Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Способ фотоакустического анализа материалов и устройство для его реализации.




По патенту : (RU 2435514)

 

Традиционные способы анализа материалов, такие как абсорбционная и люминесцентная спектроскопия, топографическая и Раман-спектроскопия, измерения изменений поляризации и отражения света, не являются достаточно приемлемыми для мутных сред, например таких, как ткань человека, ввиду значительного диффузного рассеяния зондирующего светового луча. Альтернативой указанным методам является фотоакустический анализ материалов, в котором используют лазерный луч для быстрого нагрева образца, приводящего к генерации акустической волны давления, которая может быть измерена высокочувствительными детекторами ультразвука, такими как пьезоэлектрические кристаллы, микрофоны, сенсоры на оптических волокнах, лазерные интерферометры или дифракционные сенсоры.

Длину волны лазерного излучения выбирают из области полосы поглощения представляющего интерес компонента в анализируемом материале (среде). Таким образом, лазерное облучение материала используют для генерации акустической волны при сканировании спектра лазерного излучения. Применение фотоакустической спектроскопии для неинвазивного измерения уровня глюкозы в крови и в тканях человека обеспечивает более высокую чувствительность по сравнению с традиционными способами анализа материалов. Высокая степень корреляции между фотоакустическим сигналом и уровнем глюкозы в крови была продемонстрирована при измерении концентрации глюкозы в крови здоровых людей и людей, больных диабетом.

В патенте на изобретение США №5941821 (МПК А61В 5/00 (20060101); А61В 5/00) и в патенте на изобретение США №6049728 (МПК А61В 5/00 (20060101); А61В 5/00) описаны способ и устройство, предназначенные для неинвазивных измерений концентрации глюкозы в крови, в которых для возбуждения акустических колебаний в исследуемой среде используют источник электромагнитного излучения с длиной волны, соответствующей требованиям абсорбционного анализа. В результате облучения возбуждение акустических колебаний происходит в относительно тонком слое исследуемой среды, характеризуемом длиной тепловой диффузии.

Акустическое излучение регистрируют дифференциальным микрофоном, один конец которого помещают в измерительной ячейке, а другой - в эталонной ячейке. Процессор определяет концентрацию исследуемого компонента на основе регистрируемого акустического сигнала. Для определения концентрации глюкозы в потоке крови источник электромагнитного излучения предварительно настраивают таким образом, что длина волны излучения попадает в диапазон, совпадающий с полосой поглощения глюкозы в спектральных областях примерно 1520-1850 нм и 2050-2540 нм, для того, чтобы возбудить сильное фотоакустическое излучение. В указанных диапазонах длин волн поглощение электромагнитного излучения водой сравнительно слабое, а поглощение глюкозой сравнительно сильное. Таким образом, даже, несмотря на то, что ткани человека могут иметь высокое содержание воды, электромагнитное излучение в указанных выше диапазонах длин волн способно проникать через ткань на глубину, достаточную для точных измерений. Несмотря на поглощение водой акустический сигнал, который генерируется вследствие поглощения электромагнитного излучения глюкозой, не подавляется сигналом, который генерируется водой. Оптическое поглощение глюкозой электромагнитного излучения вызывает увеличение температуры и генерацию акустического излучения непосредственно в окружающую среду. Можно считать, что интенсивность акустического излучения пропорциональна концентрации глюкозы.

В патенте на изобретение США №6403944 (МПК А61В 5/00 (20060101); H01L 031/00) и в патенте на изобретение США №6833540 (МПК А61В 5/00 (20060101); H01L 031/00) описывается система, предназначенная для измерения концентрации глюкозы в крови, включающая направление лазерных импульсов из световода в часть тела, состоящую из мягкой ткани, такую как кончик пальца, для генерации акустического сигнала, который регистрируют с помощью приемника и анализируют для получения значения искомого параметра.

В патенте на изобретение США №6484044 (МПК А61В 5/00 (20060101); G01N 21/17 (20060101); А61В 005/00) описано устройство, предназначенное для обнаружения вещества в материале, преимущественно для неинвазивного обнаружения и измерения концентрации глюкозы в тканях тела или крови. Известное устройство включает полупроводниковый лазер, излучающий, по крайней мере, две дискретные длины волны из среднего инфракрасного диапазона, каждая из которых соответствует максимуму или минимуму в спектре поглощения исследуемого вещества в тестируемом образце. Фотоакустический детектор регистрирует акустические сигналы, возбуждаемые при поглощении лазерного излучения. Измерительная система оценивает акустические сигналы отдельно для каждой длины волны и вычисляет результат измерения на основе всех акустических сигналов, возникающих от различных длин волн.

