Лазерный анализ изотопического состава СО в выдыхаемом воздухе 2

Московский физико-технический институт (государственный университет)
Кафедра молекулярной биофизики
Лазерный анализ изотопического
состава СО2 в выдыхаемом воздухе
Студент 545 группы
Коваль А.В.
Научный руководитель
проф., д.ф.-м.н., Степанов Е.В.
ИОФ РАН, 2011 г.
Актуальность изотопической диагностики
Анализ изотопического отношения 13СО2 / 12СО2 в выдыхаемом воздухе.
Изотопические дыхательные тесты
Диагностируемый орган
Клиническая проблема
Меченый препарат
(перорально)
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
Крахмал -13С
Триглицерид-13С
Цирроз и гепатит, выявление нарушений
специфических метаболических путей в печени
Аминопирин -13С
Метацитин -13С
Галактоза –13С
Печень
Выдох 1
Прием
препарата
Выдох 2
Изотопический
анализ
CO( NH 2 )2  2H 2O  H   2 NH3  13CO2  H 2O
13
Мочевина
уреаза
H. pylori
Выдыхаемый воздух
Сложность изотопического анализа
Требуется высокая концентрационная чувствительность.
•
СО2 в выдыхаемом воздухе ~ 3%
•
Распространенность 13С = 1,1237%
•
Точность измерения 10-4
3%·1%·10-4 ~ 10-6 % об.
Высокая селективность (H2O и другие летучие соединения).
Существующие методы:
• Масс спектрометрия + газовая хроматография
Различия масс 12СО2 и 13СО2.
Методы дорогие, недоступные для российской медицины.
• Спектральный анализ
Изотопический сдвиг полос поглощения.
Актуальна разработка для российских клиник.
Лазерный анализатор на 4,35 мкм
Проведены успешные клинические испытания.
Основной недостаток – необходимо охлаждение лазера и фотоприемника
среднего ИК диапазона жидким азотом. =>
- громоздкость,
- короткое время жизни лазеров,
- невысокая надежность.
Не удобно использовать в медицине
Цель работы:
Разработка лазерного анализатора изотопического
состава СО2 выдыхаемого воздуха, работающего в
спектральной области 2 мкм при комнатных температурах.
Задачи работы:
1) Исследовать спектры поглощения 12СО2 и 13СО2 вблизи 2 мкм и
выбрать спектральную область для анализа.
2) Исследовать свойства перестраиваемых диодных лазеров и
лазерной аналитической системы.
3) Разработать алгоритм сравнительного анализа изотопического
содержания СО2 в пробах выдыхаемого воздуха.
4) Смоделировать работу алгоритма, исследовать влияние
мешающих факторов (случайные шумы, вариации температуры).
Полосы поглощения СО2 вблизи 2,05 мкм
Спектры HITRAN96
0,00010
P48
CO2
20013-00001
-1
12
Коэффициент поглощения, см
Интенсивность линий, см/молек.
12
1E-22
13
CO2
20012-00001
1E-23
1E-24
4865
4870
4875
4880
4885
4890
Волновое число, см
4895
4900
4905
-1
Взаимное расположение и интенсивности линий
поглощения 12СО2 и 13СО2.
P-ветвь СО2
0,00008
0,00006
P52
12
R-ветвь СО2
0,00004
P56
R12
R14
R8
0,00002
0,00000
4870
4875
4880
4885
4890
Волновое число, см
4895
4900
4905
-1
Спектры коэффициента поглощения 12СО2,
13СО
2
и Н2О.
1,000
Атмосферное давление,
0,998
температура – 298 К,
Пропускание
0,996
0,994
[СО2] в выдыхаемом воздухе ~ 3%,
R8
R12
P56
0,992
Линии
0,990
12
СО2
Линии
R14
13
СО2
распространенность 13С ~ 1%,
длина оптического пути 200 см,
P52
0,988
величина резонансного поглощения в наиболее
интенсивных линиях 13СО2 составляет 0.5 %,
0,986
4886
4888
4890
4892
4894
Волновое число, см
4896
4898
4900
-1
Эмулированный спектр пропускания выдыхаемого
воздуха
необходимо детектировать величину резонансного
поглощения с чувствительностью 0.5*10-4 %.
Оптическая система и алгоритм проведения анализа
2
6
Блок стабилизации
температуры ПДЛ
1
2
5
1 – диодный лазер,
2 – асферические линзы,
3 – поворотные зеркала,
4 – референсная кювета,
5 – аналитическая кювета,
6 – фотоприемники.
3
Блок накачки ПДЛ
3
Блок регистрации и
управления
Компьютер
1)
2)
3)
4)
5)
6
2
4
Диодный лазер, работающий вблизи 2.05 мкм (комн.темп.).
Длина оптического пути ~ 200 см,
Внутренний объем кюветы ~ 50 см3.
Алгоритм проведения анализа:
Сканируется спектральный участок шириной до 10 см-1.
Два идентичных канала – референсный и анализируемый.
Продувка азотом и регистрация спектров «пустых» кювет.
Напуск смесей и регистрация их спектров.
Обработка спектральных данных.
Алгоритм обработки спектров
Спектр пропускания заполненых кювет
Отношение спектров
коэффициента поглощения
Спектр коэффициента поглощения
 I m ( ) 
12
12
13
13
A ( , T )   ln  e
   ( , T )  C l   ( , T )  C l
 I ( ) 
1,00010
1,00008
Отношение спектров коэффициента поглощения
Aa ( , Ta )  a12 ( , Ta )  Ca12la   a13 ( , Ta )  Ca13la

