Введение к работе
В общем случае, задачи молекулярного газоанализа подразделяются на три основных вопроса: (I) идентификация молекул, обьектоіі 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 методов диаі поетики газового состава.
На сегодняшний день известно обширное многообразие таких методов (см.например |1|) использующих различные характеристики молекул такие как се 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 «ходящие в jtoi класс и обладающие уникальной совокупностью высокого спектральною^ 10 5 -10'* см'), пространственною (-О.імкм) и временного (Ю'-сск) разрешения обеспечивают высокоточное решение вышеперечисленных вопросов в бо.чыиинстпе случаев.
Основой методов лазерной ПК спектроскопии поглощения является анализ тонкой структуры колеО.мельно-врашаклышх полис погзо-. шения молекул, т.е. анализ положении, интенсивности, формы и ширины отдельных линий спектра. Эта информация позволяет иденшфн-нироваїь объект, определить величину его содержания в смеси. Время пмнмоленстпня лазерного излучения с веществом (время сканнронання ляпни) и конфигурации, оптической схемы определяю!* пределы paipe-шении цросгр.шепзенно-времениыч характеристик' тазовою состава,
Во ід ух, выдыхаемый человеком, представляет собой сложною со-cianiivKi смесь, состав которой может характеризовать как состочніїї. оріацизма » целом, так и его отдельны* частей. Хорошо іпнесіно, что основными компонентами выдыхаемого воідуха піиіімюі N.i. О;, ("О.,
lijCJ Одіuко. помимо них микросодержание такій оЬьскюв teak СО, Nllj, CH4, NjO, HjS, H^Oj и других, ныеыщих природу воіникноиеннн сьяшіїиую с жизнедеятельностью бактерий, процессами энергетики а іканях, да u <і сіиіу воздействия окружающей среди, вполне ожидаемо. Ясно, что контроль содержания микрокомпонент выдыхаемого воздуха и их динамики нредегаячяет как академический, так и,чило ПраКТИЧе-Сі.ИІІ ишерсс.
К Началу ш-следоиашш, составивших предмет настоящей работы, iiuiuhi.юшіте мегодов Диодной Лазерной Спектроскопии (ДЛС) в iu-зоинилизе уже нашло сі'.ое применение а таких областях как контролі, загрязнении окружающей среды, исследование процессов атмосферной химии, контроль технологических процессов и др.. В отличие от нашедшею наиболее широкое распространение использования диодных лазеров (ДІЇ) в исследованиях мпкросодержаннй атмосферного воздуха, их применение в медицинской диагностике только начинает развиваться. Здесь можно указать в основном на работу |2| связанную с попыткой детектирования фонового количества аммиака в выдохе человека, работу |3| но детектированию моноокиси углерида в выдохе курящею человека и спорісмена после беїа. Упомянем также работу |4| іде было предложено Дій нешшашоною исследования метаболизма в человеке осуществлять кошроль изотопического углерода (контроль "сиоіноше-ния пСОі и uCOj ). Анализ работ |2,3| ясно показывает на необходимость проведения более тщательных исследований и улучшения как точностных и временных параметров используемых ДЛ сисіем, так и улучшение их чувствительности. Количество же окспернмешальных манных в лчх рабоїах также не позволяет судить о наблюдении сіаги-сінческнх закономерностей в результатах. Также добавим, что одновременная диагностика традиционного медицинскою объекта - СО;, т.е. иноюкомшзненшость анализа может обдеріть трактовку полученных результата, а для расширения круга обьектоя мнкросолержашнхем и выдохе оправдано выбрать метан как углеводородное соединение.
І'азоаиаліпическое применение ДЛ начавшееся с первой рабо і ы .Чпнкли |5| опубликованной I» 1970 году тем не менее ограничено и на сеыднчнишй лень. Это связанно и со стонмосіью как самих ДЛ, для роїти кристаллов которых требуется освоение ш.ісокоіехнологических
процессов, так и со стоимостью оборудования, обеспечивающего высокий уровень требований к процессам управления режимами работы ДЛ 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 одігой стороны, большинство газоанштити-чсских 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 импульсно-периодическим режимом работы имеет ряд специфических особенностей, предъявляющих свои требования к устройству ДЛ газоанализатора. А с другой сторони, выдыхаемый воздух обладает основным процентным составом и температурой отличающимися от атмосферного воздуха, а величина объема выдоха человека и частота дыхания так же налагают свои требования на параметры ДЛ газоанхчизатора используемого в анализе микрокомпонент выдыхаемого воздуха.
