CC BY
2
УДК 543.5: 616.24-008.7
DOI: 10.15587/2313-8416.2015.56679
АНАЛ1З МЕТОД1В ДОСЛ1ДЖЕННЯ СКЛАДУ ВИДИХУВАНОГО ПОВ1ТРЯ ©А. О. Запорожець, А. Д. Свердлова
В cmammi розглянутi особливостi процесу детектування слidie газоподiбних молекул у видихуваному по-eimpi людини. Проведена класифiкацiя основних фiзико-хiмiчних методiв анализу молекул-бiомаркерiв у видихуваному повiтрi, наведет iх переваги та недолжи. Проанал^зоваш методи низькочутливого газового анал1зу та визначено потенцшний метод для розробки портативного газоанал1затора видихуваного повiтря
Ключовi слова: газовий анал1з, молекули-бюмаркери, маркеры гази, видихуване повтря, дiагностика, методи, сенсори
The peculiarities of traces detecting of gaseous molecules in human exhaled air are considered in the article. The classification of basic physical and chemical methods of molecule biomarker analysis in exhaled air is performed. Advantages and disadvantages of considered methods are formulated. The methods of low sensitive gas analysis are analyzed and potential method for developing the portable analyzer of exhaled air is identified Keywords: gas analysis, molecule biomarkers, marker gases, exhaled air, diagnostics, methods, sensors
1. Вступ
Аналiз видихуваного повиря (ВП) е надзви-чайно перспективним напрямком нешвазивно! ме-дично! дiагностики. Вже за чаав Гшократа лiкарi помнили, що видих пащенлв при дiабетi, хворобах печшки i нирок, заражених анаеробними шфе-кщями, мае специфiчний запах. Ключовим кроком у визнанш значущосп метода стала робота Л. По-лшга [1], опублжована в 1971 р. В нш показано, що ВП людини - це не просто сумш азоту, кисню, вуглекислого газу i води. З використанням газово! хроматографа Л. Полшг виявив у ВП ще близько 250 газiв.
До тепершнього часу ведомо вже бшьше 800 газiв, що е продуктами фiзiологiчних i бiохiмiчних процеав в оргашзм^ 1х концентрацiя вiдображае рiвень гомеостазу, а також наявнiсть рiзних пато-логiчних станiв [2]. Тому аналiз ВП може викорис-товуватися як з метою виявлення захворювань, пе-редбачення реакцп органiзму на конкретний вид лжування, так i для мошторингу ефективностi терапп.
Пiдвищення ефективностi дiагностики рiзного роду захворювань за рахунок використання широкого кола методiв та апаратних розробок е актуальною, першочерговою задачею в медицина Аналiз видихуваного повиря вiдноситься до нешвазивних методiв контролю фiзiологiчного стану людини, що викликае пiдвищену увагу.
Доведено, що одним з найважливших факто-рiв iснування живих органiзмiв е !х газообмiн iз на-вколишшм середовищем. Вiн базуеться на поглинан-нi кисню i видiленню вуглекислого газу та парiв води, що обумовлено в основному енергозатратами живого оргашзму. Цi процеси протiкають настiльки ш-тенсивно, що змша концентрацiй CO2 та O2 пiд час дихання може досягати >3 % ввд сумарного складу видихуваного повиря. Однiею з найбшьш важливих особливостей газообмiну е наявшсть багатьох iнших легких газоподiбних речовин, яш утворюються в ор-
ганiзмi в значно менших к1лькостях i тому присутнi у видихуваному повг^ в якостi слiдiв (концентрацiя <10 ppm).
Вони утворюються в результата рiзноманiт-них процесiв, пов'язаних з регулюванням швидкос-тей бiологiчних реакцш, передачею шформацп, оновленням чи змшою структур органiзму та проть канням патологiчних процесiв, i для того, щоб уни-кнути накопичення виводяться iз органiзму. Однi з найбшьш поширених молекул-бiомаркерiв предста-вленi на рис. 1.
1нформащя про видшення таких речовин може стати цшною для дослвдження та дiагностики бюхь мiчних та фiзiологiчних процесiв, що протжають в органiзмi як при нормальному функцюнуванш, так i при патолопях. Деяк1 iз молекул, що володшть най-бiльшою специфiчнiстю утворення в органiзмi, мож-на використовувати в якосп природних газоподiбних бiомаркерiв.
Для досл1дження газообмiну бiологiчних об'екпв, а саме анал1зу складу видихуваного повиря використовуеться цiлий спектр шструментальних ш-дходiв з достатньо широким спектром аналиичних характеристик. Для використання в конкретних дос-л1дженнях методи тдбираються таким чином, щоб !х аналличш можливостi ввдповвдали поставленiй дiаг-ностичнш задачi.
Для аналiзу складу видихуваного повиря видь ляють дек1лька методолопчних пiдходiв:
• накопичення та конденсащя видихуваного повiтря;
• проведення дослщження в режимi реального часу з довготривалим та неперервним монио-рингом;
• мiнiмiзацiя об'ему аналiзовано! проби по-вiтря для l! локалiзацü';
• вiдбiр та анал1з багатократних проб для ви-значення динашки видiлення дослвджувано! речовини;
• проведення ввдносних вимiрювань;
• одночасний анал1з дек1лькох речовин.
ЗБ-структура
Рис. 1. Газоподiбнi молекули у видихуваному noBiTpi людини
2. Постановка завдання
Головними вимогами до метод1в, що викорис-товуються при розробщ портативних газоанал1зато-р1в видихуваного повиря, е простота та нетравмати-чнють втручання; можлив1сть використання в дома-шшх умовах; функцюнування в режим1 реального часу; достатньо велика кшьшсть речовин, що тдда-ються детектуванню; низька соб1варт1сть техшчно! реал1заци.
Мета статтi - анал1з юнуючих метод1в дос-лвдження складу видихуваного повиря з визначенням найбшьш перспективного для подальшо! розробки портативного д1агностичного обладнання.
3. Аналiз лiтературних джерел
Шдвищення ефективносп д1агностування за-
хворювань за допомогою використання широкого спектру апаратури, метод1в, бшьш повного 1 р1знос-тороннього анал1зу клшчних ознак е актуальним на-правленням в медицина
Уявлення про видшення живими оргашзмами деяких газопод1бних речовин на р1вш м1кроконцент-рацш активно розвиваються в даний час завдяки про-гресу у створенш високочутливих 1 високоточних аналггачних метод1в. При дослвджуванш газообмшу людини найбшьш актуальним е анал1з слщв газопо-д1бних речовин у видихуваному повпр1, так як ана-том1чна будова легешв спещально пристосована для високоефективного обмшу газами м1ж повпрям та кров'ю. На тепершнш час ввдомо, що нормальний видих людини е складною сумшшю близько 600 ле-тючих сполук [3, 4]. Спектр речовин, слвди яких ви-являються у видихуваному повир1, лежить в межах ввд двоатомних молекул водню (H2) [5, 6], моноокси-д1в вуглецю (СО) [7, 8] та азоту (NO) [9, 10] до бага-тоатомних ал1фатичних 1 ароматичних вуглеводшв. Серед найб1льш ввдомих робгт в обласп детектування газопод1бних молекул-бюмаркер1в е пращ Вакса В. Л. [11], Степанова Е. В. [12], PШИps M., [4], Vreman H. J. [13] та ш., проте жодна з них не проводить пор1вня-льний анал1з юнуючих метод1в, базуючись на запро-понованих анал1тичних характеристиках. При цьому важливим завданням е анал1з доцшьносп застосу-вання того чи шшого методу при розробщ портативних газоанал1затор1в ВП.
4. 1дентифшащя молекул-бiомаркерiв у видихуваному повпр
Можливостi методiв, що застосовуються для аналггачних дослiджень, обумовленi рядом необхщ-них характеристик. Найбiльш важливими з них е: то-чнiсть детектування, концентрацшна чутливiсть, шви-дкодiя, селективтсть, об'ем газово! проби (рис. 2). Де-тальний опис цих характеристик наведено в табл. 1.
Рис. 2. Основш анал1тичш характеристики методу
визначення складу видихуваного повиря
Видихуване повиря - складний анал1тичний об'ект, що включае в себе неоргашчш 1 оргашчш ре-човини, вмют яких коливаеться в широкому д1апазо-т. Складнють складу ВП вимагае використання тшь-ки самих передових метод1в газоанал1зу, що задово-льняють найжорстк1шим анал1тичним вимогам. Найбшьш ефективними серед ф1зико-х1м1чних метод1в анал1зу ВП е наступш:
- хроматограф1чш методи, засноваш на сорб-цшних процесах;
- електрох1м1чш методи, використовують еле-ктрох1м1чш властивоси визначених речовин.
До ф1зичних метод1в, що застосовуються для анал1зу ВП, вшносяться спектроскошчш методи шф-рачервоного (1Ч) 1 терагерцового д1апазошв, що ба-зуються на взаемоди речовини з електромагштним випром1нюванням.
