ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2014, № 1 · БИОМЕДИЦИНСКАЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Нестандартная ТГц спектроскопия высокого разрешения для решения медико-биологических задач

В.Л. Вакс1, Е.Г. Домрачева1, Е.А. Собакинская1, М.Б. Черняева1, В.А. Анфертьев1, А.В. Семенова1, Ю.С. Шатрова1

1 Институт физики микроструктур РАН; Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, Россия
Полный текст УДК 535.343.4, 543.421/.422 EDN SBPFHD

Аннотация

Одним из наиболее перспективных методов неинвазивной медицинской диагностики является анализ «запаха» организма, который может использоваться как в целях выявления заболеваний, предсказания реакции организма на конкретный вид лечения, так и для мониторинга эффективности проводимой терапии. На основе измерения концентрации веществ-маркеров в выдыхаемом воздухе можно диагностировать целый ряд серьезных заболеваний, в том числе желудочно-кишечные, онкологические, нервно- психические и ЛОР заболевания. Среди многообразия аппаратурных методов анализа выдыхаемого воздуха наиболее перспективными оказываются спектроскопические методы, наибольший интерес среди которых вызывает спектроскопия терагерцового диапазона (ТГц) частот. Несомненными достоинствами метода газовой нестационарной ТГц спектроскопии высокого разрешения являются высокие чувствительность и разрешающая способность одновременно. В работе представлены результаты спектроскопических исследований выдыхаемого воздуха с применением разработанных ТГц спектрометров для неинвазивной медицинской диагностики диабета, предраковых состояний и онкологических заболеваний органов желудочно-кишечного тракта, мониторинга эффективности проведения лучевой терапии по динамике содержания окиси азота. Изучена тонкая структура спектра ДНК в диапазоне 300-375 ГГц с использованием прецизионного спектрометра на основе синтезатора частоты на лампе обратной волны (ЛОВ) и высокодобротного резонатора.

  • газ-маркер
  • gas-marker
  • терагерцовый диапазон частот
  • нестационарная спектроскопия высокого разрешения
  • неинвазивная медицинская диагностика
  • выдыхаемый воздух
Abstract (in English)

One of the most prospective methods of non-invasive diagnostics is the exhaled breath analysis which can be used not only for detecting various diseases and prediction of organism response on concrete medical treatment, but also for monitoring of therapy efficiency. Based on the measuring of gas-markers concentration one can diagnose a number of serious diseases including gastrointestinal, oncological, neuropsychic and ENT diseases. Among the variety of methods of exhaled breath analysis the most prospective are the spectroscopic ones, and namely terahertz spectroscopy. The undoubted advantages of terahertz gas spectroscopy are the high sensitivity and resolution simultaneously. In the paper the results of exhaled breath spectroscopic investigations with using the THz spectrometers developed for non-invasive medical diagnostics of diabetes, pre-cancer states and oncological diseases of gastrointestinal tract, as well as for monitoring the efficiency of radiotherapy on dynamics of ТЩ concentration are presented. The fine structure of DNA spectrum in the frequency range of 300-375 GHz with using the high-precision spectrometer based on BWO frequency synthesizer and high quality resonator was studied.

Для цитирования

Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Собакинская Е.А., Черняева М.Б., Анфертьев В.А., Семенова А.В., Шатрова Ю.С. Нестандартная ТГц спектроскопия высокого разрешения для решения медико-биологических задач // Журнал радиоэлектроники. – 2014. – № 1.

Литература

  1. Linus Pauling, Arthur B. Robinson, Roy Teranishi, and Paul Cary, Quantitative Analysis of Urine Vapor and Breath by Gas-Liquid Partition Chromatography // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 68(10), p. 2374-2376 (1971).
  2. Степанов Е.В. Диодная лазерная спектроскопия и анализ молекул-биомаркеров // М.: Физматлит, 2009.
  3. Kage S., Kudo K., Ikeda N. Determination of nitrate in blood by gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry.// Journal of Chromatography - Biomedical Applications. 742(2), p. 363-368 (2000)
  4. Larstad M., Loh C., Ljungkvist G., Olin A.C., Toren K. Determination of ethane, pentane and isoprene in exhaled air using a multi-bed adsorbent and end-cut gas-solid chromatography // The Analyst. 127(11), p. 1440-1445 (2002)
  5. Michael Phillips, Kevin Gleeson, J Michael B Hughes, Joel Greenberg, Renee N Cataneo, Leigh Baker, W Patrick McVay, Volatile organic compounds in breath as markers of lung cancer: a cross-sectional study // The Lancet 353(9168), p. 1930-1933 (1999)
  6. Michael Phillips, Renee N Cataneo, Christobel Saunders, Peter Hope, Peter Schmitt and James Wai, Volatile biomarkers in the breath of women with breast cancer // J. Breath Res. 4(2) p.026003(1-8) (2010)
  7. Stetter J.R., Penrose William R., and Yao Sh. Sensors, Chemical Sensors, Electrochemical Sensors, and ECS // Journal of The Electrochemical Society. 150(2), p. S11-S16 (2003)
  8. Garcia-Campana A.M., Baeyens W.R.G. Chemiluminescence in analytical chemistry // Marcel Dekker, Inc, 2001.
  9. Pushkarsky M.B., Webber M.E., Patel C.K.N. Ultra-sensitive ambient ammonia detection using CO2-laser-based photoacoustic spectroscopy // Applied Physics B: Lasers and Optics. 77(4), p. 381-385 (2003)
  10. Yan W.-B. Trace gas analysis by diode laser cavity ring-down spectroscopy.// Test and Measurement Applications of Optoelectronic Devices, Proc. SPIE. 4648, p. 156-164 (2002)
  11. Vaks V.L., Brailovsky A.B., Khodos V.V. Millimeter Range Spectrometer with Phase Switching - Novel Method for Reaching of the Top Sensitivity // Infrared & Millimeter Waves. 20(5), p. 883-896 (1999)
  12. Vaks V.L., Khodos V.V., Spivak E.V. A nonstationary microwave spectrometer // Review of Scientific Instruments. 70(8), p. 3447-3453 (1999)
  13. Khodos V.V., Ryndyk D.A., Vaks V.L. Fast passage microwave molecular spectroscopy with frequency sweeping // Eur.Phys.J.Appl.Phys. 25, p. 203-208 (2004)
  14. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Никифоров С.Д., Собакинская Е.А., Черняева М.Б. Применение микроволновой нестационарной спектроскопии для неинвазивной медицинской диагностики // Известия Вузов. Радиофизика. 51(6), с. 490-498 (2008)
  15. V.L.Vaks, High-Precise Spectrometry of the Terahertz Frequency Range: The Methods, Approaches and Applications // Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. 33(1), p. 43-53 (2012)
  16. Gallagher J.J., Bedard F.D., Johnson C.M. Microwave spectrum of 14N16O // Physical Review. 93(4), p. 729-733 (1953).