Однако ввиду очень низкого пропускания кожей света среднего инфракрасного диапазона, акустические сигналы возбуждаются в очень тонком слое эпидермиса кожи человека, где концентрация глюкозы чрезвычайно мала. Таким образом, упомянутое выше фотоакустическое устройство не позволяет получать релевантные значения концентрации глюкозы в крови. Согласно патенту США на изобретение №5941821(МПК А61В 5/00 (20060101); А61В 005/00) и патенту на изобретение США №6049728 (МПК А61В 5/00 (20060101); А61В 005/00) при длине волны излучения, соответствующей полосе поглощения глюкозы в спектральной области 1520-1850 нм, поглощение электромагнитного излучения водой сравнительно слабое, а поглощение глюкозой сравнительно сильное. Глубина проникновения света в этом интервале длин волн в ткани человека составляет 0.5 - 3 мм и находится в пределах слоя дермиса кожи, где концентрация глюкозы в межклеточной жидкости, окружающей клетки ткани, примерно на 10% меньше концентрации глюкозы в крови. В то же время, в указанном интервале длин волн нельзя указать однозначно максимум или минимум в спектре поглощения глюкозы, поэтому применение фотоакустического устройства, согласно упомянутому патенту на изобретение США №6484044, не представляется возможным.

Патент на изобретение США №6921366 (МПК А61В 5/00 (20060101); G01N 21/17 (20060101); G01N 21/47 (20060101); G01N 21/49 (20060101); А61В 005/00) описывает способ и устройство, предназначенные для неинвазивного измерения концентрации биологической жидкости, на основе фотоакустической спектроскопии. Устройство содержит источник света с заданной полосой длин волн излучения, поглощаемого исследуемым компонентом тела человека. Устройство также содержит генератор акустических сигналов для генерации первого акустического сигнала, имеющего такую же полосу частот, что и фотоакустический сигнал, который генерируется, когда падающий свет поглощается исследуемым компонентом. Предполагается, что модуляция указанных сигналов позволит повысить точность измерений.

Однако все упомянутые выше известные фотоакустические способы и соответствующие устройства не учитывают собственные акустические свойства тестируемой среды и их зависимость от концентрации исследуемого компонента, что не позволяет добиться требуемой точности измерений и, к тому же, приводит к необходимости применения лазерного излучения значительной мощности.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является изобретение, описанное в патенте США №6466806 (МПК А61В 5/00 (20060101); G01N 21/17 (20060101); А61В 005/00). В известном патенте описаны способ и устройство для фотоакустического анализа материалов, в которых концентрация представляющего интерес компонента в исследуемом материале определяется методом резонансной фотоакустической спектроскопии с применением серии коротких эквидистантных импульсов, регулируемых по длительности, энергии, числу и частоте их следования. Длину волны света выбирают в области полосы поглощения исследуемого компонента. Фотоакустические колебания возбуждаются при поглощении света в тонком слое исследуемого материала и определяются длиной тепловой диффузии. Частоту следования импульсов в серии выбирают равной частоте собственных акустических колебаний тонкого слоя среды, который можно рассматривать как тонкую мембрану. Таким образом, акустические колебания становятся резонансными. Концентрацию исследуемого компонента определяют путем измерения амплитуды и частоты резонансных фотоакустических колебаний. Так же как и способ, описанный в указанном патенте, заявляемый способ включает облучение поверхности исследуемого материала, содержащего представляющий интерес компонент, серией коротких эквидистантных импульсов света с заданной длиной волны и регулируемых по длительности, энергии, числу и частоте их следования, возбуждение фотоакустических колебаний в исследуемом материале и их регистрацию.

Выбранное в качестве ближайшего аналога устройство, описанное в указанном патенте США №6466806, так же как и заявляемое устройство, содержит источник света, предназначенный для возбуждения фотоакустических колебаний в исследуемом материале, детектор, предназначенный для регистрации фотоакустических колебаний и генерации электрических сигналов, соответствующих амплитуде и частоте упомянутых фотоакустических колебаний, и процессор, предназначенный для определения концентрации представляющего интерес компонента в исследуемом материале на основании поступающих в него электрических сигналов.

Описанные способ и устройство могут использоваться для мониторинга компонентов крови, преимущественно глюкозы. Способ резонансной фотоакустики позволяет повысить отношение сигнала к шуму и уровень чувствительности.

К сожалению, указанный в ближайшем аналоге способ фотоакустического анализа материалов и соответственно устройство для его реализации имеют серьезный недостаток, связанный с невозможностью выполнения достаточно точных измерений в случае, когда границы полосы поглощения представляющего интерес компонента «размываются» вследствие поглощения света другими компонентами, полосы поглощения которых перекрываются с полосой поглощения представляющего интерес компонента в исследуемом материале.[3]

 

 


Поделиться:

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 37; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.007 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты