Лаборатория терагерцовой спектроскопии (совместно с ИФМ РАН)

Лаборатория создана в рамках Гранта Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования № 11.G34.31.0066 "Биомедицинские технологии, медицинское приборостроение и акустическая диагностика (MedLab)", ведущий ученый академик РАН О.В.Руденко (руководитель - к.ф.-м.н., доцент РФФ Вакс В.Л.). Кроме того, в лаборатории ведутся прикладные научно-исследовательские и экспериментальные разработки по теме: «Терагерцовый анализатор газовых смесей на основе туннельных наноструктур для медицинской диагностики и систем безопасности», выполняемую в рамках Соглашения о консорциуме исполнителей прикладных научных исследований и экспериментальных разработок по теме «Терагерцовый анализатор газовых смесей на основе туннельных наноструктур для медицинской диагностики и систем безопасности», выполняемой Заказчиком согласно Соглашению о предоставлении субсидии № 14.607.21.0100 между Министерством образования и науки Российской Федерации и ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН.


Двухчастотный ТГц спектрометр высокого разрешения	ТГц спектрометр с фазовой манипуляцией воздействующего излучения

Сотрудниками лаборатории разработаны ТГц спектрометры на нестационарных эффектах (Vladimir Vaks, High-Precise Spectrometry of the Terahertz Frequency Range: The Methods, Approaches and Applications// Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2012, Vol. 33, Nо 1, рр. 43-53; В.Л.Вакс, Е.Г.Домрачева, Е.А.Собакинская, М.Б.Черняева. Анализ выдыхаемого воздуха: физические методы, приборы и медицинская диагностика // Успехи физических наук, 2014, т.184, № 7, с. 739-758.; Yablokov, A.A. ; Anfertev, V.A. ; Revin, L.S. ; Balakirev, V.Y. ; Chernyaeva, M.B. ; Domracheva, E.G. ; Illyuk, A.V. ; Pripolzin, S.I. ; Vaks, V.L. Two-Frequency THz Spectroscopy for Analytical and Dynamical Research // IEEE Transaction on Terahertz Science and Technology, Vol. 5, Iss. 5, p. 845 - 851 (2015)) для аналитических исследований, обладающие рекордными чувствительностью и разрешающей способностью одновременно. Предложенная методика обнаружения в выдыхаемом воздухе ацетона, этанола и метанола для раннего обнаружения диабета показала свою конкурентоспособность по сравнению с другими методами (V.L.Vaks, E.G.Domracheva, S.I.Pripolzin, E.A.Sobakinskaya, M.B.Chernyaeva, V.A.Anfert’ev, A.V.Semenova, Yu.S.Shatrova, Methods and Instruments of High-Resolution Non-Stationary THz Spectroscopy for Diagnostics of Socially Important Diseases // Physics of Wave Phenomena, 2014, Vol. 22, № 3, рр.177-184).

Запись линии поглощения этанола на частоте f=172,372 ГГц
в образце выдыхаемого воздуха больного диабетом

Совместно с отделением радиологии областной больницы были проведены предварительные эксперименты по обнаружению оксида азота в выдыхаемом воздухе. Проблема обнаружения оксида азота связана с тем, что NO при атмосферном давлении является короткоживущей химически активной молекулой (время жизни порядка нескольких миллисекунд). Поэтому в работе мы определили наиболее вероятные реакции с участием NO и продукты выхода этих реакций в зависимости от концентрации оксида азота. Было проведено измерение концентрации NO у пяти условно здоровых некурящих добровольцев и 8 онкологических больных (лимфома Ходжкина, центральный эндобронхиальный рак легкого) до и после лучевой терапии. Отмечена низкая концентрация NO в выдыхаемом воздухе у здоровых лиц и рост данного вещества у онкологических больных, а также существенное (в 2-5 раз) возрастание содержания NO непосредственно после облучения, что подтвердило гипотезу о роли данного соединения в развитии радиационно-индуцированного повреждения биологических тканей (V.L.Vaks, E.G.Domracheva, S.I.Pripolzin, E.A.Sobakinskaya, M.B.Chernyaeva, V.A.Anfert’ev, A.V.Semenova, Yu.S.Shatrova, Methods and Instruments of High-Resolution Non-Stationary THz Spectroscopy for Diagnostics of Socially Important Diseases // Physics of Wave Phenomena, 2014, Vol. 22, № 3, рр.177-184; Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Никифоров С.Д., Собакинская Е.А., Черняева М.Б. Применение микроволновой нестационарной спектроскопии для неинвазивной медицинской диагностики // Известия Вузов. Радиофизика. 51(6), с. 490-498 (2008)).

Совместно с Федеральным государственным учреждением "Приволжский окружной медицинский центр Федерального медико-биологического агентства" были проведены исследования возможности неинвазивной диагностики жизнеспособности трансплантатов (паренхиматозных органов) по спектру промывочной жидкости кустодиола. Исследования проводились с помощью ИК Фурье- спектроскопии и нестационарной спектроскопии ТГц диапазона. Целью этих работ было выявление роли воды в спектрах, а также обнаружение линий, которые могли бы служить маркерами состояния исследуемого органа. Во всех пробах кустодиола были обнаружены примеси С₂H₅OH, SO₂, РO₂. В результате исследований была обнаружена динамика изменения интенсивностей спектральных линий в зависимости от времени промыва (В.Л. Вакс, Е.Г. Домрачева, А.В.Масленникова, Е.А.Собакинская; М.Б.Черняева. Применение методов и средств нестационарной спектроскопии субТГц и ТГц диапазонов частот для неинвазивной медицинской диагностики. // Оптический журнал. 2012. Т.79, №2, с.9-14.).