Таблиця 1
Опис аналиичних характеристик методу визначення складу видихуваного повiтря_
Характеристика Особливосп
Точнiсть детектування 3-5 % при реестраци окремих хiмiчних речовин та !х вiдносного вмюту точнiсть мае складати; 10-30 % при одночасному детектуваннi дек1лькох хiмiчних з'еднань
Концентрацiйна чутливiсть 0,01 ppb - 10 ppm (в залежносп в1д дослщжувано! речовини)
Швидкодiя 0,1 с - в реальному часц 5-10 с - з усередненням по дешльком видихам; 10-30 хв. - з накопичуванням проби видиху i концентруванням.
Селектившсть Нечутливють до O2, N2, H2O, CO2 (при дослiдженi низько-концентрацiйних речовин)
Об'ем газово! проби <10 мл - в режимi реального часу; 1-2 л - з усередненням по дешльком видихам; 10-100 л - з накопичуванням проби видиху i концентруванням.
Основш вимоги до аналiзу видихуваного иоштря
Незважаючи на цiлий ряд переваг аналiзу ВП, його масштабне впровадження стримуеться наступ-ними чинниками:
- вiдсутнiсть точно! шформацп про сталий на-бiр бiомаркерiв для багатьох захворювань або пато-логiй та !х безпосереднього зв'язку з фiзiологiчними процесами в оргашзмц
- вiдсутнiсть вiдповiдних шструментальних методiв анал1зу видиху для проведення ктшчних до-сл1джень.
Таким чином, завдання для фiзикiв, хiмiкiв та iнженерiв роздiляеться на три основш напрямки:
- пошук i бiохiмiчне обгрунтування сталого набору молекул-маркерiв для конкретного захворю-вання;
- розробка аналиичних методик виявлення молекул-маркерiв з урахуванням детально! шформацп про спектрах i межах виявлення;
- створення адекватних засобiв виявлення мо-лекул-маркерiв з урахуванням розроблених методик i меж виявлення.
Розглянемо основнi вимоги до характеристик шструментального методу для проведення аналiзу ВП. Складнiсть розробки таких приладiв пов'язана з необхiднiстю поеднання наступних найважливiших параметрiв в одному пристро!:
- можливiсть одночасного вимiрювання та щентифжацп дек1лькох молекул. Вiдомо, що для за-безпечення високо! достовiрностi постановки дiагно-зу необх1дна реестращя набору газiв-маркерiв, так як один бюмаркер не володiе 100 % специфiчнiстю;
- висока чутливiсть i висока точнiсть визначення концентрацш. Зазвичай речовини-маркери присутнi у ВП на рiвнях концентрацiй вiд 10 ppt до 10 ppm. Точшсть вимiрювання концентрацп стано-вить 3-5 %, що пов'язано з нерiвномiрнiстю дихання i кровотоку;
- селективнiсть. Осшльки у складi ВП присут-m калька десятков газiв, для анал1зу ВП необх1дна ре-естрацiя та вдентифшащя речовин на фонi високих концентрацш азоту, кисню, води i вуглекислого газу, що присутш у ВП. Погана селектившсть знижуе дос-товiрнiсть анал1зу i веде до неточностей постановки дiагнозу;
- швидкодiя. Для бiльшостi завдань потрiбна швидкодiя порядку дек1лькох часток секунди. Час проведення аналiзу з усередненням по дешльком ви-дихам становить близько 5-10 с;
- простота використання. Можливють викори-стання приладу неквалiфiкованим споживачем (особливо важливо при ктшчних дослiдженнях);
- цiна «одного вимiрювання» i вартiсть приладу. Для широкого розповсюдження аналiзу ВП необ-х1дна наявнiсть недорогих пристро!в з дешевими комплектуючими та витратними матерiалами.
Сучаснi методи газового ан^зу
Серед сучасних фiзико-хiмiчних методiв визначення слщових к1лькостей газоподiбних речовин лише деяк можуть застосовуватися в обласп аналь зу ВП. До них вщносяться газова хроматографiя (ГХ), мас-спектрометрiя (МС), мас-спектрометрiя високо! роздшьно! здатностi з газохроматографiч-ним подшом (МСГХ), електрохiмiчнi методи (ЕХМ), ультрафюлетова хемолюмiнiсценцiя (УФХЛ), IЧ-спектроскопiя (1ЧС), Фур'е-спектроскошя (ФС), спектроскопiя з використанням лазерних джерел (СЛД) та оптоакустична спектроскошя (ОАС), 1сто-тнi просування в обласп спектроскопiчного аналiзу пов'язанi з розробкою спектрометрiв терагерцового дiапазону (ТС).
Газова хроматографiя
Суть методу газово! хроматографп полягае в пропущеннi проби разом з потоком газу-носiя (во-день, гелiй, азот, аргон, вуглекислий газ) через хро-матографiчну колонку [16]. Рiзнi речовини прохо-дять через не! з рiзною швидшстю, що призводить до подiлу !х по фракцiях. Компонентам з бшьшою розчиннiстю потрiбен бiльший час для виходу з редко! фази, шж компонентам з меншою розчиншстю. На виходi встановлюеться детектор, що рееструе наявшсть в газьносп стороншх газiв. За часом виходу визначають саму речовину, а по тривалосп та iнтенсивностi пiку в показаниях детектора - !! шль-к1сть. До досто!нств газово! хроматографп можна вiднести, насамперед, можливiсть яшсного та к1ль-к1сного визначення компоненпв сумiшей будь-яких органiчних i неоргашчних газiв, рiдин i твердих речовин. Залежно вiд типу дослщжувано! речовини застосовуються плазменно-iонiзацiйнi, полум'яно-
Зразок
фотометричш, фотоiонiзацiйнi дете-ктори або детектори на основi елект-ронного захвату. Застосування ГХ-аналiзу дозволяе досягти чутливостi порядку 1-103 ppb, проте селектив-нiсть такого методу низька. Точнють аналiзу складае порядку 10-6 %. Об-меження в застосуваннi ГХ зазвичай ^
пов'язанi з недостатньою стабшьню-тю аналiзовано! речовини. Крiм того, до ютотних недолiкiв методу вщно-сяться складнють пiдготовки проби (попередне концентрування та/або зменшення обсягу аналiзовано! проби) та досить велика тривалють повного циклу газо-хроматографiчного под^ (калька хвилин), що не дозволяе використовувати так! прилади для мониторингу в режимi реального часу. Також потр!6но ввд-значити швидке старiння дорогих хроматографiчних колонок, що входять до складу приладу. Зазначеш недолiки методу обмежують використання ГХ-обладнання дослщницькими лабораторiями.
При аналiзi ВП метод ГХ в основному засто-совувався з метою виявлення летких вуглеводшв: етилену (C2H4), етану (C2H6), пропану (C3H8), пентану (C5H12) [15, 17], ацетону (C3H6O) [18] i арководню (H2S) [19].
ЕлектрохЫгчт методи
ЕХМ базуються на використанш ЕХ-сенсори (схема тдключення на рис. 3), що застосовуються в основному для реестрацп неорганiчних газоподiбних сполук типу О2, СО, СО2, NO, NO2, H2S, SO2, HCN, HCl, С12 що, як правило, мають дiапазон робочих концентрацiй 0,1-100 ppm при швидкодй' 10-15 с. Необхвдний обсяг аналiзовано! проби досить малий -10-20 мл. ЕХ анал1затори е вщносно простими i на-дшними приладами, идеально вщповвдними для дос-лвджень, що вимагають компактносп i автономного живлення.
Оск1льки чутливють цих датчикiв не дуже велика, то для дiагностики складу повиря, що ви-дихаеться, вони застосовуються лише в деяких спецiальних випадках. Один !з прикладiв - застосування для детектування видшення ендогенного СО з метою контролю утворення цього газу, що обумовлено катаболiзмом геммiстких структур. Серйозним недолшом застосування ЕХ-сенсорiв е недостатня селективнють аналiзу, що знижуеться при детектуванш складних газових сумiшей, а також за наявносп водяно! пари. Для полшшення се-лективностi аналiзу використовуються фшьтри i пастки, що можуть неконтрольовано пропускати деякi гази. Наприклад, при детектуваннi СО у ви-дихуваному пов^р! методами ЕХ виникае проблема наявносп ендогенного водню, який продукуеть-ся в нижньому вщдш кишечника за рахунок бак-терiальноl ферментаци вуглеводнiв i присутнш у видиху немовлят i дорослих людей. Застосування Фшьтр!в i пасток загрожуе проблемами !х засмь чення i зниження ефективностi, а також можлив!с-тю неконтрольовано! змши стушню фiльтрування газових сполук з часом.
