Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2022, № 12 · BIOMEDICAL RADIO ELECTRONICS

A pulsed Fourier spectroscopy for analytical applications

V.L. Vaks1,2

1 IPM RAS, Nizhnii Novgorod, Russia
2 Lobachevsky University, Nizhnii Novgorod, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2022.12.3 UDC 535.343.4 EDN NLWCJM

Abstract

The review of pulsed Fourier spectroscopy methods including the pioneer works (Ekkers and Flygare etc.), and new trends in development of this approach with the nonstationary gas spectroscopy methods in particularly are presented in this work. In particular, such radiation sources as quantum-cascade lasers (QCLs) in the terahertz (THz) frequency range, which make it possible to implement the method of pulsed Fourier spectroscopy, are considered. The presented approach is promising for the development of non-invasive methods of medical diagnostics based on the metabolic analysis of exhaled air, the composition of biological fluids, including vapors and thermal decomposition products of biological fluids. Some examples of the application of non-stationary spectroscopic methods for the analysis of the composition of multicomponent gas mixtures of biological origin are presented.

  • pulsed Fourier spectroscopy
  • phase switching of the probing radiation
  • Fast frequency sweep
  • metabolites
Аннотация (на русском)

Импульсная Фурье-спектроскопия для аналитических приложений

В работе представлен обзор методов импульсной Фурье-спектроскопии, начиная с первых работ (Эккерса-Флайгера и др.), и различные направления развития этого подхода, в том числе методы газовой спектроскопии на нестационарных эффектах. В частности, рассмотрены такие источники излучения, как квантово-каскадные лазеры (ККЛ) терагерцевого (ТГц) частотного диапазона, позволяющие реализовать метод импульсной Фурье-спектроскопии. Представленный метод импульсной Фурье-спектроскопии перспективен для разработки неинвазивных методов медицинской диагностики на основе метаболического анализа выдыхаемого воздуха, состава биологических жидкостей, в том числе паров и продуктов термического разложения биологических жидкостей и тканей. В работе приведены некоторые примеры применения нестационарных спектроскопических методов для анализа состава многокомпонентных газовых смесей биологического происхождения.

For citation

Vaks V.L. A pulsed Fourier spectroscopy for analytical applications // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.3

