ArticlePDF Available

Abstract

Optoelectronic system designed to biomarkers detection - the paper presents a design of the system, which provides early diagnosis of diseases based on the analysis of human breath. The goal of the undertaken work is to develope the optoelectronic system for the detection of volatile disease markers. In this design, there are used highly sensitive laser spectroscopy techniques such as multipass spectroscopy and cavity ring-down spectroscopy. The proposed detection method can be used in medical diagnosis, even in the diseases screening, to evaluate the effectiveness of treatment, to the exogenous gases monitoring (bacterial emissions or toxins), to analyze metabolic gases, to detect disease recurrence (re-increase in the concentration of particles), and to analyze the medicines efficacy.
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 89 NR 10/2013 139
Jacek WOJTAS1, Tadeusz STACEWICZ2, Janusz MIKOŁAJCZYK1, Zbigniew BIELECKI1
Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki (1)
Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki, Instytut Fizyki Doświadczalnej (2)
Projekt optoelektronicznego systemu do wykrywania
biomarkerów w oddechu
Streszczenie. W artykule przedstawiono opis projektu systemu, który będzie umożliwiał wczesną diagnozę chorób na podstawie analizy oddechu
człowieka. W ramach podjętych prac opracowany zostanie demonstrator optoelektronicznych sensorów do wykrywania lotnych markerów
chorobowych. Będą w nim zastosowane wysokoczułe techniki spektroskopii laserowej takie jak spektroskopia w komórkach wieloprzejściowych
(SWP) oraz spektroskopia strat we wnęce optycznej (SSWO). Zaproponowane metody detekcji mogą być zastosowane w diagnostyce medycznej,
nawet w screeningu chorób, do oceny skuteczności leczenia, do monitorowania gazów egzogennych (emisji bakteryjnych lub trucizn) i w analizie
gazów metabolicznych, we wczesnym wykrywaniu wznowy (ponowny wzrost stężenia cząstek), do późnego wykrywania wznowy - nawrotu choroby,
lub do analizy skuteczności leków.
Abstract. Optoelectronic system designed to biomarkers detection- the paper presents a design of the system, which provides early diagnosis of
diseases based on the analysis of human breath. The goal of the undertaken work is to develope the optoelectronic system for the detection of
volatile disease markers. In this design, there are used highly sensitive laser spectroscopy techniques such as multipass spectroscopy and cavity
ring-down spectroscopy. The proposed detection method can be used in medical diagnosis, even in the diseases screening, to evaluate the
effectiveness of treatment, to the exogenous gases monitoring(bacterial emissions or toxins), to analyze metabolic gases, to detect disease
recurrence(re-increase in the concentration of particles), and to analyze the medicines efficacy. (Optoelectronic system designed to biomarkers
detection).
Słowa kluczowe: CEAS, CRDS, optoelektroniczne sensory, spektroskopia absorpcyjna, wykrywanie biomarkerów, analiza oddechu.
Keywords: CEAS, CRDS, optoelectronic sensors, absorption spectroscopy, detection of biomarkers, breath analysis.
Wstęp
Jedną z podstawowych przyczyn śmiertelnych chorób
ludzi jest brak skutecznych metod ich diagnozowania,
pozwalających na efektywne prowadzenie badań
przesiewowych i umożliwiających dostatecznie wczesne
wykrycie zmian w organizmie. Mimo znaczącego postępu
diagnostyki medycznej, nie zmienił się znacząco poziom
wczesnej wykrywalności. Dla przykładu, rak płuc
w większości przypadków jest nadal rozpoznawany w zbyt
źnym etapie rozwoju. W 70% przypadków jest on w tzw.
stadium IIIB lub IV. Jednak z powodu lokalnego
umiejscowienia choroby lub odległych jej przerzutów,
możliwość interwencji terapeutycznej jest znacznie
ograniczona, a jej efekty niezadowalające.
Od kilku lat w diagnostyce medycznej zaważyć można
znaczny wzrost zainteresowania badaniami związanymi
z analizą wydychanego przez człowieka powietrza.
Powietrze to zawiera m.in. aminokwasy zarówno
endogenne, jak i egzogenne niosące informacje o
procesach fizjologicznych w organizmie ludzkim. W
wydychanym powietrzu zdrowego człowieka znajdują się
też molekuły, jak np. H2O, CO2, O2, N2 o względnie dużym
stężeniu (tabela 1), oraz wiele komponentów, takich jak
aceton, izopren, propanol o stężeniu na poziomie ppb (parts
per billion) i sub-ppb, a także ponad tysiąc innych
składników, których stężenie jest zawarte w przedziale ppb-
ppt (parts per trylion) [1-3].