Вимiрювальний газонепроникний електрод
a S с g о s
н 'Й Контрелектрод
£ Еталонний
електрод
W
т
Змiщення
0+U0
Датчик температуры NTC-резистор
Вим1рюючий резистор
Сигнал
Т
Рис. 3. Схема тдключення ЕХ-сенсора
Мас-спектрометрiя
Метод мас-спектрометрп [20] полягае у визна-ченш ввдношення мас юшв до !х заряд1в (ш/щ). Для цього дослвджувана речовина тддаеться юшзацп. Для юшзацп використовуються р1зш процеси (елект-ронний удар, х1м1чна юшзашя, лазерна юшзашя), а утвореш таким чином юни роздшяють 1 вдентифжу-ють. Подш юшв грунтуеться на в1дмшност1 !х траек-торш в магнггаому та/або електростатичному полях. Для реестрацп роздшених юшв в основному застосовуються фотопомножувач1. До переваг таких спект-рометр1в вщносяться швидк1сть реакцп, ушверсаль-шсть 1 достатню чутливють, яка може досягати деш-лькох ррЬ. Але точнють визначення вмюту компонента становить ввд дек1лькох вщсотшв до десятих ча-сток вщсотка. Кр1м того, при складних сумшах вден-тифжащя газ1в буде утруднена, осшльки одному 1 тому вщношенню маси до заряду може вщповвдати кшька юшв або фрагмента молекул. Для тдвищення селективносл МС зазвичай комб1нують з шшими методами.
Суть функцюнування мас-спектрометру в по-еднанш з техшкою м'яко! юшзацп з перенесенням протону (МСПП) полягае у використанш м'яко! юшзацп за допомогою спещального реагенту, в основному Н30+, який взаемод1е через перенос протона з ус1ма речовинами, що мають спорвдненють до протону вище, шж у води (рис. 4).
HO-
ЗЫ,о-
Катодний заряд
HO+ + X->
> XH++ H,O
ГПЛ
Мас-
Зразок Вщкачування спектрометр (детектор)
Рис. 4. Блок-схема МСПП (Х - аналiзована речовина)
Дал1 iонiзованi молекули прискорюються еле-ктричним та/або магштним полем i рееструються за допомогою МС. Перевагами тако! методики е ввдсут-шсть процедури пiдготування проби i швидк1сть ана-л1зу: час вишрювань становить близько 100 мс. Чутливють методу МСПП сягае р!вня 100 ppb при час накопичення 1 с. Наведений шдхвд також заснований на методицi, яка руйнуе анал1зований газ. Основним його недолжом е обмежений дiапазон дослщжуваних речовин. Зокрема, метод не може бути застосований для реестрацй' таких важливих компонента ВП як ле-гк1 вуглеводш (алкани, ацетилен, етилен) через !х ни-
зьку спорДднешсть до протону. Крiм того, сумарна концентрацiя речовин, що можуть бути проаналДзо-ванi МСПП не може перевищувати 10 ppb. Як i для класично! мас-спектрометри, для МСПП iснуе проблема ДдентифДкаци виявлених з'еднань.
Подальшим розвитком запропонованого пДд-ходу е технДка, в як1й використовуються вже калька реагентiв для iонiзацi! дослiджуваних речовин (H3O+, NO+, O2+) [21-24]. Але чутливДсть такого методу ни-жча нДж у МСПП. На сьогодтшнш день найустш-нiший варiант комбшацп полягае у використаннi МС спДльно з газовою хроматографiею.
Мас-спектроскотя високог роздтьног здат-Hocmi з газохроматографiчним подтом
Метод МСГХ найбДльш часто використовуеть-ся для аналiзу ВП. Застосування сучасних хроматог-рафiчних колонок дозволяе роздiлити близько 1000 рiзних речовин перед детектуванням, що Дстотно збД-льшуе точнiсть i селектившсть аналiзу. Зокрема, вДд-буваеться вДддшення досл1джуваних речовин вДд «ви-сокоДнтенсивних» компонентiв, що заважають аналД-зу ВП: N2, O2, С02 и Н20. Роздiленi фракцп детекту-ються i аналiзуються за допомогою мас-спектрометру (рис. 5).
Зразок
ХроматографДчний роздДл
ч Ф ч ® —> ® —>ф
е
' ПрискорюючД ^ сДтки
Електронна Детектор
пушка
Рис. 5. Блок-схема МСГХ
Зона юшзаци та прискорення Мас-
юшв спектрометр
Останшм досягненням в областi МСГХ стало поеднання iз застосуванням часопрольотного детектора та подвiйного хроматографiчного роздiлення. У результатi, замiсть традицшно! швидкостi вимДрю-вань на рiвнi к1лькох спектрiв за 1 с (з квадруполь-ним мас-спектрометром в якостД детектору), на тепе-рiшнiй момент досягнута швидк1сть близько 500 спе-ктрiв за 1 с, що дозволяе Дстотно зменшити час аналД-зу. Застосування МСГХ дае можливДсть одержати повнi мас-спектри високо! роздшьно! здатностi за час виходу хроматографiчних пiкiв, причому точне вимД-рювання мас iонiв дозволяе встановити елементний склад кожного юна в мас-спектри Такий пiдхiд за-безпечуе отримання максимально можливо! структурно! шформаци, яку тiльки можна отримати з мас-спектру - набiр даних про точний елементний склад юшв i вДдносно! iнтенсивностi !х шив. Крiм того, ви-користання мас-спектрометра дозволяе розрiзняти речовини з однаковою масою, але рiзним елементним складом, що тдвищуе селективнiсть детектування.
Таким чином, застосування МСГХ для аналДзу ВП дозволяе рееструвати досить повний набiр речовин, що входять до його складу, з чутливДстю близько 1 ppb. Можливють селективного детектування забезпечуе точне вимДрювання окремих компоненпв ВП. Цд переваги МСГХ стимулювали !! широке використання в задачах аналзу ВП. За допомогою дано! методики вдалося заре-еструвати великий клас газiв-маркерiв, починаючи вДд оксиду вуглецю i зак1нчуючи високоорганiзованими ву-глеводнями. До недол1к1в МСГХ вДдносяться необхДд-нДсть подготовки проби та обмеженДсть часу анал1зу кД-лькома хвилинами, що визначаеться часом процесу га-зохроматографДчного подДлу. Це не дозволяе викорис-товувати МСГХ для вимДрювань в режимД реального
часу. Використання мас-спектромету в якостД детектора, як зазначалося вище, призводить до ускладнень, пов'язаних з вдентифДкащею речовин з однаковим вДд-ношенням маси до заряду. КрДм того, так пристро! до-рогД, громДздкД та складнД в експлуатаци. 1нфрочервона спектроскотя В 1Ч-дДапазош найбДльшого поширення набула спектроскотя поглинання. Суть пДдходу полягае в реестрацп випромДнювання, що проходе через певний зразок, за штенсивнютю i спектром якого можна ви-значити склад зразку i концентрацДю його окремих компоненпв.
У звичайних умовах стввДдношення мДж Днте-нсивнДстю падаючого сигналу J0 та штенсившсть J випромДнювання, що пройшло через поглинаюче се-редовище, мае вигляд:
J = J0 ■ exp(r-1%
(1)
де l - довжина поглинаючого середовища, у - коефД-цДент поглинання зразка. У випадку слабкого поглинання (yl<<1) отримуемо:
Г =
J0 - J Jo ■ l '
(2)
При цьому коефщДент поглинання пов'язаний Дз концентрацДею речовини:
? = N, (3)
де с - поперечний перерДз поглинаючих части-нок (см2), N - концентрацДя дослДджувано! речовини (см3). Таким чином, вимДрювання штенсивностД сигналу, що пройшов, дае шформацш про концент-рацДю поглинаючо! речовини.
Такий пвдхвд найбiльш повно реатзований у двох варiантах приладiв: шфрачервоний Фур'е-спектрометр (ФС) та дюднолазерний спектрометр.
1нфрачервоний ФС е одним з найбшьш поши-рених прилад!в для газового аналiзу. ФС представ-ляють собою модуляцшш спектральнi прилади, в яких для отримання спектра необхвдно провести зво-ротне перетворення Фур'е експериментально реест-рованого сигналу. В основ! под!бних приладiв ле-жить будь-який пристрш, що модулюе свиловий по-тж в залежносп ввд довжини хвил1 випром!нювання. Як правило, в ФС застосовують класичний двопро-меневий штерферометр Майкельсона, що складаеть-ся з двох дзеркал та роздшово! пластини (рис. 6).
