БИОФИЗИКА, 2019, том 64, № 6, с. 1071-1087

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

УДК 577.3

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ - НАПРАВЛЕНИЕ

В СОЗДАНИИ ЭФФЕКТИВНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ

И МЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Д.Б. Ставровский, Ю.П. Шаповалов, А.А. Карабиненко*, Ю.М. Петренко*

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38

*Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова Минздрава России,

117997, Москва, ул. Островитянова, 1

E-mail: Ponur1960@yandex.ru

Поступила в редакцию 29.03.2019 г.

После доработки 07.05.2019 г.

Принята к публикации 08.05.2019 г.

Представлены наиболее важные принципы диодной лазерной спектроскопии, на основе которых

могут создаваться принципиально новые измерительные системы для разнообразных биологиче-

ских и медицинских применений. В частности, методом диодной лазерной спектроскопии в его

первичной аппаратной реализации зарегистрировано испускание молекул газа, среди которых до-

минирует аммиак, с кожного покрова рук. С помощью другого специального измерительного ком-

плекса диодной лазерной спектроскопии определены свойства выдыхаемого воздуха пациентов с

разным состоянием их организма. Показано, что при изменении функционального состояния ор-

ганизма происходят опосредованные изменения газового состава молекулярных веществ, содержа-

щихся в выдыхаемом воздухе, а их количественное содержание существенным образом вариабельно

и индивидуализировано. Сделано заключение, что с помощью метода диодной лазерной спектро-

скопии можно изучать особенности функциональных свойств человеческого организма и по ним

оценивать его состояние для определения наличия или отсутствия в нем патологических процессов,

находящихся на различных стадиях их выраженности. Приводятся клинико-экспериментальные

данные на этот счет.

Ключевые слова: диодные лазеры, диодная лазерная спектроскопия, неинвазивная диагностика, газовые

биомаркеры.

DOI: 10.1134/S000630291906005X

уместно наше время определить как эпоху лазе-

Есть несколько принципиально важных пози-

ций, на основании которых были разработаны

ров. Становление этой эпохи произошло за срав-

методы диодной лазерной спектроскопии (ДЛС)

нительно короткий срок после важного события.

и которые привели к возможности создания ап-

За разработку нового принципа усиления и гене-

паратных измерительных систем. Из перечня по-

рации электромагнитных волн и создание моле-

зиций, обосновывающих метод ДЛС, самым важ-

кулярных генераторов и усилителей советским

ным является наличие диодных лазеров с опреде-

физикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову в 1959 г.

ленными частотными

характеристиками.

была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г.

Диапазон излучения диодных лазеров очень ши-

им и американскому физику Ч.Т. Таунсу была

рок - от ультрафиолетовой до далекой инфра-

присуждена уже Нобелевская премия по физике:

красной частотной области спектра. Надо отме-

«... for fundamental work in the field of quantum elec-

тить, что в настоящее время распространенность

в мире лазеров, и в большой мере полупроводни-

tronics, which has led to the construction of oscillators

ковых, приобрела такие масштабы, что уже

and amplifier based on the maser-laser principle».

Именно этот год может считаться годом рожде-

Сокращения: ДЛС - диодная лазерная спектроскопия, ния эпохи лазеров. Дальнейшее ее взросление и

ЖКТ - желудочно-кишечный тракт, ЯБоб - язвенная

становление шло по линии поиска эффективных

болезнь в фазе обострения, ЯБрем - язвенная болезнь в

технологий по их созданию. Значительной вехой

фазе ремиссии, ЧСС - частота сердечных сокращений.

1071

1072

ПОНУРОВСКИЙ и др.

на этом пути явились работы группы исследова-

ликованы в 1970 г. [6]. С этого момента можно от-

телей США, СССР, Канады и других стран.

считывать историю широкого применения диод-

ной лазерной спектроскопии. A.W. Mantz создал

Первая работа о возможности использования

в лаборатории Лос-Аламос (США) первый ком-

полупроводников для создания лазера была опуб-

мерческий ДЛС для определения спектра погло-

ликована в 1959 г. Н.Г. Басовым с коллегами [1].

щения UF6. Этот грант положил начало его ком-

В 1961 г. он же предложил использовать для на-

пании Laser Analytics, которая в течение многих

качки p-n-переходы [2]. Считается, что первый

лет доминировала в области разработки ДЛС-си-

полупроводниковый инжекционный лазер со-

стем для разных применений. Широкое распро-

здал Р. Холл в 1962 г. [3]. Отметим, что нобелев-

странение получили устройства с лазерными дио-

ская лекция Н.Г. Басова была посвящена полу-

дами применительно к космосу, космическим ис-

проводниковым лазерам [4]. Следующим важным

следованиям и к решению разных космических

шагом в развитии диодных лазеров было исполь-

задач. В частности, понять, что происходит с ат-

зование в них гетероструктур [5]. Это стало боль-

мосферой Земли в условиях глобального потепле-

шим достижением, так как позволило реализо-

ния и к чему это может привести, можно, изучая

вать их работу при комнатной температуре. До

атмосферу других планет солнечной системы и в

этого лазеры могли работать при температуре

первую очередь атмосферу Венеры. В этом на-

жидкого азота, а срок службы их был невелик и

правлении метод ДЛС представляется перспек-

никто не мог предсказать такое яркое сегодняш-

тивным для применения в целевых космических

нее будущее этим ненадежным тогда лазерам.

программах. Образно говорят, что человеческий

Первоначально такие лазеры назывались «по-

организм - это тоже космос, подчеркивая этим и

лупроводниковыми инжекционными». Впослед-

его сложность, и то, как он функционирует, а так-

ствии общепринятым стал термин «диодный ла-

же и трудности в его изучении, как и в случае с

зер» (diode laser), который мы здесь и используем.

космосом. Очевидно, что и перспективы метода

Для работы лазера нужны три компоненты: ак-

ДЛС для медицинских применений также весьма

тивная среда, накачка и резонатор. Доминирует

значительны. Большой вклад в разработку и раз-

сегодня способ накачки непосредственно элек-

витие метода ДЛС внесла группа исследователей

трическим током - инжекция.

Отдела диодной лазерной спектроскопии Инсти-

тута общей физики им. А.М. Прохорова РАН,

Нужно иметь в виду следующее. С физической

ставших лауреатами Государственной премии

точки зрения существует важная разница между

СССР в 1985 г. за цикл работ «Перестраиваемые

полупроводниковыми и другими типами лазеров,

лазеры на полупроводниках А_IVВ_VI и молекуляр-

в которых используются переходы между изоли-

ная спектроскопия высокого разрешения на их

рованными уровнями энергии отдельных атомов,

основе». Долгое время этот отдел института воз-

молекул, ионов, примесных центров. В полупро-

главлял нобелевский лауреат академик А.М. Про-

водниковом лазере используются переходы меж-

хоров, впоследствии его возглавил доктор физи-

ду разрешенными энергетическими зонами кри-

ко-математических наук, профессор А.И. Надеж-

сталла или переходы, осуществляемые непосред-

динский, выступающий в числе авторов данной

ственно в самой зоне проводимости. Поскольку в

статьи. А.И. Надеждинский был и в числе первых

полупроводниковом лазере возбуждаются и излу-

создателей ДЛС, применившим его для измере-

чают коллективно атомы, составляющие кри-

ния спектров поглощения молекул. Что касается

сталлическую решетку, сам лазер может обладать

практического применения области диодной ла-

очень малыми размерами. Следует подчеркнуть,

зерной спектроскопии, то в нашем понимании в

что существующие в настоящее время типы диод-

нее входят:

ных лазеров перекрывают огромный спектраль-

ный диапазон от ближнего ультрафиолетового до

- физика диодных лазеров применительно к

терагерцового диапазона, где располагаются по-

спектроскопическим исследовaниям;

лосы поглощения различных молекул, важных

- физика различных объектов, исследуемых

для спектроскопических целей. Это позволяет на

методом ДЛС;

единой аппаратной и методической основе обес-

- подсистемы ДЛС.

печить их детектирование, используя единые ап-

Можно отметить, что применение аппаратных

паратные и методические средства. Таким обра-

систем на полупроводниковых диодных лазерах

зом, регистрировать различные молекулы можно

набирает обороты, в том числе стали появляться

в разных спектральных диапазонах, используя

работы по медицине, в частности по исследова-

различные типы диодных лазеров. На основе ис-

нию газового состава выдыхаемого воздуха чело-

пользования таких лазеров и возник принципи-

века [7].

ально новый метод диодной лазерной спектро-

скопии с большими возможностями. Первые со-

Естественно, возникает и потребность в изло-

общения о спектрах высокого разрешения

жении принципов как собственно самих диодных

молекул с помощью диодных лазеров были опуб-

лазеров, так и направления - диодной лазерной

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1073

спектроскопии, создаваемой на их основе. Ясно,

личественными формулировками основных

что знание принципов, которые являются осно-

принципов квантовой механики и сыграли, осо-

вой ДЛС, способствует формированию каче-

бенно последняя, важную роль в ее развитии.

