CC BY
208
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
УДК 615.1/.4
ЭКСПРЕСС АНАЛИЗ КРОВИ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий СГГА, тел. (383)361-07-31, e-mail: v.s.ayrapetyan@ssga.ru
Ольга Владимировна Мухаметова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, кандидат биологических наук, доцент кафедры физической культуры, СГГА, тел. (383)361-07-31
В статье сообщается о возможности исследования фундаментальных характеристик компонентов крови методом ИК-спектроскопии. Предложено плавной и /или дискретной перестройкой частоты излучения ИК-параметрического лазера достичь резонансного совпадения с полосами поглощения основных компонент крови. Показано, что спектральная ширина излучения разработанного ИК-параметрического лазера намного уже полос поглощения функциональных групп, входящих в основные компоненты крови, что позволяет проводить высокоточный и оперативный анализ крови.
Ключевые слова: параметрический генератор света, дифференциальное поглощение и рассеяние, аналогово-цифровой преобразователь.
RAPID ANALISIS OF BLOOD BY IR-SPECTROSCOPY
Valerik S. Ayrapetyan
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., head of special devices and technologies SSGA, tel. (383)361-07-31, e-mail: v.s.ayrapetyan@ssga.ru
Olga V. Mukhametova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., assistant professor of physical education, SSGA, tel. (383)361-07-31
The article reports on the possibility of the study of the fundamental characteristics of blood components by IR-spectroscopy. Proposed the smooth and/or discrete tunable infrared radiation -a laser to achieve the parametric resonance overlap with the absorption bands of the main components of blood. It is shown that the spectral width of the developed infrared radiation - parametric laser is much narrower than the absorption bands of the functional groups on the basic components of the blood, which allows for highly accurate and rapid analysis of blood.
Key words: optical parametric oscillator, differential absorption and scattering, analog-to-digital converter.
Сочетание современных методов спектроскопии и частотно-перестраивае-мого излучения ИК-параметрического лазера позволяет проводить фундаментальное исследование органических веществ, однако их применение для изучения такого биологического объекта, как кровь, началось сравнительно недавно.
115
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Основной отличительной чертой частотно-перестраиваемого излучения ИК-параметрического лазера является то, что он позволяет по характеристикам колебательно-вращательного спектра поглощения количественно и качественно определить практически полный состав и строение любых органических веществ, имеющих полосы или линии поглощения, попадающие в диапазон перестройки частоты ИК-параметрического лазера. Измерение спектров поглощения или возбуждения, исследование времен распада возбужденных состояний, сдвигов и деформаций молекулярных полос поглощения крови позволяют извлечь ценную информацию о структуре, кинетике и взаимодействиях компонентов крови, а также изучать биофизические и биохимические процессы в отдельной клетке.
Анализ колебательно-вращательных спектров поглощения и рассеяния крови осложняется в связи с многокомпонентностью объекта. Кровь является биологической системой, которая содержит большое количество веществ (табл.) с различными пропорциями. Для высокоточного определения предельной концентрации каждой из компонент крови используют резонансное поглощение ИК-лазерного излучения, с применением метода дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР). Поэтому, с одной стороны, особые требования предъявляются к амплитудно-временным и спектральным характеристикам частотно-перестраиваемого ИК-лазерного излучения, с другой стороны, при использовании метода ИК-спектроскопии крови возможен количественный анализ только функциональных групп, входящих в основные компоненты, присутствующие в крови в значительном количестве.
Трудности использования инфракрасной спектроскопии в медицине являются не только техническими, но также связаны с отсутствием методики, позволяющей применить математический анализ при определении частот колебаний и отнесении их к той или иной химической связи.
В таблице приведены основные компоненты и их количество в цельной крови и в плазме.
Результаты исследований [1, 2, 3] свидетельствуют, что колебательновращательные полосы поглощения излучения основных компонентов крови приходятся на ближний и средний инфракрасный (ИК) диапазон длин волн (от 1 до 8 мкм). В этой связи роль плавно перестраивающегося ИК-параметри-ческого лазера в данном диапазоне длин волн неоценимо возрастает [4]. Кроме того, спектры поглощения наиболее известных компонентов крови, таких, как гемоглобин, глюкоза представляют собой узкие полосы, сложной формы с полушириной, равной нескольким единицам см-1. Поэтому, ИК-спектроскопи-ческое исследование спектров поглощения нужно проводить высокомонохро-матичным параметрическим лазером с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения, спектральная ширина которого (Ауизп.) должна быть меньше спектральной ширины полосы поглощения детектируемой молекулой
( А^погл.).
