Диодная лазерная спектроскопия молекул

Диодная лазерная спектроскопия
молекул-биомаркеров
(Лазерная биомедицинская диагностика )
Лекция профессора Е.В.Степанова
Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН
Основная идея
• Любой живой организм это сложная биохимическая
«машина»
• Жизнь проистекает благодаря множеству
биохимических реакций и физических процессов
• Эти процессы идут не только внутри организма, но и
включают обмен с окружающей средой
(важнейший из них - ДЫХАНИЕ)
• Кроме основного обмена (О2 и СО2) образуется и
участвует в жизнедеятельности множество других
молекул, в том числе «легких» газообразных (более 600)
• Основной обмен газообразными молекулами у
животных и человека идет через легкие и кожу
• Закономерности выделения таких «легких» молекул
можно использовать для изучения живого организма и
диагностики патологических процессов
О каких молекулах идет речь ?
Основные участники газового обмена:
О2 (кислород)
СО2 (углекислый газ)
Н2О (вода)
N2 (азот воздуха)
Некоторые газообразные молекулы-биомаркеры:
СО (угарный газ), NO (монокись азота),
NH3 (аммиак), CH4 (метан),
C2H4 (этилен), С2Н6 (этан),
изомеры: 13СО2, 15NH3, HDO
+ еще около 600 газообразных молекул
А где же здесь физика ?
• Физические свойства молекул-биомаркеров
• Процессы образования, транспорта и газового
обмена в организме
• Физические свойства тканей, крови и органов,
участвующих в газообмене
• Физические методы высокочувствительного и
высокоселективного обнаружения молекулбиомаркеров
• Принципы построения приборов для исследования
молекул-биомаркеров
Сочетание различных научных областей
Квантовая механика
Молекулярная спектроскопия
Лазерная физика
Оптика
Радиофизика
Компьютерные технологии
Изотопные технологии
Биохимия
Биофизика
Физиология
Медицина
Методы высокочувствительного
газового анализа
Объекты:
NO
СО
СО2
H 2O
СН4
Углерод
Кислород
NH3
Азот
Водород
C2H6
Методы:
Масс-спектрометрия
Газовая хроматография
Электрохимия
УФ-хемолюминесценция
различие молекулярных масс
Спектральный анализ
различие спектральных свойств
различие подвижности молекул
различие электро-химических свойств
способность излучать при вступлении
в химическую реакцию
Спектральный анализ газов
Физический принцип – селективное по частоте
взаимодействие
Спектральный
анализ молекул
газов с
электромагнитным излучением
hν``
Типы взаимодействия
молекул с полем
hν`
I`
I``
I`>I``
V1
V2
−
ω
рассеяние
поглощение
Типы движения свободных
молекул в газе
поступательное
колебательное
вращательное
Колебательно-вращательные
спектры молекул
• Квантовый характер колебаний и вращений молекул
• Энергетические уровни, соответствующие разрешенным состояниям
• Переходы между энергетическими уровнями при взаимодействии с
электромагнитным полем (светом)
• Образование спектров и спектральные диапазоны
колебательные
Е
V2
обертона и
составные
вращательные
V1
V0
СВЧ
λ ∼ см-мм
ИК-диапазон
λ ∼ 1-20 мкм
Видимый
λ ∼ 0.3-0.7 мкм
Молекулярные спектры как
«отпечатки пальцев»
Спектры поглощения молекул очень специфичны и неповторимы
Коэффициент поглощения, см
-1
1
0,1
Н2О
H2O
5%
0,01
1E-3
1E-4
1E-5
CO2
3%
СО2
1E-6
1E-7
NO
10 ppb
1E-8
1E-9
1E-10
1820 1830 1840 1850 1860
NO
1870
1880
Волновое число, см
1890
-1
1900 1910 1920
Методы спектрального анализа
Классические
• дисперсионные
• дифракционные
• недисперсионные
(фильтры)
Среда
Детектор
Лазерные
•
•
•
•
газовые лазеры
твердотельные
на красителях
параметрические
генераторы света
• полупроводниковые
Фурьеспектрометрия
СВЧ-генераторы
Тепловой
источник
изучения
Лазер
Устройство
селекции
Среда
Детектор
Что дает использование
перестраиваемых лазеров?
