраций 0.1 ppb - 1 ppm1 при постоянной времени анализа 1-10 с. Предпочтителен прямой анализ без предварительного концентрирования или обогащения ВВ. Метод должен обладать высокой селективно1 Для удобства обозначения относительной концентрации газообразных веществ в
работе используются обозначения, принятые в международной научной литературе: 1 ppm
- 10'4 % об., 1 ppb - 10'7 % об., 1 ppt- 10'10 % об.

ми среди них являются работы [124,126].
В [126] для определения 13С/12С в метане был использован лазер на основе солей свинца, генерировавший вблизи 3007 см'1 при температурах 77-100 К. Мощность излучения в детектируемой моде составляла 50-150 мкВт. Анализ проводился в смесях метана с азотом при пониженном до 30 мбар суммарном давлении, температура газа в кювете стабилизировалась с точностью ±0.1 К. Регистрация спектров СН4 проводилась в режиме ДВМС на второй гармонике при частоте быстрых модуляций 40 кГц и постоянной времени 10 мс. Использовалось медленное сканирование током (2 с на скан). Получаемый спектр оцифровывался с помощью 16-битного АЦП. Регистрировались 1024 точки на скан с накоплением по 40 сканам. Время анализа одного спектра составляло ~80 с. Для определения отношения изотопов 13С/12С использовались линии 12СН4 и 13СН4 близкой интенсивности.
Авторы [126], анализируя возможные источники систематических ошибок и точность измерения изотопного отношения, обращают внимание на зависимость ширины фойгтова профиля линий поглощения от температуры и давления, различную температурную зависимость интенсивности аналитических линий и зависимость контура линий, регистрируемых на удвоенной частоте, от величины оптической плотности при достаточно сильном поглощении. Таким образом, для достижения требуемой точности измерений температура, давление и оптическая плотность должны тщательно контролироваться и поддерживаться постоянными. Для упомянутых зависимостей были определены поправочные коэффициенты. Требуемая точность измерения изотопического отношения 0.5%о достигается при совпадении температуры, давления и оптической плотности в пределах 0.023 К, 0.1 мбар и 0.5%, соответственно. Еще один источник систематических ошибок связан с интерференционными помехами в сигнале. Оценена полученная точность абсолютного определения величины изотопического отношения, составившая 0.82%о.
В работе [124] исследуется возможность определения отношения 13С02/12С02 с помощью РОС-лазера ближнего ИК-диапазона, работающего