ственных аппаратных измерительных систем, на-

Вместе с тем нерелятивистская теория Шредин-

целенных на разные применения в медико-био-

гера во многих отношениях является упрощенной

логических исследованиях. Также известно, что

теорией, ибо основана на нескольких допущени-

знание принципов ДЛС есть необходимое усло-

ях. Во-первых, в ней не рассматриваются факты

вие для квалифицированного проведения иссле-

зарождения и исчезновения микрочастиц и счи-

дований с применением сложных и наукоемких

тается, что в любом физическом процессе число

измерительных систем. В связи с изложенным

микрочастиц данного типа остается постоянным.

целью работы явилось освещение наиболее важ-

Во-вторых, согласно этой теории, скорость дви-

ных вопросов, с акцентом на важность понима-

жения микрочастиц настолько мала, что стано-

ния того, как создаются и функционируют изме-

вится возможным считать их движение не реля-

рительные системы, реализующие принципы

тивистским. Эти допущения следует считать

диодной лазерной спектроскопии, а также про-

сильными, так как из опыта известно, что про-

анализировать новые экспериментальные дан-

цессы рождения и аннигиляции частиц действи-

ные, которые были получены при применении

тельно происходят, а настоящая фундаменталь-

разных приборных реализаций метода ДЛС.

ная теория должна базироваться на принципах

специальной теории относительности. Это сде-

ланное замечание относится к вопросу использо-

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

вания уравнения Шредингера и достоверности

И ДИОДНЫЕ ЛАЗЕРЫ,

данных, получаемых на его основе с учетом его

НА КОТОРЫХ ОНА БАЗИРУЕТСЯ

приближенного характера. Далее, уровень досто-

Имеются принципиально важные позиции,

верности при использовании этого уравнения за-

которые лежат в основе ДЛС - это наличие диод-

висит еще и от способа решения этого уравнения,

ных лазеров, многопроходной кюветы, фотоде-

т. е. от допускаемой при этом степени приблизи-

тектора инфракрасного диапазона, управляющие

тельности. Как уже было отмечено, из квантовой

и организующие системы как аппаратного, так и

механики известно, что для теоретического ис-

программного характера. Очевидно, что первой и

следования любой системы частиц и, в частности,

главной позицией в этом комплексе являются ди-

для вычисления возможных значений ее энергии

одные лазеры.

надо решить соответствующее дифференциаль-

ное уравнение Шредингера в частных производ-

О полупроводниковых диодных лазерах и их

ных. Оно содержит столько переменных, сколько

принципах. Вначале необходимо обсудить один

степеней свободы имеет рассматриваемая систе-

важный вопрос достоверности тех исходных тео-

ма. Для полупроводника все электроны и атом-

ретических представлений, которые послужили

ные ядра, входящие в его состав, определяют и

основой и путеводной нитью при создании полу-

его число степеней свободы, а значит, и число пе-

проводниковых диодных лазеров. Для этого сле-

ременных этого уравнения, которое достигает

дует вспомнить важный момент, относящийся к

значений порядка десяти в двадцать третьей сте-

зонной теории полупроводников, широко ис-

пени. Поэтому решают его только приблизитель-

пользуемой для объяснений принципов действия

но, принимая во внимание только наиболее ха-

диодных лазеров и создаваемых на их основе из-

рактерные черты такой сложной системы и

мерительных систем диодной лазерной спектро-

абстрагируясь от сравнительно менее существен-

скопии. При этом понимание принципов работы

ных деталей.

диодных лазеров во многом базируется именно на

понимании зонной теории полупроводников.

По числу и виду принятых упрощений так на-

Прогресс с развитием технологий в совершен-

зываемая зонная теория представляет собой ре-

ствовании диодных лазеров в плане сознательно-

шение самой простой квантово-механической за-

го изменения их свойств в нужном направлении,

дачи, которая базируется на ряде основных

а также и в создании таковых на новых принци-

приближений, известных как «зонное приближе-

пах получены благодаря этой теории. Хотя зонная

ние». Первое упрощение касается ядер. Так как

теория и оказалась столь полезной, надо, однако,

они обладают большой массой по сравнению с

отметить, что она сильно упрощена. Условно го-

электронами, то их принимают за неподвижные

воря, это некое приближение к истинной кванто-

источники электрического поля, действующего

вой теории. В этом можно убедиться, обратив-

на электроны. Второе упрощение касается распо-

шись к ее истокам и вспомнив важный момент,

ложения ядер в пространстве: оно считается стро-

относящийся к зонной теории полупроводников.

го упорядоченным, периодическим, ядра распо-

Как известно, матричная механика Гейзенбер-

лагаются точно в узлах идеальной кристалличе-

га и, в большей мере, теория Шредингера с его

ской решетки материала. Третье упрощение

знаменитыми уравнениями явились первыми ко-

заключается в том, что взаимодействие электро-

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1074

ПОНУРОВСКИЙ и др.

{-h²/2m∇²ψ(r) + U(r)ψ(r)} = Eψ(r).

Из решения соответствующей квантово-меха-

нической задачи на основе уравнения Шрединге-

ра вытекает зонная энергетическая структура, со-

стоящая из одной неразрешенной зоны и двух

разрешенных зон, т.е. структура, свойственная

полупроводникам. Появление такой зонной

энергетической структуры обусловлено характе-

ром электрического силового поля в полупровод-

нике, которое действует на его электроны и имеет

некоторую определенную пространственную пе-

Рис. 1. Вид энергетических диаграмм, получаемых из

решения уравнения Шредингера для задачи движения

риодичность. Именно представления о характере

электрона в периодическом потенциальном силовом

зонной структуры энергетического спектра полу-

поле для двух разных полупроводников, слева с широ-

проводников в зависимости от их состава,

кой запрещенной зоной, справа с узкой (индексы 1 и 2

относятся соответственно к левой и правой частям ри-

свойств и структуры явились той основой, на ко-

сунка).

торой развились идеи и технологии, приведшие к

созданию лазеров и их широкой распространен-

ности в мире. Значения энергий, находящиеся в

нов и ядер друг с другом заменяется некоторым

запрещенной зоне, не относятся к собственным

эффективным внешним полем, т. е. электроны,

значениям гамильтониана, т.е. в отсутствие

взаимодействующие по закону Кулона с ядрами и

внешних полей электрон в идеальном кристалле

друг с другом, заменяются системой независимых

такой энергией обладать не может. В силу этого и

электронов, движущихся в некотором определен-

стало употребительным название «запрещенная

ном поле, которое складывается из поля ядер и

зона». Представляется удивительным как при не-

эффективного поля, приближенно описывающе-

точности самого уравнения Шредингера и силь-

го взаимодействие между электронами. В следую-

ных упрощениях, сделанных, чтобы его можно

щем упрощении многоэлектронная задача сво-

было как-то решить, а также приблизительности,

дится к одноэлектронной. Хотя для этих упроще-

используемой уже в процессе его решения, полу-

ний имеются определенные обоснования, тем не

чается нечто достоверное и чрезвычайно полез-

менее, они остаются допущениями.

ное. Это нечто есть энергетическая зонная диа-

грамма, представленная на рис. 1, которая и явля-

Итак, квантово-механическая задача о систе-

ется результатом решения отмеченной квантово-

ме электронов сводится к задаче об одном элек-

механической задачи. Левая часть на этом рисун-

троне, движущемся во внешнем электрическом

ке относится к полупроводникам, имеющих ши-

потенциальном поле U(r), где r(x,y,z) - радиус-

рокую запрещенную зону, а правая часть - к по-

вектор данной точки пространства. Явный вид

лупроводникам с узкой запрещенной зоной, На

функции, описывающей это поле, не известен,

рисунке стрелками с соответствующими обозна-

что не позволяет прямо решать уравнение Шре-

чениями отмечены важные характеристические

дингера. Однако некоторые простые суждения по

параметры, отражающие свойства разных полу-

ее поводу можно сделать априорно. Следует вна-

проводников.

чале заметить, что вся рассматриваемая система

зарядов в кристаллическом полупроводнике в це-

Из рис. 1 видно, что возможные энергии элек-

лом нейтральна, т. е. общее число зарядов валент-

тронов в периодическом силовом поле распреде-

ных электронов по величине равно и противопо-

ляются только зонально, по двум раздельным раз-

ложно по знаку заряду всех атомных остовов. По-

решенным зонам, одна выше Е_с1 слева и Е_с2спра-

этому есть основания полагать, что не только

ва, другая ниже Еν1 слева и Еν2 справа,

остовы, но и электроны будут располагаться в

соответственно для левой и правой частей рисун-

пространстве полупроводника периодически.

ка. Между ними существует еще одна запрещен-

Следовательно, поле, создаваемое данной систе-

ная энергетическая зона (между Е_с и Е_v), обладать

мой зарядов, должно быть периодично в про-

энергией из которой электрон вообще не может.

