ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 8, с. 70-72
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 535.71
РАСЧЕТ СПЕКТРА АММИАКА КАК БИОМАРКЕРА В КОМБ-СПЕКТРОСКОПИИ В ОБЛАСТИ СПЕКТРА 1.5 МКМ
© 2015 г. С. В. Савельева, С. А. Пулькин*, В. А. Арнаутов, А. А. Калиничев, С. В. Уварова, Е. Н. Борисов, А. И. Канцеров
Санкт-Петербургский Государственный университет *Е-таИ: spulkin@mail.ru Поступила в редакцию 09.11.2014
Рассчитан спектр поглощения аммиака в воздухе при давлении 0.01 атм. Показано, что для использования аммиака как биомаркера для ранней диагностики заболеваний целесообразно применение нового метода комб-спектроскопии с компенсацией доплеровского уширения на однофотонном переходе. Для регистрации поглощения в области спектра 1.5 мкм необходимо использование многоходовой кюветы. Для повышения чувствительности измерений на 2—3 порядка необходим переход в область спектра 6—10 мкм.
Ключевые слова: аммиак, биомаркер, комб-спектроскопия без доплеровского уширения.
Б01: 10.7868/80207401X15080191
1. ВВЕДЕНИЕ
Аммиак (МИ3), как и многие другие газообразные молекулы выдыхаемого человеком воздуха, является типичной газообразной молекулой-биомаркером. Продуцируясь в организме человека в результате разнообразных процессов, связанных с регулированием скоростей биохимических реакций, передачей информации, обновлением или изменением структур организма и течением патологических процессов [1], аммиак играет в жизнедеятельности организма значительную роль. Данные о выделении молекул-маркеров могут быть использованы для изучения и диагностики биофизических и физиологических процессов, происходящих в организме человека как в норме, так и при патологиях. Мониторинг анализа выдыхаемого человеком воздуха является неинва-зивным методом, который может проводиться с любой кратностью, что в свою очередь позволяет исследовать пробы выдыхаемого воздуха более тщательно и контролировать состояние человека в динамике.
Аммиак образуется практически во всех органах и тканях, являясь одним из конечных продуктов азотистого обмена [1, 2]. Детектирование аммиака в выдыхаемом воздухе позволило бы диагностировать заболевания, связанные с дисфункциями печени и почек, нарушением кислотно-основного баланса, нарушением обмена веществ, хроническую и острую лучевую болезнь, а также может быть использовано для контроля диализа и диа-
гностики рака легкого [3—5]. Содержание аммиака в выдыхаемом человеком воздухе составляет в норме 0.25—2.9 млн-1 [6].
Методика, применяемая для анализа состава выдыхаемого воздуха, должна обладать определенными характеристиками:
1) возможностью одновременного детектирования и идентификации различных молекулярных соединений;
2) высокой чувствительностью к концентрации детектируемых веществ 10-2 млрд-1-0.1 млн-1 и точностью определения концентрации исследуемых молекул 3-5% [3, 5];
3) высокой селективностью;
4) быстродействием на уровне 0.1 с [5];
5) простотой использования;
6) небольшой стоимостью оборудования и процедуры исследования.
Молекула аммиака представляет собой тетраэдр, в основании которого располагаются атомы водорода, а в вершине - атом азота, и является по типу своей структуры симметричным волчком. Молекула обладает электрическим дипольным моментом, который направлен вдоль оси симметрии от атома азота к плоскости атомов водорода. Наличие оси симметрии приводит к возможности пространственного квантования момента количества движения относительно этой оси. Величина проекции момента количества движения на ось симметрии и соответствующий ей энергетиче-
РАСЧЕТ СПЕКТРА АММИАКА КАК БИОМАРКЕРА
71
k, 10-7 см-1 6 г
5
4
6612.65 6612.70 6612.75 6612.80 6612.85
V, см 1
Зависимость коэффициента поглощения (в см-1) аммиака от волнового числа (в см-1) с концентрацией 3 млн-1 (0.003%) в смеси выдыхаемых человеком газов в относительных концентрациях: азот — 78.9997%, кислород — 13%, водяной пар — 6%, углекислый газ — 2%; р = 0.01 атм, Т = 296 К. Представлены линии поглощения в диапазоне волновых чисел 6612.63—6612.87 см-1. Широкие полосы имеют гаусовский вид. Узкие пики — лоренцевский контур, которым определяется разрешение при использовании метода комб-спектроскопии во встречных полях.
ский уровень характеризуются дополнительным квантовым числом К, которое может принимать для каждого J (2/ + 1) значений. Вращательные энергетические уровни молекулы аммиака характеризуются набором двух квантовых чисел / и К:
В/ К) = В/(/ + 1) + А - ,
где и Вч — вращательные постоянные. Тогда, в соответствии со сказанным выше, полная колебательно-вращательная энергия симметричного волчка равна
Т = 0(^1, ^2, V* ...) + В/ К),
где 0^, v1, vъ, ...) определяет чисто колебательную энергию.
