Диодный лазерный спектрометр для скрининг-диагностики компонентов выдыхаемого воздуха

Основными требованиями к скрининговому тесту являются его простота, неинвазивность и безопасность процедур тестирования, а также высокая скорость обработки и возможность выявления заболеваний на ранней стадии. Многоканальный газоанализатор по определению состава выдыхаемого воздуха (диодный лазерный спектрометр) для неинвазивного скрининга и биомедицинских исследований был разработан на основе диодных лазеров ближнего инфракрасного диапазона с волоконным выводом излучения. Прибор позволяет измерять следующие компоненты выдыхаемого воздуха: ¹²CO₂, ¹³CO₂, CH₄, NH₃, H₂O и H₂S.

Измерение концентрации молекул проводили в многопроходной кювете, реализованной по схеме Эррио, с базовой длиной 40 см, объемом 1,8 л и полной длиной оптического пути 26 м. В работе использовали три диодных лазера производства NTT Electronics (Япония). Детектирование CH₄ осуществляли в диапазоне длин волн 1,65 мкм, измерения ¹²CO₂, ¹³CO₂ и H₂S — в диапазоне 1,60 мкм, NH₃ и H₂O — в диапазоне 1,51 мкм. Все измерения были сделаны в режиме реального времени.

Клинические испытания спектрометра проводились в Городской клинической больнице №12 им. В.М. Буянова Департамента здравоохранения Москвы. Обследовано более 150 пациентов. Тесты включали изучение и измерение указанных компонентов молекулв выдыхаемом воздухе пациентов с различными заболеваниями. Содержание этих компонентов изучалось при различных изменениях физиологического состояния человека (дозированные физические нагрузки, расслабление, психоэмоциональный стресс и т.д.).

Проведенные исследования показали эффективность использования разработанного аппаратурного комплекса для анализа компонентов выдыхаемого воздуха с целью выявления функциональных расстройств при различных заболеваниях органов пищеварения, кардиореспираторной системы, при нарушении азотовыделительной функции почек и др.