странстве U(r) = U(r + а_n), т. е. потенциальная

Е_g1 и Е_g2 - ширина запрещенной зоны, χ₁ и χ₂ -

энергия электрона в кристалле инвариантна от-

электронное сродство, φ₁ и φ₂ - это работа выхо-

носительно сдвига на вектор кристаллической

да, Φ₁ и Φ₂- уровень Ферми или электрохимиче-

решетки а_n. Таким образом, представляется, что

ский потенциал, который можно рассматривать

это задача о движении электрона в периодиче-

как некую характерную энергию, зависящую от

ском поле. Стационарные состояния электрона в

типа полупроводника, его состава и состояний.

такой задаче уже можно определить на основе ре-

Верхняя разрешенная зона высоких энергий

шения известного стационарного уравнения

определяется как зона проводимости, а самая

Шредингера следующего вида:

нижняя разрешенная зона низких энергий опре-

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1075

деляется как валентная зона, а между разрешен-

ными зонами располагается запрещенная зона

или зона запрещенных энергий. На рис. 1 пред-

ставлена именно такая зонная структура энергий

электрона, движущегося в периодическом сило-

вом поле в идеальной кристаллической решетке

для двух разных полупроводников. Энергетиче-

ское расстояние между нижней границей зоны

проводимости (Е_с) и верхней границей валентной

зоны Е_ν соответственно для левой и правой ча-

стей рис. 1, определяет ширину запрещенной зо-

ны. Здесь необходимо заметить, что в понимании

зонной структуры полупроводников важная роль

принадлежит понятию зоны Бриллюэна, но это

уже специальный вопрос вне нашей статьи. По-

лученный результат о зонной энергетической

Рис. 2. Пример межзонного перехода с излучением

структуре, свойственной полупроводникам,

фотона (переход 2-3).

представляется удивительным: во-первых, как

при таком приблизительном теоретическом со-

провождении эмпирики смогли им руководство-

E'(K') = E(K) + ΔE;

ваться и на его основе и следующих из него разно-

hK' = hK + Δp.

образных идей достичь таких ошеломляющих ре-

зультатов по созданию полупроводниковых

Эти соотношения означают, что отведена

диодных лазеров с рекордными характеристиче-

освобождающаяся энергия ΔE и обеспечено из-

скими параметрами и как были угаданы пути их

менение квазиимпульса, определяемого закона-

дальнейшего совершенствования. Электроны из

ми сохранения. Процессы, обеспечивающие вы-

зоны проводимости могут взаимодействовать с

полнение законов сохранения, могут быть раз-

дырками валентной зоны, и этот процесс связы-

личны. При испускании кванта излучения -

вания электронов с дырками, т.е. процесс их ре-

фотона с определенной частотой ν будет иметь

комбинации, является чрезвычайно важным, так

место следующее:

как он может сопровождаться электромагнитным

ΔE = hν и |Δр| = hν/c.

излучением и поэтому заслуживает здесь более

предметного рассмотрения. Как осуществляется

Этот случай определяется как излучательная

переход электронов с зоны проводимости в ва-

рекомбинация. С учетом последнего законы со-

лентную зону и осуществляется там их рекомби-

хранения энергии и квазиимпульса электрона

нация с излучением, схематично можно понять

при прямом переходе «зона - зона» выступают

из рис. 2. Но вначале, говоря о рекомбинации во-

как законы резонансной излучательной рекомби-

обще и рекомбинации, сопровождающейся элек-

нации и имеют следующий вид:

тромагнитным излучением, необходимо отме-

E'(K') = E(K) + hν,

тить следующее. Во-первых, процессы рекомби-

нации можно разделить на две группы, прямую

hK' = hK + hν/c.

рекомбинацию «зона - зона» и рекомбинацию с

Избыточная энергия и квазиимпульс в самом

участием примесей и дефектов. В первом случае

простом случае могут быть переданы колебаниям

свободный электрон из зоны проводимости ре-

решетки. Наиболее простым и наглядным спосо-

комбинирует со свободной дыркой в валентной

бом можно представить тот факт, что энергия ко-

зоне в одном элементарном акте. Во втором слу-

леблющейся решетки может изменяться только

чае свободные электроны рекомбинируют со свя-

порциями, используя для этого понятие кванта -

занными дырками на примесях или дефектах, а

hν_ф. Такие кванты энергии называются фононами.

свободные дырки - со связанными электронами.

Представление о фононах было введено

При прямой рекомбинации «зона - зона» при пе-

И.Е. Таммом [8]. Если фотоны не участвуют в об-

реходе электрона из зоны проводимости в валент-

мене энергией и квазиимпульсом, такие рекомби-

ную зону всегда должны выполняться законы со-

нации называются безизлучательными. Возможны

хранения энергии и квазиимпульса. Если E' и

также процессы, когда энергия и квазиимпульс,

K' - энергия и квазиволновой вектор электрона в

освобождаемые при рекомбинации, передаются

начальном состоянии в зоне проводимости, а E и

третьей свободной частице, электрону (в элек-

K - их значения в конечном состоянии в валент-

тронных полупроводниках) или дырке (в

ной зоне, то должны выполняться следующие со-

дырочных полупроводниках), такие процессы на-

отношения:

зываются ударной рекомбинацией или Оже-ре-

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1076

ПОНУРОВСКИЙ и др.

комбинацией. Вероятность различных типов ре-

На рис. 2 приведен пример зонной диаграммы

комбинаций зависит от энергетической структуры

квантово-размерной гетероструктуры. В ней ши-

кристалла, а также от концентрации электронов и

рина запрещенной зоны зависит от состава твер-

дырок. При этом процессы разного типа могут со-

дого раствора. Приведены положения и переходы

существовать. Темп или скорость прямой реком-

электрона в гетероструктуре. Еще раз отметим,

бинации «зона - зона» пропорционален произве-

что в квантово-размерной гетероструктуре энер-

дению концентраций электронов и дырок, т. е.

гия электронов квантуется, как показано пункти-

подчиняется тому же закону, что и скорость бимо-

ром на рис. 2. Условно показано движение элек-

лекулярных химических реакций. Коэффициент

трона в зоне проводимости до рекомбинации (1-

пропорциональности по определению есть коэф-

2), в процессе рекомбинации (2-3) и в валентной

фициент рекомбинации. Излучательные процессы

зоне (3-4). Переход электрона 2-3 сопровожда-

рекомбинации, происходящие с участием акусти-

ется высвечиванием кванта света. Первый кван-

ческих колебаний решетки, могут происходить как

товый каскадный лазер был изобретен и проде-

с поглощением, так и с испусканием фононов. Для

монстрирован в Bell Labs (США) в 1994 г. [10]. За

однофононных процессов обозначим частоту фо-

последующие годы подобные лазеры прошли

нона как ν_ф, а квазиволновой вектор как q. Тогда

большой путь развития и совершенствования, их

законы сохранения энергии и квазиимпульса при

распространенность достигла больших высот. В

междузонных переходах с поглощением или ис-

них за счет специальной вариабельной конфигу-

пусканием фотона и фонона (ν_ф) примут следую-

рации границы между зоной проводимости и за-

щий вид:

прещенной зоной создаются условия для возмож-

ных излучательных переходов внутри зоны про-

E_c(p') = E_ν(p) + hν + hν_ф;

водимости. В своей работе 2002 г. известный

создатель этого типа лазеров J. Faist обозначил

p' = p + hq.

пройденный путь их развития от простых форм к

сложным [11]. В этой же работе он выступил с

В законах резонансного излучения фотона с

важным утверждением:

«Квантово-каскадный

участием фононов плюс относится к случаю ис-

лазер является одним из лучших примеров кван-

пускания фонона, а минус, естественно, к его по-

тового устройства, в котором фундаментальные

глощению. Указанные выше условия резонанс-

свойства, такие как длина волны излучения, яв-

ных междузонных переходов остаются справед-

ляются не внутренним свойством полупроводни-

ливыми и для случаев внутризонных переходов,

ка, а результатом дизайна эпитаксиальных сло-

только надо иметь в виду, что вместо значений

ев». Это означает, что дизайн стал определяющим

энергии E_c и E_ν должны использоваться значения

фактором в деле создания квантово-каскадных

энергий, характеризующих исходное состояние

лазеров, приоритет признается за дизайном, а не

энергии и конечное, куда был осуществлен пере-

за фундаментальными свойствами самих полу-

ход, аналогичное предположение верно и для

проводников.

квазиимпульса.

На рис. 3 схематически показаны случаи, ко-

Квантово-размерные структуры, пример зонной

гда активный регион, в котором происходит излу-

диаграммы квантово-размерной гетероструктуры.

