История ИОФ РАН

Академик А.М. Прохоров

К 100-летию А.М.Прохорова

Структура института

Сотрудники

Диссертационные советы

Аспирантура

Объявления

Симпозиумы и конференции,
        проводимые ИОФ РАН


Иностранный отдел

Научно-образовательный
        центр ИОФ РАН


Инновационные разработки

Госконтракты

Труды ИОФАН

Начало лазерной эры в СССР

Применение лазеров

Вакансии

Профсоюзный комитет

Фото/видеорепортажи

Досуг

Научные электронные ресурсы

Посмотреть почту

Контакты



Справочные материалы

Госзакупки

    Том 61

 

Щербаков И.А.
Предисловие 3
(скачать PDF)

Степанов Е.В.
Методы высокочувствительного газового анализа молекул-биомаркеров в исследованиях выдыхаемого воздуха 5

Аннотация:
Дан обзор методов высокочувствительного анализа газообразных молекул-биомаркеров в выдыхаемом воздухе. Рассмотрены особенности исследования микросостава выдыхаемого воздуха и основные требования к инструментальным подходам, применяемым для решения этой задачи. Представлены литературные данные, свидетельствующие о взаимосвязи ряда легких газообразных молекул с патологическими процессами в организме и диагностической значимости этих химических соединений. Проведен анализ основных методов измерения следовых концентраций газообразных веществ, применяемых для анализа состава выдыхаемого воздуха. Среди них газовая хроматография, масс-спектрометрия, электрохимические сенсоры, УФ-хемолюми-несценция и ИК-спектроскопия. Детально рассмотрены аналитические характеристики методов спектрального анализа, базирующихся на применении перестраиваемых диодных лазеров. Обсуждаются перспективы использования методов диодной лазерной спектроскопии для целей биомедицинской диагностики, основанной на высокочувствительном анализе состава выдыхаемого воздуха.

(скачать PDF )

Степанов Е.В., Понуровский Я.Я., Селиванов Ю.Г.
Управление параметрами излучения перестраиваемых диодных лазеров на основе солей 
свинца с двойной гетероструктурой при работе в импульсно-периодическом режиме
48

Аннотация:
Рассматриваются спектрально-мощностные характеристики перестраиваемых полупроводниковых лазеров (ПДЛ) с двойной гетероструктурой (ДГС) и полосковой геометрией активной области, изготовленных на основе солей свинца методами молекулярной эпитаксии, и способы управления ими при использовании импульсно-периодического режима генерации. Особое внимание уделено процедуре предварительной селекции лазерных образов по качеству излучения. Описана методика их тестирования и сформулированы критерии отбора образцов, удовлетворяющих требованиям молекулярной спектроскопии высокого разрешения и высокочувствительного газового анализа. Приведены типичные характеристики, реализуемые для лазерных ДГС структур на основе солей свинца (соединений типа А4B6 ), работающих в среднем ИК-диапазоне. Описаны алгоритмы и способы управления мощностными и перестроечными характеристиками ПДЛ. В частности, на основе экспериментальных данных продемонстрированы закономерности токовой и температурной перестройки частоты генерации ПДЛ и методы выбора оптимальных условий регистрации молекулярных спектров.

(скачать PDF )

Зырянов П.В., Степанов Е.В.
Чувствительность детектирования резонансного поглощения с помощью перестраиваемых диодных 
лазеров с двойной гетероструктурой при импульсной накачке
66

Аннотация:
Представлен анализ основных шумов и помех, обусловливающих чувствительность регистрации резонансного молекулярного поглощения методами диодной лазерной спектроскопии в среднем ИК-диапазоне. Рассматривается специфика, связанная с импульсно-периодическим режимом работы перестраиваемых диодных лазеров на основе двойных гетероструктур. Особое внимание уделено ограничениям, связанным с характеристиками тракта регистрации лазерного сигнала, в частности с дискретностью цифровой регистрации. Рассмотрены основные аппаратные и программные методы увеличения чувствительности и точности регистрации лазерных спектров. На основе экспериментальных данных продемонстрирована эффективность использования накопления сигнала, аппаратного дифференцирования и программной фильтрации на основании Фурье-преобразования спектров для регистрации слабого резонансного поглощения на фоне белых шумов и периодических модуляций сигнала интерференционной природы. Показано, что при использовании быстрой цифровой регистрации спектров пропускания может быть получена чувствительность к изменениям оптической плотности, обусловленным резонансным молекулярным поглощением, лучше 10-5.

(скачать PDF )

Зырянов П.В., Кузнецов А.И., Степанов Е.В., Глушко А.Н. 
Автоматизированная система управления для диодной лазерной спектроскопии и 
многокомпонентного спектрального анализа
79

Аннотация:
Рассматриваются требования, предъявляемые к системе регистрации, управления и накачки диодных лазеров, работающих в импульсно-периодическом режиме. Система предназначена для применений как в задачах диодной лазерной спектроскопии (ДЛС), так и в аналитических приложениях. Описан разработанный аппаратно-программный комплекс, состоящий из единого электронного блока с встроенным микроконтроллером и программного обеспечения персонального компьютера, обеспечивающего пользовательский интерфейс, защиту от ошибочных действий оператора, программы обработки данных и автоматизации измерений.
Рассмотрена возможность применения разработанной системы автоматизации для многокомпонентного газового анализа с помощью перестраиваемых диодных лазеров (ПДЛ). Для этих целей используется несколько различных подходов, базирующихся на случайном близком расположении аналитических линий, специальных методах накачки ПДЛ, а также применении нескольких ПДЛ в одном устройстве и их интеграции с элементами ИК волоконной оптики.