КВ полосы
1E-17
12
CO2
1E-18
1E-19
13
CO2
Расчетный
спектр
1E-20
Ñèãí àë, î òí .åä.
1E-21
2240
2260
2280
2300
2320
2340
2360
2380 ×àñòî òà, ñì
-1
0
-1
Лазерный
спектр
-2
-3
-4
0
500
1000
1500
2000
2500
Âðåì ÿ, ì êñ
Преимущества лазерных методов
• Монохроматичность, Δλ/λ~10-7
• Высокая спектральная яркость
(сравнима и выше солнечной)
• Электронные методы управления частотой
(для полупроводниковых лазеров)
Поглощение
1,5
13
12
13
СО2 СО2
R(12) P(58)
13
12
СО2 12СО
2
R(24) P(39)
СО2 СО2
R(18) P(43)
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,0
2303
2293
2294
2295 2296
2297
2298
Волновое число, см
-1
2301
2302
Семейство перестраиваемых
полупроводниковых лазеров
А4В6 диодные лазеры, гетеро-структуры, фабри-перо, РОС
PbEuSeTe
PbSSe
PbSnTe
А3В5 ДЛ, ДГС, ФП, РОС
AlGaAs
InAsSbP
А3В5 квантово-каскадные лазеры
AlInAs-GaInAs
СO2
С2Н4
NO
СН4
СO2
С2Н4
СН4
Н 2О
СO
СН4
NH3
SO2
Н 2О
1
SO2
Н2О
2
3
4
5
6
7
Äëèí à âî ëí û , ì êì
8
9
10
11
12
Принципы работы диодных лазеров
n-тип
p-тип
Диффузионный ДЛ
Зона проводимости
метал. контакт
hν
слой p-типа
слой n-типа
подложка n-типа
Валентная зона
метал. контакт
ток электронов
ДЛ с двойной гетероструктурой
метал. контакт
слой p-типа (А)
слой p-типа (В)
слой n-типа (В)
слой n-типа (А)
подложка n-типа
метал. контакт
Перестройка частоты диодных лазеров или
как получаются молекулярные спектры
1/с2L(T)n(T,I) νg(Τ,Ι)
n=f(T,I)
L(T)
Контур усиления νc==F(T)
400
Т = 91.1 К
2300
Т = 89.0 К
Т = 88.0 К
2290
Т = 87.0 К
2280
2270
2260
800
C2H4
(расч.)
300
2310
Т = 84.8 К
Сигнал, отн.ед.
-1
Волновое число, см
2320
200
C2H4
(эксп.)
100
0
-100
NH3
(реф.)
-200
Эталон
ФП
-300
-400
850
900
резонатор ФП
950 1000 1050 1100 1150 1200
Амплитуда импульса накачки, мА
964,8
965,0
965,2
965,4
-1
Частота, см
965,6
Диодный лазерный спектрометр
ФД (Ge)
3
7
3
5
4
3
2
8
2
5
6
7
He-Ne
9
2
ЛД 1(InGaAsP)
2
7
2
2
Чувствительность спектрального
анализа с применением ПДЛ
Диодная лазерная спектроскопия – один из наиболее
мощных современных методов газового анализа !
Относительное
содержание в ВВ
0 1 Атм
10
1,000
10
Пропускание
1,0004
0,995
CO2
-2
1,0006
1,0002
N2
О2
-4
10
1,0000
0,9998
0,990
HO2
0,9996
-6 1 ppm
CO, N2O
-8
NO, NH3
10
0,9994
CH4
0,9992
0,985
0
500
1000
1500
2000
2500
Частота, отн.ед.