чение, базируется на одной квантовой яме, на

Ширина запрещенной зоны зависит от состава

двух квантовых ямах и на трех. В общих чертах

твердого раствора. В квантово-размерной гетеро-

смысл процесса излучения в квантовых ямах из

структуре энергия электронов квантуется. Ис-

рисунка представляется вполне понятным. Для

пользуя современные технологии, можно созда-

большей детализации и уточнений можно обра-

вать гетероструктуры с любым наперед заданным

титься к первоисточникам: по вопросам одной

набором свойств. В работе Ж.И. Алферова «Исто-

квантовой ямы к работе [12], двух квантовых ям -

рия и будущее полупроводниковых гетерострук-

к работе [13] и трех - к работе [14].

тур» в отношении полупроводниковых лазеров

подробно изложены вопросы гетероструктур, их

Как было отмечено в работе [11], современный

истории и будущего [9]. Необходимо заметить,

подход к созданию полупроводниковых лазеров -

что его прогноз в отношении будущего полупро-

это дизайн. Пример схем излучательных монозон-

водниковых гетероструктур вполне оправдался.

ных переходов представлен на рис. 4, на котором

Современные квантово-каскадные лазеры, прин-

приведена энергетическая диаграмма по дизайну,

цип действия которых тоже основан на полупро-

предложенному в работе [15] для полупроводнико-

водниковых гетероструктурах, стали целым науч-

вого квантово-каскадного лазера с длиной волны

но-технологическим направлением, быстро раз-

излучения 7,5 мкм.

вивающимся во всем мире. Это направление

относится к созданию лазеров на основе специ-

У лазера с распределенной обратной оптиче-

ального набора гетеропереходов, повторяемых

ской связью на верхней поверхности имеется ре-

покаскадно большое число раз.

шетка для выбора режима генерации.

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1077

Рис. 3. Схематическое представление различных активных регионов, описанных в литературе, состоящих из одной кван-

товой ямы (1QW), двух квантовых ям (2QW), трех квантовых ям (3QW).

В целом можно обозначить основные черты,

рьерных ямах электрон может переходить с более

определяющие и характеризующие дизайн, и они

высокого уровня энергий на более низкий уро-

таковы. Чередующаяся последовательность ям и

вень, при этом разностная энергия может быть

барьеров следуют в направлении, перпендику-

излучена в виде фотона. Чередование ям и барье-

лярном плоскостям слоев, а направление распро-

ров конструируется так, чтобы создавались спе-

странения генерируемого лазером излучения на-

циальные функциональные регионы для эффек-

правлено параллельно этим слоям. Таким обра-

тивного процесса такого излучения фотонов. Об-

зом, дизайн - это чередование ям и барьеров,

щий дизайн определяется дизайном инжектора и

отличающихся по толщине. В зоне проводимости

дизайном активного региона (см. рис. 2). Все ямы

полупроводников, как известно, имеет место

и все барьеры по величине имеют одну и ту же со-

сплошной спектр энергий, т. е. электрон может в

ответственно глубину и высоту. Ширина ям и ба-

ней иметь практически любую энергию. Однако в

рьеров определяется толщиной слоев соответ-

этой зоне в слое чередующихся барьеров и ям си-

ствующего полупроводникового материала, для

туация другая. В ямах зоны проводимости созда-

ям это AlInAs, а для барьеров - GaInAs. Создание

ются условия, при которых электрон в них может

многослойной и покаскадной структуры стало

иметь только дискретные значения энергий, за-

возможным благодаря развитию планарно-эпи-

висящие от глубины ям, их толщины и характери-

таксиальных технологий. Таким образом, при со-

стик соседствующих с ними барьеров. В междуба-

здании лазеров возможно большое разнообразие

Рис. 4. (а) - Энергетическая диаграмма квантового каскадного лазера, излучающего при k = 7,5 лм. Каждая ступень

(инжектор плюс активная область) имеет толщину 55 нм. Показаны уровни энергии и соответствующие распределения

вероятностей, полученные из решения уравнения Шредингера. Энергетические ямы и барьеры изготовлены из сплавов

AlInAs и GaInAs соответственно. (б) - Изображение части структуры в просвечивающем электронном микроскопе.

Белые и черные контрастные области представляют ямы и барьеры соответственно.

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1078

ПОНУРОВСКИЙ и др.

дизайнов, определяющих свойства их излучений.

включениями и выключениями генерации их из-

В результате на рынке сейчас представлены в

лучения в автоматизированном режиме по ходу

большом разнообразии полупроводниковые ди-

проведения спектроскопических исследований.

одные лазеры, отличающиеся по типам и по раз-

В работе [15] в предельно упрощенном виде пред-

личным характеристикам (длинам волн, мощно-

ставлен диодный лазерный спектрометр, поэтому

сти и другим). Комбинируя их, можно скомпоно-

на рис. 5 приводится более функциональная схе-

вать различные измерительные системы для

ма, объясняющая принцип его действия.

разных сфер предназначения.

В верхней части рис. 5 представлены основы

О диодной лазерной спектроскопии. Любая изо-

диодной лазерной спектроскопии с изображени-

лированная газовая молекула обладает свойством

ем многопроходной кюветы [16], являющейся не-

поглощать или излучать электромагнитные вол-

обходимым атрибутом высокоточной диодной

ны, причем со своим особенным спектром погло-

лазерной спектроскопии, а ниже - принцип из-

щения или соответственно излучения. Все эти

мерения газовой компоненты атмосферной про-

спектры лежат в инфракрасном диапазоне. По

бы [17-19]. F₀ и F₁ - интенсивности излучения от

поводу таких свойств газовых молекул могут быть

диодного лазера и на выходе многопроходной

следующие объяснения. Атомы в составе молекул

кюветы с исследуемым газом. При создании со-

находятся в постоянном движении, зависящем от

временных аппаратных измерительных комплек-

температуры. Колебательные и вращательные

сов на основе метода ДЛС существуют некоторые

движения молекул собственно и приводят к появ-

принципы, следуя которым их создатели добива-

лению полос поглощения (спектров) в инфра-

ются и высокой чувствительности, и высокой

красной области. Понимание природы их появ-

точности в определении супернизкого содержа-

ления легко объясняется с позиций гармониче-

ния газовых молекул в разных объектах. При ап-

ского осциллятора. Теория гармонического

паратной реализации метода ДЛС одним из них,

осциллятора имеет в физике весьма большое зна-

имеющим важное значение, является принцип

чение, потому что уравнения движения многих

временного периодического накопления полез-

непохожих физических систем формально экви-

ного сигнала над шумами. Критериальной осно-

валентны уравнениям движения системы гармо-

вой для оценки эффективности этого процесса

нических осцилляторов, очень слабо взаимодей-

является вычисление дисперсии Аллана, опреде-

ствующих друг с другом. В первом приближении,

ляющей зависимость измеренной концентрации

когда взаимодействием между осцилляторами

газа (ее погрешности) от времени усреднения

можно пренебречь, квантовая теория таких си-

[20]. Необходимость применения при этом мно-

стем математически эквивалентна весьма про-

гопроходной кюветы также должна рассматри-

стой теории для системы совершенно независи-

ваться как еще один важный принцип [21,22].

мых гармонических осцилляторов. Последняя

система допускает весьма простой анализ, так как

каждый осциллятор ведет себя так, как будто

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

остальные осцилляторы отсутствуют. Очевидно,

Инструментальные (приборные) средства изме-

что если мы можем описать поведение одного из

рений. На рис. 5 была представлена общая схема

них, мы можем описать и поведение любого их

измерительных устройств, построенных на прин-

числа. Отметим также, что все молекулы имеют

ципах ДЛС. По этому принципу были созданы

колебательные степени свободы, свойства кото-

аппаратные средства, использующие многоходо-

рых с хорошим приближением описываются тео-

вые кюветы разного типа (кюветы Чернина и Эр-

рией гармонического осциллятора. Выражаясь с

риота), позволяющие в клинических условиях

большой общностью, можно сказать, что теория

определять содержание NH₃ и H₂O в потовых ис-

гармонического осциллятора применима к систе-

парениях с кожных покровов ладонной поверх-

мам, которые удовлетворяют линейным или при-

ности рук [23]. Подобным образом измерялось

ближенно линейным уравнениям движения.

содержание разнообразных метаболитов в порци-

Идеал спектроскопии: узкая частотная линия из-

ях выдыхаемого воздуха у пациентов с различны-

лучения, перестраиваемая в широкой области

ми патологическими процессами в организме на

спектра. В наибольшей степени ей по критерию

разных их стадиях развития. Выдыхаемый воздух

монохроматичности удовлетворяет излучение,

помещался путем выдоха порций воздуха пациен-

генерируемое именно диодными лазерами, опре-

том в специальную емкость с запорным устрой-

делившими новое направление в спектроскопии,

ством. Газовый состав порций выдыхаемого воз-

получившее название диодная лазерная спектро-

духа (¹²СО₂, ¹³СО₂, СH₄, NH₃, H₂S) определяли

скопия. Что касается широкого диапазона пере-

стройки частоты излучения, то и здесь проблемы

на опытно-конструкторской разработке много-

нет: большая область частотной перестройки до-

компонентного диодно-лазерного спектрометра,

стигается путем использования линейки различ-

выполненной в ИОФ РАН им. А.М. Прохорова. В

ных диодных лазеров и последовательными

установке были использованы перестраиваемые

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1079

Рис. 5. Схематическое представление принципа действия диодного лазерного спектрометра.

