Диагностика микрокомпонент выдыхаемого воздуха методами диодной лазерной спектроскопии тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.04 ВАК РФ



не пряна* руг^пигн

МОСКАЛЕНКО Коясшкгнн Лзриусо*<гч

ли м носшкл микюкомпонент выдыхаемого

ВОЗДУХА МЕТОДАМИ ДИОДНОЙ ЛЛЗППЮЛ СПККТРОСКОИИН

Спашалмюсп 01 04 0? - рллттфттггл

янторгфгрят

Л1тсс?|чпцпя ча сепсгчтя учипй с: тот гпщпд«™ ^гчпгп-иптгм^ппесгт пяу»

Мрсг*ч -

Работа выполнена в Институте обшей физики РАН, г.Москвя

Научный руководитель : доктор физико-математических наук, ■ профессор НЛДЕЖДИНСКИЙ Л.И.

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук профессор Бригов АД.

кандидат физик^ -математических наук "в.Н.с.

Курицын Ю.А.

Ведущая организация : Физический институт РАН (г.Москва)

Зашита состоится " I' ¿¿е-^ Г"_ 1995 г. в /С/ часов

на заседании диссертационного совета К 063.91.09 в Московском физико-техническом институте по адресу: Москва, ул.Профсоюзная д.84/32, кор.В2.

Отзывы направлять по адресу 141700 г .Долгопрудный, Московская обл.. Институтский пер. л.9, МФТИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан

¿¿^»Л-? 1495 г.

Ученый секретарь

Днссср1а1шонною совета К 06.1.91.09 к т.н.

Н.П.Чубннский

ОВ1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В общем случае, задачи молекулярного газоанализа подразделяются на три основных вопроса: (I) идентификация молекул, объектов содержащихся в исследуемой газовой смеси, (2) определение количественного состава отдельных компонент смеси, и (3) выявление пространственно-временных характеристик газового состава. Временное и пространственное разрешение, надежность идентификации объекта (селективность), диапазон измерения концентрации и погрешность измерений, минимально достижимый уровень измерения концентрации и возможность одновременного детектирования нескольких объектов (многокомпонентность) являются основными физическими характеристиками различных методой диат ностики газового состава.

На сегодняшний день известно обширное многообразие таких методов (см.например |1|> использующих различные характеристики молекул такие как ее масса, потенциал ионизации (диссоциации), время диффузии в различных средах и т.п. Широкий класс спектроскопических методов основан на анализе спектрального состава излучения и поглощении молекул. Методы лазерной спектроскопии входящие в зто| класс и обладающие уникальной совокупностью высокого спек-трлльното (-10 5 -10'* см"'), пространственною (-ОЛмкм) и временного (Ю '-сек) разрешения обеспечивают высокоточное решение вышецере-численных вопросов в большинстве случаев.

Оснопой методов лазерной НК спектроскопии поглощения является анализ тонкой сгруктури колеО.мельно-врашаклытых полос погзо-. тения молекул, т.е. анализ положения, ипгснсивносги, формы и ширины отдельных линий спектра. Эта информация ложолмег иденшфн-пиров:иь объекг, определить величину его содержания в смеси. Время П1.ШМ0.1СНСТШ1Я литерного излучения с веществом (время сканирования линии) и конфигурации, оптической схемы определяют пределы ра!рс-шения просгрлнсгнснно-времениыч характеристик' таюпщо состава,

Во мух. выдыхаемый человеком, прост,начет собой сложщю со-с)аин\'К1 смесь, состав которой может характеризовать как состочни*. ортничча » целом, так и его отдельны* чаете*. Хорошо и •шест но, что основными юмпоненгами тлдмч-аемоп» во »духа яиляют«.« л_>. О;, СО.,

UjO Однако, помимо них микросодерлаиие таких оЪьектоо teak СО, NHj, СН4> NjO, HjS, H^Oj и других, имеющих природу возникновения связанную с жизнедеятельностью бактерий, процессами Jiicprenn.il а ' жатых, да н >> ciuiy воздействия окружающей среды, вполне ожидаемо. Ясно, что контроль содержания ыикрокомпонент выдыхаемого воздуха и их динамики нредегавтяет как академический, так и,чи;то практически!) HlllCpcC.