Tabela 1. Procentowy udział głównych składników powietrza
wdychanego i wydychanego przez człowieka
Lp. Rodzaj gazu
Udział w
powietrzu
wdychanym [%]
Udział w powietrzu
wydychanym [%]
1 Azot 78,08 78,00
2 Tlen 20,95 16,00
3 Argon 0,93 1,00
4 Ditlenek węgla 0,04 5,00
5 Para wodna 1,00-2,00 5,00
6 Inne 0,01 żny dla każdej osoby
Istnieją także związki chemiczne, których występowanie
w wydychanym powietrzu spowodowane jest procesami
fizjologicznymi. Przykładowo aceton powstaje w procesie
utleniania kwasów tłuszczowych, amoniak w wyniku
katabolizmu białek amoniaku i aminokwasów, dwusiarczek
węgla w obecności bakterii jelitowych, węglowodory
w efekcie metabolizmu oraz peroksydacji lipidów, a metanol
jako produkt metabolizmu owoców, itp.
W wydychanym przez chorego człowieka powietrzu,
już w początkowym etapie choroby, mogą zachodzić
zmiany stężeń poszczególnych jego składników lub
pojawiają się inne lotne związki (niespotykane u człowieka
zdrowego). Są to tzw. biomarkery, które mogą precyzyjnie
opisywać stan zdrowia, kondycję, etap cyklu biologicznego
(np. dobowego), wskazywać na zażywane lekarstwa,
nałogi, oraz przyzwyczajenia żywieniowe. Zestawienie
przykładowych biomarkerów przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2. Przykładowe biomarkery wybranych schorzeń [4, 5]
Lp.
Biomarker
Typowe
stężenie
[ppb]
Choroby
1 Tlenek azotu
Tlenek węgla
10-50
1000-10000
Astma, angina,
hiperbilirubinemia
2 Formaldehyd
Pentan
-
< 10 Rak piersi, rak płuc
3 Aceton < 1000 Cukrzyca
4 Amoniak < 2000
Choroby wątroby, choroba
wrzodowa żołądka
i dwunastnicy wywołana
Helicobacter pylori
5 Siarczek
karbonylowy < 10 Choroby wątroby, odrzucenie
przeszczepu
6 Etan < 10 Choroba Alzheimera,
miażdżyca, cukrzyca, rak
7 Cyjanowodór < 10 Mukowiscydoza
Badania składu wydychanego powietrza są prowadzone
od kilkunastu lat, głównie przy użyciu chromatografii gazo-
wej i spektrometrii masowej. Do tej pory wykryto przeszło
tysiąc różnych związków [3, 6]. Jednak metod tych nie moż-
na zastosować do badań przesiewowych, z powodu ceny
aparatury, a także złożoności obsługi i kosztu testów.
Postęp w optoelektronice otwiera obecnie nowe możliwości
skonstruowania względnie niewielkich, prostych w użyciu
sensorów do badania wydychanego powietrza, przeznaczo-
nych do detekcji określonych markerów chorobowych.
Dzięki ciągłemu spadkowi cen elementów optoelektro-
nicznych, w przyszłości taka aparatura mogłaby wręcz
znaleźć się w powszechnie dostępnych gabinetach lekar-
140 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 89 NR 10/2013
skich. Zaletą takich badań jest bezbolesność, całkowita
bezinwazyjność oraz krótki czas potrzebny do uzyskania
wyników. W artykule opisano projekt systemu optoelektro-
nicznych sensorów, który będzie umożliwiał wykrywanie
trzech wybranych biomarkerów. Do opracowania tego sys-
temu powołano konsorcjum w składzie: Wojskowa Akade-
mia Techniczna (lider), Uniwersytet Mikołaja Kopernika,
Uniwersytet Warszawski i firma Vigo System S.A. W ra-
mach podjętych prac opracowany zostanie demonstrator
optoelektronicznego sensora do wykrywania lotnych marke-
rów chorobowych. Detekcja będzie oparta na pomiarze
absorpcji światła na długościach fal charakterystycznych dla
poszukiwanych związków. Jak wynika ze wstępnych analiz,
oczekiwane przekroje czynne na absorpcję są mniejsze od
10-17 cm2. Dlatego zastosowane będą wysokoczułe techniki
spektroskopii laserowej takie jak spektroskopia w komór-
kach wieloprzejściowych oraz spektroskopia strat we wnęce
optycznej (znana też jako Cavity Ring Down Spectroscopy
CRDS). Charakteryzują się one różnymi poziomami
czułości i nawzajem się uzupełniają. Widma absorpcyjne
markerów obejmują zazwyczaj zakres bliskiej i średniej
podczerwieni, choć niektóre mają pasma w zakresie
widzialnym i bliskiego UV. Ze względu na to, że widma te
często składają się z wąskich linii, zachodzi konieczność
bardzo precyzyjnego dostrojenia długości fali źródła do tych
linii (z dokładnością do 10-6). Można to osiągnąć za pomocą
przestrajalnych jednomodowych diod laserowych albo
kwantowych laserów kaskadowych (tzw. laserów QC).