диодные лазеры, работающие в ближнем инфра-

и применялся для определения газовых метабо-

красном диапазоне и обладающие высокой сте-

литов выдыхаемого воздуха с использованием

многоходовой кюветы Эрриота («закрытого ти-

пенью монохроматичности (Δν/ν ~ 10^-7). За счет

па») [25].

накачки током диодного лазера импульсом с дли-

тельностью 1-5 мс происходит сканирование из-

Клинический материал (пациенты и участники

лучения по частоте. Это позволяет прописать по-

исследования). В терапевтических отделениях

лосу поглощения молекул. В этом диапазоне рас-

ГКБ им. В.М. Буянова были обследованы 98 па-

полагаются молекулярные полосы поглощения,

циентов (добровольцев, давших информирован-

образуемые составными колебаниями и оберто-

ное согласие) в возрасте от 19 до 78 лет (мужчин -

59, женщин - 39), проходящих курс лечения с

нами основных молекулярных переходов (табли-

ца).

различной патологией внутренних органов, нахо-

дящихся в удовлетворительном состоянии и без

На рис. 6 представлен внешний вид и конфи-

признаков декомпенсации хронических заболе-

гурация измерительного комплекса для опреде-

ваний. Были исследованы порции выдыхаемого

ления аммиака и паров воды в испарениях с ладо-

воздуха у

18 практически здоровых доноров

ней рук. Другого типа измерительный комплекс,

(9 мужчин и 9 женщин в возрасте от 18 до 30 лет);

основанный на принципах ДЛС, был разработан

у 27 пациентов (15 мужчин и 12 женщин в воз-

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1080

ПОНУРОВСКИЙ и др.

Идентификация спектральных линий на основе данных из базы HITRAN-2012 [24]

Молекула

¹²CO₂

¹³CO₂

H₂S

CH₄

*NH₃

H₂O

*NH₃

ν, см^-1

6233,1829

6233,7708

6233,9633

6057,0996

6612,6725

6612,0341

6612,7258

Примечание. ν - Волновое число перехода; *NH₃ - мультиплетная структура, представлены сильные линии мультиплета.

расте от 24 до 53 лет) с язвенной болезнью в фазе

лись параметры СО₂, СН₄, NH₃, ЧСС, частота

обострения (ЯБоб) без учета локализации, но с

дыхательных движений, пульсоксиметрический

доказанной инвазией H. pylori в гастробиоптатах;

показатель насыщения тканей кислородом

у 31 пациента (21 мужчин и 10 женщин в возрасте

(SpO₂), глюкоза крови. На начальном этапе экс-

от 28 до 78 лет) с язвенной болезнью в фазе ремис-

перимента были проведены исследования одно-

сии (ЯБрем), с постъязвенными рубцовыми из-

кратных проб выдыхаемого воздуха у 70 человек

менениями и симптомами гастродуоденита; у

(37 мужчин и 33 женщин) в возрасте от 18 до 78 лет

25 пациентов (16 мужчин и 9 женщин в возрасте

с различной патологией внутренних органов, на-

от 35 до 62 лет) с субкомпенсированным цирро-

ходящихся в фазе ремиссии заболеваний и адап-

зом печени класса В и С по Чайлд-Пью. Исследо-

тированного покоя обследуемых.

вания проб выдыхаемого воздуха проводили

при различных функциональных состояниях па-

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

циентов - в покое (натощак), при щадящей фи-

КЛИНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

зической нагрузке в виде приседаний до достиже-

ДИОДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

ния частоты сердечных сокращений (ЧСС) 140

уд/мин. (по международному протоколу про-

Как отмечалось, целью исследований было

ведения щадящей физической нагрузки PVC₁₇₀),

определение диагностического потенциала мето-

да диодной лазерной спектроскопии путем изме-

в периоде восстановления, а также при пищевой

рения газообразных метаболитов для клиниче-

нагрузке, состоящей из стандартной смеси ами-

ских целей применительно к различным функци-

нокислот, входящих в состав зондового питания

ональным состояниям человека.

больных, и нагрузке карбамидом. Одновременно

фиксировали показатели пульсоксиметрии

На начальном этапе была проведена оценка

(SpO₂, ЧСС), величину артериального давления,

выделения аммиака и паров воды в потовых испа-

рениях с ладоней рук. На рис. 7 представлена кар-

частоту дыхательных движений, содержание глю-

тина изменения содержания аммиака в потовых

козы в крови. Воздействие нагрузочных факторов

испарениях в зависимости от капиллярного кро-

существенно изменяло содержание состава био-

вообращения после обработки рук водно-мыль-

маркеров выдыхаемого воздуха. Наиболее суще-

ным раствором.

ственно и закономерно на пике нагрузки по отно-

На рис. 7б представлены типовые кривые со-

шению к исходным показателям в покое изменя-

держания водяного пара трех последовательных

измерений со снятием и наложением рук на изме-

рительное окно прибора. Характерным для этих

данных является более высокий уровень содержа-

ния паров воды на втором измерении. По оси абс-

цисс одно деление соответствует одной минуте.

По оси ординат содержание аммиака (нбар) и па-

ров воды (мбар). На рис. 7а до обработки их вод-

но-мыльным раствором (А) и после него (B) циф-

рами 1, 2, 3 и 4 обозначены моменты наложения и

снятия рук с измерительных окон: 1, 3 - исходные

моменты начала измерения содержания аммиака

в потовых испарениях с ладоней рук; 2, 4 - мо-

менты снятия ладоней рук с измерительных окон.

Как видно из приведенных данных, содержание

испаряемого аммиака существенно ниже, чем со-

Рис. 6. Внешний вид экспериментальной установки по

держание паров воды, которое существенно зави-

измерению содержания аммиака в потовых испарени-

сит от нейровегетативной функции микрососу-

ях с ладоней рук, созданной на основе принципов

дов, влияющих на транскапиллярный обмен. В

ДЛС. На фото в верхней части прибора расположены

измерительные окна для взятия проб испарений с ла-

случаях повреждения азотовыделительной функ-

доней рук.

ции почек содержание выделяющегося аммиака

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1081

Рис. 7. Регистрируемое содержание аммиака (а) и паров воды (б) в потовых испарениях с ладоней рук.

существенно увеличивается, что может служить

СО₂ в выдыхаемом воздухе составляет 14675 ppm,

дополнительным признаком нарушения азото-

а СН₄ - 0,67 ppm. При этом отмечалось десяти-

выделительного обмена. Нижние уровни реги-

кратное увеличение содержания СН₄ у практиче-

стрируемого аммиака и паров воды соответству-

ски здоровых лиц, что, возможно, было связано с

ют уровню их содержания в окружающей среде

повышенной массой тела и преимущественным

(базисные уровни).

мясным питанием, которое способствует образо-

ванию метана в кишечнике. Вместе с тем обнару-

Анализ газовых метаболитов выдыхаемого воз-

живается ряд особенностей в содержании отдель-

духа. Анализ газовых метаболитов выдыхаемого

ных регистрируемых в выдыхаемом воздухе ве-

воздуха осуществляли на другом типе аппаратной

ществ, связанных, вероятно, с наличием той или

реализации метода ДЛС, чем в случае с регистра-

иной патологии. Далее будут описаны эти осо-

цией испускания газовых молекул с кожи рук.

бенности, обусловленные патологическими про-

На начальном этапе работы были проведены

цессами в организме пациентов.

исследования однократных проб выдыхаемого

Следует отметить, что значительное увеличе-

воздуха у 80 человек (37 мужчин и 43 женщин) в

ние содержания метана в выдыхаемом воздухе на-

возрасте от 18 до 78 лет с различной патологией

блюдалось у трех пациентов с хронической болез-

внутренних органов, находящихся в фазе ремис-

нью почек второй-третьей степени вследствие

сии различных заболеваний внутренних органов

снижения их детоксикационной функции, у трех

и адаптированного покоя обследуемых. Были по-

пациентов с гипертонической болезнью третьей

лучены данные по содержанию углекислого газа

степени, высоким риском и явлениями нефро-

(СО₂) и метана (СН₄) в выдыхаемом воздухе (см.

склероза, а также у пяти пациентов при неполном

рис. 8). Из рис. 8 видно, что среднее содержание

разрешении полисегментарной пневмонии. Зна-

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1082

ПОНУРОВСКИЙ и др.

Рис. 8. Реальное распределение молекулярного состава углекислого газа и метана в однократно взятых пробах

выдыхаемого воздуха у 80 пациентов-добровольцев в состоянии комфортного покоя.