К тычалу исследовании, составивших предмет настоящей работы, ииюльКШ.ШИС ьтегодов Диодной Лазерной Спектроскопии (Д11С) в iu-зоинализе уже нашло снос применение и таких областях как контроль загрязнении окружающей среды, исследование процессов атмосферной химии, контроль технологических процессов и др.. И отличие от нашедшею наиболее широкое распространение использования диодных позеров (ДЛ) в исследованиях микросодержаннй атмосферного воздуха, их применение в медицинской диагностике только начинает развиваться. Здесь можно указать в основном на работу |2| связанную с попыткой детектирования фонового количества аммиаки в выдохе человека, работу |3| по детектированию моноокиси утлерида в выдохе курящею человека )! cnopicMena после бета. Упомянем также работу |4| i.ic были предложено для нештаазивною исследовании метаболизма в человеке осуществлять кошроль изотопического углерода (koiinwb 'соотношения 1гС02 и uCOj ). Анализ работ |2,3| ясно показывает на необходимость проведения более тщательных исследований и улучшения как точностных и временных параметров нсполы>емых IVI систем, так и улучшение их чувствительности. Количество же оксиеримснталыш* манных в лих работах также не позволяет судить о наблюдении статистических закономерностей в результатах. Также добавим, что одновре-мениал диагностика традиционного медицинского объекта - СО;, т.е. икот окомноиеншоеть анализа может облегчить трактовку полученных рез)лыатв, а для расширения круга обьектоя мнкросолержашнхс» и выдохе оправдано выбрать метан как углеводородное соединение.

Гатоаналшическое применение ДЛ начавшееся с первой равены .Чинкли |5| опубликованной п 1970 году тем не менее ограничено и на ссыинчпший день. Это связанно и со стоимостью как самих ДЛ, ;и>и ¡кдга кристаллов которых требуется освоение вмсокотехнодогических

процессов, так и со стоимостью оборудования, обеспечивающего высокий уровень требований к процессам управления режимами работы ДТ1 и регистрации сигнала; необходимость криогенного охлаждения' ДЛ и фотоприемника, также вносит свои неудобства в работе ДЛ газоанализатора, и, наконец, уникальность каждого образца ДЛ н сама методология измерений требует наличия высококвалифицированного персонала.

Также заметим, что, с одной стороны, большинство г азоанал этических применении методов ДЛС было выполнено в зарубежных работах с использованием ДЛ с непрерывным режимом излучения, в то гремя как, использование доступных у нас ДЛ с импульсио-периодическим режимом работы имеет ряд специфических особенностей, прелъятяюших свои требования к устройству ДЛ газоанализатора. А с другой сторони, выдыхаемый воздух обладает основным процентным составом и температурой отличающимися от атмосферного лоздуха, а величина объема выдоха человека и частота дыхания так же налагают свои требования на параметры ДЛ галоанхчизатора используемого в анализе микрокомпонент выдыхаемого воздуха.

Цель настоящем работы состояла в разработке днодно-лазерных систем дли определения величин микросодержаний аммиака, метана, монооксида углерода и содержания диоксида углерода и исследования их динамики при газообмене между человеком и окружающей его атмосферой. Этн;л определялись ее основные нзппзпления: разработка ДЛ систем, с учетом требований предъявляемыми характеристиками выдоха; достижение необходимых уровней чувствительности и точности регистрации контуров линий поглощения микрсоодержашихся компонент во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе при сохранении необходимого временного разрешения; разработка методов двух и более компонентного анализа; разработка методов калибровхи в средах с разным процентным соотношением основных газовых компонент и температурой; автоматизация процесса измерений; исследование уровня микросодержаний моноокиси углерода при одновременном контроле уровня СО}, исследование уровней микросодержаний аммиака и метана о выдохе человека; исследовании их динамики в процессе газообмена между человеком и окружающей ею атмосфгрой.

Научнця новизна настоящей работы состоит в следующем:

Разработана методика проведения экспериментальных. исследований методами ДЛС по детектированию микросодержаний выдыхаемого воздуха. Выявлены физические процессы формирующие точность, чувствительность к время измерения концентрации в ДЛ системах.

На фоновом уровне зарегистрированы в реальном временном млниабе качественные и .количественные (:с иниазивны: характерн-сшк>1 газообмена человека с окружающей средой молекулами СО, СН«, КН) гю время дыхания:

- определенны уровни концентраций веществ и зафиксировано различие содержания микрокомпонент СО, NN3, СН4 во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе и продемонстрировано наличие N¡0 на фоновом уровне в выдыхаемом воздухе.

- зарегистрированы естественные (а не стимулированные большими дозами) процессы вывода и возврата веществ из организма человека, определен характер вывода СО, СН4 и N151 из организма человека при задержке дыхания и после вдыхания смеси с их повышенным содержанием.