Поглощение CO2
Интерференционная помеха
Белый шум
Спектральное разрешение
~10-3
~3⋅10-4
~2⋅10-4
<10-3 см-1
10
1 ppb
-10
10
-12 1 ppt
10
C2H4, C2H6
CS2
СО
Анализ моноокиси углерода (СО) в
выдыхаемом воздухе
Роль СО в организме и его диагностическая значимость
вторичный месенджер для нейромедиаторов и гормонов
активизирует гуанилат циклазу и т.о. участвует в регуляции
активности протеинкиназ и др.процессах
регулятор тонуса кровеносных сосудов
участвует в работе памяти
разделяет с О2 общую систему транспорта и буферирования
(можно использовать как маркер при исследовании системы
транспорта кислорода)
Транспорт эндогенного СО в организме
СО
Гем
CH2
CH2
H
С
С
α
С 1 С
С N
Fe
H δ
С N
H2C
С 4 С γ
С
С
С
H
H
CH3
H3C
Гемоглобин
Эритроциты
CH2
CH2
HbCO+O2=HbO2+CO
С
С 2 С CH3
N С
β СH
N С
3 С
С
CH3
С
Hb+CO=HbCO
С
H CH2
Клетки
Такни
CO
CO
CO
CO
CO
CO
Cit A3
O2 Mb
Легкие
Кровь
CO
CO
CO
O2 Hb
Hb
O2
O2
СО
Лазерный анализатор СО
Схема
Схемаанализатора
анализатора
7
6
3
5
4
3
4
2
2
1
3
Характеристики
Характеристики
Чувствительность к СО
Точность
Селективность
Быстродействие
Время непрерывного
мониторинга
1.1.
2.2.
3.3.
4.4.
5.5.
6.6.
7.7.
~5 ppb
~3%
~100%
~5 c
не ограничено
ПДЛ
ПДЛввкриостате
криостате
ИК
ИКфотоприемник
фотоприемник
Поворотные
Поворотныезеркала
зеркала
Двулинзовые
Двулинзовыеобъективы
объективыCaF
CaF22
Калибровочная
Калибровочнаякювета
кювета
Реперная
Репернаякювета
кювета
Многоходовая
Многоходоваякювета
кювета
СО
Лазерный анализатор СО
Клинические испытания в Институте пульмонологии МЗ РФ
СО
Лазерный спектр пропускания СО
12CO
13CO
выдох
воздух
Сигнал, отн.ед.
140
Параметры
Параметры
импульса
импульса
(диффузионный
(диффузионный
лазер)
лазер)
H2O
120
Т=78
Т=78КК
IthI =0.8
=0.8AA
th
мкм
λλРАБ==4.73
РАБ 4.73 мкм
IРАБ
I =2.85
=2.85AA
100
РАБ
P(6) P(4) P(3)
12
12
12
CO CO CO
80
20
30
40
Время, мкс
-1
длина
длинамод
мод~4
~4см
см-1
4
-1
dν/dt=5*10
dν/dt=5*104см
см-1/с/с
50
60
СО
Исследования выделения СО с ВВ
Выделение в норме
•Пол
•Возраст
•Циркадные ритмы
Зависимость от состава
вдыхаемого воздуха
•Гипероксия (О2 ©)
•Гипоксия (О2 ª)
•Гиперкапния (СО2 ©)
•Изменение уровня СО ©
Выделение при нагрузочных тестах
•Физическая нагрузка
•Гипервентиляция
•Задержка дыхания
•Гипербария
Выделение при заболеваниях
•Органы дыхания
•Нарушения метаболизма
СО Лазерный мониторинг выделения СО при
физической нагрузке
Динамика выделения СО у курильщика
50
40
Содержание СО, ppm
СО
30
Смокинг статус
20
ПДК
10
Содержание в атмосфере
0
0
200
400 600 800
Время, мин
1000 1200
Динамика выделения СО при дыхании
кислородом
1,0
Нормированное содержание СО
СО
0,8
0,6
0,4
0,2
O2 100%
0,0
0
10
20
30
40
Время, мин
50
60
70
Динамика выделения СО у спортсменов
Ñî äåðæàí èå ÑÎ , î òí .åä.