чимое снижение (в пять-десять раз) содержания

–CO-NH

⎯⎯⎯⎯→2NH

–CO

Уреаза

СО₂ в пробах выдыхаемого воздуха наблюдалось у

одиннадцати курящих пациентов со стихающим

Стандартное время проведения такого уреаз-

обострением хронического обструктивного брон-

ного дыхательного теста, проводимого общепри-

хита, что, вероятно, было связано с состоянием

нятым электрохимическим способом, составляет

бронхообструкции и замещением молекул СО₂ на

девять минут с момента перорального приема

карбамида, т.е. контролируется концентрация

молекулы СО у курящих пациентов в выдыхае-

NH₃ в выдыхаемом воздухе в конце девятой ми-

мом воздухе. У восемнадцати пациентов-добро-

нуты исследования. При этом при проведении

вольцев было проведено исследование проб вы-

дыхаемого воздуха при принудительном измене-

этого теста контроль уровня СО₂ в выдыхаемом

нии функционального состояния организма,

воздухе не предусмотрен. Сравнение по концен-

вызванной дозированной физической нагрузкой

трации NH₃ производят следующим образом:

(20-30 приседаний до достижения ЧСС

1. Определяют максимальное значение кон-

140 уд/мин или отказа от продолжения нагрузки).

центрации NH₃ до начала гидролиза и макси-

В дальнейшем в работе были проведены исследо-

мальное значение концентрации NH₃ в период

вания всех пациентов, разделенных на группы в

активного гидролиза мочевины.

зависимости от состояния патологических про-

цессов в них на предмет качественно-количе-

2. Вычисляют средние значения концентра-

ственной оценки химического состава выдыхае-

ции NH₃ до начала гидролиза и в период активно-

мого воздуха. Необходимо сразу заметить, что ха-

го гидролиза мочевины.

рактер поведения содержания исследуемых

3. Далее находят разницу средних значений

веществ в выдыхаемом воздухе, в их совокупно-

концентраций NH₃ до начала гидролиза и в пери-

сти и взаимосвязях, и его закономерности оце-

од активного гидролиза мочевины.

нить затруднительно без применения специаль-

4. Если Δ ≥ 5, то пациента относят к категории

ных аналитических подходов, например, нейро-

HP+ (инфицирован), если Δ < 2, то пациента от-

сетевого метода анализа многопризнаковых

носят к категории HP- (не инфицирован). При

данных [26]. Поэтому в данной работе такой ана-

Δ ≥ 2 и Δ < 5 заключение об инфицированности

литической задачи не ставилось.

пациента сделать нельзя. У разных пациентов, в

Феномен, связанный с выведением CO₂ и NH₃ в

зависимости от степени инфицированности и

физиологических особенностей организма, реак-

выдыхаемом воздухе, при проведении карбамидно-

го дыхательного «уреазного» теста. Проведение

ция ферментативного гидролиза мочевины мо-

дыхательного теста с карбамидом, за счет его раз-

жет протекать по-разному, а именно, иметь на-

чальный и максимальный прирост содержания

ложения на NH₃ и CO₂ под воздействием уреазы,

NH₃ в выдыхаемом воздухе в разные моменты

выделяемой бактерией Helycobacter pylori, преду-

сматривал контроль выделяющегося аммиака в

времени. Исследования показали, что период

соответствии с протекающей химической реак-

максимального прироста содержания NH₃ начи-

цией:

нается на пятой-седьмой минуте после приема

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1083

Рис. 9. Динамика изменения концентрации СО₂ в вы-

дыхаемом воздухе после приема стандартной дозы рас-

Рис. 10. Динамика изменения концентрации метана в

твора карбамида (500 мг) в течение часа у здоровых до-

выдыхаемом воздухе после приема стандартной дозы

норов (кружки), у пациентов с ЯБоб (треугольники) и

раствора карбамида (500 мг) у здоровых доноров

ЯБрем (квадраты) и с циррозом печени в фазе субком-

(кружки), у пациентов с ЯБрем (квадраты) и с цирро-

пенсации (ромбы).

зом печени (ромбы).

мочевины, а проведение обследования на девятой

мых на 10-й и 30-й минутах происходит умерен-

минуте позволяет диагностировать инфекцию

ное повышение уровня метана и его снижение до

НР. Былo показано, что в начальный период вре-

исходного уровня к 55-й минуте. У больных с ЯБ-

мени (до одной-полутора минут после приема

рем наблюдается измененная кривая с неболь-

мочевины) содержание NH₃ остается на уровне,

шим снижением к 10-й минуте, а затем неуклон-

совпадающем с исходным.

ное повышение с достижением максимума к 55-й

минуте. Это можно объяснить активизацией ме-

Наибольший интерес представляла динамика

танообразующих бактерий в ЖКТ под воздей-

содержания СО₂, СН₄ и NH₃ в выдыхаемом воз-

ствием карбамида. У больных с компенсирован-

духе в трех группах пациентов с патологией желу-

ным циррозом печени кривая концентрации ме-

дочно-кишечного тракта (ЖКТ) по сравнению со

тана в выдыхаемом воздухе к 10-й и 30-й минуте

здоровыми добровольцами после приема стан-

дартной дозы карбамида 500 мг в течение 60 мин

исследования (рис. 9, 10 и 11).

Впервые нами были получены данные (рис. 9),

отражающие динамику содержания СО₂ в выдыха-

емом воздухе в течение часа после приема стан-

дартной дозы карбамида. Из приведенного рисун-

ка видно, что наиболее значительные изменения

проявляются у больных с субкомпенсированным

циррозом печени по сравнению с другими обсле-

дуемыми пациентами. Вероятнее всего, это связа-

но с нарушением метаболической функции у па-

циентов с циррозом печени.

Данные о характере изменения концентрации

СН₄ в выдыхаемом воздухе у пациентов с различ-

ной патологией при проведении теста с карбами-

дом в динамике через 10, 30 и 55 мин после перо-

рального приема карбамида приведены на

рис. 10.

Рис. 11. Динамика изменения концентрации аммиака

Видно, что содержание метана в выдыхаемом

в выдыхаемом воздухе после приема раствора стан-

дартной дозы раствора карбамида (500 мг) в течение

воздухе различно в зависимости от характера па-

часа у здоровых доноров (кружки), у пациентов с ЯБоб

тологического процесса у пациентов по сравне-

(треугольники), ЯБрем (квадраты) и с циррозом пече-

нию со здоровыми людьми. У здоровых испытуе-

ни в фазе субкомпенсации (ромбы).

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1084

ПОНУРОВСКИЙ и др.

увеличивалась, а затем наблюдалось существен-

стики. На основе современных теоретических

ное снижение ее концентрации (на 40% от исход-

разработок метода диодной лазерной спектро-

ной величины). Это косвенно характеризует на-

скопии в Институте общей физики им. А.М. Про-

рушение детоксикационной функции печени или

хорова РАН были созданы два эксперименталь-

связано с активизацией портального сброса кро-

ных приборных устройства. Они патентно защи-

ви в венозную систему.

щены, что свидетельствует об обоснованности их

Данные по содержанию NH₃ в выдыхаемом

конструкции, позволяющей их применение для

целей биологии и медицины. Эти ДЛС-устрой-

воздухе в динамике при разных патологиях пред-

ства для изучения биомаркеров выдыхаемого воз-

ставлены на рис. 11.

духа обладают уникальными свойствами - неин-

У больных ЯБоб кривая продолжает расти и

вазивностью; простотой проведения обследова-

после 30-й минуты. У больных ЯБрем кривая ди-

ния; возможностью одновременного анализа

намики NH₃ в выдыхаемом воздухе также нарас-

нескольких биомаркеров выдыхаемого воздуха;

тает, но менее значимо, и сравнима с кривой ди-

высокой чувствительностью к компонентам вы-

намики NH₃ выдыхаемого воздуха у здоровых до-

дыхаемого воздуха; мобильностью, позволяющей

норов, что также подтверждает эндоскопическую

проводить исследования в различных условиях,

ремиссию язвенной болезни. Данные о содержа-

что важно для мониторингового и скринингового

нии аммиака в выдыхаемом воздухе в интервале

наблюдения. Последнее характеризует данный

времени, превышающем девять минут после при-

метод как инновационный и высокотехнологич-

ема карбамида, в литературе не встречаются. По-

ный. Применение газоанализа биомаркеров вы-

этому мы проследили динамику выведения амми-

дыхаемого воздуха позволяет использовать метод

ака из организма в выдыхаемом воздухе в течение

ДЛС как для динамического контроля лечения,

одного часа исследования (рис. 11) и выявили

так и для скрининговой диагностики скрыто про-

следующие закономерности. У здоровых лиц вы-

текающих заболеваний ЖКТ по выявлению

ведение аммиака к 10-й минуте после приема кар-

«групп риска» с целью более детального обследо-

бамида показывает значительный рост (свыше

вания для уточнения патологии.

140% от исходного). Это согласуется с показате-

Приведены полученные методом ДЛС экспери-

лями NH₃ стандартного уреазного теста. Такая же

ментальные данные о газовом составе испарений с

закономерность прослеживается у пациентов с

кожи ладоней рук и в пробах выдыхаемого воздуха

ЯБрем.