У молекулы аммиака — шесть колебательных степеней свободы, однако из-за симметричного строения два колебания оказываются дважды вырожденными, вследствие чего молекула МИ3 имеет только четыре колебательные частоты: v1(А1) = = 3336.68 см-1 и v2(А1) = 950.42 см-1 (параллельные полосы), v3(Е) = 3443.47 см-1 и v4(Е) = 1627.75 см-1 (перпендикулярные полосы). Каждая полоса МИ3 в ИК-спектре расщепляется на две вследствие инверсионного удвоения, которое возникает в пирамидальных молекулах, для которых равновероятны две конфигурации. Величина инверсионного расщепления сильно зависит от колебательного состояния молекулы - возрастает с ростом колебательного квантового числа. Кроме того, оно (расщепление) также зависит от вращательного квантового числа / и проекции импульса на ось симметрии, к. Инверсионное расщепление
наиболее явно наблюдается для частот симметричных деформационных колебаний. Таким образом, колебательно-вращательный спектр молекулы аммиака имеет сложную структуру, для детального изучения которой требуется на практике высокое разрешение.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
В настоящей работе исследуется колебательно-вращательный спектр аммиака в ближней ИК-области спектра около 1.5 мкм, что в волновых числах соответствует 6300-7000 см-1. Здесь расположены обертоны и составные частоты основных колебаний: (Аь параллельная полоса), 2 v3 (А1 + А2 + Е, состоит из двух подполос — параллельной и перпендикулярной), v1 + v3 (Е, перпендикулярная полоса), v3 + 2v4(Ax + А2 + 3Е), V + 2^4(АХ + А2 + Е). Полосы v1 + v3, 2vb 2v3 налагаются друг на друга из-за близости частот v1 и v3. Этим интерпретация спектра еще больше усложняется.
С использованием базы данных HITRAN [7] смоделирован методом "line-by-line" спектр поглощения аммиака с характерным для выдыхаемого человеком воздуха его содержанием, составляющим 3 млн-1 в смеси газов, состоящей из азота, кислорода, углекислого газа и водяного пара, в области 1.5 мкм при суммарном давлении 0.01—0.1 атм и Т = 296 K. С целью улучшения разрешения спектральных линий аммиака мы предлагаем методом комб-спектроскопии на частоте однофо-
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА том 34 № 8 2015
72
САВЕЛЬЕВА и др.
тонного перехода компенсировать доплеровский сдвиг [8].
В работе [8] был предложен метод бездопле-ровской комб-спектроскопии для дипольных переходов. Авторами были проведены расчеты для спектра восприимчивости движущихся двухуровневых атомов в сильных встречных комб-полях. Использовался метод, основанный на численном решении уравнений для элементов матрицы плотности. Далее был предложен метод, основанный на разложении элементов матрицы плотности в двойной ряд Фурье по кV (к, V - проекции волнового вектора и скорости группы атомов) и по ^ (разность частот между компонентами ком-ба) [9]. Было показано, что узкие однородно уширенные пики возникают на фоне доплеровского контура. Величина уширения растет с увеличением амплитуды поля. Спектральный диапазон спектра поглощения определяется спектральным диапазоном комб-генератора, и все однородные линии возникают одновременно. Источник комб-импульсов эквивалентен миллиону монохроматических лазеров, он сочетает в себе высокую яркость излучения и широкий спектральный диапазон, что является большим преимуществом для целей микроанализа биомаркеров выдыхаемого воздуха. Спектральное разрешение определяется шириной однородного уширения линий. Физическая природа узких пиков заключается в существовании многофотонных переходов между квазиэнергетическими уровнями, возникающих для различных групп молекул, движущихся со скоростями, которые удовлетворяют резонансному условию 2^ = (п + Г)&, где п, I - целые числа. Мы применили данный метод, используя математический пакет МАТЪАВ, к спектру аммиака в смеси выдыхаемых человеком газов при суммарном давлении р = 0.01 атм и температуре Т = 296 К. На рисунке для спектральных линий в области 6612 см-1 продемонстрировано, что ширину, определяемую до-плеровским уширением порядка 0.025 см-1, можно уменьшить до однородно уширенной порядка 0.001 см-1.
Высокое разрешение, определяемое естественной шириной линии, и яркость излучения способствуют повышению чувствительности и
точности определения концентрации газообразных биомаркеров. Сочетание комб-генератора как источника излучения линейки эквидистантных линий, охватывающей широкий спектральный диапазон и обладающего большой светосилой, и фурье-спектрометра высокого разрешения позволит осуществить метод на практике.
3. ВЫВОДЫ
На основе проделанных вычислений можно сделать вывод, что для уверенной регистрации молекул аммиака в выдыхаемом воздухе в области спектра 1.5 мкм необходимо использование метода комб-спектроскопии с высоким спектральным разрешением и компенсацией доплеровского уширения. При этом также необходимо использование многоходовой кюветы. Для повышения чувствительности на 2—3 порядка (без использования многоходовой кюветы) необходим переход в область спектра 6—10 мкм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Страйер Л. Биохимия. В 3-х томах. М.: Мир, 1985.
2. Тиунов А.А., Кустов В.В. Продукты метаболизма при радиационном поражении. М.: Атомиздат, 1980.
3. Скрупский В.А. Эндогенные летучие соединения — биологические маркеры в физиологии и патологии человека и методы их определения. Научно-технический отчет. М.: Институт океанологии РАН, 1994.
4. Narasimhan L.R., Goodman W., Patel C.K.N. // Proc. Nat. Acad. Sci. 2001.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.