1,4
1,2
225Âò
ÔÍ
175Âò
1,0
100Âò
0,8
7,44
pH êðî âè
СО
100Âò
175Âò
7,40
7,36
225Âò
7,32
0
5
10
15
Âðåì ÿ, ì èí
20
СО
Клинические испытания лазерного
анализатора СО
Среднее значение эндогенного СО
в выдохе, ppm
0,5
0,0
Заболевания
Гепатит
СН
Мук.
БА
Анемия.
ИФФ
ХОБЛ
Контр.
СО
Выделение СО при заболеваниях
2,5
2,0
1,5
1,0
NО
Анализ моноокиси азота (NО) в ВВ
Роль NО
NОвворганизме
организмеииего
егодиагностическая
диагностическаязначимость
значимость
Роль
Нейромедиатор(вторичный
(вторичныймесенджер)
месенджер)
Нейромедиатор
Регулятортонуса
тонусакровеносных
кровеносныхсосудов
сосудов
Регулятор
Сопровождаетвоспалительные
воспалительныепроцессы
процессы
Сопровождает
Бактериостатическаяроль
роль(мощный
(мощныйоксидант)
оксидант)––
Бактериостатическая
перваялиния
линиязащиты
защитыввдыхательных
дыхательныхпутях
путяхии
первая
желудке
желудке
NО
Спектроскопия NО
Модельные
Модельныеспектры
спектры
1,0x10
-8
5,0x10
-9
1850
1855
1860
NO, 1ppb
0,0
CO2, 3%
1,0x10
-6
5,0x10
-7
3,0x10
2,0x10
-3
1,0x10
-3
0,0
1840
H 2O
80
CO2
60
40
20
-1
NO, 1850 см
0
0,0
-3
100
Пропускание, отн.ед.
1,5x10
-8
1845
Вторая производная, отн.ед.
Поглощение, см
-1
1840
Лазерныеспектры
спектры
Лазерные
H2O, 6.5%
1845
1850
1855
-1
Волновое число, см
1860
3
1 мг/м NO
в выдохе
20
10
0
1000
1500
2000
2500
Время от начала импульса ПДЛ, мкс
40
35
Содержание NO, ppb
NО
Выделение NО при остром
респираторном заболевании
30
25
20
15
10
5
0
26 Jun 3 Jul 10 Jul 17 Jul 24 Jul 31 Jul
Дата исследования
Выделение NО при хронических
заболеваниях
Средний уровень NO, ppb
NО
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
А
7
20
9
8
8
5
КонтрАстмаХЛБЛ Алв Мук ИБС
Заболевания
<NOmeas/NOcontr>
25.06.00
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
Данные анкетирования
NО
Увеличение выделения NO при
пользовании мобильными телефонами
02.07.00
09.07.00
16.07.00
23.07.00
30.07.00
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
20
Контроль
МТ
МТ + Антенна
15
10
5
0
25.06.00
02.07.00
09.07.00
16.07.00
23.07.00
Дата исследований
30.07.00
13С/12С
Анализ изотопического отношения
13СО /12СО в выдыхаемом воздухе
2
2
Возможности применения дыхательных тестов с использованием
лазерной диагностики и меченых по углероду (13С) препаратов
Диагностируемый
орган
Клиническая проблема
Меченый
препарат
Желудок и
двенадцатиперстная
кишка
Инфицированность H.pylori при
язве и гастрите
Мочевина-13С
Кишечник
Изучение скорости прохождения
жидкой и твердой печени
Ацетат-13С
Октаноат-13С
Тонкая кишка
Синдром мальабсорбции,
недостаточность лактозы,
избыточный рост бактерий
Ксилоза -13С
Лактоза -13С
Поджелудочная
железа
Муковисцидоз, нарушение
секреции липазы
Печень
Цирроз и гепатит, выявление
нарушений специфических