у пациентов в зависимости от состояния их орга-

Эту особенность можно объяснить невысокой

низма в норме и при различных патологиях. От-

хеликобактерной активностью в гастродуоденаль-

крыт ряд феноменов, связанных с содержанием

ном сегменте ЖКТ. У больных с ЯБоб к 10-й мину-

некоторых веществ, выделяемых организмом, и их

те концентрация аммиака повышается более чем

поведения в многокомпонентном составе. Испа-

на 180% от исходного уровня и далее стремится

рения с кожи рук могут рассматриваться как выде-

выйти на плато на уровне 260-280% от исходного

лительная функция организма, поэтому входящие

уровня. Это обусловлено повышенной хеликобак-

в их состав газовые молекулы, регистрируемые

терной активностью, подтверждаемой гистомор-

приборами ДЛС, могут иметь диагностическое

фологическим исследованием биоптатов слизи-

значение. Нами методом ДЛС с использованием

стой желудка. У больных циррозом печени в фазе

многоходовой кюветы Эрриота были измерены

субкомпенсации также выявляется нарастание

концентрации газообразных метаболитов выдыха-

концентрациии аммиака вплоть до 30-й минуты

емого воздуха при разных патологиях. Так, исход-

после приема карбамида (более чем на 270% от ис-

ная концентрация NH₃ у пациентов с патологией

ходного уровня), с последующим существенным

ЖКТ была в 6,0 и 2,5 раза выше, чем у здоровых ис-

снижением уровня NH₃ к 55-й минуте, приближа-

пытуемых. У пациентов с заболеваниями ЖКТ на-

ющегося к уровню NH₃ у здоровых испытуемых.

рушался процесс выведения NH₃ в выдыхаемом

Выявляемая особенность выведения аммиака в

воздухе, что проявлялось в изменении ответной

выдыхаемом воздухе отражает нарушение дезами-

реакции на щадящую физическую нагрузку. Это

нирующей функции печени и не связана с хелико-

обусловлено нарушением нормальной метаболи-

бактерной активностью.

ческой функции у пациентов с патологией ЖКТ. К

примеру, у пациентов с циррозом печени наруше-

ны функции дезаминирования и переаминирова-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ния аминокислот, поступающих в печень по vena

В работе обсуждены принципы, положенные в

portae из кишечника. В результате происходит на-

основу метода диодной лазерной спектрометрии,

копление токсичного NH₃ в организме, а органы

позволяющей определить молекулярный состав

выделения (почки, кожа, легкие, ЖКТ) не справ-

испарений, формирующихся с поверхности кожи

ляются с очищением организма. В наших исследо-

и слизистых оболочек человека, что позволяет от-

ваниях применялся также тест на пищевую нагруз-

нести этот метод к задачам медицинской диагно-

ку (набор аминокислот для зондового питания

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1085

больных). С помощью данного теста мы контроли-

ся постоянный рост содержания CH₄ после приема

ровали, как происходит метаболизм веществ, по-

карбамида, что, вероятно, связано с его биостиму-

ступающих вместе с пищей, особенно белков и

лирующей функцией на метанообразующие бакте-

аминокислот. У здоровых доноров тест на пище-

рии кишечника. Было замечено, что концентрация

вую нагрузку выявил закономерное увеличение со-

метана увеличивается до 30-й минуты, а далее на-

держания аммиака в выдыхаемом воздухе в 3,3 раза

чинает снижаться у здоровых доноров до исходно-

по сравнению с исходной. У пациентов с патологи-

го значения, а у пациентов с циррозом печени - до

ей ЖКТ выведение аммиака нарушается, что при-

значений ниже исходного уровня. Содержание

водит к увеличению его содержания в выдыхаемом

CH₄ в выдыхаемом воздухе также может отобра-

воздухе вне зависимости от нагрузочных тестов

жать тип питания человека: у «мясоедов» наблюда-

(как физической, так и пищевой нагрузки). Это

ется высокое содержание метана, у вегетарианцев

объясняется тем, что при наличии гастродуоде-

же концентрация CH₄ в выдыхаемом воздухе зна-

нальных язв как при обострении, так и на стадии

чительно ниже. Нами также замечено, что у лиц с

ремиссии наиболее вероятно хеликобактерное по-

высоким содержанием метана в выдыхаемом воз-

вреждение ЖКТ, сопровождающееся высокой уре-

духе на его повышение существенное влияние ока-

азной активностью, а у больных с циррозом печени

зывает задержка продвижения кишечного содер-

в фазе субкомпенсации имеются необратимые тя-

жимого, клинически выявляемое как кишечный

желые повреждения метаболической (дезаминиру-

запор и метеоризм. Таким образом, если объеди-

ющей) функции печени. Тест с карбамидом ис-

нить сведения о нескольких газообразных метабо-

пользуется в уреазном дыхательном тесте для опре-

литах, определяемых у здоровых доноров, то обна-

деления хеликобактерной активности. Карбамид

ружится, что относительно исходных характери-

(мочевина), поступающая перорально в ЖКТ,

стик содержание NH₃ и СН₄ в выдыхаемом воздухе

вступает в реакцию с Helicobacter pylori и распадает-

увеличивается, образуя пик на 30-й минуте, а уро-

ся на СО₂ и NH₃ под действием фермента уреазы.

вень CO₂ - уменьшается, образуя на 30-й минуте

Далее часть метаболитов выходит в газообразном

«провал», но по истечению часа содержание СО₂ и

состоянии через пищевод в ротовую полость, а

СН₄ в выдыхаемом воздухе возвращается к исход-

часть всасывается через ЖКТ в кровь, которая не-

ным значениям, а содержание NH₃ - постепенно

сет метаболиты к органам выделения - почкам,

снижается. У пациентов с циррозом печени мы на-

коже, легким. Также наблюдается резкое увеличе-

блюдаем повышение концентраций NH₃ и СН₄ и

ние концентрации NH₃ в выдыхаемом воздухе у

снижение концентрации СО₂ в выдыхаемом возду-

пациентов с язвенной болезнью в фазе обострения.

хе до 30-й минуты, а после 30-й минуты концен-

В проведенном исследовании было отмечено, что

трации NH₃ и CH₄ в выдыхаемом воздухе снижа-

диодно-лазерная спектрометрия позволяет изме-

ются, а концентрация CO₂ - увеличивается. У па-

рить концентрацию аммиака с большей чувстви-

циентов с язвенной болезнью концентрация NH₃,

тельностью, чем дыхательный уреазный тест. Было

так же как и концентрация СН₄, в выдыхаемом

отмечено, что время прироста содержания NH₃ не

воздухе повышается в течение часа, при этом кон-

ограничивается девятью минутами, а продолжает-

центрация СО₂ выдыхаемого воздуха на девятой

ся до 30-й минуты, где наблюдается его макси-

минуте незначительно повышается, а далее снижа-

мальная концентрация у здоровых доноров. У па-

ется в течение часа. В ходе исследования была вы-

циентов с язвенной болезнью концентрация NH₃

явлена интересная закономерность в динамике со-

продолжает расти даже спустя 30 мин, что объяс-

держания газообразных веществ в выдыхаемом

няется бурной реакцией уреазы Helicobacter pylori с

воздухе в течение часа после приема раствора кар-

карбамидом и нарушением функции нормального

бамида у здоровых людей. Было обнаружено, что

метаболизма NH₃. Таким образом, повышение

динамика концентрации NH₃ имеет три выражен-

концентрации аммиака в выдыхаемом воздухе у

ных пика. Первый пик выявляется на девятой ми-

пациентов с язвенной болезнью, выявляемое мето-

нуте и, вероятно, характеризует желудочную фазу

дом ДЛС, показывают высокую уреазную актив-

метаболизма карбамида. Второй пик определяется

ность Helicobacter pylori, что косвенно указывает на

на 30-й минуте и, вероятно, характеризует кишеч-

хеликобактерное повреждение слизистой оболоч-

ную фазу метаболизма карбамида. Третий пик на-

ки желудка у данных пациентов. Динамическое на-

блюдается на 50-й минуте и, возможно, характери-

блюдение за концентрацией аммиака в выдыхае-

зует печеночную фазу метаболизма карбамида. Но

мом воздухе показывает, что содержание NH₃ про-

в доступной нам литературе подобная динамика

должает нарастать после приема карбамида и после

газообразных метаболитов выдыхаемого воздуха не

стандартных девяти минут исследования, приня-

описана. Таким образом, исследование газов вы-

того в уреазном тесте. Это позволяет делать кос-

дыхаемого воздуха в покое и при тестовых нагруз-

венное суждение об обострении или ремиссии га-

ках позволяет выявить характерные сдвиги со сто-

стродуоденальных язв и эффективности лечения.