(скачать PDF)

Степанов Е.В. 
Спектральные свойства газообразных биомаркеров и выбор оптимальной аналитической 
линии при интерференции спектров детектируемых газов
107

Аннотация:
Описывается метод оценки и сравнения аналитических свойств линий поглощения в условиях перекрытия колебательно-вращательных полос исследуемого и мешающего газов. Этот метод применим для анализа сложных газовых смесей, когда детектирование слабых аналитических линий затруднено из-за близко расположенных интенсивных линий мешающего вещества. В качестве критерия оценки предлагается использовать исчезновение в регистрируемом спектре экстремумов, обусловленных аналитической линией, а для численной оценки - отношение концентраций анализируемого и интерферирующего веществ при выполнении критерия. Критерий применим также для первых и вторых производных спектров поглощения. Получены соотношения, связывающие параметры линий с концентрациями детектируемого и мешающего веществ, при которых происходит исчезновение экстремумов аналитической линии (ИЭАЛ). Установлена взаимосвязь концентраций детектируемого вещества при ИЭАЛ в спектре поглощения и его первой и второй производных. Установлена зависимость условий ИЭАЛ от общего давления газовой смеси. Возможности метода продемонстрированы для линий NO и NH3 , перспективных для анализа атмосферного и выдыхаемого воздуха.
На основе базы спектральных данных HITRAN2000 проведен анализ перекрытия полос поглощения Н2О, СО2 и ряда газообразных молекул-биомаркеров в ближнем ИК-диапазоне. Продемонстрировано, что проблема интерференции полос поглощения анализируемых и мешающих газов в этом спектральном диапазоне обостряется, что обусловлено не только уменьшением абсолютной интенсивности линий поглощения в обертонах и составных полосах большинства исследуемых молекул, но и относительным возрастанием поглощения в линиях Н2О и высокой плотностью линий СО2 в этом спектральном диапазоне.

(скачать PDF )

Шулагин Ю.А., Степанов Е.В., Чучалин А.Г., Бабарсков Е.В., Дьяченко А.И., Павлов Б.Н.
Лазерный анализ эндогенного СО в выдыхаемом воздухе  135

Аннотация:
Проведено обобщение результатов большого цикла экспериментальных исследований, направленных на изучение основных закономерностей выделения эндогенного СО с выдыхаемым воздухом и проведенных с помощью перестраиваемых диодных лазеров. Описаны особенности лазерной аналитической системы и инструментальных комплексов, использованных для высокочувствительного и высокоселективного исследования газообмена с дыханием у человека и лабораторных животных. Показано, что лазерный анализ СО в выдыхаемом воздухе позволяет исследовать выделение этого газообразного вещества при проведении различных физиологических и медицинских исследований, изучать закономерности и взаимосвязи процессов, отвечающих за продукцию, транспорт, буферирование и выделение СО в организме. Возможности нового подхода продемонстрированы для широкого круга диагностических приложений: для определения усредненного уровня эндогенного СО в выдыхаемом воздухе и уровня СО в альвеолярной фракции выдоха в норме и при различных патологиях, для мониторинга относительно быстрых изменений скорости выделения СО при проведении различных функциональных тестов (физической нагрузки различной мощности и длительности, гипервентиляции различной глубины, задержки дыхания с различными патернами, гипербарии), при изменении состава вдыхаемого воздуха (гипероксии, гипоксии, гиперкапнии, изменении уровня антропогенных загрязнений атмосферного воздуха), при воздействии фармацевтических препаратов. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами модельного описания процессов выделения эндогенного СО с выдыхаемым воздухом. Результаты, полученные при клинической апробации разработанных методов и систем, демонстрируют возможность и перспективность использования лазерного анализа СО в выдыхаемом воздухе для целей диагностики и контроля эффективности терапии ряда заболеваний.

(скачать PDF )

Бинги В.Н., Степанов Е.В., Чучалин А.Г., Миляев В.А., Москаленко К.Л., Шулагин Ю.А., Янгуразова Л.Р. 
Высокочувствительный анализ NO, NH3 и CH4 в выдыхаемом воздухе с помощью перестраиваемых диодных
лазеров
189