метаболических путей в печени
Крахмал -13С
Триглицерид
Аминопирин -13С
Метацитин -13С
Галактоза –13С
Анализ изотопического отношения
13СО /12СО в выдыхаемом воздухе
2
2
Замена 12С на 13С в СО2
Полосы поглощения изотопомеров
СО2 вблизи 4.35 мкм
Изменение частот
собственных колебаний
1E-17
Изменение момента
вращения
Интенсивность, см*молек
-1
12
1E-18
1E-19
13
CO2
Аналитическая область
13С/12С
CO2
1E-20
1E-21
2240
2260
2280
2300
2320
2340
-1
Частота, см
2360
2380
Анализ изотопического отношения
13СО /12СО в выдыхаемом воздухе
2
2
13С/12С
Выбораналитических
аналитическихлиний
линийпоглощения
поглощения
Выбор
13
1,2
линии CO2
Пропускание
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
2280
PCO2= 3%
Lcell = 10 см
2285
2290
2295
2300
-1
Волновое число, см
2305
13С/12С
Анализ изотопического отношения
13СО /12СО в выдыхаемом воздухе
2
2
Примененияизотопного
изотопногоанализа
анализаввдиагностике
диагностике
Применения
Схемалазерного
лазерногоанализатора
анализатора
Схема
ИОУввСО
СО2выдыхаемого
выдыхаемого
ИОУ
2
воздуха
воздуха
1.
1. Диодный
Диодныйлазер
лазерввкриостате
криостате
2.
2. Двулинзовый
Двулинзовыйобъектив
объективиз
из
CaF
CaF22
3.
3. Аналитическая
Аналитическаякювета
кювета
4.
4. ИК-фотоприемник
ИК-фотоприемникInSb
InSb
5.
5. Микропомпа
Микропомпа
6.
6. Транспортный
Транспортныйконтейнер
контейнерсс
пробой
пробойвыдыхаемого
выдыхаемоговоздуха
воздуха
7.
7. Анализируемая
Анализируемаягазовая
газовая
смесь
смесь
13С/12С
Анализатор изотопического отношения
13СО /12СО в выдыхаемом воздухе
2
2
Анализ изотопического отношения
13СО /12СО в выдыхаемом воздухе
2
2
13С/12С
Лазерныйспектр
спектрииидентификация
идентификациялиний
линийСО
СО2
Лазерный
2
-1)
ДГС
ПДЛ
PbEuTe
(2290-2298
см
-1
ДГС ПДЛ PbEuTe (2290-2298 см )
1
12
CO2
Сигнал, отн.ед.
0
P56
P58
P47 P46
P54
P44
P45
P43
P42
00011-00001
01111-01101
-1
-2
-3
-4
R12
R14
R16
R18
R20
00011-00001
13
CO2
-5
0
500
1000
1500
2000
Время, мкс
2500
3000
3500
4000
13С/12С
Обнаружение бактерии H.pylori с помощью
13С-уреазного дыхательного теста
Выделение 13СО2 с
выдыхаемым
воздухом
Мочевина-13С
13С-УДТ:
Основы 13
Основы
С-УДТ:
13
прием
прием меченой
меченой мочевинымочевины-13С;
С;
гидролиз
гидролиз мочевины
мочевины уреазой
уреазой H.pylori
H.pylori
и
NH
;
сс образованием
СО
образованием СО2 и NH3 ;
Helicobacter
pylori
NH 2
Уреаза
|
C = O + 2 H 2O + H + ⇔ 2 NH 4+ + H 13CO3 ⇔ 2 NH 3 +13CO2 + H 2O
13
|
NH 2
2
3
всасывание
кровь ии
всасывание CO
CO22 вв кровь
транспорт
транспорт вв легкие;
легкие;
выделение
выдыхаемым
выделение СО
СО22 сс выдыхаемым
воздухом;
воздухом;
газовый
газовый анализ
анализ изотопического
изотопического
13
12
отношения
С/12С
С вв
отношения углерода
углерода 13С/
выдыхаемой
выдыхаемой СО
СО2..