Дзеркало 1
ESSSSS3
\s Дзеркало 2
I
Змщення
Фотоприймач Рис. 6. Схема штерферометра Майкельсона
Фотоприймачем при рус! дзеркал рееструеться не саме спектр випромшювання, а його штерферограма
I ( X) ~ JB (v )• cos ( 2 •
Ж-v • X
) dv,
(4)
де x - величина зсуву рухомого дзеркала ввд положения, що ввдповвдае нульовш р!зниш оптичного ходу; V - частота випром!нювання, B(v) - спектр досль джуваного зразка. В дшсносп iнтегрувания проводиться по концевому штервалу хвильових чисел, оскшьки е природш обмеження на спектральну чут-ливють фотоприймача i коефщент спектрального пропускання оптичного тракту. Вих1дний спектр ввд-новлюеться зворотним перетворенням Фур'е:
В (v) ~ Jl (X )• cos (2 •
Ж • v • X
) dx.
(5)
В якосп джерел випромiнювания в таких при-ладах використовуються глобари або ртутш лампи. ФС дозволяють швидко отримувати протяжш спект-ри, що дае можливють рееструвати спектр поглинан-ня багатьох речовин. Однак чутливють ФС, навиъ при використанш багатоходових кювет, невелика (не бшьша 0,1 ppm) через низьку штенсивнють джерел випром!нювання.
Спектральна роздшьна здатнють ФС е пос-тшною у всьому робочому д!апазош спектру i ви-значаеться тшьки кшцевою р!зницею оптичного ходу L, що задаеться рухомим дзеркалом штерферо-метра:
q
L
(6)
де параметр q лежить в д!апазош 0,5-2,0. Звичайно розм!ри дифракцшних решиок i призм не перевищу-ють 50 см, що призводить до обмеження на спектральну розд!льну здатнють приладу на р!вш 0,01 см-1.
Терагерцова спекшроскоп1я високог роздгль-но1 здатност1
До недавнього часу !з-за ввдсутносп ефекти-вних джерел та приймач!в терагерцовий (ТГц) час-тотний д!апазон залишався одним з найменш досль джених. Поява р!зних джерел ТГц-д!апазону, в тому числ! прецизшних, стимулювала розвиток спек-троскошчно! техшки та Г! додатшв. На сьогодшш-нш день юнуе два спектроскошчних пвдходи, що дозволяють найбшьшою м!рою реал!зувати вимоги анал!зу ВП.
В основ! першого лежить використанпя дже-рела випром!нювання на фотозм!шувач! Суть пвдхо-ду полягае в отриманш р!зниш частоти двох безпере-рвних оптичних лазер!в за допомогою нашвпроввд-никового зм!шувача. Типова схема спектрометра на основ! фотозм!шувача представлена на рис. 7.
Спектрометр складаеться з наступних частин: два шфрачервош лазери, фотозм!шувач, ком!рка з дослвджуваним газом та детектор.
Важливим моментом при розробщ такого приладу е виб!р лазер!в, який визначаеться, насам-перед, матер!алом фотозм!шувача, що задае опти-мальну довжину хвил! лазера. Одним з найпоши-решших матер!ал!в е вирощений при низьких температурах Ga:As, що мае сильне поглинання на до-вжиш хвил! близько 820 нм. З шшого боку, велике значення при вибор! лазера мае ширина лши гене-раци та можливють перелаштування частоти, як! визначають спектральну роздшьну здатнють та ро-бочий д!апазон спектрометра. При цьому для ус-шшного використання оптичного лазера ширина лши повинна бути менше 1 МГц (за час одного вим!рювання), що потребуе стабшьносп частоти на р!вш 10-9.
Наприклад, Ti:Sa-лазери забезпечують перена-лаштування на довжиш хвил! -800 нм з шириною ль ни близько 100 кГц. Однак для !х експлуатацй необ-хвдш складш системи контролю та переналаштування частоти, а також потужш лазери накачки. Альтернативу TrSa-лазерам складають ЗР-ДЛ (дюдний лазер !з зовшшшм резонатором), як1 е компактними та дозволяють отримувати широке переналаштування частоти. Для !х застосування також потр!бш системи контролю та стабшзацп частоти, так як в результат! джитера ширина лши генерацп ЗР-ДЛ, що входять до складу джерела, може бути реал!зована по лш!ях поглинання цезш та рубвдш на переходах 852 та 780 нм ввдповвдно, що дозволяе домогтися ширини лши на р!вш 1 МГц. Для шшого лазера необхвдно забез-печити як стабшьнють, так i переналаштування частоти з можливютю и точного визначення. Одне з рь шень ше! задач! полягае у використанш !нтерфероме-тра Фабр!-Перо, який дае можливють отримувати не-обхвдну ширину л!нй (~1 Гц), проводити сканування за частотою порядку 0,5 ТГц, але дозволяе визначити тшьки вщносш частоти. Тому для отримання шфор-мацй про абсолютн! значення частот необхвдно вико-
0
0
ристовувати вим1рювач частоти, похибка якого не перевищуе 50 МГц, в протилежному випадку важко
визначити центральш частоти молекулярних перехо-д1в з достатньою точшстю.
Багатопрохщна кювета
Рис. 7. Блок-схема спектрометра з фотозмшувачем
1ншим вар1антом системи автоналаштування та сканування е використання частотно! гребшки, яка генеруеться послщовшстю коротких 1мпульс1в ввд стабшзованого лазера. У даному випадку застосову-еться налаштування обох ДЛ по найближчш мод1 частотно! гребшки (рис. 8).
При цьому параметри ТГц-випромшювання залежать в1д точносп та стабильности частоти повто-рення frep. Застосування частотно! гребшки дозволяе домогтися ширини лшп ТГц-випром1нювання на р1в-m 100 кГц. Найбшьш простим мехашзмом сканування частоти ДЛ в схем1 е плавна змша frep. Однак та-кий шдхвд забезпечуе пере налаштування частоти порядку 10 МГц, тому в додатках використовуеться метод частотного переналаштування за допомогою ш-терферометра ФабрьПеро.
ДЛ1
ДЛ2
Рис. 8. Принцип стабшзаци частоти двох дюдних ла-зер1в за частотною гребшкою стабшзованого лазеру
Як зазначалося вище, перевагами тако! техшки е широкосмугове переналаштування частоти (0,5 ТГц) i спектральна роздшьна здатшсть на р1вн1 к1лькох мегагерц. Фактично такi характеристики джерела дозволяють рееструвати лiнi! поглинання декiлькох газiв в багатокомпонентнш сумiшi, що е значною перевагою при аналiзi ВП. Однак потуж-
нiсть випромiнювання, що генеруеться фото змiшу-вачем, сягае порядку 1 мкВт (для частот вище 1 ТГц), тому для реестрацп необхвдш високочутливi прийма-чi, в основному крюгенш. Крiм того, юнуе проблема з визначенням центральних частот лшш поглинання. На даний момент така техшка застосовуеться в основному для виявлення простих речовин, таких як HCN, HCOOH (мурашина кислота), СО, NO, HCl, та дозволяе отримати чутливють на рiвнi дек1лькох одиниць ppm, чого недостатньо для виявлення бага-тьох газiв-маркерiв у ВП.
1нший напрямок у створеннi прецизшних спектрометрiв ТГц-дiапазону пов'язаний iз застосу-ванням традицiйного пiдходу мiкрохвильово! фiзи-ки. Суть пiдходу полягае у використанш стабiльних генераторiв частоти, створених за допомогою мно-ження частоти високостабшьного опорного синтезатора, що забезпечуе стаб№шсть та точнiсть встано-влення частоти на рiвнi 10-9 вiд несучо!. Ключовими елементами тако! схеми е помножувачi частоти та змiшувачi. Активний розвиток цього напрямку по-чався в 1980-х роках, коли були розроблеш планарнi дюди Шотк1.
Поява нових технологiй протягом останнiх 10 рок1в i застосування сучасно! технiки, що базуеть-ся на шгегральних схемах, призвели до високого рiв-ня розробки помножувачiв та змiшувачiв на дiодах Шотш для всього субтерагерцового дiапазону. Вже налагоджений серiйний випуск нелiнiйних елеменпв на основi планарних дiодiв Шотш, а також джерел випромiнювання на !х основi. Так, компанiя Virginia Diodes (США) виробляе помножувачi частоти до 1,7 ТГц, змiшувачi - до 0,9 ТГц, а також джерела ви-промiнювання на основi твердотiльного генератора частоти, що працюють в дiапазонi 1,26-1,31 ТГц з вихвдною потужнiстю -10 мкВт.
Необхвдно вiдзначити, що на високих частотах створення помножувачiв на дiодах Шотш з коефще-нтом множення бшьше 3 е сильно затрудненим. Очевидно, що для роботи на високих частотах розмiри
дюда Шотк1 повинш бути малими, що ускладнюе створення помножувач!в з коефщентом множення бшьше 3. Тому коефщент множення бшьш високого порядку реал!зуеться за допомогою ланцюга помно-жувач1в з коефщентами 2 1 3. Гарними перспективами для використання в помножувачах з високим номером гармошк та шших нелшшних елементах воло-дшть квантов! нашвпроввдников! надгратки (НГ). З використанням джерел м!крохвильового д!апазону та помножувача частоти на НГ розроблена сер!я спект-рометр!в з реестрац!ею сигналу у часовш област!. В основ! роботи спектрометр!в лежить використання нестацюнарних ефект!в взаемод!! зондуючого випро-м!нювання з газом. Такий прилад забезпечуе реест-рац!ю сигнал!в у часовш област!.