Разработан и создан комплекс диодно-лазерных систем для одновременного детектировании моноокиси и двуокиси углерода, дли регистрации аммиака и метана во'вдыхаемом (атмосферном) и выдыхаемом воздухе. Достигнутые параме!ры (точность, чуитсвительность и быстродействие) атих ДЛ систем позволяют их успешное применение также о исследованиях процессов атмосферной химии, контроле технологических процессов, контроле окружающей среды.

Разработанные методы построения калибровочной шкалы ДЛ газоанализаторов позволяют учитывать различие основного компонентного состава среды и се температуры и избавляют от необходимости'трудоемкого процесса изготовления, хранения и эксплуатации калибровочных смесей нестабильных токсичных и агрессивных газов (например, ЫН]), сохраняя при этом надлежащую точность в определении концентрации. А предложенная схема двухлазерного прибора существенно расширяет возможности для мноюкомпонентного .шали т.

Показано, что применение методов ДЛС в анализе газового состава выдыхаемого воздуха позволяет дополнять и замешать традиционные в медицинской диагностике методы исследования выдоха, увеличивая достоверность и точность получаемых результатов, что даст возможность проводить исследования на новом качественном уровне. Позволяет проводить принципиально новые исследовднич процессов в организме человека, осуществляя- контроль микросостапляюших компонент гыдыхаемой смеси газов.

Обоснована целесообразность применения импульсных диодных лазеров п диагностике микрекомпонент газового состава выдыхаемого воздуха.

Основные положений рнносммыс на защиту :

1. Разработан и создан комплекс яиодно-лазертлх систем для детектирования содержания во вдыхаемом (атмосферном) и выдыхаемом воздухе аммиака, метана, моноокиси и двуокиси углерода,.

2. Разработана методика проведения экспериментальных исследований методами ДЛС по детестированию мнкросодержаний выдыхаемого воздуха. Выявлены физические процессы формирующие точность, чувствительность и еремя измерения концентрации в ДЛ системах.

3. Обоснована целесообразность применения импульсных ДЛ п диагностике микрокомпоне!гт сьщыхаемого воздуха.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на IX международном симпозиуме "Tunable Diode Laser Application in Atmosphere Monitoring of Pollutant" (Germany, Freiburg, 1^34, October) -приглашенный доклад, а также на международных симпозиумах: "Laser М2Р" (France, Grenoble-, July 9-10, 1991), "TDL\MGP" (Germany, Freiing, 1991, Octobcr), и международных конференциях "SPIE "Infrared -Fiber-Optics HI" (USA, Boson, 3-6 Sept, 1991), "Tunable Dioiî Laser Applications" (Томск,1992), "HighRus", (Москва, Нижний Новгород, 1993) и др.

Публикация, По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Об1 ?м диссертации, Дисссрташм состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии ;i четырех приложений. Общий объем р.чботы 187 машинописные страниц, включая 5G рисункоп и 15 таблиц. Список цитированной литературы, содержит 155 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность' темы и изложены цель, основные задачи и структура диссертации.

В первой главе описывается принципиальный алгоритм измерения концентрации при спектроскопическом детектировании следовых количеств газов. На основе сравнительного анализа наиболее эффективных методов И К спектроскопии высокого разрешения применяемых дня исследовании контура линий поглощения показана целесообразность использовании методов ДЛС в решении поставленных задач. Описывается принцип действия полупроводникового инжекционного лазера, его устройство, типы структур и методы выращивания кристаллов. Даны физические характеристики перестраиваемых полупроводниковых штжекционных лазеров обуславливающие свойства и требования к конструкции ДЛ систем. Изложено описание принципиальной схемы диодного лазерного спектрометра и обсуждается степень ее адаптации. Приведении физические характеристики существующих ДЛ систсм и области их применения, продемонстрирована принципиальная возможность их успешного применения в возникающей новой области анализа микросодержаний газового состава выдоха человека. Приведены характеристика среды-выдоха и характеристика объектов диагностики (СО, МНэ, СНц, СО}) как веществ в атмосфере и в выдохе человека. Сформулированы требования предъявляемые к ДЛ системам для диагностики микрокомпонент выдыхаемого воздуха.

Вторая глава посвящена анализу структуры спектров исследуемых молекул СО, СО}, Ь1Н}, СН4. Описан выбор оптимальных спектральных интервалов (колебательно-вращательных полос и линий поглощения) для регистрации этих молекул, как с точки зрения многокомпо-нентности (перекрытия) полос и линий поглощения спектров различных газовых компонент среды - выдоха, так и с точки зрения достижения необходимой чувствительности и точности.