Analiza widm absorpcyjnych wybranych biomarkerów
W technikach laserowej spektroskopii absorpcyjnej
kluczowym aspektem jest określenie widm absorpcyjnych
badanych związków chemicznych. Mają one ścisły związek
z parametrami sensora takimi jak selektywność i czułość.
W celu osiągnięcia jak najkorzystniejszych wartości tych
parametrów należy wybrać laser, którego długość fali
promieniowania jest dopasowana do maksymalnej wartości
przekroju czynnego na absorpcję danego biomarkera.
W technikach wykorzystujących komórki wieloprzejściowe
lub wnęki optyczne, konieczne jest także dobranie
odpowiednich zwierciadeł aby maksymalne wartości ich
współczynników odbicia przypadały również na ten zakres
długości fal. Na rysunku 1 przedstawiono zależność
wartości przekroju czynnego na absorpcję wybranych
biomarkerów od długości fali. Obliczenia wykonano
na podstawie danych z bazy Hitran 2008.
Analizy widm absorpcyjnych wykazały, że do
diagnostyki wydychanych związków chemicznych, istotny
może być zakres długości fal obejmujący m.in. zakres
tzw. bliskiej i średniej podczerwieni.
Rys.1. Zależność wartości przekroju czynnego na absorpcję
wybranych biomarkerów od długości fali promieniowania
Jak wspomniano wcześniej, o przydatności metody
pomiarowej decyduje w głównej mierze jej czułość.
Parametr ten może mieć istotny wpływ na losy chorego.
Zastosowanie różnych technik wykorzystujących
spektroskopię laserową, do analizy wydychanego
powietrza, jest ograniczone głównie do małych cząstek
(do około 40 jednostek masy atomowej). Wykorzystuje się
w nich rotacyjno-wibracyjne przejścia absorpcyjne, które
tworzą grupę dobrze rozdzielonych linii widmowych i które
mogą być skutecznie wykorzystane do detekcji danych
związków (stanowią tzw. fingerprint molekuły). Dla
większych i bardziej złożonych cząsteczek, widma
absorpcyjne są bardziej złożone i rozmyte, a dodatkowo
mogą się częściowo pokrywać z widmami innych związków
zawartych w wydychanym powietrzu. Stanowić to może
istotną barierę dla ich identyfikacji przy stosowaniu tylko
absorpcyjnej spektroskopii laserowej.
Przy wyborze linii absorpcyjnej danego biomarkera
ważne jest także, aby zminimalizować wpływ widm
absorpcyjnych innych gazów (tzw. interferentów).
W przypadku wykrywania tlenku azotu (biomarkera astmy)
takim właśnie interferentem jest woda. Na rysunku 2
przedstawiono widmo absorpcyjne tlenku azotu i wody oraz
zaznaczono obszar, który odpowiada zakresowi
przestrajania komercyjnie dostępnego lasera QC firmy
Alpes Lasers SA. Wykres ten pokazuje, że istnieje
możliwość dopasowania długości fali promieniowania
laserowego do maksymalnej wartości przekroju czynnego
na absorpcję tego gazu. Dla lasera QC, na długość fali
emitowanego promieniowania ma wpływ napięcie i prąd
jego zasilania, temperatura pracy oraz czas trwania
impulsów i częstotliwość ich repetycji. Odpowiedni dobór
tych parametrów umożliwia uzyskanie określonej długości
fali oraz mocy promieniowania laserowego. Aby uzyskać
wymaganą stabilność długości fali niezbędne jest
zastosowanie wydajnych układów stabilizacji temperatury
oraz rozbudowanych układów zasilania.