116
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Таблица
Основные компоненты крови и плазмы
№ п/п Компоненты Цельная кровь Плазма
1 Вода, % 75-85 90-91
2 Гемоглобин, г/л 130-160 -
3 Общий белок, г/л - 65-85
4 Глобулин, г/л, - 20-30
5 Альбумины, г/л - 40-50
6 Азот небелковых соединений, ммоль/л 15,0-25,0 14,3-21,4
7 Мочевина, ммоль/л 3,3-6,6 3,3-6,6
8 Креатин, ммоль/л 0,23-0,38 0,08-0,11
10 Азот аминокислот, ммоль/л 4,3-5,7 2,9-4,3
11 Глюкоза, ммоль/л 3,3-5,0 3,6-5,5
12 Общие липиды, г/л 1,0-7,2 3,8-6,8
13 Холестерол, ммоль/л 3,9-5,2 3,9-6,5
14 Фосфатидилхолин, ммоль/л 3,0 1,0-3,0
15 Билирубин общий, мкмоль/л - 4-26
Разработка детектирования методом ДПР с помощью ИК-параметричес-кого лазера представляет собой комплексную задачу, включающую:
1) теоретические исследования и анализ экспериментально измеренных параметров спектральных полос поглощения (к = 1-8 мкм) молекулами веществ, полученных различными прямыми способами, в том числе биологическими и оптическими;
2) разработку и создание перестраиваемого ИК-параметрического генератора света (ПГС) в диапазоне длин волн от 1,41 до 8,8 мкм, дальнейшие исследования и улучшение пространственно-временных и энергетических характеристик ПГС.
Исследования спектров поглощения компонентов крови можно проводить также косвенным способом. Практически все молекулы крови имеют слабые СН (углеродные) связи, которые при определенных условиях разрушаются, а при превышении температуры от 30 до 60 °С концентрация паров из некоторых органических веществ увеличивается почти на порядок. Вращательные спектры паров имеют достаточно интенсивные изолированные линии в диапазоне длин волн от 1,4 до 4,2 мкм, следовательно, их можно идентифицировать с помощью ИК - ПГС, работающего в таком же диапазоне.
В публикациях [5, 6] приведено сообщение о разработке, создании и испытании автоматизированного дифференциального лазерного комплекса (рисунок) на основе параметрического генератора света, перестраиваемого в ближней и средней инфракрасной области спектра, для измерения малых концентраций компонентов сложных органических веществ.
117
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
П/П З ФД
Рис. Оптическая схема экспериментальной установки для исследования структуры, состава и концентрации компонентов крови:
ИП - источник питания лазера; БО - блок охлаждения лазера; YAG: Nd -лазер накачки с параметрическим генератором света на нелинейном кристалле из LiNbO3; П/ПЗ - полупрозрачное зеркало; ФД - фотоприемники; ИО -исследуемый объект, установленный на компьютерно-управляемом столике; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; ПК - персональный компьютер
При прохождении импульсного ИК-излучения параметрического лазера через кювету с кровью часть излучения поглощается молекулами данного вещества. Посредством плавной перестройки частоты излучения первый импульс, генерируемый лазером, устанавливается на максимум линии поглощения компонентов крови. Следующий импульс ИК-параметрического лазера дискретно перестраивается на крыло этой линии поглощения. Сигналы двух импульсов регистрируются фотодетектором и сравниваются в АЦП. Дифференциальное значение этих двух сигналов выводится на монитор ПК в виде колебательновращательных спектров поглощения молекулами компонентов крови.
Таким образом, результаты исследований показывают, что с помощью разработанного автоматизированного и перестраиваемого дифференциального параметрического лазерного комплекса, работающего в ближней и средней ИК-области спектра, можно детектировать компоненты крови с концентрацией, не превышающей предельно допустимый уровень.
118
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. - М.: Физматгиз, 1962. -
892 с.
2. Барун В.В., Иванов А.П. Поглощение света кровью при низкоинтенсивном лазерном облучении кожи // Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40. - № 4. - С. 371-376.
3. Rothman L.S., Gamache R.R., Tipping R.N. e.a. The HITRAN Molecular Database: edition of 1991 and 1992, JQSRT., 1992. v.48, pp. 469-507.
4. Мощный килогерцовый перестраиваемый ПГС среднего ИК диапазона на периодически поляризованном стехометрическом танталате лития с накачкой на длине волны 1064 нм / Гайдарджиев А., Чучумишев Д., Драганов Д., Бучваров И. // Квантовая электроника. - 2012. - Т. 42. - № 6. - С. 535-538.
5. Айрапетян В.С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения // Вестник НГУ. Сер. Физика. - 2009. - № 3. -С. 20-24.
6. Ayrapetian V.S. IR lidar based on OPO / A.V. Hakobyan, G.M. Apresyan, E.M. Poghossyan, A.H. Sahakyan, K.A. Sargsyan, T.K. Sargsyan // SPIE. 2006. v. 6160, pp. 708-713.
Получено 10.12.2012
© В.С. Айрапетян, О.В. Мухаметова, 2012
119