Показано, что процедура криогенного обогащения выдоха не обладает надлежащей степенью эффективности и возможность детектирование ряда объектов (например, СО) обладающих близким к азоту характером зависимости давления насыщенных паров от температуры будет ограничена.

Описан анализ рчлыхасмот во тухз методами Фурье-спектроскопии п сочетании с модсчированием спектров поглощении который обеспечил надежную и наглядную идентификацию обьет т-чц выявит оптимальные линии поглощения объектов для их регистрации на фоновом урочне в атмосфере и иидмхаемом [»чту\е, укд'лл ириголшпс спектральные участки для многокомпонентного anemia. Продемонстрировано наличие на фоновом уровне N>0 п выдыхаемом гн> i ¡\ve

Проведен аил ив спектроскопических лшш.к н продгмннслрнро-пана актуальность учета рагшчия основною компонентою состава с температур;.f при определении сотсржания монооксиха )1Лерод<. Приведено описание ра ¡рарогаипого программного обеспечения ,х тч расчета, в и-,ом;нч н 1менякт!цегосч состава.среды и ее кмперат\»ы, п:'рамс -троп копира линии поглощении моноокепла углерода.

Ü 11>еи.£и_г.лаи£ 'писаны aniiapaiyp'a и методы Д.1 снек ip.ici.omtH, прнменятпп'хя'намн для диаптоетики микрокомпонент гиог.пгп cocí i-ва выдоха человека.

Приводится описание базогой схемл ДЛ гатоанализ-иорм и ее a i > тп.щнл ,пя измерения СО и СО,;, аммиака н метана и-г-ь.чо.чс »юн'нскя Описано функционирование т a'ioatiuai! затора (смрчс!) для . отчощ v -чошкио моыпоринга моноокепла и двуокиси илерела и .им :сферном н «и.¡ыхаемоч инлухе. Оиисан атоиагизиротмнный па основе комт.-. чпера пша IH.M ¡'С процесс управления рабогей лого газоанали татра,' peíисгрании и обработки полученных спектров поглощения. Представ лена оптическая, схема ДЛГА с двумя одновременно работающими ДД (см. рис.2). Описаны-особсшюсти работы и конструкции ра.рабшан-¡H.т\ т.азоана ni ¡агораов для одновременного мониторинга аммиака и метана п .нмосфсрном и выдыхаемом воздухе.

Описычаются способы построения кхчпбровочной шкалы гатоана-•нилгорой н определение концентрации в режиме прямого детектирования спектра~но| точения (СО. СО2) м определение концентрации при peí тирании дифференцированного сигнала (NH3, С'Нц). Покатано, что рсали юваниые методы абсолютной калибровки СО и CO¿ ДЛ газоана-iiu.üopou заменяют необходимость использования четырех различных 111 пои ка'тпбропочнмх смессй алюрпгммзиропанной процедурой расчета конпчнрапии \чигывакчиеи р.итичпми процентный состав основных

компонент смеси и ее ратный температурный режим, сохраняя при л ом наллекашую точность определения концентрации.

Выделены оптнмн зацнонные параметры н cooi ношении ент-нал/шум в тазоанали таторах на СО, С02, NН (, СHt Ланм фи шческие характеристики i а юаналнзаторов селективность, ючносп» н время определении конпешр.щии. Приводятся сравнительные характеристики p.iip.ii'oraiiin.ix ЛЛ систем (cMiaÓT.l), показана вошожность их применении и ггидчл.х атмосферного монтнортниа, конфоде технологически». процессов, атмосферной химии.

I! U£ii!£ntüil_ÜT>Uí£ представлены полученные мкеперименгальные результаты исследовании содержания монооксида и диоксида jr.iepo.ia, аммиака и метана во вдыхаемом и выдо.хаемом воиуче группы людей (в Iруппу численностью около -15 человек входили п основном сотрудники института, мужчины и женщины но трастом 20—45 лет, куртине и не курящие, а измерения, проводились в основном в одном и том же помещении лаборатории ДЛС ИОФ РАН, см.табд.Л.