Разработана методика пробоотбора образцов пищевых продуктов для анализа летучих органических и неорганических веществ, которые могут служить маркерами качества. Особенностью методики является изотермический нагрев устройства напуска образцов для уменьшения влияния паров воды и катализации выделения летучих веществ. С использованием ТГц спектроскопии высокого разрешения выявлены и идентифицированы летучие вещества – маркеры степени свежести продуктов. В ходе экспериментальных исследований показана перспективность применения метода ТГц спектроскопии высокого разрешения в качестве «электронного носа» для анализа качества продуктов (В. А. Анфертьев, А. Ф. Башмаков, В. Л. Вакс, Е. Г. Домрачева, Е. А. Собакинская, Г. А. Соегова, М. Б. Черняева, ТГц спектроскопия высокого разрешения для анализа качества продуктов питания // Журнал радиоэлектроники, 2015, № 1, с. 1-10, http://jre.cplire.ru/jre/jan15/8/text.pdf).

Запись участка спектра поглощения образца свежего мяса телятины
(линии поглощения глицина, аланина, фенола, метилформиата)

Направления деятельности лаборатории

1. Спектроскопические методы в анализе метаболома человека и животных

Разработка компактного многочастотного спектроскопического комплекса для определения содержания газов-маркеров различных заболеваний (в том числе онкологических) и «запахов» биологических тканей. Комплекс включает в себя источники субТГц, ТГц и ИК излучения на основе твердотельного генератора гармоник и квантово-каскадных лазеров ТГц и ИК диапазонов, и уникальный приемный блок на основе квантовых полупроводниковых сверхрешеток, отличительной особенностью которого будет являться его универсальность детектирования излучения трех диапазонов – субТГц, ТГц и ИК. Ожидается, что одновременное использование воздействующего излучения субТГц, ТГц и ИК диапазонов позволит существенно повысить чувствительность и селективность анализа. Разработка новых методик измерений вращательных и колебательных спектров веществ-маркеров позволит изучить механизмы адаптации организма-опухоленосителя в процессе развития болезни и реакции на корригирующее воздействие.

Разработка неинвазивного метода интегральной диагностики функционального состояния организма, воспалительных процессов и последствий терапевтического и радиационного воздействия с использованием ТГц-ИК спектроскопии высокого разрешения.

2. Разработка прецизионных систем ТГц биоимиджинга для неинвазивной диагностики меланомы, рака молочной железы и кишечника и др.

Разработка генератора ТГц-излучения на основе фазостабилизированного квантового каскадного лазера для использования в качестве высокостабильного, спектрально чистого, перестраиваемого источника излучения в ближнепольной системе ТГц-видения.

Разработка широкодиапазонного гетеродинного приемника для системы биоимиджинга и антенн для проведения ближнепольных измерений.

Разработка методик диагностики новообразований тканей и кожи, а также степени поражения ожогом.

3. Спектроскопия ДНК и биологических молекул

4. Терапевтическое воздействие субТГц и ТГц излучения на живые системы

5. Радиотехническое обеспечение, автоматизация эксперимента

Ведутся совместные исследования:

с НИИТО

Разработка неинвазивного метода индукции функциональной активности клеток крови с использованием низкоинтенсивного субТГц и ТГц излучения в процессе восстановления нарушений в системе гемостаза и гемореологии (вязкостных свойств цельной крови, агрегации и деформируемости эритроцитов, функциональной активности тромбоцитов), возникших в ответ на перенесенный стресс (на модели термической травмы):

1. Адаптация для решения задач медицинской реабилитации спектрометров субтерагерцового и терагерцового диапазонов, работающих на нестационарных эффектах, не оказывающих отрицательного влияния на организм.

2. Отработка модельной методики воздействия на эритроциты и тромбоциты биологически значимыми частотами в нескольких диапазонах в режиме шумового излучения, изучение влияния этих воздействий на агрегацию и деформируемость эритроцитов, на морфологию (диск-сферическую трансформацию) крови здоровых доноров и больных, перенесших ожоговую травму.

3. Исследование возможности влияния различных параметров субТГц и ТГц излучения на действие моноклональных антител в интактных и заблокированных клетках крови, а также образования микровезикул и динамика их агрегационных и гемокоагуляционных свойств под действием субТГц и ТГЦ излучения.

Разработка метода оптимизации процесса репаративной регенерации кожных ран в процессе медицинской реабилитации с использованием спектрометров субТГц и ТГц диапазонов:

1. Поиск определенных частотных характеристик электромагнитных стимулов и их комбинаций, определение оптимальной локализации воздействия, что позволит более точно и целенаправленно регулировать процесс репаративной регенерации поврежденных кожных покровов.

2. Исследование реакций организма (самцов крыс породы Vistar) на облучение биологически активных зон установленными параметрами излучения субтерагерцового и терагерцового диапазонов.

3. Апробация метода в клинике в группе больных, перенесших ожоги, на этапах реконструктивно-пластических операций.

с ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН

Разработка методик терапевтического воздействия ТГц излучения низкой интенсивности на кожные покровы и механизмов эффектов, связанных с клеточным дыханием и апоптозом клетки

1. Анализ особенностей поглощения ТГц излучения низкой интенсивности слоистой структурой кожи.

2. Исследование воздействия ТГц излучения на кожу человека с помощью измерения скорости трансэпителиального транспорта воды в эпидермисе.

3. Разработка методики исследования влияния ТГц излучения на пероксидазную активность цитохрома с и его комплекса с кардиолипином, как важнейшей реакции, сопровождающей процесс апоптоза клетки. Предварительные результаты показывают, что ТГц излучение помогает устранить поврежденные клетки из организма, ускоряя их гибель по пути апоптоза.

В начало>>>