2
13С/12С
Анализ изотопического отношения
13СО /12СО в выдыхаемом воздухе
2
2
13
Динамика
ДинамикаИОУ
ИОУпри
привыполнении
выполнении 13С-УДТ
С-УДТ
10
HP infected
HP Infected
HP Free
HP Free
5
0
13
δ C, ‰
-5
-10
B
-15
-20
-25
C
-30
-35
0
50
100
150
200
250
13
Время после приема С-мочевины, мин
13С/12С
Распределения данных 13С-УДТ
Количество пациентов
35
До лечения
N=309
30
25
20
15
10
5
0
-10
0
10
20
30
40
13
50
Δδ C, ‰
60
70
80
90 100
Результаты 13С-УДТ при разных заболеваниях
30
Усреднение по всей
группе
13
Средние значения Δδ C, ‰
35
25
20
10
5
0
Количество пациентов, %
Усреднение по
инфицированным
15
ЯБЖ
ЯДПК
ХГ
ЭГ
ХД
ЭД
100
80
Доля неинфицированных
60
Доля инфицированных
40
20
0
ЯБЖ
ЯДПК
ХГ
ЭГ
ХД
Нозологические формы
ЭД
Сопоставление данных лазерного 13С-УДТ с
результатами морфологических исследований
Морфология
Дыхательный тест
• Локальность отбора биопсий
• Множественность биопсий
• Прямое обнаружение подсчет бактериальных тел в
поле зрения микроскопа
• Визуально-аналоговая шкала
• Косвенная диагностика интенсивность выделения
уреазы
• Интегральность по ЖКТ
• Непрерывная шкала значений
результатов 13С-УДТ
Антральный
отдел
Двендадцатиперстная
кишка (ДПК)
Тело
желудка
100
90
Тело желудка
Антрум
ДПК
80
13
Относительный вклад в результат С-УДТ, %
Вклад различных топографических отделов ЖКТ в
результат 13С-УДТ для различных заболеваний
70
60
50
40
30
20
10
0
ЯБЖ
ХГ
ЭД
Нозологические формы
ЯБДК
Изменение распределения результатов 13С-УДТ
вследствие эрадикационной терапии
Количество пациентов
35
До лечения
N=309
30
25
20
15
10
5
0
-10
0
10
20
30
40
50
70
80
90 100
После лечения
N=172
80
Количество пациентов
60
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
0
10
20
30
40
13
50
Δδ C, ‰
60
70
80
90 100
13С/12С
Анализ изотопического отношения
13СО /12СО в выдыхаемом воздухе
2
2
13
Динамика
ДинамикаИОУ
ИОУпри
привыполнении
выполнении 13С-Метацитинового
С-Метацитиновоготеста
теста
5
0
-5
1
13
δ C, ‰
-10
1.
Патология печени
отсутствует
2.
Недостаточность печени
средней тяжести (класс В
по Чайльд-Пью)
3.