Rys.2. Przykładowe widmo absorpcyjne NO oraz zakres
przestrajania lasera QC
Projekt systemu
Proponowany demonstrator wysokoczułego optoelektro-
nicznego systemu do wykrywania markerów chorobowych
będzie składał się z trzech układów: pobierania próbek,
detekcji biomarkerów i przetwarzania sygnałów. Układ
detekcji tworzą trzy sensory składające się z modułów op-
tycznych, źródeł promieniowania optycznego, układów
wprowadzania światła oraz modułów detekcji promienio-
wania optycznego (DPO). Sygnały wyjściowe z modułów
detekcyjnych będą analizowane w układzie przetwarzania
sygnałów składającego się z układów cyfrowego
przetwarzania i archiwizacji danych pomiarowych (rys.3).
Ważnym elementem systemu będzie także układ do
pobierania i dozowania próbek markerów chorobowych.
Jednym z jego zadań będzie minimalizacja niekorzystnego
wpływu wody na pomiary koncentracji biomarkerów w
badanej próbce wydychanego powietrza (np. przez
osuszanie za pomocą membran nafionowych). Opracowany
system umożliwi jednoczesne wykrywanie trzech markerów.
Dwa moduły optyczne systemu będą zawierały wnęki
optyczne o dużej dobroci, które stosuje się w technice
SSWO. W tym wypadku pomiar koncentracji biomarkerów
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 89 NR 10/2013 141
przeprowadza się poprzez porównanie dobroci wnęk dla
dwóch przypadków: gdy wnęki są puste (wolne od biomar-
kerów) i gdy wnęki są nimi wypełnione. Pojawienie się
absorbera, zmniejsza dobroć wnęki dla określonej długości
fali odpowiadającej jego linii absorpcyjnej. Efekt ten można
wykryć jedynie stosując promieniowanie precyzyjnie
dostrojone do linii absorpcyjnej badanego gazu. Obserwuje
się wówczas zwiększenie strat i skrócenie czasu zaniku
promieniowania we wnęce. Dokładny opis tej techniki
można znaleźć we wcześniejszych pracach autorów [7-8].
Rys.3. Projekt zintegrowanego systemu do analizy wydychanego
powietrza
W trzecim module optycznym zostanie zastosowana
komórka wieloprzejściowa. Dzięki niej uzyskuje się
wydłużenie drogi optycznej światła przechodzącego przez
absorber, co zasadniczo wpływa na zwiększenie czułości
sensora. Efekt ten jest osiągnięty poprzez wielokrotne
odbicie promieniowania we wnętrzu wnęki pomiarowej, na
końcach której umieszczono zwierciadła o dużym
współczynniku odbicia. Zwierciadła te wyposażone są
w specjalne otwory (jeden lub dwa) do wprowadzania
wiązki promieniowania i do jej rejestracji. Dzięki
wielokrotnym odbiciom światło przechodzi przez komórkę
kilkadziesiąt do kilkuset razy, co umożliwia pomiar
współczynnika absorpcji nawet rzędu 10-7 cm-1.
Pomiar koncentracji gazów z czułością na poziomie ppb
wymaga również zastosowania odpowiednio czułych
fotodetektorów. W zakresie UV, VIS oraz bliskiej podczer-
wieni mogą to być fotodiody lawinowe i fotopowielacze
(wraz z licznikami fotonów). Do detekcji promieniowania w
zakresie średniej podczerwieni użyte zostaną moduły
detekcyjne wytwarzane w firmie Vigo System S.A, o
czułości bliskiej BLIP (Background Limited Infrared
Photodetector) [9].
Na etapie testów sensorów planuje się zastosowanie
dwóch przestrajalnych optycznych generatorów
parametrycznych. Jeden z nich, na zakres 3,4÷16 µm
znajduje się w Instytucie Optoelektroniki WAT, natomiast
drugi na zakres 0,4÷2,5 µm w Instytucie Fizyki
Doświadczalnej UW. Testy te będą dotyczyły określenia
możliwości wykrycia określonych biomarkerów a następnie
sformułowanie założeń do budowy poszczególnych
elementów systemu. Podczas tych badań, próbki
referencyjne biomarkerów będą wytwarzane za pomocą
generatora gazów 491M firmy Kintek.