Покатано, что содержание СО в выдохе обычною не курящею человека т**и.ма дегер\!ЧИИ]ю|ино п итбьгючный у]ч,иен1. содержаний СО в вызоле со-ст.нияез -400 - 800 ppb, в то время как кон1к,пр.ии1я СО и .ii-.k'Oj*'¡>e итме-няяепя oí 0.5 ppm до 1 ppm (г.'Москва) и от 50 до 150 ррб (т. М.шнус, Ир-ir.nuи»). выявлено существенно более высокое со тержанпе ;1мчии».а шутрн помещения, чем на улит (см. рис.3). Покатано, что содержание аммиака в и,u¡ тхдемом во «ухе в 3-5 раз сышо его коппотфаинп во в. ты чаемом комнатном ш-viyxe и лежит на уровне 130-200 ppb (см рис 4). а уровень содсрж.ишд ме1.:на в выдохе составил 3-8 ppm, "no и 4-S p.ua превышает ею ии.-ржание СП^ в окружающем воздухе (-0.7-lppm).

Представлены .данные отражающие динамику содержания СО. СНЧ, NII3 Tipil газообмене во время дыхания для курншш люден (на рис.5 верхняя и нижняя кривые соответствуют наиболее великому и наиболее малому уровню измеренных концентрации СО) Подучено, что постоянные времени вывода СН4 после его интоксикации во время курения составили -1-2 минуты (см.рис.Ь), аналотичное поведение наблюдено и для аммиака.

7

s » ï ••

ип

Uij

О*

' "У '

? ч.

' ! *

Hi

: <7

i.s

!';¡c.l ДЛ газоанализатор для одновременною мониторинга СО » ( í)¡ а «сшхасмсч '.oi.iyxe h окр) ж.», to щей атмосфере.

J 5 ._б 3

7 ^ ^

Гне.2 Ошачггкаи счеча ллухкочпометшнч ДЛ iîboaiia.m'iait>pa: i

- ¡.noil ajiniîUM Kjiisiiciai; 2 - джмиыс .та tt'jiw; j - ijpt'.it. с *a.i!i6n>B,,4-ü;j4!|.K!«:.oi;ím>i; 4 - p^iitpiru-i хнич-и; 5 - фоюдеюкторы; 6 - iuocí.üv >i.'p-v.vvi; 7 - ытфеяэ.адые ».'ркала чиошкрохолдой ■ чютп,1 ci.wcir;>o;i »иной i"> смчг (:;\tu'¡i:i¡iH ¡i сычидкшим üj'ií и [П i'itci cbi ii>> i'UCUlt').

180 i

I

It!) i

I« :

I

120 I 100 • so 60 < <0 20

№

,-t i

-¿ft_______

► > ,111 I in I HOMCfliCMHC

.if

1 30 <3 JO <"1

b)i«u. mm^iu

I'iiC.3 Содержание аммиака при последовательной прокачке уличного воздуха, комнатного впзлуха, вылычаечого ьоздуха, комияшого i; уличного ноздуха через аналитическую кюкету.

150 —

200

о.

^ 1J0 —

а

НЮ

50

4P п

о &

СР0 о u

----____:«. _ .

о ~"t~I Г~1 I I—r~1—I—Г-Т—f~r—I—I I I I -I I—I—I" i I—l—r

0 20 40 - 60 80 100 120 140

Time. min

1'кг.4 Результаты измерении Nllj при прокачье исследуемою ноздуха : ( В) - атмосфера из комнаш, ( в. О, -к, ❖) - выдох различных людей; лшшями и " - - - " о [мечены среднесуточная н максимально разопях ПЛК.

о

comf^tki« co. pfh

i !

"i i

i

4

I ■ t

,t I

i <

0 50 100 ISO 200 250 )Ü0 350 BlKtU. юшути

Рис.5 Динамика содержания моноокснда углерод» в выдохе курящих ладей, заштрихованная область соответствует содержанки СО • окружающем атмосферном воздухе, линией ----- - — показан уровень среднесуточной ПДК

20 -I 15

G lu -

5 -

smoker bfcalh

I» \

пил MiKii.ei' -Jltl

—Г"

10

15

20

0 5

Time, min

Рис.6 Динамика содержания метана в выдохе курящею человека »след

после курения, заштрихованная область отражает содержание

CHj ■ атмосферном воздухе (room conb"<t) и в выдохе некурящих людей (поп smoker's breath)

о

CO. Ff-n

. jo 40 '

з.о 2.0

1.0

0.0

Рис.? Носздекг.с кошкитргикн «кмоокснд! (О) » дзуоисцаа утлеродз <©) s ишихаемом ьоздухг ера задерхше дмха-шш зйрсгасгрирозакное при сдасзргмгкиой ptrti стряпки зге» объектов, Л'.п:игй нсказздо содержа-

ла маюсхскдз углерода в с'яягсгепни лаборатории при Гфсзеде^мл гааггримс:пг5.

