Оптика и спектроскопия
Авторам
Экспериментальная установка на базе перестраиваемого в диапазоне волн 5.3-12.8 μm квантово-каскадного лазера для спектрального анализа выдыхаемого человеком воздуха
РФФИ, 18-29-02024
Щербакова А.В.1, Анфимов Д.Р.1, Фуфурин И.Л.1, Голяк И.С.1, Трапезникова И.А.1, Карева Е.Р.1, Морозов А.Н.1
1Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 
Email: nastya_schs@mail.ru
Поступила в редакцию: 31 декабря 2020 г.
В окончательной редакции: 4 февраля 2021 г.
Принята к печати: 26 февраля 2021 г.
Выставление онлайн: 26 марта 2021 г.
Представлены экспериментальная установка и метод анализа многокомпонентных газовых смесей, в том числе выдыхаемого человеком воздуха. Установка состоит из квантово-каскадного лазера, перестраиваемого в диапазоне длин волн 5.3-12.8μm, с пиковой мощностью 150 mW и многопроходовой газовой кюветы Эрриота, позволяющей получить оптический путь до 76 m. Время регистрации одного спектра порядка 50 ms. Для ацетона и этанола, являющихся потенциальными биомаркерами некоторых заболеваний человека, экспериментально определен порог чувствительности на sub-ppm-уровне. Предложена система подготовки пробы и предварительной осушки, позволяющая анализировать как многокомпонентные газовые смеси, так и выдыхаемый человеком воздух. Предложены варианты применения описанной установки в биомедицинских приложениях. Ключевые слова: абсорбционная инфракрасная спектроскопия, квантово-каскадный лазер, биомаркер, выдыхаемый воздух, биофотоника.
- Ansari A.A., Kosov A., Reddy A.C., Aeddula N.R., Vaikuntam A.K. // J. Renal Medicine. 2018. V. 2. N 2. P. 2
- Хатьков И.Е., Барсуков Ю.А., Атрощенко А.О., Алиев В.А., Кузьмичев Д.В., Тамразов Р.И., Гордеев С.С. // Онкологическая колопроктология. 2012. N 2. C. 35-39
- van Mastrigt E., Reyes-Reyes A., Brand K., Bhattacharya N., Urbach H.P., Stubbs A.P., de Jongste J.C., Pijnenburg M.W. // J. Breath Res. 2016. V. 10. N 2. P. 026003. doi 10.1088/1752-7155/10/2/026003
- Stepanov E.V., Kasoev S.G. // Opt. Spectrosc. 2019. V. 126. N 6. P. 736-744. doi 10.1134/s0030400x19060249
- Wallace L A., Pellizzari E.D., Hartwell T.D., Sparacino C.M., Sheldon L.S., Zelon H. // Atmospheric Environment. 1985. V. 19. N 10. P. 1651-1661. doi 10.1016/0004-6981(85)90217-3
- Ruzsanyi V., Kalapos M.P. // J. Breath Res. 2017. V. 11. N 2. P. 024002. doi 10.1088/1752-7163/aa66d3
- Alizadeh N., Jamalabadi H., Tavoli F. // IEEE Sensors J. 2020. V. 20. N 1. P. 5-31. doi 10.1109/jsen.2019.2942693
- Selvaraj R., Vasa N.J., Nagendra S.M.S., Mizaikoff B. // Molecules. 2020. V. 25. N 9. P. 2227. doi 10.3390/molecules25092227
- Gharra A., Broza Y.Y., Yu G., Mao W., Shen D., Deng L., Wu C., Wang Q., Sun X., Huang J., Xuan Z., Huang B., Wu S., Milyutin Y., Kloper-Weidenfeld V., Haick H. // Cancer Commun. 2020. V. 40. N 6. С. 273-278. doi 10.1002/cac2.12030
- Степанов Е. В. // Труды института общей физики им. А.М. Прохорова. 2005. Т. 61. С. 5-47
- Lukash S.I. // Computer Means Networks and Systems. 2010. V. 9. P. 62-71
- Righettoni M., Tricoli A., Pratsinis S.E. // Anal. Chem. 2010. V. 82. N 9. P. 3581-3587. doi 10.1021/ac902695n
- Schwaighofer A., Brandstetter M., Lendl B. // Chem. Soc. Rev. 2017. V. 46. N 19. P. 5903-5924. doi 10.1039/c7cs00403f