Rozpatruje się również możliwość użycia modułu do
wzbogacenia próbek. Jego zastosowanie zwiększy
prawdopodobieństwo wykrycia biomarkerów o ekstremalnie
małym stężeniu. Badania nad takimi modułami są
prowadzone w Katedrze Chemii Środowiska i Bioanalityki
kierowanej przez prof. B. Buszewskiego z Wydz. Chemii
UMK w Toruniu [10]. Stosowane przez tę grupę moduły
wzbogacania w postaci bardzo cienkich włókien o grubości
ludzkiego włosa pokryte cienką warstwą polimeru potrafią
wyselekcjonować konkretne biomarkery. Zespół ten
proponuje zastosowanie rurek sorpcyjnych z wypełniaczem
typu „smart” oraz włókien typu mikro z rozwiniętą
nanostrukturą. Składniki wychwycone przez tego rodzaju
moduły z większej objętości analizowanego powietrza
można następnie przenieść do opracowanego systemu.
Uwolnienie biomarkerów z modułu do wzbogacenia próbek
następuje na skutek podgrzania. Zatem do sensora
doprowadzone zostaną próbki o znacznie większym
stężeniu. Umożliwi to tym samym znaczne obniżenie progu
detekcji całego systemu do wykrywania biomarkerów.
Podsumowanie
Zaletą optycznych metod detekcji gazów, poza ich dużą
czułością, jest brak konieczności przygotowywania próbki,
krótki czas pomiaru (krótszy od 1 min.) i duża selektywność.
Stosując lasery przestrajalne można wykrywać zjawisko
absorpcji poszukiwanego związku na charakterystycznych
liniach widmowych, niezakłóconych przez inne komponenty
zawarte w wydychanym powietrzu.
Do głównych zalet takiej diagnostyki należy zaliczyć:
bezbolesność i nieinwazyjność (brak konieczności przepro-
wadzania punkcji, wprowadzania instrumentów kontrolno-
pomiarowych do organizmu, używania kontrastów, itp.),
prostota użytkowania (brak konieczności przechowywania i
transportu próbki oraz przygotowania jej do analizy), możli-
wość wielokrotnego użycia, pomiar w czasie rzeczywistym,
brak dodatkowych obciążeń dla pacjentów (szczególnie
istotne dla dzieci i starszych osób), możliwość wykrycia
zmian chorobotwórczych na poziomie molekularnym.
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach
2012-2015 w ramach projektu ID: 179900 oraz ID 170927.
LITERATURA
[1] Pauling L., et al., Quantitative analysis of urine vapor and
breath by gas-liquid partition chromatography, Proc. Natl. Acad.
Sci. 68 (1971), 2374-2384
[2] O’Neill H., et al., A computerized classification technique for
screening for the presence of breath biomarkers in lung cancer,
Clin. Chem. 34 (1988), 1613-1618
[3] Ligor T., Analityka wydychanego powietrza z zastosowaniem
sprzężonych technik chromatograficznych z przeznaczeniem
do badań przesiewowych chorób płuc, Wydawnictwo UMK,
2011.
[4] Wang C., Sahay P., Breath Analysis Using Laser
Spectroscopic Techniques: Breath Biomarkers, Spectral
Fingerprints, and Detection Limits, Sensors 9 (2009), 8230-
8262
[5] Wojtas J., et al., Ultrasensitive laser spectroscopy for breath
analysis, OptoElectron. Rev. 20/1 (2012) 77-90
[6] Buszewski B., et. al., Identification of volatile organic
compounds secreted from cancer tissues and bacterial
cultures, J. Chromatography B 868(2008), 88-94
[7] Bielecki Z., Stacewicz T., Optoelektroniczny sensor ditlenku
azotu-analiza i wymagania konstrukcyjne, Wydawnictwo WAT,
Warszawa, 2011.