Аннотация:
Методы диодной лазерной спектроскопии применены для высокочувствительного детектирования следов NO , NH3 и CH4 в выдыхаемом воздухе. Для этих молекул проведен выбор оптимальных спектральных диапазонов, где обеспечивается сочетание максимальных чувствительности и селективности регистрации в условиях существенной интерференции полос поглощения исследуемых молекул с интенсивным резонансным поглощением H2O и СO2.
Для регистрации NO в выдыхаемом воздухе был применен перестраиваемый диодный лазер на основе соединения Pb1- x Eu x Se, имеющий двойную гетероструктуру (ДГС ПДЛ). Использование дублета P (7.5) полосы 0-1 NO , находящегося вблизи 1850 см-1, позволило реализовать концентрационную чувствительность ~0.5 млрд-1 при постоянной времени ~10  c . Лазерный анализ NO был использован для диагностики воспалительных процессов при астме, хронической обструктивной болезни легких и использовании мобильных телефонов, которые сопровождаются выделением NO в органах дыхания.
Для регистрации NH3 в выдыхаемом воздухе с помощью диффузионного ПДЛ на основе PbSnSe использована линия sQ (3.3) полосы v2 , расположенная вблизи 1065.6 см-1. Была реализована концентрационная чувствительность к аммиаку ~1 млрд-1 при быстродействии ~10  c . Продемонстрирована возможность анализа содержания эндогенного NH3 в выдыхаемом воздухе с помощью ПДЛ. Установлено, что уровень концентраций аммиака в выдыхаемом воздухе в норме составляет 100-150 млрд-1.
Для измерения концентрации СН4 в выдыхаемом воздухе использован ДГС ПДЛ на основе соединения GaInAsSb/InAsSbP и триплет R (3) полосы v3 метана с центром на частоте ~3057.7 см-1. Быстродействие анализа при использовании ДГС ПДЛ составляет менее 5  c . Продемонстрирована возможность анализа содержания эндогенного СН4 в выдыхаемом воздухе с помощью ПДЛ.

(скачать PDF )

Степанов Е.В. 
Определение изотопического отношения углерода 13С/ 12С в выдыхаемой двуокиси углерода методами
диодной лазерной спектроскопии
211

Аннотация:
В работе рассмотрены особенности применения методов диодной лазерной спектроскопии для изотопического анализа изотопов углерода в СО2. Обсуждаются основные принципы лазерного спектрального анализа изотопного состава СО2 , обоснованы выбор спектрального диапазона и алгоритм измерения относительной концентрации изотопомеров СО2 , базирующийся на регистрации их спектров пропускания высокого разрешения. Описан анализатор изотопического отношения углерода в СО2 , в котором в качестве источника излучения использован ПДЛ на основе соединения PbEuSe, работающий в среднем ИК-диапазоне (4.35 мкм). Представлены основные метрологические характеристики анализатора, основным назначением которого являются анализ изотопного состава СО2 выдыхаемого воздуха и медицинские применения, в частности диагностика гастроэнтерологических заболеваний с использованием стабильного изотопа углерода 13С. Проведен анализ основных источников погрешностей, возникающих при определении ИОУ с помощью ПДЛ, и способы их минимизации. Выделены источники случайных и систематических ошибок. На основе моделирования спектров пропускания СО2 проведено сравнение аналитических характеристик различных пар линий 12СО2 и 13СО2 , для них оценен вклад различных источников систематических погрешностей и найдены соотношения, позволяющие вносить поправки при обработке данных. Представлены результаты лабораторных и клинических испытаний лазерного анализатора. Экспериментально продемонстрировано влияние температурных флуктуаций и интерференционных помех на результаты анализа, проанализирована воспроизводимость данных при смене лазерного образца и режима генерации ПДЛ. Приведены результаты некоторых практических применений лазерного анализатора для диагностики гастроэнтерологических заболеваний.

(скачать PDF )

Ивашкин В.Т., Лапшин А.В., Степанов Е.В., Миляев В.А., Баранская Е.К., Никитина Е.И., Склянская О.К.
Лазерный анализ изотопического отношения углерода 13С/ 12С в выдыхаемом воздухе в 
диагностике и терапии H.pylori -ассоциированных заболеваний 
253

Аннотация:
Представлены результаты применения лазерного 13С-уреазного дыхательного теста для диагностики H .  pylori -ассоциированных заболеваний (гастриты, дуодениты, язвенные болезни желудка и двенадцатиперстной кишки (ДПК)). Получено распределение значений 13С-уреазного дыхательного теста ( 13С-УДТ) до и после эрадикационной терапии, а также распределение данных по возрасту. Выявлена взаимосвязь частоты инфицирования и нозологической формы. Проведено сопоставление данных лазерного 13С-УДТ с результатами гистологических исследований, быстрого уреазного теста и микробиологических тестов. Для сопоставления данных 13С-УДТ и гистологии предложено использовать суммарную по телу желудка, антральному отделу желудка и ДПК оценку степени колонизации и других морфологических параметров (выраженности и активности воспаления, атрофии, метаплазии). На основе такого сопоставления продемонстрирована специфика заселения бактерией H . pylori различных топографических отделов желудочно-кишечного тракта при различных нозологических формах. Выявлена степень корреляции колонизации, выраженности и активности воспаления, атрофии, метаплазии, определяемых при гистологическом исследовании с результатами лазерного 13С-УДТ. Продемонстрирована эффективность использования неинвазивной лазерной диагностики на основе 13С-УДТ для оценки результативности применения различных схем антигеликобактерной терапии.

(скачать PDF )