Цель настоящей работы состояла в разработке днодно-лалерных систем для определения величин микросодержаний аммиака, метанп, монооксида углерода и содержания диоксида углерода и исследования их динамики при газообмене между человеком и окружающей его атмосферой. ТУпул определялись ее основные направления: разработка ДЛ систем, с учетом требований предъявляемыми характеристиками выдоха; достижение необходимых уровней чувствительности и точности регистрации контуров линий поглощения микрооодержашихся 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 процентним соотношением основных газовых компонент и температурой; автоматизация процесса измерений; исследование уровня микросодержаний моноокиси углерода при одновременном контроле уровня С02, исследование уровней микросодержаний аммиака и метана о выдохе человека; исследовании их динамики в процессе газообмена между человеком и окружающей ею атмосферой.
Научная новизна настоящей работы состоит в следующем: Разработана методика проведения экспериментальных. исследовании методами ДЛС по детектированию микросодержанин выдыхаемого воздуха. Выявлены физические процессы формирующие точность, чувствительность и время измерения концентрации в ДЛ системах.
На фоновом уровне зарегистрированы в реальном временном млинабе качественные и .количественные tit иниазивиы: характерн-CIIIKH газообмена человека с окружающей средой молекулами СО, СН«, NHj во время дыхания:
- определенны уровзіи концентраций веществ и зафиксировано
различие содержания микрокомпонент СО, NH3, СН4 во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе и продемонстрировано паличне NjO на фоновом уровне в выдыхаемом воздухе.
- зарегистрированы естественные (а не стимулированные боль
шими дозами) процессы вывода и возврата веществ из орга
низма человека, определен характер вывода СО, СН4 и NHj
из организма человека при задержке дихання п после вдыха
ния смеси с их повышенным содержанием.
Разработан и создан комплекс днодно-лазерных систем для одновременного детектировании моноокиси и двуокиси углерода, для регистрации аммиака и метана во'вдыхаемом (атмосферном) и выдыхаемом воздухе. Достигнутые парамеїрь; (точность, чуитсвительность и быстродействие) зтих ДЛ систем позволяют их успешное применение также в исследованиях процессов атмосферной химии, контроле технологических процессов, контроле окружающей среды.
Разработанные методы построения калибровочной шкалы ДЛ газоанализаторов позволяют учитывать рааличие 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, NHj), сохраняя при этом надлежащую точность в определении концентрации. А предложенная схема двухлазерного прибора существенно расширяет возможности для мноюкомпонентного анализа.
Показано, что применение методов ДЛС в анализе газового состава выдыхаемого воздуха позволяет дополнять и замешать традиционные в медицинской диагностике методы исследования выдоха, увеличивпч достоверность и точность получаемых результатов, что даст возможность проводить исследования на новом качественном уровне. Позволяет проводить принципиальна новые иселгдовднич процессов в организме человека, осуществляя- контроль микросостапляютих компонент гыдыхаемой смеси газов.
Обоснована целесообразность применения импульсных диодных лазеров п диагностике микрехомпонент газового состава выдыхаемого воздуха.
Основные положения рнноеммыс на зашиту :
-
Разработан и создан комплекс яиодно-лазерных систем для де-тектирования содержания во вдыхаемом (атмосферном) и выдыхаемом воздухе аммиака, метана, моноокиси и двуокиси углерода,.
-
Разработана методика проведения экспериментальных исследований методами ДЛС по детектированию микросодержаний выдыхаемого воздуха. Выявлены физические процессы формирующие точность, чувствительность и еремя измерения концентрации в ДЛ системах.
-
Обоснована целесообразность применения импульсных ДЛ п диагностике микрексчпонент выдыхаемого воздуха.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на IX международном симпозиуме "Tunable Diode Laser Application in Atnwphere Monitoring of Pollutant" (Germany, Freiburg, 1*394, October) -приглашенный доклад, а также на международных симпозиумах: "Loser М2Р" (France, Grenobls, July 9-10, 1991), "TDLAMGP" (Germany, Freiburg, 1991, October), и международных конференциях GP1E "Infrared-Fiber-Optics III" (USA, Boston, 3-6 Sept, 1991), "Tunable Diois Laser Applications" (Томск, 1992), "Highllus", (Москва, Нижний Новгород, 1993) и др.
Публикации, По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Об1 ?м диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и четырех приложений. Общий объем р.чботы 187 машинописных страниц, включая 5G рисункоп и 15 таблиц. Список цитированной л:ітсратурм.содерїигг 155 наименований.