[8] Stacewicz T., et al., Cavity Ring Down Spectroscopy: detection
of trace amounts of matter, Opto-Electron. Rev. 20/1, 2012, 34-
41
[9] Gawron W., et al., Infrared detection module for optoelectronic
sensors, Proc. of SPIE, 8353-125(2012)
[10] Ligor T., et al., The analysis of healthy volunteers’ exhaled
breath by use of solid phase microextraction and GC-MS,
J. Breath Research 2/4 (2008),046006
Autorzy: prof. dr hab. Tadeusz Stacewicz, Uniwersytet War-
szawski, Wydział Fizyki, Instytut Fizyki Doświadczalnej, ul. Hoża
69, 00-681 Warszawa, E-mail: Tadeusz.Stacewicz@fuw.edu.pl;
prof. dr hab. inż. Zbigniew Bielecki, Wojskowa Akademia
Techniczna, Instytut Optoelektroniki, ul. Gen. S. Kaliskiego 2, 00-
908 Warszawa, E-mail: zbielecki@wat.edu.pl; dr inż. Jacek Wojtas,
E-mail: jwojtas@wat.edu.pl; dr inż. Janusz Mikołajczyk, E-mail:
jmikolajczyk@wat.edu.pl
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Article
Full-text available
At present there are many reasons for seeking new methods and technologies that aim to develop new and more perfect sensors for different chemical compounds. However, the main reasons are safety ensuring and health care. In the paper, recent advances in the human breath analysis by the use of different techniques are presented. We have selected non-invasive ones ensuring detection of pathogenic changes at a molecular level. The presence of certain molecules in the human breath is used as an indicator of a specific disease. Thus, the analysis of the human breath is very useful for health monitoring. We have shown some examples of diseases’ biomarkers and various methods capable of detecting them. Described methods have been divided into non-optical and optical methods. The former ones are the following: gas chromatography, flame ionization detection, mass spectrometry, ion mobility spectrometry, proton transfer reaction mass spectrometry, selected ion flow tube mass spectrometry. In recent twenty years, the optical methods have become more popular, especially the laser techniques. They have a great potential for detection and monitoring of the components in the gas phase. These methods are characterized by high sensitivity and good selectivity. The spectroscopic sensors provide the opportunity to detect specific gases and to measure their concentration either in a sampling place or a remote one. Multipass spectroscopy, cavity ring-down spectroscopy, and photo-acoustic spectroscopy were characterised in the paper as well.
Article
Full-text available
We describe several applications of cavity ring−down spectroscopy (CRDS) for trace matter detection. NO 2 sensor was con− structed in our team using this technique and blue−violet lasers (395–440 nm). Its sensitivity is better than single ppb. CRDS at 627 nm was used for detection of NO 3. Successful monitoring of N 2 O in air requires high precision mid−infrared spectros− copy. These sensors might be used for atmospheric purity monitoring as well as for explosives detection. Here, the spectros− copy on sharp vibronic molecular resonances is performed. Therefore the single mode lasers which can be tuned to selected molecular lines are used. Similarly, the spectroscopy at 936 nm was used for sensitive water vapour detection. The opportu− nity of construction of H 2 O sensor reaching the sensitivity about 10 ppb is also discussed.
Article
Full-text available
We describe several applications of cavity ring-down spectroscopy (CRDS) for trace matter detection. NO2 sensor was constructed in our team using this technique and blue-violet lasers (395–440 nm). Its sensitivity is better than single ppb. CRDS at 627 nm was used for detection of NO3. Successful monitoring of N2O in air requires high precision mid-infrared spectroscopy. These sensors might be used for atmospheric purity monitoring as well as for explosives detection. Here, the spectroscopy on sharp vibronic molecular resonances is performed. Therefore the single mode lasers which can be tuned to selected molecular lines are used. Similarly, the spectroscopy at 936 nm was used for sensitive water vapour detection. The opportunity of construction of H2O sensor reaching the sensitivity about 10 ppb is also discussed.
Article
Full-text available
Breath analysis, a promising new field of medicine and medical instrumentation, potentially offers noninvasive, real-time, and point-of-care (POC) disease diagnostics and metabolic status monitoring. Numerous breath biomarkers have been detected and quantified so far by using the GC-MS technique. Recent advances in laser spectroscopic techniques and laser sources have driven breath analysis to new heights, moving from laboratory research to commercial reality. Laser spectroscopic detection techniques not only have high-sensitivity and high-selectivity, as equivalently offered by the MS-based techniques, but also have the advantageous features of near real-time response, low instrument costs, and POC function. Of the approximately 35 established breath biomarkers, such as acetone, ammonia, carbon dioxide, ethane, methane, and nitric oxide, 14 species in exhaled human breath have been analyzed by high-sensitivity laser spectroscopic techniques, namely, tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), cavity ringdown spectroscopy (CRDS), integrated cavity output spectroscopy (ICOS), cavity enhanced absorption spectroscopy (CEAS), cavity leak-out spectroscopy (CALOS), photoacoustic spectroscopy (PAS), quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS), and optical frequency comb cavity-enhanced absorption spectroscopy (OFC-CEAS). Spectral fingerprints of the measured biomarkers span from the UV to the mid-IR spectral regions and the detection limits achieved by the laser techniques range from parts per million to parts per billion levels. Sensors using the laser spectroscopic techniques for a few breath biomarkers, e.g., carbon dioxide, nitric oxide, etc. are commercially available. This review presents an update on the latest developments in laser-based breath analysis.
