Профессор Маркус Сигрист руководит группой лазерной спектроскопии в Институте квантовой электроники Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе. В интервью «ФИАН-Информ» он рассказал о применении средств спектроскопии, разработанных его группой с использованием перестраиваемых лазеров.
Частоту излучения в перестраиваемых лазерах можно изменять в спектральном диапазоне, по ширине значительно превышающем ширину линии излучения лазера. Они позволяют изучать поглощающие свойства молекул и быстро получать высокоточную «картину» вещества, поэтому всё чаще их используют в аналитических приборах для фундаментальной спектроскопии и её приложений. В нашей лаборатории разрабатываются и создаются системы с использованием перестраиваемых лазеров, работающих в средневолновой инфракрасной области спектра, где большинство молекул имеет сильное поглощение, а также очень специфическое поглощение как, например, молекулы, образующие отпечатки пальцев. Мы создаём системы для газоанализа. Начали с изучения атмосферных и промышленных газов, а в последнее время перешли к применению лазерных технологий в медицине. Поражает, сколько разнообразных направлений использования в одной только этой сфере уже удалось «нащупать», и сколько ещё, как мы надеемся, предстоит.
Так, мы предложили способ измерения концентрации глюкозы в тканях организма. Это неинвазивный метод, и он должен заинтересовать больных диабетом, которым приходится замерять уровень сахара в крови по несколько раз в день. Для измерения используется квантово-каскадный лазер с излучением в средней инфракрасной области спектра (длина волны около 10 мкм) и фотоакустический сенсор. Разработан метод для спектроскопического анализа выдыхаемого воздуха. Такой анализ может пригодиться врачам как неинвазивный метод диагностики заболеваний.
Квантово-каскадные лазеры (ККЛ) – довольно молодое и очень перспективное направление. Это полупроводниковые лазеры, излучающие в средней и дальней (терагерцевой) инфракрасной области спектра. А поскольку терагерцевые волны сочетают свойства «соседей» по спектру, у них высокая проникающая способность и они легко фокусируются. При этом, в отличие от рентгеновского, терагерцевое излучение безвредно. Своё название ККЛ получили из-за механизма генерации излучения. Обычные полупроводниковые лазеры излучают путём взаимодействия (рекомбинации) электронно-дырочных пар через запрещённую зону полупроводника, не заполненную электронами. В квантово-каскадных лазерах луч формируется, когда электроны перемещаются между слоями гетероструктуры полупроводника внутри одной зоны. Эти слои чуть различаются по толщине и разделены слоями другого материала, поэтому разные уровни энергии образуют своего рода «лестницу», по которой электрон и «спускается», испуская фотон на каждой «ступени».
Перестраиваемые лазеры применяются также, например, в электрохирургии. При проведении операций с использованием электроножей или лазеров зачастую выделяется некоторое количество дыма. Его немного, и всё же возникает вопрос, не содержит ли он компоненты, токсичные или опасные для пациента или медперсонала, и главное – в какой концентрации? Теперь мы можем проводить количественный анализ и определять химический состав дыма. Измерения in vivo (в организме), которые стали возможны благодаря сотрудничеству с Университетской больницей Цюриха, показывают, что концентрации большинства газов не превышают норму; только газообразный анестетик (C4H3F7O) содержится в большом количестве.
Эти лазеры находят применение и для выявления наркотиков в организме. Используемые сейчас методы не очень надёжны и, в случае положительного результата, требуют дополнительного и довольно дорогостоящего анализа в лаборатории. Оптическое детектирование могло бы упростить эту процедуру. Так, мы выявляли пробы кокаина в слюне с помощью Фурье-спектрометров и квантово-каскадных лазеров. Сейчас предстоит работа по повышению чувствительности прибора, которая в сочетании с миниатюрностью и простотой сделает его перспективным для широкого практического использования.
По материалам «ФИАН-информ»