- Wang C., Sahay P. // Sensors. 2009. V. 9. N 10. P. 8230-8262. doi 10.3390/s91008230
- Smith D., Wang T., Sule-Suso J., v Spanv el P., Haj A.E. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2003. V. 17. N 8. P. 845-850. doi 10.1002/rcm.984
- Hansel A., Jordan A., Holzinger R., Prazeller P., Vogel W., Lindinger W. // International J. Mass Spectrometry and Ion Processes. 1995. V. 149-150. P. 609-619. doi 10.1016/0168-1176(95)04294-u
- Di Natale C., Macagnano A., Martinelli E., Paolesse R., D'Arcangelo G., Roscioni C., Finazzi-Agr\`o A., D'Amico A. // Biosensors and Bioelectronics. 2003. V. 18. N 10. P. 1209-1218. doi 10.1016/s0956-5663(03)00086-1
- Mendis S., Sobotka P.A., Euler D.E. // Clinical Chemistry. 1994. V. 40. N 8. P. 1485-1488. doi 10.1093/clinchem/40.8.1485
- Centeno R., Mandon J., Harren F., Cristescu S. // Photonics. 2016. V. 3. N 2. P. 22. doi 10.3390/photonics3020022
- Short L.C., Frey R., Benter T. // Appl. Spectrosc. 2006. V. 60. N 2. P. 217-222. doi 10.1366/000370206776023241
- Шалтаева Ю.Р. // Спектрометрия ионной подвижности для различных применений. Сборник 15-й научно-технической конференции "Молодежь в науке". Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2016. С. 22-26
- Копылов Ф.Ю., Сыркин А.Л., Чомахидзе П.Ш., Быкова А.А., Шалтаева Ю.Р., Беляков В.В., Першенков В.С., Самотаев Н.Н., Головин А.В., Васильев В.К., Малкин Е.К., Громов Е.А., Иванов И.А., Липатов Д.Ю., Яковлев Д.Ю. // Клиническая медицина. 2013. Т. 91. N 10. C. 16-21
- Bashkin S.V., Karfidov A.O., Kornienko V.N., Lel'kov M.V., Mironov A.I., Morozov A.N., Svetlichnyi S.I., Tabalin S.E., Fufurin I.L. // Opt. Spectrosc. 2016. V. 121. N 3. P. 449-454. doi 10.1134/s0030400x16090058
- Menzel L., Kosterev A.A., Curl R.F., Tittel F.K., Gmachl C., Capasso F., Sivco D.L., Baillargeon J.N., Hutchinson A.L., Cho A.Y., Urban W. // Appl. Phys. B. 2001. V. 72. N 7. P. 859-863. doi 10.1007/s003400100562
- Ghorbani R., Schmidt F.M. // Appl. Phys. B. 2017. V. 123. N 5. P. 123-144. doi 10.1007/s00340-017-6715-x
- Sengupta S.K., Farnham J.M., Whitten J.E. // J. Chem. Educ. 2005. V. 82. N 9. P. 1399-1401. doi 10.1021/ed082p1399
- Kebabian P.L., Wood E.C., Herndon S.C., Freedman A. // Environ. Sci. Technol. 2008. V. 42. N 16. P. 6040-6045. doi 10.1021/es703204j
- Namjou K., McCann P.J., Potter W.T. // Breath Testing with a Mid-IR Laser Spectrometer, Application of Tunable Diode and Other Infrared Sources for Atmospheric Studies and Industrial Processing Monitoring II. Denver, United States, International Society for Optics and Photonics. 1999. V. 3758. P. 74-80. doi 10.1117/12.366463
- Moskalenko K.L., Nadezhdinskii A.I., Adamovskaya I.A. // Infrared Physics \& Technology. 1996. V. 37. N 1. P. 181-192. doi 10.1016/1350-4495(95)00097-6
- Capasso F. // Opt. Eng. 2010. V. 49. N 11. P. 111102. doi 10.1117/1.3505844
- Tittel F.K., Lewicki R. // Woodhead Publ. Ltd, Cambridge, 2013. V. 33. P. 579-629. doi 10.1533/9780857096401.3.579
- McManus J.B. // Opt. Eng. 2010. V. 49. N 11. P. 111124. doi 10.1117/1.3498782
- Li C., Dong L., Zheng C., Tittel F.K. // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. V. 232. P. 188-194. doi 10.1016/j.snb.2016.03.141
- Tsai T., Wysocki G. // Appl. Phys. B. 2010. V. 100. N 2. P. 243-251. doi 10.1007/s00340-009-3865-5