1. Pereira J., Porto-Figueira P., Cavaco C., Taunk K., Rapole S., Dhakne R., Nagarajaram H., Câmara J. Breath analysis as a potential and non-invasive frontier in disease diagnosis: an overview. Metabolites 2014; 5: 3–55, https://doi.org/10.3390/metabo5010003.
2. Stepanov E.V. Methods of highly sensitive gas analysis of molecular biomarkers in study of exhaled air. Physics of Wave Phenomena 2007; 15(3): 149–181, https://doi.org/10.3103/S1541308X0703003X.
3. Guilluy R., Billion-Rey F., Pachiaudi C. On-line purification and carbon-13 isotopic analysis of carbon dioxide in breath: evaluation of on-line gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry. Anal Chim Acta 1992; 259(2): 193–202, https://doi.org/10.1016/0003-2670(92)85368-G.
4. van de Kant K.D., van der Sande L.J., Jöbsis Q., van Schayck O.C., Dompeling E. Clinical use of exhaled volatile organic compounds in pulmonary diseases: a systematic review. Respir Res 2012; 13(1): 117, https://doi.org/10.1186/1465-9921-13-117.
5. Arenas R.V., Carney K.R., Overton E.B. Portable multigas monitors for air quality evaluation. Part 1: principles of detection. Amer Lab 1992; 24: 17–28.
6. Franzblau A., Steven S.P., Burgess L., Schreck A., Arcy J. The use of a transportable Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer for the direct measurement of solvents in breath and ambient air. Amer Ind Hyg Assoc J 1992; 53(4): 221–227, https://doi.org/10.1080/15298669291359555.
7. Понуровский Я.Я. Новое поколение газоаналитических систем на основе диодных лазеров. Аналитика 2019; 9(1): 68–74, https://doi.org/10.22184/2227-572X.2019.09.1.68.74.
8. Надеждинский А.И., Понуровский Я.Я. Работы по аналитическому использованию диодной лазерной спект­ро­скопии в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН. Журнал аналитической химии 2018; 73(2): 153–158, https://doi.org/10.7868/S0044450218020081.
9. Moskalenko K.L., Sobolev N.V., Adamovskay I.A., Stepanov E.V., Nadezhdinskii A.I., McKenna-Lawlor S. Tunable diode lasers application for fully automated absolute measurements of CO and CO2 concentrations in human breath. Proc. SPIE 2205, 11th Symposium and School on High-Resolution Molecular Spectroscopy 1994, https://doi.org/10.1117/12.166258.
10. Moskalenko K.L., Nadezhdinskii A.I., Stepanov E.V. Tunable diode laser spectroscopy application for ammonia and methane content measurements in human breath. Proc. SPIE 2205, 11th Symposium and School on High-Resolution Molecular Spectroscopy 1994, https://doi.org/10.1117/12.166259.
11. Wu T., Chen W., Fertein E., Masselin P., Gao X., Zhang W., Wang Y., Koeth J., Brückner D., He X. Measurement of the D/H, 18O/16O, and 17O/16O isotope ratios in water by laser absorption spectroscopy at 2.73 μm. Sensors (Basel) 2014; 14(5): 9027–9045, https://doi.org/10.3390/s140509027.
12. Gianella M., Sigrist M.W. Application of Mid-IR laser spectroscopy for the analysis of surgical smoke. Lasers, Sources and Related Photonic Devices 2010, https://doi.org/10.1364/lacsea.2010.ltud4.
13. Lewicki R., Kosterev A.A., Bakhirkin Y.A., Thomazy D.M., Doty J., Dong L., Tittel F.K., Risby T.H., Solga S., Kane D., Day T. Real time ammonia detection in exhaled human breath with a quantum cascade laser based sensor. Conference on Lasers and Electro-Optics/International Quantum Electronics Conference 2009, https://doi.org/10.1364/cleo.2009.cms6.
14. Kosterev A., Wysocki G., Bakhirkin Y., So S., Lewicki R., Fraser M., Tittel F., Curl R.F. Application of quantum cascade lasers to trace gas analysis. Appl Phys B 2008; 90(2): 165–176, https://doi.org/10.1007/s00340-007-2846-9.
15. Карабиненко А.А., Солтис С.Ю., Сторожаков Г.И., Петренко Ю.М., Надеждинский А.И., Понуровский Я.Я., Спиридонов М.В., Заславский В.Я. Многокомпонентный диодный лазерный спектроанализатор для скрининговой диагностики содержания биомаркеров в выдыхаемых компонентах воздуха. URL: http://www.dls.gpi.ru/rus/sem/23/2.pdf.
16. URL: https://www.ntt-electronics.com/.
17. URL: https://www.hamamatsu.com/eu/en/index.html.
18. URL: https://www.ni.com/ru-ru/support/model.usb-6363.html.
19. URL: https://www.bdsensors.de/fileadmin/user_upload/ Download/Datenblaetter_datasheets/DB_DMPi_E.pdf.
20. Карабиненко А.А., Петренко Ю.М., Ильченко Л.Ю., Надеждинский А.И., Понуровский Я.Я., Преснова Е.Д., Никитин И.Г. Феномены, обнаруживаемые методом диодно-лазерной спектрометрии газообразных метаболитов выдыхаемого воздуха человека при его различных функциональных состояниях. Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe 2018; 29: 30–39.
21. Nadezhdinskii A.I., Ponurovskii Ya.Ya. Diode laser spectrometer for high-precision measurements. Quantum Electronics 2019; 49(7): 613–622, https://doi.org/10.1070/qel16776.
22. Понуровский Я.Я., Заславский В.Я., Надеждин­ский А.И., Спиридонов М.В., Ставровский Д.Б., Шапо­ва­лов Ю.П., Карабиненко А.А., Петренко Ю.М. Диодная лазерная спектроскопия — направление в создании эффективных измерительных систем и их использовании в биологичес­ких и медицинских исследованиях. Биофизика 2019; 64(6): 1071–1087, https://doi.org/10.1134/S000630291906005X.

Ponurovsky Ya.Ya., Nadezhdinsky A.I., Stavrovsky D.B., Shapovalov Yu.P., Spiridonov M.V., Kuzmichev A.S., Karabinenko A.A., Petrenko Yu.M. Diode Laser Spectrometer for Diagnostic Assessment of Exhaled Air Components. Sovremennye tehnologii v medicine 2020; 12(5): 71, https://doi.org/10.17691/stm2020.12.5.08