References

  1. Ekkers J., Flygare W.H. Pulsed microwave Fourier transform spectrometer. Review of Scientific Instruments.1976. V.47. P.448. https://doi.org/10.1063/1.1134647
  2. Grabow J.U. Fourier Transform Microwave Spectroscopy Measurement and Instrumentation. Handbook of High resolution Spectroscopy. John Wiley & Sons, Ltd. 2011. https://doi.org/10.1002/9780470749593.hrs037
  3. Steber A.L., Harris B.J., Neill J.L., Pate B.H. An arbitrary waveform generator based chirped pulse Fourier transform spectrometer operating from 260 to 295 GHz. Journal of Molecular Spectroscopy. 2012. V.280. P.3-10. https://doi.org/10.1016/j.jms.2012.07.015
  4. Röben B., Lü X., Biermann K. et al. Terahertz quantum-cascade lasers for high-resolution spectroscopy of sharp absorption lines. Journal of Applied Physics. 2019. V.125. P.151613. https://doi.org/10.1063/1.5079701
  5. Williams B. Terahertz quantum-cascade lasers. Nature Photonics. 2007. V.1. P.517-525. https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.166
  6. Khalatpour A., Paulsen A.K., Deimert C., Wasilewski Z.R., and Hu Q. High-power portable terahertz laser systems. Nature Photonics. 2021. V.15. №1. P.16-20. https://doi.org/10.1038/s41566-020-00707-5
  7. Williams B.S., et al. Operation of terahertz quantum-cascade lasers at 164 K in pulsed mode and at 117 K in continuous-wave mode. Optics Express. 2005. V.13. P.3331-3339. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.003331
  8. Wienold M., Röben B., Lü X., et al. Frequency dependence of the maximum operating temperature for quantum-cascade lasers up to 5.4 THz. Applied Physics Letters. 2015. V.107. P.202101. https://doi.org/10.1063/1.4935942
  9. Mata S., Pena I., Cabezas C., Lopez J.C., Alonso J.L. A broadband Fourier-transform microwave spectrometer with laser ablation source: The rotational spectrum of nicotinic acid. Journal of Molecular Spectroscopy. 2012. V.280. P.91-96. https://doi.org/10.1016/j.jms.2012.08.004
  10. Taday P.F., Pepper M., Arnone D.D. Selected Applications of Terahertz Pulses in Medicine and Industry. Applied Sciences. 2022. V.12. P.6169. https://doi.org/10.3390/app12126169
  11. Шумейкер Р. Лазерная и когерентная спектроскопия. Под ред. Дж. Стейнфелда. Москва, Мир. 1982. 631 p.
  12. Вакс В.Л., Анфертьев В.А., Балакирев В.Ю., Басов С.А., Домрачева Е.Г., Иллюк А.В., Куприянов П.В., Приползин С.И., Черняева М.Б. Спектроскопия высокого разрешения терагерцевого частотного диапазона для аналитических приложений. Успехи физических наук. 2020. Т.190. С.765-776. https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.07.038613
  13. Вакс В.Л. Методы диагностики сред, основанные на высокоточных СВЧ измерениях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. ИФМРАН. Н.Новгород. 2003. 155 с.
  14. Вакс В.Л., Анфертьев В.А., Черняева М.Б., Домрачева Е.Г., Приползин С.И., Баранов А.Н., Тессье Р., Айзенштадт А.А., Гаврилова К.А. О продвижении метода нестационарной газовой спектроскопии, реализованного путем быстрого свипирования частоты, вверх по ТГц диапазону. Известия вузов. Радиофизика. (в печати).
  15. Kumar S., Hu Q., Reno J.L. 186 K operation of terahertz quantum-cascade lasers based on a diagonal design. Applied Physics Letters. 2009. V.94. №13. P.131105. https://doi.org/10.1063/1.3114418
  16. Pickett H.M., et al. Submillimeter, millimeter, and microwave spectral line catalog. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1998. V.60. №5. P.883-890. https://doi.org/10.1016/S0022-4073(98)00091-0
  17. Endres C.P., Schlemmer S., Schilke P., Stutzki J., Müller H.S.P. Journal of Molecular Spectroscopy. 2016. V.327. P.95-104. Date of access 10.10.2022. https://cdms.astro.uni-koeln.de/cgi-bin/cdmssearch
  18. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б., Анфертьев В.А., Айзенштадт А.А., Гаврилова К.А., Ларин Р.А. Применение метода терагерцовой газовой спектроскопии высокого разрешения для анализа состава продуктов термического разложения тканей кист околоносовых пазух. Оптический журнал. 2021. Т.88. №3.С.72-76. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000166
  19. Vaks V., Aizenshtadt A., Anfertev V., Chernyaeva M., Domracheva E., Gavrilova K., Larin R., Pripolzin S., Shakhova M. Analysis of the Thermal Decomposition Products of Pathological and Healthy Tissues in Paranasal Sinuses: A High-Resolution Terahertz Gas Spectroscopy Study. Applied Sciences. 2021. V.11. P.7562. https://doi.org/10.3390/app11167562
  20. Vaks V. et al. Application of THz Fast Frequency Sweep Spectrometer for Investigation of Chemical Composition of Blood. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves 2020. V.41. P.1114-1120. https://doi.org/10.1007/s10762-019-00656-3
  21. Lykina A.A., Anfertev V.A., Domracheva E.G., et al. Terahertz high-resolution spectroscopy of thermal decomposition gas products of diabetic and non-diabetic blood plasma and kidney tissue pellets. Journal of Biomedical Optics. 2021. V.26. №4. P.043008. https://doi.org/10.1117/1.JBO.26.4.043008
  22. Vaks V., Anfertev V., Chernyaeva M., Domracheva E., Yablokov A., Maslennikova A., Zhelesnyak A., Baranov A., Schevchenko Yu., Pereira M.F. Sensing nitriles with THz spectroscopy of urine vapours from cancers patients subject to chemotherapy. Scientific Reports. 2022. V.12. №1. P.1-11. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22783-z
  23. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б., Анфертьев В.А., Масленникова А.В., Железняк А.В., Князева Т.Д., Родионов М.А., Майоров А.И. Применение метода терагерцовой газовой спектроскопии высокого разрешения для анализа состава продуктов термического разложения биологических жидкостей (урины) человека. Оптический журнал. 2022. Т.89. №4. С.80-90. https://doi.org/10.17586/1023- 5086-2022-89-04-80-90