- McManus J.B., Kebabian P.L., Zahniser M.S. // Appl. Opt. 1995. V. 34. N 18. P. 3336-3348. doi 10.1364/ao.34.003336
- Чернин С.М. Многоходовые системы в оптике и спектроскопии. М.: Физматлит, 2010. 241 с
- Curl R.F., Capasso F., Gmachl C., Kosterev A.A., McManus B., Lewicki R., Pusharsky M., Wysocki G., Tittel F.K. // Chem. Phys. Lett. 2010. V. 487. N 1-3. P. 1-18. doi 10.1016/j.cplett.2009.12.073
- Deutsch E.R., Kotidis P., Zhu N., Goyal A.K., Ye J., Mazurenko A., Norman M., Zafiriou K., Baier M., Connors R. // Active and Passive Infrared Spectroscopy for the Detection of Environmental Threats. Chemical and Biological Sensing Technologies XI. Baltimore, United States, International Society for Optics and Photonics. 2014. V. 9106. P. 91060A. doi 10.1117/12.2058544
- Schwarm K.K., Strand C.L., Miller V.A., Spearrin R.M. // Appl. Phys. B. 2019. V. 126. N 1. P. 126-136. doi 10.1007%2Fs00340-019-7358-x
- Mandon J., Hoogman M., Merkus P.J.F.M., van Amsterdam J., Harren F.J.M., Cristescu S.M. // J. Biomed. Opt. 2012. V. 17. N 1. P. 017003. doi 10.1117/1.JBO.17.1.017003
- Manne J., Sukhorukov O., Jager W., Tulip J. // Appl. Opt. 2006. V. 45. N 36. P. 9230-9237. doi 10.1364/AO.45.009230
- Nadeem F., Mandon J., Khodabakhsh A., Cristescu S.M., Harren F.J. // Sensors. 2018. V. 18. N 7. P. 2050-2066
- van den Broek J., Abegg S., Pratsinis S.E., Guntner A.T. // Nat. Commun. 2019. V. 10. N 1. P. 1?8. doi 10.1038/s41467-019-12223-4
- Rydosz A., Maciak E., Wincza K., Gruszczynski S. // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. V. 237. P. 876-886. doi 10.1016/j.snb.2016.06.168
- Tabalina A.S., Anfimov D.R., Fufurin I.L., Golyak I.S. // Infrared Quantum Cascade Laser Spectroscopy as Non-invasive Diagnostic Tests for Human Diseases. Biomedical Spectroscopy, Microscopy, and Imaging. International Society for Optics and Photonics. 2020. V. 11359. P. 113591J. doi 10.1117/12.2555042
- Морозов А.Н., Светличный С.И., Фуфурин И.Л. // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия "Естественные науки". 2007. N 2. С. 3-13
- Fufurin I.L., Golyak I.S., Anfimov D.R., Tabalina A.S., Kareva E.R., Morozov A.N., Demkin P.P. Machine Learning Applications for Spectral Analysis of Human Exhaled Breath for Early Diagnosis of Diseases. Optics in Health Care and Biomedical Optics X. International Society for Optics and Photonics. 2020. V. 11553. P. 115531G. doi 10.1117/12.2584043
- Acquarelli J., van Laarhoven T., Gerretzen J., Tran T.N., Buydens L.M.C., Marchiori E. // Analytica Chimica Acta. 2017. V. 954. P. 22-31. doi 10.1016/j.aca.2016.12.010
- Fan X., Ming W., Zeng H., Zhang Z., Lu H. // Analyst. 2019. V. 144. N 5. P. 1789-1798. doi 10.1039/c8an02212g
- Mazzone P.J., Hammel J., Dweik R., Na J., Czich C., Laskowski D., Mekhail T. // Thorax. 2007. V. 62. N 7. P. 565-568. doi 10.1136/thx.2006.072892
- Кочиков И.В., Морозов А.Н., Светличный С.И., Фуфурин И.Л. // Опт. и спектр. 2009. Т. 106. N 5. С. 743-749
- Sakumura Y., Koyama Y., Tokutake H., Hida T., Sato K., Itoh T., Akamatsu T., Shin W. // Sensors. 2017. V. 17. N 2. P. 287. doi 10.3390/s17020287
Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.
Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.