роны кардиореспираторной системы и определить

У больных с язвенной болезнью также наблюдает-

степень физической работоспособности испытуе-

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1086

ПОНУРОВСКИЙ и др.

мого, а по обмену NH₃ - судить о метаболической

б) у пациентов с ЯБ в фазе ремиссии после

функции печени, почек, кожи и легких. Метод

приема карбамида наблюдается незначительное

ДЛС в разных вариантах его реализации в настоя-

увеличение концентрации NH₃ в пределах по-

щее время еще не нашел широкого внедрения в

грешности при одновременном увеличении про-

практику исследований, связанных с определени-

дукции CH₄ (что, вероятно, связано с биостиму-

ем сверхнизких концентраций различных молекул

лирующей функцией карбамида на метанообра-

в составе газовых смесей. Из проведенного иссле-

зующие бактерии).

дования видно, что ДЛС молекул выдыхаемого

5. Полученные методом ДЛС данные показы-

воздуха является инновационным объективным

вают его перспективность с диагностической и

качественным и количественным методом диагно-

прогностической значимостью в скрининговых и

стики метаболических нарушений в организме че-

клинико-функциональных исследованиях.

ловека. Также выявлена тесная взаимосвязь между

Проведенное исследование доказывает диа-

процессами, происходящими в системе пищеваре-

гностическую значимость изучения биомаркеров

ния, метаболизации продуктов всасывания из ки-

в выдыхаемом воздухе при различных функцио-

шечника в печени и газами в составе выдыхаемого

нальных состояниях человека, не требующих спе-

воздуха.

циальной подготовки и условий проведения ис-

По результатам исследований можно отметить

следования: в покое (натощак) и при различных

следующее.

нагрузках (физическая нагрузка, пищевая нагруз-

ка, нагрузка карбамидом).

1. Определение биомаркеров в выдыхаемом

воздухе методом ДЛС характеризует своеобраз-

ный «метаболический профиль» и подтверждает

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

закономерную связь выявляемых биомаркеров с

метаболическими процессами, происходящими в

Авторы заявляют об отсутствии у них кон-

фликта интересов.

организме, в зависимости от функционального

состояния.

2. Выявляемый в выдыхаемом воздухе биомар-

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

кер СН₄ по происхождению является кишечным

Все процедуры, выполненные в исследовании

газом, образующимся вследствие

«метанового

с участием людей, соответствовали этическим

брожения», содержание которого при нагрузке

стандартам Хельсинкской декларации 1964 г. и ее

карбамидом сначала нарастает (к 30-й минуте), а

последующим изменениям. От каждого из вклю-

затем возвращается к исходному уровню у здоро-

ченных в исследование участников было получе-

вых доноров; у пациентов с ЯБрем этот биомар-

но информированное добровольное согласие.

кер продолжает тенденцию к дальнейшему нарас-

танию, в то время как у пациентов с циррозом пе-

чени в фазе субкомпенсации уровень метана

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

существенно снижается. При физической нагруз-

1. N. G. Basov, B. M. Vul, and Yu. M. Popov, Soviet

ке в выдыхаемом воздухе этих групп пациентов

JETP (USSR) 37, 585 (1959).

наблюдается существенное снижение уровня

2. N. G. Basov, O. N. Krokhin, and Yu. M. Popov, Soviet

СН_4.по сравнениию с исходным.

JETP (USSR) 40, 1897 (1961).

3. R. H. Hall, G. E. Fenner, J. D. Kingsley, et al., Phys.

3. У больных с заболеваниями ЖКТ выявлено

Rev. Lett. 9, 366 (1962).

увеличение концентрации NH₃ при измерениях

4. N. G. Basov, Semiconductor lasers (Nobel Lecture, De-

натощак по сравнению со здоровыми донорами

cember 11, 1964) (1964).

(в шесть раз у пациентов с ЯБоб и в два раза у па-

5. Zh. Alferov, V. Khalfin, and R. Kazarinov, Fizika Tver-

циентов с ЯБрем). Это позволяет использовать

dogo Tela 8, 3102 (1966).

данный метод для оценки состояний ремиссии

или обострения ЯБ.

6. E. D. Hinkley, Appl. Phys. Lett. 16, 351 (1970).

7. A. A. Karabinenko, Yu. M. Petrenko, L. Yu. Ilchenko,

4. Метод ДЛС при сравнительном анализе со-

et al., East. Eur. Sci. J. 1 (29), 30 (2018).

держания NH₃ в выдыхаемом воздухе при нагруз-

8. I. Tamm, Zs. Phys. 60 (5-6), 345 (1930).

ке карбамидом показал лучшую чувствительность

9. Ж. И. Алферов, Физика и техника полупроводни-

по сравнению с дыхательным уреазным тестом

ков 32 (1), 3 (1998).

(почти в два раза), а именно:

10. J. Faist, F. Capasso, D. Sivco, et al., Science 264, 553

а) у пациентов с доказанной инфицированно-

(1994).

стью H. pylori отмечено увеличение концентрации

11. J. Faist, D. Hofstetter, M. Beck, et al., IEEE J. Quan-

NH₃ в два раза относительно исходной концен-

tum Electron. 38, 533 (2002).

трации после приема стандартной дозы карба-

12. J. Faist, F. Capasso, C. Sirtori, et al., Phys. Rev. Lett.

мида.

76, 411 (1996).

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ДИОДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1087

13. C. Sirtori, J. Faist, F. Capasso, et al., IEEE Photon.

20. A. I. Nadezhdinskii and Ya. Ya. Ponurovskii, Phys.

Technol. Lett. 9, 294 (1997).

Wave Phenomena 26 (3), 1 (2018).

14. J. Faist, F. Capasso, C. Sirtori, et al., Nature 387, 777

21. V. Ya. Zaslavskii, A. I. Nadezhdinsky, Ya. Ya. Ponu-

(1997).

rovsky, and S. M. Chernin, Quantum Electron. 41 (1),

15. R. F. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, et al., Chem. Phys.

81 (2011).

Lett. 487, 1 (2010).

22. A. S. Kuzmichev, A. I. Nadezhdinsky, Ya. Ya. Po-

16. Spec. Issue Selected Papers 7^th Int. Conf. on Tunable Di-

nurovsky, Quantum Electron. 41 (7), 650 (2011).

ode Laser Spectroscopy, Ed. by M. W. Sigrist and

23. http://www.dls.gpi.ru/rus/conf/TDLS2013/Posters/

F. K. Tittel, Appl. Phys. B 100 (2) (2010).

TDLS2013%20Ponurovskiy.pdf.

17. Spec. Issue Papers from Int. Conf. on Tunable Diode La-

24. L. S. Rothman, I. E. Gordon, I. Babikov, et al., J.

ser Spectroscopy, Ed. by A. I. Nadezhdinskii, V.G. Tyu-

Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 130, 4 (2013).

terev and A.W. Mantz, Spectrochim. Acta Part A 52 (8)

(1996).

25. A. A. Karabinenko, A. A. Bogomolova, A. I. Nadezh-

18. А. G. Berezin, А. I. Nadezhdinskii, D. B. Stavrovskii,

dinsky, et al., East. Eur. Sci. J., № 4, 48 (2016).

et al., Appl. Phys. B 90, 317 (2008).

26. А. А. Карабиненко, Ю. М. Петренко, Г. И. Сторо-

19. A. I. Nadezhdinsky, Ya. Ya. Ponurovsky, and

жаков и Н. М. Широхова, Вестн. РАМН, № 1-2,

A. S. Kuzmichev, Appl. Phys. B 109, 505 (2012).

69 (2014).

Diode Laser Spectroscopy for Creating Effective Measuring Systems

and Their Use in Biological and Medical Research

Ya.Ya. Ponurovskii*, V.Ya. Zaslavskii*, A.I. Nadezhdinskii*, M.V. Spiridonov*, D.B. Stavrovskii*,

Yu.P. Shapovalov*, A.A. Karabinenko**, and Yu.M. Petrenko**

*Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 38, Moscow, 119991 Russia

**Pirogov Russian National Research Medical University, ul. Ostrovitianova 1, Moscow, 117997 Russia

In this paper we present most important principles of diode laser spectroscopy that allow for creating funda-

mentally new measuring systems for the diverse applications in biology and medicine. With the use of diode

laser spectroscopy method and its primary hardware implementation the emission of gas molecules from

hand skin was registered and ammonia skin emission was dominant. With the help of another special mea-

suring complex of diode laser spectroscopy the properties of exhaled air from patients in different states were

determined. It is shown that when the functional state of the organism changes, gas composition of molecular

substances which are present in the exhaled air alters indirectly, and their levels vary significantly depending

on the health status of the individual. Our findings suggest that with the use of diode laser spectroscopy it is

possible to study the specific functional properties of the human body facilitating assessment of the health sta-

tus of the individual to determine whether or not pathological processes occur in the body at various stages of

their severity. The paper presents clinical and experimental data in this regard.

Keywords: diode lasers, diode laser spectroscopy, non-invasive diagnostics, gas biomarkers

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019