Терагерцовая нестационарная спектроскопия высокого разрешения: современное состояние и направления развития

Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б., Анфертьев В.А., Яблоков А.А.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б., Анфертьев В.А., Яблоков А.А. Терагерцовая нестационарная спектроскопия высокого разрешения: современное состояние и направления развития // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 1 . С. 39–48. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-39-48

Vaks V.L., Domracheva E.G., Chernyaeva M.B., Anfertev V.A., Yablokov A.A. Terahertz nonstationary high resolution spectroscopy: State of art and trends of development [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 1. P. 39–48. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-39-48

Ссылка на англоязычную версию:

Vladimir L. Vaks, Elena G. Domracheva, Mariya B. Chernyaeva, Vladimir A. Anfertev, and Anton A. Yablokov, "Terahertz nonstationary high-resolution spectroscopy: state-of-the-art and trends of development," Journal of Optical Technology. 91(1), 23-28 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000023

Аннотация:

Предмет исследования. Химический состав многокомпонентных газовых смесей биологического происхождения. Цель работы. Построение метаболических профилей заболеваний на примере исследования биологических образцов (ткани органов уха-горла-носа, урина) методом терагерцовой спектроскопии высокого разрешения. Метод. Спектроскопия на нестационарных эффектах на основе наведения и распада свободно-затухающей поляризации в образце газовой смеси при взаимодействии излучения с молекулами является высокочувствительным методом исследования многокомпонентных газовых смесей. Спектрометр на ее основе работает в режиме фазовой манипуляции или режиме быстрого свипирования частоты зондирующего излучения. Основные результаты. Получены экспериментальные результаты использования терагерцовой спектроскопии высокого разрешения для решения проблем медицинской диагностики и контроля проводимой терапии. Исследования многокомпонентных газовых смесей, таких как пары и продукты термического разложения различных образцов (биологических жидкостей (моча), патологически измененных тканей живого организма и др.), для разработки диагностических методов проводились с использованием нестационарных терагерцовых спектрометров. Результаты анализа экспериментальных данных позволяют выявить вещества-маркеры некоторых заболеваний живого организма (сахарный диабет, патология тканей органов уха-горла-носа) или вещества, появляющиеся при терапевтическом лечении (нефротоксическое влияние химиотерапии). Практическая значимость. Терагерцовую нестационарную спектроскопию высокого разрешения можно рассматривать как перспективный аналитический метод спектрального анализа для фундаментальных и прикладных исследований.

Ключевые слова:

терагерцовая нестационарная спектроскопия высокого разрешения, фазовая манипуляция воздействующего на газ излучения, быстрое свипирование частоты зондирующего излучения, многокомпонентная газовая смесь, патологически измененные ткани органов уха-горла-носа

Благодарность:

создание спектрометра высокого разрешения с быстрым свипированием по частоте, а также исследование патологически измененных тканей ЛОР-органов выполнены за счет гранта Российского научного фонда № 21-19-00357, исследование образцов биологических жидкостей с целью выявления маркеров заболеваний выполнены в рамках Госзадания FFUF-2021-0024.

Коды OCIS: 300.6495, 300.1030, 300.6320

Список источников:

Агранат М.Б., Ильина И.В., Ситников Д.С. Применение терагерцовой спектроскопии для дистанционного экспресс-анализа газов // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55. № 6. С. 759–774. https://doi.org/10.7868/S0040364417060114

2. Rothbart N., Stanley V., Koczulla R., et al. Millimeter-wave gas spectroscopy for breath analysis of COPD patients in comparison to GC-MS // J. Breath Res. 2022. V. 16. P. 046001. https://doi.org/10.1088/1752-7163/ac77aa

3. Laser and coherence spectroscopy / Ed. by Steinfeld J.I. N.Y. and London: Plenum Press, 1978. 529 p.

4. Kisiel Z. Assignment and analysis of complex rotational spectra / Spectroscopy from Space / Ed. by Demaison J. Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 2001. P. 91–106. http://info.ifpan.edu.pl/~kisiel/pdfs/prospe_preprint.pdf

5. Pickett H.M., Cohen E.A., Drouin B.J., et al. Submillimeter, millimeter, and microwave spectral line catalog / JPL Molecular Spectroscopy / California Institute of Technology [электронный ресурс]. Режим доступа: http://spec.jpl.nasa.gov/ftp/pub/catalog/catform.html, свободный. Яз. англ. (дата обращения 20.03.2023)

6. Endres C.P., Schlemmer S., Schilke P., Stutzki J., Müller H.S.P. The cologne database for molecular spectroscopy, CDMS / in the Virtual Atomic and Molecular Data Centre, VAMDC // J. Mol. Spectrosc. 2016. V. 327. P. 95–104. https://cdms.astro.uni-koeln.de/cgi-bin/cdmssearch

7. Ekkers J., Flygare W.H. Pulsed microwave Fourier transform spectrometer // Rev. Scientific Instruments. 1976. V. 47. P. 448. https://doi.org/10.1063/1.1134647

8. 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

9. Вакс В.Л., Анфертьев В.А., Балакирев В.Ю. и др. Спектроскопия высокого разрешения терагерцевого частотного диапазона для аналитических приложений // УФН. 2020. Т. 190. С. 765–776. https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.07.038613

10. Steber A.L., Harris B.J., Neill J.L., et al. An arbitrary waveform generator based chirped pulse Fourier transform spectrometer operating from 260 to 295 GHz // J. Molecular Spectrosc. 2012. V. 280. P. 3–10. https://doi.org/10.1016/j.jms.2012.07.015

11. Hindle F., Bray C., Hickson K., et al. Chirped pulse spectrometer operating at 200 GHz // J. Infrared Milli Terahz Waves. 2018. V. 39 P. 105–119 https://doi.org/10.1007/s10762-017-0445-3

12. Rothbart N., Schmalz K., Hübers H.-W. A portable terahertz/millimeter-wave spectrometer based on SiGe BiCMOS technology for gas sensing applications // 2020 45th Internat. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). Buffalo, N.Y., USA. November 08–13, 2020. P. 1–2. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370917

13. Röben B., Lü X., Biermann K., et al. Terahertz quantum-cascade lasers for high-resolution spectroscopy of sharp absorption lines // J. Appl. Phys. 2019. V. 125. P. 151613. https://doi.org/10.1063/1.5079701

14. Williams B. Terahertz quantum-cascade lasers // Nature Photon. 2007. V. 1. P. 517–525. https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.166

15. Wienold M., Röben B., Lü X., et al. Frequency dependence of the maximum operating temperature for quantum-cascade lasers up to 5.4 THz // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 107. P. 202101. https://doi.org/10.1063/1.4935942

16. Rothbart N., Holz O., Koczulla R., et al. Analysis of human breath by millimeter-wave/terahertz spectro-scopy // Sensors. 2019. V. 19. № 12. P. 2719. https://doi.org/10.3390/s19122719

17. Vaks V., Anfertev V., Chernyaeva M., et al. Sensing nitriles with THz spectroscopy of urine vapours from cancers patients subject to chemotherapy // Sci. Rep. 2022. V. 12. P. 18117. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22783-z

18. Vaks V., Anfertev V., Ayzenshtadt A., et al. Novel approaches in the diagnostics of ear-nose-throat diseases using high-resolution THz spectroscopy // Appl. Sci. 2023. V. 13. P. 1573. https://doi.org/10.3390/app13031573