Ar ( , Tr )  r12 ( , Tr )  Cr12lr   r13 ( , Tr )  Cr13lr

R
    13
 13C   a A
a1   Ca a Pa  1  1000  ‰
 Rr Ar  0 Cr r  13P0r 
1,00006
a/r
I m ( (t ))  I 0 ( (t ))  exp  12 ( (t ),T )  C12l   13 ( (t ),T )  C13l 
1,00004
12
12
Aa
Ar
1,00002

13

0
Ca
Cr
Изменение изотопического отношения
1,00000
4860 4865 4870 4875 4880 4885 4890 4895 4900 4905
Волновое число, см
-1
R
 C
 13C   a  1   r
 Rr
  Ca
A 
 a 
 Ar 
12

 1  1000  ‰
0

Результаты
Были исследованы колебательно-вращательные спектры поглощения
12СО и 13СО вблизи 2 мкм и выбрана наилучшая спектральная область для
2
2
изотопического анализа.
Исследованы шумовые и спектральные свойства перестраиваемых
диодных лазеров ближнего ИК-диапазона и лазерной аналитической
системы в целом.
Был разработан алгоритм проведения сравнительного анализа
изотопического содержания СО2 в пробах выдыхаемого воздуха,
позволяющий достичь высокой чувствительности.
Было проведено моделирование работы алгоритма и определены условия
достижения требуемых аналитических характеристик, в частности, было
исследовано влияние случайных шумов и помех.
1) Статья «Компьютерная эмуляция метода сравнения изотопического
состава СО2 в газовых смесях на основе лазерного спектрального
анализа в 2.05 мкм»
«Технологии живых систем»
Степанов Е.В., Глушко А.Н., Зырянов П.В., Касоев С.Г., Коваль А.В.,
Лапшин Д.А., Миляев В.А., Тищенко Е.А.
2) Статья «Computer emulation of laser based spectral method for comparison
of CO2 isotope content in samples of exhaled air»
«Physics of Wave Phenomenon»
Степанов Е.В., Глушко А.Н., Зырянов П.В., Касоев С.Г., Коваль А.В.,
Лапшин Д.А., Миляев В.А., Тищенко Е.А.
3) Статья «Лазерный спектрофотометр для сравнения изотопического
состава образцов выдыхаемого воздуха»
«Квантовая электроника»
Степанов Е.В., Глушко А.Н., Касоев С.Г., Коваль А.В., Лапшин Д.А.
4) Конференция «Laser based spectrophotometer for relative analysis of CO2
isotope content in breath samples»
19th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT-2011),
Golden Sands Resort, Bulgaria, September 3-8, 2011
Спасибо за внимание!