Тяжелая
недостаточность печени
(класс С по Чайльд-Пью)
-15
2
-20
-25
-30
3
-35
0
50
100
150
200
250
13
Время после приема С-метацитина, мин
Проблема орто- и пара-воды
Орто-Н2О
s=1/2
s=1/2
О
Н
s=0
Н
I=1, проекция I = +1,0,-1
трехкратное вырождение
Пара-Н2О
s=1/2
s=1/2
О
Н
s=0
Н
I=0, проекция I = 0
однократное вырождение
Структура колебательно-вращательных уровней Н2О
орто-Н2О
V(002)
Асимметричный
волчок
пара-Н2О
J= 2
A
A
S
S
S
J= 1
A
A
S
S
J= 0
КВ
Ближний ИК
(обертона и составные)
V(001)
J= 2
A
A
A
S
S
J= 1
A
S
S
J= 0
A
КВ
Средний ИК
(основные)
J= 2
V(000)
A
A
A
J= 1 A
J= 0
S
S
S
S
S
Вращательные
суб. мм
Спектр поглощения Н2О в районе 1.37 мкм
(полоса 000-101)
0.20
0.05
пара
(220)-(321)
0.04
0.12
0.03
орто
(321)-(423)
0.02
0.01
Сила линии, см/молек
0.00
7315.6
2.5x10
-20
2.0x10
-20
1.5x10
-20
1.0x10
-20
5.0x10
-21
0.0
7000
7315.8
7050
7316.0
7100
орто
(123)-(224)
пара
(404)-(505)
0.15
0.08
0.10
0.04
0.05
0.00
7340.0
7340.5
7150
7341.0
7200
7341.5
0.00
7342.0
7250
7300
-1
Волновое число, см
орто
(616)-(606)
пара
(606)-(707)
7368.4
7350
7368.6
7368.8
7400
7450
КВ-полоса
Спектральный диапазон
000 →101
1.32-1.37 мкм
Параметры регистрируемых линий
Вращательный
переход (JKaKc)
Центр,
см-1
Пара-Н2О
Орто-Н2О
(606)→(707)
(616)→(717)
7368.848
7368.392
Сила, см/молек
2.6⋅10-21
7.7⋅10-21
Энергия нижнего
уровня, см-1
446.697
447.252
Доплеровское
уширение, см-1
0.022
Уширение
воздухом, см-1/атм
0.0617
0.071
Самоуширение,
см-1/атм
0.359
0.4
0.022
1.05
Интенсивность, отн. ед. Интенсивность, отн. ед. Интенсивность, отн.ед
Лазерные спектры ОПВ
1.00
А
Пара
Орто
0.95
0.90
0.85
0.80
1.2
Б
1.1
1.0
0.9
0.8
0.8
В
0.4
0.0
-0.4
-0.8
1200
1600
2000
2400
Время (частота), мкс
Разделение орто- и пара-воды на сорбенте
Кювета с сорбентом
А
0.05
орто-Н2О
0.04
0.03
0.02
пара-Н2О
0.01
0.00
4.0
орто-Н2О
________
пара-Н2О
В
3.5
3.0
2.5
2.0
0
10
20
30
40
Время, мин
50
60
Относительное поглощение
Относительное поглощение
Коэф. поглощения
0.06
Коэф. поглощения
Пустая кювета
орто-Н2О
Б
0.05
0.04
0.03
0.02
пара-Н2О
0.01
4.0
орто-Н2О
________
пара-Н2О
Г
3.5
3.0
2.5
2.0
0
10
20
30
40
Время, мин
50
60
Достоинства лазерного анализа эндогенных
летучих веществ в выдыхаемом воздухе
Высокая чувствительность регистрации веществ в выдыхаемом
воздухе, 0.1-1 мкг/м3
Высокая селективность анализа, нечувствительность к парам воды
и СО2
Высокая скорость анализа, несколько секунд
Прямое детектирование, не требуется отбор или концентрирование
пробы
Возможность непрерывного и долговременного мониторинга
Неинвазивность или применение нерадиоактивных изотопов
Возможность для полной автоматизации процесса измерений
Единая физическая методика для летектирования разных веществ
Широкий спектр диагностических приложений
Перспективы
Анализ в ВВ легких газообразных молекул-метаболитов
типа CO, СO2, NO, NO2, N2O, NH3, H2O, H2O2, C2H4, C2H6, CH2O,
CH4, CH3OH, C2H5OH, CS2, H2S, C5H12, C2H6, CH2OHS и других в
диапазоне концентраций от 0.1 ppb до 10 ppm.
Высокоточная регистрация в ВВ изотопомеров этих
молекул, содержащих такие стабильные изотопы как D, 13С, 18O,
15N и 35S (13СО /12СО , 15NH /14NH , 13CH /12CH )
2
2
3
3
4
4
Долговременный мониторинг содержания этих соединений
в ВВ, включая многокомпонентный, и исследования динамики в
режиме реального времени, которые должны осуществляться без
накопления или обогащения анализируемой газовой смеси
Исследования газообмена малых лабораторных животных
и растений