• - со л

»- COj - 100

... »

» • 8 0

• •

• • •

... АО

» - 4.0

>*

20

Btí.iosphcrc

оо

20 40 » т.кс

40 30

fi о. о.

• о 20

CJ

10 о

О 25 50 Time, sec.

Püc.S Псзсдекдо ксицеьтрзцш: СО в выдыхаемом воздухе для курящего челоггиа группы при увеличении времени задержки дыха!::;:! (о) s: npsi умоиывс>::ш cï (О).

т i i i г i i i гт-г-гг

ТАБЛИЦА.!

CcuosKue хяршстгрксткзи« ДЛ гнетем fti2?r.S<nzt!:iux дел иикрсхомионгкг py.r.i;xaí<.?«ro в-вздум

Молекула СО со2 СН< • NHj !

Спектр.Днапазон, см"1 2103.270 2033.415 2979.012 967.346

Кол.-пр. полоса 1-0 11 '0-00°0 v3 -> v2

ДЛ - соединение PbSSe FhSSe InSbAs PbSoSe

Аналитическая линия POO) PÍÍ0) 4Ai6-4A|l

Интекслииии, см-'мол"' 3.2e-19 2.4е-23 1.2e-IP 5.2¡;-19

у, ст'аПтГ1 0.064 0.063 0.065 0.075

Время измерения -100ms -lOOiiK -10ms -10 se с

Чувствительность 50ppb 0.1% 0.5 pnm 5 ppb

Длина опт.пути, м 26 26 2 2

Погрешность, % 2 < 10 15

Давление в кювете, атм 0.5-1 0.5-1 0.1 0.1

Объем кюветы, литры 1 1 i 1

псренапуск перенапуск пгренопуск прокачка

Отбор пробы иди прока- или прока- или прока- с подог-

чка чка чка ревом

ТАБЛИЦА I..

Ретроспектива данных получяших грн измерен';»! M^spisoMi'f.■«■кт гч-дмхаечпго воздуха и COj при исполыюмнни рлз^отичиих ДЛ спсг-.ч.

Молекула CH, СО CO->

Атмосферное со- 50-60 ppb 0.7-¡.5 ppm O.fc'-i.S ppm -350 ppm

держание

И тмеренное со- 130-200 4-8 0.4-0.S 3000

держание в выдохе ppb ррпт ppm ppm

некурящего _

Измеренное со- 130-200 3-5 2-20 3000

держание в выдохе ppb ppni ppm ppm

курящего

Зафиксирован существенно различный характер поведения концентрации СО и СО; в выдыхаемом воздухе в естественных условиях при увеличении длительности задержки дыхания (см.рис.7). Обнаружено влияния предварительной ал грузки монооксида углерода на cocían выдыхаемого во пуха при различных напраатгчиях в градиенте времени задержки дыхания (см рис.З).

Обсуждаются возможные процессы и источники микрокомпонент выдыхаемого воздуха. Показано ориентировочное соответствие наблюдаемых уровней содержания СО с характерными параметрами гемолиза. Обсуждаются перспективные направления развития и области возможных диагностических применений, среди которых выделены: (1) Обзорные (скрининговые) тесты дыхания; (2) Выявление механизмов отравления и методов их компенсации; (3) Исследование реакций организма человека на воздействие химических веществ в условиях замкнутого пространства; (^^Исследование метаболизма в организме и его отдельных системах; (5) Определение диффузионной способности легких; (6) Исследование силзи выдыхаемого уровн,. СО и уровнем карбокси- и гемоглобина в крови.

В приложениях даны Фурье спектры пропускания выдыхаемого воздуха в диапазоне 2020-2130 см"1; Фурье спектры пропускания изотопических модификаций монооксида углерода 12СО и |3СО в диапазоне 2020-2130 см-1; атлас линий С02, НгО с учетом их ориентировочного содержания в выдыхаемом воздухе в диапазоне 800-1150 см'1; атлас линий СН^ и Н2О с учегем их ориентировочного содержания в выдыхаемом воздухе в диапазоне 2900-3150 см"1;

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ* В диссертационной работе поставлена и решена задача по разработке днодно-лазерных систем для определения величин микросодержаний аммиака, метана, моноокенда углерода и содержания двуокенда углерода и исследования их динамики при газообмене между человеком и окружающей его атмосферой

Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. Впервые разработан и создан комплекс диодно-лазерных систем для детектирозатшя содержания во вдыхаемом (атмосферном) и выдыхаемом ноздухе моноокиси и двуокиси углерода, аммиака и метана со следующими параметрами: чувствительность по детектированию СО, СО2, Ь'Нз, СН4 составила 50 ррЪ, 0.1%, 5 ррЬ, О.бррш, соответственно, быстродействие - 100 мсек., 10 сек, 10 мсек., точность измерения на примере СО дос-

тигасг 1%. Показано, что абсолмшая калибровка ia-x^uiuíhiaiiiu¡>a nojau-л.яет учитывать изменения процентного cocí ива среди н ее температуры t'c прибегая к обширному набору калибровочных смесей. IIpcwmohci, <«|-о нано, 'по сочетание абсолютной калибровки с корректным определением уровня спонтанного излучения ДЛ позволяет уменьшить погрешность и i мерения концентрации до одного процента.

С помощью разработанных ДЛ систем для регистрации СО, СО, NHj и СНц были получены следующие результаты:

2. Вперт,¡е, в естественных условиях зафиксировано различие сад-рла ння мнкрокомпонеш' СО, NHj, CIU во аты.хаемои н сыдыляемом üowy.xc. Покатано, что уровень избыточной концентрации монечжеши yr/te¡Kyii i'p ". тически не меняется в атмосферных условиях с разным содерлднием СО ui 50 ppb до ! ррт и состамяег 400-800 ppb - для некуращих людей. Пока-изы, 'по уровень избыточной конце!гграшш аммиака и метана в выдыхаемом ivm духе составляет 150-200 ppb н 3-8 ррт, соопзегстиенно.*

3. Впервые определены временные постоянные выводи СО из opia низма курящею человека в зависимости от измеренного ypouua шпокси кацни » процессе курения. Показано, что Clh и N1! i hi <ipiaiiti»f i при вдыхании смеси с их повышенным содержанием носит гсктлятюн-нмй характер с постоянной времени 1-2 минуты.

4. Впервые определен различны!! характер iimíuvm »имиака, мпм'а. моноокекда ¡i двуоксидз угл'-ро/м из оршшпмя при гмержке ды.хжшм н естсспзенных условиях. Показано, что соаер>лнис СИ» и NHt зимс>ж!,т слабо, а поведение концентраций СО и CO¿ регулируете!» ко-ииенс.,'(.•;> ними механизмами. Прадсмонсгрнронана ши-.ишчюсл, тралит1»!ни меюлои исследовании моиоокенда углерода и и!,ши.\::^моч игл тух«.

Таким образом, на оензчзе проведенных ш'елслоюний со'кр^'.ишы СО, NH,. OHj в выдыхаемом «отдухе. обоснована ne;icc«3f>{>p.iini..-H. применения имму.м I.HUX диодных лотсроя п диагностике »|нпк.г».«ию нет i a зоною с ос rain нмлычме»тгп no муха Показано, >ио ,|,и «>• t »'м* хар.<к»еристки супкчтмотнч импульсных ,'L'l и опиши < ним «..)> >ме

фон оппгкч коп схемы и iiicicMM рл ¡п-ф.'.ннн iiii«iani i!.......n i'i

у.ю» leiBopini, необходимым из сегзз.шчщпин лет. ];чг;1,'И!1«.-1 ■■ ч> г cniiKc.f! пост, сегектимю» ш. Лмс/рн.юйстш и ючч.'.гн r,>; mi- ■■ ■ ¡-<

С1Ч'К"М Д.ТЧ ,'IMf ho'.'Tíll.H фоЩ'ЬЫл КО IИ Ч'-'С 1 М ОС U,'С 1 f% : lo ,

выдыхаемом воздухе.

Результаты работ изложены в следующих сыгьях и тезисах док-надов:

I. А.И.Кузнецов, КЛ.Москаленко, Е.В.Степаной, "Диодные лазеры в анализе микропримессй выдыхаемого воздуха", Сб. Совета по спектроскопии /Диодная лазерная спектроскопия", Москва, .1990, с.190-195. I V.G.Anjuslienko, V.G.PIotiiichcnko, E.V.Stepanov, A.I.Nadezhdinskii, A.I Ku/ncisov, K.L.Moskalenko, "jnfrared Diode Laser Chemical Sensors with Multipass Cell Based on Silver Halide und Chalcogenide Fibers", Pros, of SPIE, Infrared Fibers Optic-Ill, 3-6 Sept., Boston, USA, pp 206-217, Vol.1591, 1991. J. E.V.Stepanov, K.L.Nfoskalenko, A.l.Nadez.hdinskii, "High Sensitivity sensor of gases based on IK tunable diode laser for human exhalation

monitoring", Proc. of SPIE, 1991, Vol. 1426., pp. 10.

v.

4. A.I.Kuznetsov, K.L.Moskalenko, A.I.Nadezhdinskii, E.V.Stepanov, "Sensors Based on Tunable Diode Lasers and inid-IK-Fiber Optics and Their Diagnostic Applications in Medicine and Environmental Protection", Journal de Physique, Vol.1, Colloque N7, Suppl.JP III, N12, РР.С7253-С7256, 1991, (Proc. of "Laser M2P",Grenoble, France, July 910, 1991, p.E49.)

5 О.И.Даварашвили, А.П.Шотов. А.И.Кузнецов, А.И.Надеждинскии, Е.В.Степанов, K.J1.Москаленко. ''Волоконно-опгнчсский анализатор " микроконцентраций NHj на основе перестраиваемых ДГС лазеров",

Изв. АН Груз.ССР, 1991, Т.142, Nil, С.57-60. о. I.I.Zasavilskii, E.V.Stepanov, A.I.Nadezhdinskii, . K.L.Moskalenko, "Application of Tunable Diode Lasers for-' Human Expiration Diagnostics", Proc. of Symposium on TDLAMGP, Freiburg, Germany, pp.203-216, 1991.

7. E.V.Stepanov, K.L.Moskalenko, " Tunable diode Laser Spectroscopy for carbon Oxides (CO and C02) detection in exhaled air", Proc. of SPIE, Vol. 1811, 1991, pp.359-363. h E.V.Stepanov, O.I.Davarashvilli, I.I.Zasavilskii, A.LKu/nctsov, K.L.Moskalenko, A.I.Nadcjhdinskii, "Middle Infrared fiber-optic accessories for molecular spectroscopy and gas analysis with tunable diode ■ l.tsers", Proc. of SPIE, 1991, Vol.1811, pp.395-407.

9. A.I.Kuznetsov, K.l,.Moskalenko, A.I.Nadezltdinskii, E.V.Stepanov, "Human expirntion content diagnostics by tunable diode lasers in middle infrared", Proc. of SP1E, Vol.1724, pp.265-282, 1992

10. E.V.Slepanov, K.L.Moskaletiko, "Gas analysis of human exhalation by tunable diode laser spectroscopy", Optical Engeneering, vol.32, no.2, pp.361-367, 1993.

11 K.L.Moskalenko, AI.Nadezhdiaskii, E.V.Stepanov, "Tunable diode laser spectroscopy application for ammonia and methane content measurements in human breath", Proc. of SP1E, Vol.2205, 1993. pp.44S-452.

12. K.L.Moskalenko, N.V.Soboiev, I.A.Adamovskaya, E.V.Stepanov, A.I.Nadezhdinskii, S.McKenna-Lawlor, "Tunable diode lasers application for fully automated absolute measurements of CO and C02 concentrations in human breath", Proc. of SPIE, Vol. 2205, 1993, pp.440-447.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методы анализа загрязнении воздуха/Другов Ю.С., Беликов Л.Б.. Дякопа Г.А., Тульчинский В.М., - М.:Химия, 1984, 384с.

2. U.Lachish, S.Rotter, E.Adler, U.EI-Hanany, "Tunable Diode bser Spectroscopic System for Ammonia detection in human respiration", Rev.Sci.Inst rum., 1987, vol.58, n.6, pp.923-927.

3. A.I.Kuznetsov, A.P.Logachev, E.V.Stepanov, "Computerized diode laser system for CO content investigation in human expiration", Proc.SPlE no.1201, pp.487-494, 1990.

4. P.Shu-Ti Lee, R.F.Maykovski, and D.L.Partin, "Methods and Apparatus for measuring stable sotopcs",U.S.Patent, No. 4684805, (1987).

5. Hinkley.E.D., Appl.Phys.Lctt., 16, 351, 1970.

6. Косичкии Ю.Н., Крюков П.В., Кузнецов А.И., Надежлннский А.И., Засапннкий И.И., Перов Л.И., Шотов Л.П., "Инфракрасный спект-ромегр высокого разрешения на основе ннжекинонных лазеров", М. Препринт ФИЛИ, №79, 1981, 17с.