У спектрометр! можуть бути реал!зоваш два режими роботи: фазова машпулящя та сканування частоти зондуючого сигналу.
У першому режим! пер!одичне перемикання (з! здвигом п) фази випром!нювання, що резонансно вза-емод!е з середовищем, призводить до процес!в неста-ц!онарного випром!нювання ! поглинання, та, як на-сл!док, до пер!одичного виникнення ! розпаду наведено! макроскоп!чно! поляризаци. При л!н!йн!й взаемод!! випром!нювання з газом процеси нестацюнар-ного випром!нювання та поглинання стають повшс-тю пом!тн! внасл!док того, що процес виключення випром!нювання може бути розглянутий як процес включення випромшювання, р!вного по модулю ! протилежного по фаз!. Якщо фаза когерентного спонтанного випром!нювання (КСВ) протилежна фаз! збуджуючого випром!нювання, то сигнал тимчасово-го поглинання може бути розглянутий як КСВ, яке виключаеться з випромшювання, що пройшло через ком!рку поглинання. Тому сигнал фазо-во! ман!пуляц!! може бути представлений як суперпозиц!я двох сигнал!в. Перший з них мае амплиуду, р!вну ампль туд! джерела випром!нювання, а другий сигнал, що мае в 2 рази бшьшу амплиуду протилежну по фаз!, амплиудно-модульований прямокутними !мпульса-ми. У момент включення другого сигналу фаза повного сигналу зм!нюеться на протилежну до тих тр, поки ампль туда залишаеться пост!йною. Очевидно, що величина сигналу, що пройшов, ви-кликана порушенням ! затримкою поляризаци газових молекул, в 2 рази бшь-ша, н!ж в процесах включення ! виклю-чення поля, що використовуеться в спектрометрах з частотним регулюванням. На рис. 9 представлена тимчасова зале-жнють потужност! випром!нювання, що пройшло через дослвджувану речовину, у випадку фазово! ман!пуляц!!' м!крохвильового ви-пром!нювання з потужн!стю Р0 та частотою wo.
Частина д!аграми на рис. 14 при /</0 в!дпов!дае режиму стац!онарного поглинання (Р=Р0-АР, де АР -потужнють, поглинена молекулами) та наведення ма-кроскошчно! поляризаци. В момент t=t0 виникае фа-зове перемикання випром!нювання та квантова сис-
тема виходить !з резонансу з полем. У цей момент Р=Р0+АР. При наведена поляризац!я розпадаеться ! система повертаеться в початковий стан. Режим фазового регулювання звичайно використовуеться для виявлення шуканого газу в сум!ш!.
Ра
Pn + AP
Pr,
Po - AP
Рис. 9. Сигнали нестацiонарного випромiнювання та поглинання при фазовш модуляци впливаючого випромiнювання
Для забезпечення вимог спектроскопи високо! роздiльноi здатносп точнiсть встановлення миттевих значень частоти джерела випромiнювання для режиму фазового регулювання повинна бути не б№ша 10-8 вiдносно центрально! частоти випромiнювання. Подiбна точнiсть може бути досягнута за рахунок використання фазового автоналаштування частоти (ФАНЧ) джерела випромiнювання по високостабшь-ному опорному синтезатору частоти, що дозволяе ре-алiзувати спектральну роздiльну здатнiсть на рiвнi 10 кГц, необхвдну для однозначно! реестраци та щен-тифжаци лiнiй поглинання багатьох газiв.
В якосп джерела випромiнювання в спектро-метрi використовуеться лампа зворотно! хвилi (ЛЗВ) (рис. 10).
Спрямований
Рис. 10. Блок-схема спектрометра ТГц-д!апазону з фазовою машпуляшею впливаючого випром!нювання
Живлення лампи здшснюеться за допомогою високовольтного джерела напруги, величина якого визначае частоту генераци. Сигнал ЛЗВ проходить через ком!рку, що м!стить дослщжуваний газ, та ре-еструеться детектором на основ! дюда Шотш. Дал! в приймальному блоц! продетектований сигнал поси-люеться та перетворюеться в цифровий за допомогою
AUp. ,3gH BugineHHa cna6Kux cneKTpocKoniHHux cur-HaniB Ta $om myMiB BuKopucroByeTbcH cnemanbHo po-3po6neHun цн$poвнн HaKonunyBaH, mo 3gincHwe b pe-anbHoMy Haci cyMyBaHHa Ta ycepegHeHHa curaaniB, mo Hagxogarb Ha noro Bxig.
,n,na peani3ami' gpyroro pe^HMy po6oTH cneKT-poMeTpa (mBHgKoro cBinyBaHHa HacroTu 3oHgywnoro curHany) Heo6xigHe BuKoHaHHa HacrynHoi' yMoBH (b ni-HiHHoMy Ha6nu®eHHi):
dw
dt
» r-
(7)
ge
dw
dt
- mBHgKicTb cBinyBaHHa, r - HaniBmupuHa ni-
Hii nornuHaHHH MoneKyn. Aani po3rnaHeMo cmyamw, b HKiä xapaKTepucTHKa cBinyBaHHa npegcTaBnae co6ow nunKonogi6Hy KpuBy (puc. 11). Togi mBugKicTb cBinyBaHHa Mo^Ha 3agaTu Bupa3oM
2(w2 - w! ) T
(8)
aW
W2 Wj
0
T/2
i
' t -j—>
T
PHC. 11. XapaKTepucTHKa cBinyBaHHa 3a HacToTow
CurHan Ha Buxogi KoMipKH npegcTaBnae co6ow cynepno3umw KCB-curHany Ha HacToTi MoneKynapHo-ro nepexogy w0 Ta curaany, mo nponmoB Hepe3 KoMipKy •OTM-BHnpoMiHMBaHHH. AMnniTyga KCB-curHany bu-3HanaeTbca Bupa3oM:
ecsr ~ e0 to •l -awi-p
- g(t),
(9)
ge E0 - aMnniTyga 3oHgywnoro BunpoMiHWBaHHH, y0 -Koe^imeHT MoneKynapHoro nornuHaHHH, l - goB^uHa KoMipKu, Awl - HaniBmupuHa cneKipanbHoi' niHii, ^ -mBugKicTb cnipyBaHHa, g(t) - iMnynbcHa xapaKTepucTu-Ka MoneKynapHoi niHii' nornuHaHHa.
CneKTpocKoniHHun curHan a6o TuMHacoBi Bapia-mi aMnniTygu BunpoMiHWBaHHa Ha Buxogi KoMipKu, npegcraBnawTbca Bupa3oM:
AE (t) ~
Eo-To •!•Aw,
•g (t - to )•
M(t -to)2
I—--—
2
(10)
ge t0 - Hac, gna aKoro wl(t0)=w0.
^na yl<<1 curHan Ha Buxogi geTeKTopa U(t) nponopmHHuH AE(t). XapaKTepucTuKa geTeKTopa bu-3Hanae Koe^imeHT nponopmHHocri. ^na nepeTBopeHHa npuHHHTux cneKTpocKoninHux curHaniB U(t) go Bugy, mo xapaKTepHun gna TpagumÖHux iMnynbcHux ®yp'e-cneKTpoMeTpiB, BuKopucTOByeTbca HacrynHun Bupa3:
U (t) = U(t)•cosp(t)±H(U(t))-siny(t), (11) ge $yнкцiн ^(t) Mae Burnag:
t\ P' T
(pit) = w.t + ,0 < t <—, W 1 2 2
t-^2) T p(t) = w2t--V 2 7 ^ <t < T,
(12)
a H(U(t)) npegcTaBnae co6ow nepeTBopeHHa rinb6epTa:
(13)
, . 1 f U (x)
H (U (t )) =--J dx.
n J x — t
—f
nepeTBopeHHa (15) BuKopucToByeTbca gna oTpuMaHHH n/2-$a3oBoro 3cyBy gna Bcix KoMnoHeHT npunHHToro curHany. Boho Morne 6yTu peani3oBa-He hk KoM6rnamH HacTynHux oпepaцiн: ®yp'e-nepeTBopeHHa curaany, B3aeMo3aMiHu gincHoi Ta ya-bhoi nacTuH cneKTpa i 3BopoTHoro nepeTBopeHHa ®yp'e.
B pe3ynbTaTi nepeTBopeHHa (13) oTpuMaeMo:
Ui (t) ~ Eo-To-l-Awr p-1/2-g (t - to )x
xsin [(w - w )-(t -10)] ,0 < t < — ,t > t0, (14)
U 2 (t) ~ Eo-To-l-Aw, V'2-g (t - to )x
x sin [(w2 - wo )-(t - to )] T < t < T,t > to.