Article
Full-text available
A simple computer-based screening technique has been developed for classifying human expired air components into 16 chemical classes, based on empirical formulas. The sort procedure was developed to simplify the screening of the composition of expired air samples by sorting all components into chemical classes and classifying components at the greater than 75% and greater than 90% occurrence levels. Both occurrence-rate components are then evaluated as diagnostic markers in a discriminant function model for their ability to detect lung cancer. Of the 386 components detected in the gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) data files, 45 components were present at the greater than 75% occurrence level and 28 components at the greater than 90% occurrence level. Thus, this preliminary sort routine, performed by using a simple macro program installed into a standard personal-computer spread-sheet, greatly reduces the amount of data required for statistical treatment. Such a sort routine can also be applied as easily to other complex GC/MS data files for the purpose of data reduction.
Article
A simple computer-based screening technique has been developed for classifying human expired air components into 16 chemical classes, based on empirical formulas. The sort procedure was developed to simplify the screening of the composition of expired air samples by sorting all components into chemical classes and classifying components at the greater than 75% and greater than 90% occurrence levels. Both occurrence-rate components are then evaluated as diagnostic markers in a discriminant function model for their ability to detect lung cancer. Of the 386 components detected in the gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) data files, 45 components were present at the greater than 75% occurrence level and 28 components at the greater than 90% occurrence level. Thus, this preliminary sort routine, performed by using a simple macro program installed into a standard personal-computer spread-sheet, greatly reduces the amount of data required for statistical treatment. Such a sort routine can also be applied as easily to other complex GC/MS data files for the purpose of data reduction.
Conference Paper
The paper presents the new infrared detection module developed at the VIGO System Ltd. Its high sensitivity of was achieved by both matching the IR detector to the preamp and minimizing noises. High sensitivity of the detector was achieved by using photodiodes with immersion lens. Immersion lens enables optimization of the detector area, decreasing detector capacity and time constant. Detector noise was reduced as a result of photodiode cooling by means of a thermoelectric cooler and reverse biasing. Developed module is dedicated to NOx optoelectronic sensors operates basing on Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy technique.
Article
We analysed breath and inhaled room air samples from 39 healthy volunteers (28 non-smokers, 8 smokers and 3 ex-smokers) by SPME-GC-MS. Mixed expiratory and indoor air samples were collected in freshly cleaned Tedlar bags. Eighteen millilitres of each sample were transferred into sealed, evacuated glass vials, preconcentrated by solid-phase microextraction (SPME, carboxen/polydimethylsiloxane) and investigated by gas chromatography with mass spectrometric detection (GC-MS). For the unequivocal identification of potential marker compounds, pure calibration mixtures of reference compounds (depending on commercial availability) were prepared to determine the retention time and mass spectra with respect to our analytical setting. Applying the adapted SPME-GC/MS method with limit of detection in the high ppb range (0.05-15.00 ppb), we succeeded in identifying altogether 38 compounds with concentrations in exhaled breath being at least 50% higher than concentration in inhaled air. From these 38 compounds, 31 were identified not only by the spectral library match but also by retention time of standards. A comparison of retention times and spectrum obtained for standards and determined compounds was performed. We found hydrocarbons (isoprene, 2-pentene, 2-methyl-1-pentene, benzene, toluene, p-cymene, limonene, 2,4-dimethylheptane, n-butane), ketones (acetone, hydroxypropanone, methylvinyl ketone), ethers (dimethyl ether, 1,3-dioxolane), esters (ethyl acetate), aldehydes (propanal, hexanal, heptanal, acrolein) and alcohols (ethanol, 2-metoxyethanol, isopropyl alcohol, 2,2,3,3- tetramethylcyclopropanemethanol, 3,4-dimethylcyclohexanol). Proper identification of compounds in different cohorts of patients and volunteers is the base for further investigation of origin, biochemical background and distribution of potential breath biomarkers.