®yp'e-nepeTBopeHHH oTpuMaHux b o6ox Hani-Bnepiogax cBinyBaHHH curHaniB, mo onucywTbca bu-pa^eHHHM (16), gae BuxigHy cneKTpanbHy xapaKTe-pucTuKy niHii' nornuHaHHH 3 цeнтpanbнoм nacToTow w0 - wj gna 0<t<T/2 a6o w2 - w0 gna T/2<t<T. OTpu-MaHa iHTeHcuBHicTb cneKTpanbHa niHii' nponopmfaa
ToVAwW>.
XapaKTepucTuKu, oTpuMaHi b pe3ynbTaTi nepeT-BopeHHa curHaniB B nepmoMy Ta gpyroMy HaniBnepiogi cBinyBaHHH, Mo^yTb aHani3yBaTuca oKpeMo a6o nigcy-MoByBaTuca gna noninmeHHH cniBBigHomeHHa «curHan-myM». BHacnigoK niHiÖHoro xapaKTepy oпepaцiн i 3a-cTocyBaHHa пpннцнпy cyпepпoзнцil HaBiTb npu Benu-KoMy nucni cneKTpanbHux niHin b giana3oHi cKaHyBaH-hh, pe3ynbTaT TaKoi o6po6Ku gae ageKBaTHe npegcTaB-neHHa cneKTpa.
TaKuM huhom, pe^uM cKaHyBaHHa 3a nacToToro go3Bonae npoBoguTu gocnig^eHHa cKnagy cyMimi a6o ogHonacHo BuMipwBaTu кoнцeнтpaцil geKinbKox ra3iB. fflupoKogiana3oHHi BuMiproBaHHa b cKaHyronoMy pe-®uMi gawTb Mo^nuBicTb 3a KinbKa HacToK ceKyHgu pe-ecTpyBaTu ogHonacHo niHii' nornuHaHHa geKinbKox ra-3iB. CxeMa cneKTpoMeTpy 3 mBugKuM cBinyBaHHHM Hac-totu noKa3aHa Ha puc. 12. ToHHicTb BcTaHoBneHHa mut-TeBux 3HaneHb HacToTu g^epena BunpoMiHWBaHHa b gaHoMy BunagKy noBuHHa 6yTu He 6inbmow 3a 10-6, mo TaK caMo hk i b nonepegHboMy BunagKy, peani3yeTbca 3a gonoMorow ®AH^.
Сигнал, що керуе частотою ЛЗВ, подаеться або на опорний вх1д високовольтного блоку живлення, або безпосередньо на анод лампи, що з'еднаний з корпусом приладу через резистор з невеликим опором. Автоналаштування частоти ЛЗВ здшснюеться по ви-сокостабшьному опорному синтезатору частоти. Для формування свш-сигналу, що керуе св1пуванням частоти ЛЗВ, застосовуеться швидкодшчий 16-роз-рядний АЦП, на виход1 якого формуеться сигнал, близький до трикутного. Приймальна частина спектрометра включае в себе детекторний модуль та циф-ровий прийомний блок.
Рупор Ком1рка Рупор
Надвисокочас-тотний модуль на основ! ЛЗВ
Формувач сигналу модуляцИ
Рис. 12. Блок-схема спектрометру зi швидким св!пування частоти
Детекторний модуль мiстить детекторну голь вку з дiодом Шотш, слабошумний попереднiй тд-силювач з ланцюгом подачi змiщення на детектор та фшьтр низьких частот (ФНЧ). Вимiрювання випря-млено! постiйноi напруги на детекторi (на входi ФНЧ) дозволяе визначити штенсившсть спектраль-них лшш без будь-яких попереднiх калiбрувань. Сигнал з виходу передпiдсилювача надходить на вхiд швидкодiючого АЦП, а попм на швидкодiючий цифровий накопичувач, що виконуе сумування та усереднення спектроскопiчних сигналiв в реальному чаС. Далi данi передаються до комп'ютеру, де усереднення може бути продовжено. Когерентне накопичення сигналiв дозволяе шдвищити в!дно-шення «сигнал-шум», а отже i чутливiсть спектрос-котчних вимiрювань.
Керуе основними вузлами спектрометра, а та-кож обробляе спектроскопiчнi сигнали вбудований комп'ютерний модуль.
Спектрометри на основi нестацiонарних ефе-ктiв демонструють найкраще наближення до теоретично! меж! чутливосп при допплерiвськiй роздшь-нiй здатностi. При довжиш ком!рки 1=1 м та часу вимiрювання 1с чутливють спектрометра становить 5 10-10 см-1. При цьому точшсть вим!рювання штен-сивност! лши поглинання (без попереднього кал!б-
рування) <5 %. Точшсть встановлення частоти складае 10-9 ввд несучо!.
Застосування ТГц-спектрометр1в для реест-раци найбшьш важливих бюмаркер1в в ВП, таких як монооксид азоту, ацетон, ам1ак, монооксид вуг-лецю, продемонстровано в робой [25]. Досягнута чутливють ТГц-спектрометр1в на нестацюнарних ефектах поки знаходяться на р1вш декшькох со-тень ррЬ, проте нараз1 ведуться роботи по !! шдви-щенню [26, 27].
Таким чином, прецизшш спектрометри тера-герцового д1апазону забезпечують селектившсть, ви-соку достов1ршсть та високу швидк1сть вим1рювань, а також можливють одночасного виявлення дешль-кох газ1в-маркер1в. Полшшення чутливосп цих мето-д1в спшьно з розробкою компактно! та просто! у ви-користанш конструкц!! приладу можуть дати надш-ний метод анал!зу ВП.
Для розробки портативних газоанал!затор!в ВП необх!дне як!сне пор!вняння юнуючих метод!в низькочутливого газового анал!зу. Найбшьш простим та зручним для анал!зу ! вибору базового методу контролю е узагальнений як!сний критерш ефективност! (УЯКЕ) [28].
УЯКЕ вказуе на досягнення мети, яка поставлена перед засобом д!агностування. Цей критерш може приймати пльки фжсоваш значения: «1» - у раз! досягнення мети, «0» - в протилежному випадку. Таким чином яшсний критер!й ефективност! буде яв-ляти собою суму часткових яшсних критерив ефективност!, що характеризують частков! ц!л!, поставлен! перед технолопчною розробкою:
,=1 n
(15)
де üj - ваговий коефщент, n - загальна к!льк!сть як!-сних критерив ефективност!. Загальна ефектившсть буде визначатися з! сп!вв!дношення ефективност! за-собу вим!рювання на баз! реального методу контролю та засобу вим!рювання на баз! еталонного методу (ЕТ) контролю:
«■ к-
(16)
де k - узагальнений як!сний критер!й i-го методу, ket - еталонний метод.
В якост! критерив при розробщ портативного д!агностичного обладнання для виявлення ряду мо-лекул-бюмаркер!в (CO, NO, NO2, CH4 та ш.) можуть бути використан! наступш критери: селективн!сть, концентрац!йна чутлив!сть (—1-10 ppm), точн!сть (~1-5 %), швидкод!я (—1 с) та об'ем газово! проби (~10-20 мл). Одночасне задоволення методом запро-понованих аналиичних характеристик дозволяе ре-комендувати його для створення портативного газоа-нал!затора ВП. В табл. 2 наведено пор!вняння розг-лянутих в робот! метод!в на основ! запропонованих як!сних критерив ефективност!.
Таблиця 2
Параметри критерпв ефективностi методiв детектування молекул-бiомаркерiв_
Метод Селектившсть Концентрацшна чутливють Точнiсть Швидкодiя Об'ем проби
ГХ низька 1-1000 ppb - 20-30 c ~10 л
ЕМ достатня 0,1-100 ppm ~1-2 % 10-15 с ~10-20 мл
МС низька ~100 ppb - ~1 с ~10-20 мл
МСГХ достатня ~1 ppb 0,01-0,03 % ~120 с ~10 мл
1ЧС низька 0,1-1 ppm - 5-10 хв ~1-2 л
ТС низька ~100 ppb <5 % ~1 с ~1-2 л
УФХЛ достатня ~1 ppb - ~1 с ~1-10 мл
Д1ЧС низька 0,1-1 ppm - 5-10 хв ~1-2 л
ФС низька 0,1-1 ppm - 5-10 хв >10 л
СЛД низька ~10 ppb ~1 % 15-200 с ~10 мл
ОАС низька 0,01-100 ppb - ~1 с ~10 мл
Таблиця 3
Порiвняння методiв контролю складу ВП на основi УЯКЕ для розробки портативних газоаналiзаторiв_
Метод Селектившсть Концентрацшна чутливють Точшсть Швидкод^я Об'ем газово! проби УЯКЕ
ГХ 0 1 0 0 0 0,2
ЕМ 1 1 1 1 1 1
МС 0 1 0 1 1 0,6
МСГХ 1 1 1 0 1 0,8
1ЧС 0 1 0 0 0 0,4
ТС 0 1 1 1 0 0,6
УФХЛ 1 1 0 1 1 0,8
Д1ЧС 0 1 0 0 0 0,2
ФС 0 1 1 0 0 0,4
СЛД 0 1 0 0 1 0,4
ОАС 0 1 1 1 1 0,8
ЕТ 1 1 1 1 1 1
В табл. 3 наведено порiвняльна характеристика юнуючих методiв дослвдження складу ВП. Таким чином на основi проведеного анал1зу встановлено, що найб№ш прийнятним для розробки портативних газоаналiзаторiв е електрохiмiчнi методи (УЯКЕ=1). На теперiшнiй час вони використовуються для детектування O2, CO2, CO, NO, NO2, SO2, H2S, HCl, Cl2, CH2, що може допомогти у визначеннi широкого кла-су патологiй (астма, анеми, рак оргашв травления, гастрит, гепатит та ш.), у тому числi на раншх стадi-ях !х розвитку.
5. Результати дослщження
На основi проведеного аналiзу встановлено, що на тепершнш момент при розробщ портативних газоаналiзаторiв видихуваного повиря доцiльного застосувати електрохiмiчнi методи (УЯКЕ=1, тобто данi методи вiдповiдають вам заданим критерiям ефективностi). Засоби вимiрювання, що базуються на застосуваннi цих методiв, володiють необхщни-ми аналггичними характеристиками (зокрема результати вимiрювання можна отримати протягом 10-15 с при об'емi газово! проби ~ 10-20 мл), що дае можливiсть використовувати к1нцевий техноло-гiчний вирiб для дiагностувания широкого спектру патологш, що спричинюють появу у ВП таких газо-вих сполук як CO, NO, Ш2, H2S, SО2, HCN, HCl, Cl2 та ш. Головним завданням подальшо! роботи е роз-робка доступного портативного газоаналiзатора ВП,
що забезпечуеться спрощенням технолопчного ви-робництва.
6. Висновки
Проводячи оцшку лiтературних джерел по за-стосуванню рiзних методiв високочутливого детектування газоподiбних молекул-бiомаркерiв у ВП, можна зробити висновок, що iнструментальний ана-лiз слiдiв газоподiбних речовин у ВП е актуальною та перспективною задачею для розвитку нових ме-тодiв дослщження та засобiв дiагностики в бюмеди-цинi. 1х об'ектами можуть бути вщносно легкi та простi молекули-бюмаркери, закономiрностi !х утворення та видшення, що чiтко пов'язано з нор-мальними та патологiчними процесами, що проть кають в органiзмi.
Для дiагностування рiзного роду захворювань та патологш важливим залишаеться розробка доступного для широкого кола споживачiв портативного газоанал1затора ВП.
Л1тература
1. Pauling, L. Quantitative Analysis of Urine Vapor and Breath by Gas-Liquid Partition Chromatography [Text] / L. Pauling, A. Robinson, R. Teranishi, P. Cary // Proceedings of the National Academy of Sciences . - 1971. - Vol. 68, Issue 10. - P. 2374-2376. doi: 10.1073/pnas.68.10.2374
2. Степанов, Е. В. Диодная лазерная спектроскопия и анализ молекул-биомаркеров [Текст] / Е. В. Степанов, 2009. - 416 с.
3. Phillips М. Breath Tests in Medicine / М. Phillips // Scientific American. - 1992. - Vol. 267, Issue 1. - P. 74-79. doi: 10.1038/scientificamerican0792-74
4. Phillips, М. Variations in volatile organic compounds in the breath of normal humans [Text] / М. Phillips, J. Herrera, S. Krishan, M. Zain, J. Greenberg, R. N. Cataneo // Journal of Chromatography B: Biomedical Sciences and Applications. -1999. - Vol. 729, Issue 1-2. - P. 75-78. doi: 10.1016/s0378-4347(99)00127-9
5. LeMarchand, L. Use of breath hydrogen and methane as markers of colonic fermentation in epidemiological studies: circadian patterns of excretion [Text] / L. LeMarchand, L. R. Wilkens, P. Harwood, R. V. Cooney // Environmental Health Perspectives. - 1992. - Vol. 98. - P. 199-202. doi: 10.1289/ehp.9298199
6. Hamilton, L. H. Breath Tests and Gastroenterology [Text] / L. H. Hamilton. - QuinTron Instrument Co. Milwaukee. WI, 1998. - 123 p.
7. Coburn, R. F. Endogenous carbon monoxide production in patients with hemolytic anemia [Text] / R. F. Co-burn, W. J. Williams, S. B. Kahp // Journal of Clinical Investigation. - 1966. - Vol. 45, Issue 4. - P. 460-468. doi: 10.1172/ jci105360
8. Тиунов, А. А. Продукты метаболизма при радиа-цинном поражении [Текст] / А. А. Тиунов, В. В. Кустов. -Атомиздат, 1980. - 104 с.
9. Gustafsson, L. E. Endogenous nitric oxide is present in the exlaled air of rabbits, gunea pigs and humans [Text] / L. E. Gustafsson, A. M. Leone, M. G. Persson // Biochemical and Biophysical Research Communications. - 1991. - Vol. 181, Issue 2. - P. 852-857. doi: 10.1016/0006-291x(91)91268-h
10. Alving, K. Increased amount of nitric oxide in exhaled air of asthmatics [Text] / K. Alving, E. Weitzberg, J. M. Lun-dberg // Eur. Respir. J. - 1993. - Vol. 6. - P. 1368-1370.
11. Вакс, В. Л. Анализ выдыхаемого воздуха: физические методы, приборы и медицинская диагностика [Текст] /
B. Л. Вакс, Е. Г. Домрадчева, Е. А. Собакинская, М. Б. Черняева // Успехи физических наук. - 2014. - № 184. -
C. 739-758.
12. Степанов, Е. В. Методы высокочувствительного газового анализа молекул-биомаркеров в исследования выдыхаемого воздуха [Текст] / Е. В. Степанов. - Труды Института общей физики им. А.М. Прохорова, 2005. - С. 5-47.
13. Vreman, H. J. Semiportable electrochemical instrument for determining carbon monoxide in breath [Text] / H. J. Vreman, D. K. Stevenson // Clin. Chem. - 1994. - Vol. 10. -P. 1927-1933.
14. Pelli, M. A. Breath alkanes determination in ulcerative colitis and Crohn's disease [Text] / M. A. Pelli, G. Trovarelli, E. Capodicasa, G. E. De Medio, G. Bassotti // Diseases of the Colon & Rectum. - 1999. - Vol. 42, Issue 1. -P. 71-76. doi: 10.1007/bf02235186
15. Хмельницкий, Р. А. Хромато-масс-спектромет-рия [Текст] / Р. А. Хмельницкий, Е. С. Бродский. - Москва, 1984. - 216 с.
16. Esterbauer H. Estimation of peroxidative damage. A critical review [Text] / H. Esterbauer // Pathol Biol. - 1996. -Vol. 44. - P. 25.
17. Zemskov, V. S. Value of exhaled air acetone level in assessing the impairement of secretory pancreatic function in acute destructive pancreatitis [Text] / V. S. Zemskov, V. V. Khrapach, V. A. Liashenko // Klin Khir. - 1992. - Vol. 11. - P. 9-11.
18. Tangerman, A. Halitosis and Helicobacter pylori infection [Text] / A. Tangerman, E. G. Winkel, L. de Laat // Journal of Breath Research. - 2012. - Vol. 6, Issue 1. -P. 017102. doi: 10.1088/1752-7155/6/1/017102
19. Байерман, К. Определение следовых количеств органических веществ [Текст] / К. Байерман. - Москва, 1987. - 429 с.
20. Spanel, P. Selected ion flow tube mass spectrometry for on-line trace gas analysis in biology and medicine [Text] / P. Spanel, D. Smith // European Journal of Mass Spectrometry. -2007. - Vol. 13, Issue 1. - P. 77-82. doi: 10.1255/ejms.843
21. Boshier, P. R. On-line, real time monitoring of exhaled trace gases by SIFT-MS in the perioperative setting: a feasibility study [Text] / P. R. Boshier, J. R. Cushnir, V. Mistry,
A. Knaggs, P. Spanel, D. Smith, G. B. Hanna // The Analyst. -2011. - Vol. 136. - P. 3233. doi: 10.1039/c1an15356k
22. Smith, D. Direct, rapid quantitative analyses of BVOCs using SIFT-MS and PTR-MS obviating sample collection [Text] /
D. Smith, P. Spanel // Trac-thends in analyticcal chemistry. -2011. - Vol. 30, Issue 7. - P. 945. doi: 10.1016/j.trac.2011.05.001
23. Dummer, J. F. Accurate, reproducible measurement of acetone concentration in breath using selected ion flow tubemass spectrometry [Text] / J. F Dummer, M. K. Storer, W.-P. Hu, M. P. Swanney, G. J. Milne, C. M. Frampton et. al. // Journal of Breath Research. - 2010. - Vol. 4, Issue 4. - P. 046001. doi: 10.1088/1752-7155/4/4/046001
24. Применение методов и средств нестационарной спектроскопии субТГц и ТГц диапазонов частот для неин-вазивной медицинской диагностики [Текст] / В. Л. Вакс,
E. Г. Домрачева, А. В. Масленникова и др. // Оптический журнал. - 2012. - Т. 79, № 2. - С. 9.
25. Vaks, V. Upgrading the sensitivity of spectroscopy gas analysis with application of supersonic molecular beams [Text] / V. Vaks, E. Domradcheva, E. Sobakinskaya, Cher-nyaeva // Journal of Applied Physics. - 2012. - Vol. 111, Issue 7. -P. 074903. doi: 10.1063/1.3699053
26. Вакс, В. Л. Разработка физических принципов построения и реализации спектрометра диапазона 500-700GHz со сверхпроводниковым интегральным приемником [Текст] /
B. Л. Вакс, В. Ю. Балакирев, А. Н. Панин и др. // Физика твердого тела. - 2010. - Т. 52, № 11. - С. 2100-2103.
27. Кучерук, В. Ю. Аналiз юнуючих засобiв вимь рювання мехашчних характеристик електричних машин [Текст] / В. Ю. Кучерук // Вимiрювальна техшка та метролога. - 1999. - № 54. - С. 125-138.
References
1. Pauling, L., Robinson, A. B., Teranishi, R., Cary, P. (1971). Quantitative Analysis of Urine Vapor and Breath by Gas-Liquid Partition Chromatography. Proceedings of the National Academy of Sciences, 68 (10), 2374-2376. doi: 10.1073/ pnas.68.10.2374
2. Stepanov, E. (2009). Diodnaja lazernaja spektros-kopija i analiz molekul-biomarkerov. Moscow: Fizmatlit, 416.
3. Phillips, M. (1992). Breath Tests in Medicine. Scientific American, 267 (1), 74-79. doi: 10.1038/scientificamerican0792-74
4. Phillips, M., Herrera, J., Krishnan, S., Zain, M., Greenberg, J., Cataneo, R. N. (1999). Variation in volatile organic compounds in the breath of normal humans. Journal of Chromatography B: Biomedical Sciences and Applications, 729 (1-2), 75-88. doi: 10.1016/s0378-4347(99)00127-9
5. Le Marchand, L., Wilkens, L. R., Harwood, P., Co-oney, R. V. (1992). Use of breath hydrogen and methane as markers of colonic fermentation in epidemiologic studies: cir-cadian patterns of excretion. Environmental Health Perspectives, 98, 199-202. doi: 10.1289/ehp.9298199
6. Hamilton, L. (1998). Breath Tests and Gastroenterol-ogy. Milwaukee: QuinTron Instrument Co, 123.
7. Coburn, R. F., Williams, W. J., Kahn, S. B. (1966). Endogenous carbon monoxide production in patients with he-molytic anemia. Journal of Clinical Investigation, 45 (4), 460468. doi: 10.1172/jci105360
8. Tiunov, A., Kustov, V. (1980). Produkty metabolizma pri radiacinnom porazhenii. Moskva: Atomizdat, 104.
9. Gustafsson, L. E., Leone, A. M., Persson, M. G., Wiklund, N. P., Moncada, S. (1991). Endogenous nitric oxide is
present in the exhaled air of rabbits, guinea pigs and humans. Biochemical and Biophysical Research Communications, 181 (2), 852-857. doi: 10.1016/0006-291x(91)91268-h
10. Alving, K., Weitzberg, E., Lundberg, J. (1993). Increased amount of nitric oxide in exhaled air of asthmatics. Eur. Respir. J., 6, 1368-1370.
11. Vaks, V., Domradcheva, E., Sobakinskaja, E., Cher-njaeva, M. (2014). Analiz vydyhaemogo vozduha: fizicheskie metody, pribory i medicinskaja diagnostika. Uspehi Fizicheskih Nauk, 184, 739-758.
12. Stepanov, E. (2005). Metody vysokochuvstvi-tel'nogo gazovogo analiza molekul-biomarkerov v issledovanija vydyhaemogo vozduha. Trudy Instituta Obshhej Fiziki im. A. M. Prohorova, 67, 5-47.
13. Vreman, H., Stevenson, D. (1994). Semiportable electrochemical instrument for determining carbon monoxide in breath. Clin. Chem., 10, 1927-1933.
14. Pelli, M. A., Trovarelli, G., Capodicasa, E., De Medio, G. E., Bassotti, G. (1999). Breath alkanes determination in ulcerative colitis and Crohn's disease. Diseases of the Colon & Rectum, 42 (1), 71-76. doi: 10.1007/bf02235186
15. Hmel'nickij, R., Brodskij, E. (1984). Hromato-mass-spektrometrija. Moskva: Himija, 216.
16. Esterbauer, H. (1996). Estimation of peroxidative damage. A critical review. Pathol Biol., 44, 25.
17. Zemskov, V., Khrapach, V., Liashenko, V. (1992). Value of exhaled air acetone level in assessing the impairement of secretory pancreatic function in acute destructive pancreatitis. Klin Khir., 11, 9-11.
18. Tangerman, A., Winkel, E. G., de Laat, L., van Oi-jen, A. H., de Boer, W. A. (2012). Halitosis and Helicobacter pylori infection. Journal of Breath Research, 6 (1), 017102. doi: 10.1088/1752-7155/6/1/017102
19. Bajerman, K. (1987). Opredelenie sledovyh kolich-estv organicheskih veshhestv. Moscow: Mir, 429.
20. Spanel, P., Smith, D. (2007). Selected ion flow tube mass spectrometry for on-line trace gas analysis in biology and medicine. European Journal of Mass Spectrometry, 13 (1), 77-82. doi: 10.1255/ejms.843
21. Boshier, P. R., Cushnir, J. R., Mistry, V., Knaggs, A., Spanel, P., Smith, D., Hanna, G. B. (2011). On-line, real time monitoring of exhaled trace gases by SIFT-MS in the perioperative setting: a feasibility study. Analyst, 136 (16), 3233. doi: 10.1039/c1an15356k
22. Smith, D., Spanel, P. (2011). Direct, rapid quantitative analyses of BVOCs using SIFT-MS and PTR-MS obviating sample collection. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 30 (7), 945-959. doi: 10.1016/j.trac.2011.05.001
23. Dummer, J. F., Storer, M. K., Hu, W.-P., Swan-ney, M. P., Milne, G. J., Frampton, C. M. et. al. (2010). Accurate, reproducible measurement of acetone concentration in breath using selected ion flow tube-mass spectrometry. Journal of Breath Research, 4 (4), 046001. doi: 10.1088/1752-7155/ 4/4/046001
24. Vaks, V., Domracheva, E., Maslennikova, A. (2012). Primenenie metodov i sredstv nestacionarnoj spektroskopii subTGc i TGc diapazonov chastot dlja neinvazivnoj medicinskoj diagnostiki. Opticheskij Zhurnal, 79 (2), 9.
25. Vaks, V., Domracheva, E., Sobakinskaya, E., Cher-nyaeva, M. (2012). Upgrading the sensitivity of spectroscopy gas analysis with application of supersonic molecular beams. Journal of Applied Physics, 111 (7), 074903. doi: 10.1063/1.3699053
26. Vaks, V., Balakirev, V., Panin, A. (2010). Razrabotka fizicheskih principov postroenija i realizacii spektrometra dia-pazona 500-700 GHz so sverhprovodnikovym integral'nym priemnikom. Fizika Tverdogo Tela, 52 (11), 2100-2103.
27. Kucheruk, V. (1999). Analiz isnujuchyh zasobiv vymirjuvannja mehanichnyh harakterystyk elektrychnyh mashyn. Vymirjuval'na Tehnika Ta Metrologija, 54, 125-138.
Рекомендовано до публгкацИ: д-р бюл. наук, професор, академж АкадемП наук вищо'1 школи Украши
1саенко В. М. Дата надходження рукопису 19.11.2015
Запорожець Артур Олександрович, астрант, молодший науковий сшвробггник, Вщдш теплометри, дь агностики та ошгашзацп в енергетиц!, 1нститут техтчно! теплоф!зики НАН Укра!ни, вул. Желябова, 2а, м. Ки!в, Укра!на 03057 E-mail: [email protected]
Свердлова АнастаСя Дмитрiвна, кафедра електрон!ки, Нац!ональний ав!ац!йний утверситет, пр. Космонавта Комарова, 1, м. Ки!в, Укра!на, 03680 E-mail: [email protected]
