Utilizarea tehnicii de spectroscopie fotoacustic aˆın determinarea [611884]
Universitatea POLITEHNICA din Bucures ,ti
Facultatea de S ,tiint ,e Aplicate
Utilizarea tehnicii de spectroscopie fotoacustic ˘aˆın determinarea
biomarkerilor gazos ,i din respirat ,ia uman ˘a
Lucrare de licent ,˘a
Prezentat ˘a ca cerint ,˘a part ,ial˘a pentru obt ,inerea
titlului de Inginer
ˆın domeniul Inginerie Fizic ˘a
programul de studii Ingineri Zi
Conduc ˘ator s ,tiint ,ific Absolvent: [anonimizat]. Dan Dumitras , Oana Daciana Botta
Anul 2017
Declarat ¸ie de onestitate academic ˘a
Prin prezenta declar c ˘a lucrarea cu titlul Utilizarea tehnicii de spectroscopie fotoacustic ˘aˆın deter-
minarea biomarkerilor gazos ,i din respirat ,ia uman ˘a, prezentat ˘aˆın cadrul Facult ˘at,ii de S ,tiint ,e Aplicate
a Universit ˘at ¸ii “Politehnica” din Bucures ¸ti ca cerint ¸ ˘a part ¸ial ˘a pentru obt ¸inerea titlului de Inginer ˆın
domeniul Inginerie Fizic ˘a, programul de studii Ingineri Zi este scris ˘a de mine s ¸i nu a mai fost pre-
zentat ˘a niciodat ˘a la o facultate sau institut ¸ie de ˆınv˘at ¸˘amˆant superior din t ¸ar ˘a sau str ˘ain˘atate. Declar c ˘a
toate sursele utilizate, inclusiv cele de pe Internet, sunt indicate ˆın lucrare, ca referint ¸e bibliografice.
Fragmentele de text din alte surse, reproduse exact, chiar s ¸i ˆın traducere proprie din alt ˘a limb ˘a, sunt
scrise ˆıntre ghilimele s ¸i fac referint ¸ ˘a la surs ˘a. Reformularea ˆın cuvinte proprii a textelor scrise de
c˘atre alt ¸i autori face referint ¸ ˘a la surs ˘a.ˆInt ¸eleg c ˘a plagiatul constituie infract ¸iune s ¸i se sanct ¸ioneaz ˘a
conform legilor ˆın vigoare. Declar c ˘a toate rezultatele simul ˘arilor, experimentelor s ¸i m ˘asur˘atorilor pe
care le prezint ca fiind f ˘acute de mine, precum s ¸i metodele prin care au fost obt ¸inute, sunt reale s ¸i pro-
vin din respectivele simul ˘ari, experimente s ¸i m ˘asur˘atori. ˆInt ¸eleg c ˘a falsificarea datelor s ¸i rezultatelor
constituie fraud ˘a s ¸i se sanct ¸ioneaz ˘a conform regulamentelor ˆın vigoare.
Bucures ¸ti, Iulie 2017.
Absolvent: [anonimizat]2 2
1. Efectul fotoacustic : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3
1.1. Principiul de baza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Important ,a s,i aplicat ,iile PAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1. Studii asupra solidelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2. Studii asupra lichidelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3. Studii asupra gazelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.4. Studii in s ,tiint ,ele viet ,ii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2. Instrumentat ¸ia utilizat ˘aˆın m ˘asur ˘atorile de spectroscopie fotoacustic ˘a: : : : : : : : : 10
2.1. Laserul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1. Principii funct ,ionale s ,i constructive ale laserilor . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2. Particularit ˘at,i ale laserului cu CO 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2. Celula fotoacustic ˘a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3. Detectorii de semnal acustic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4. Modulatorul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5. Radiometrul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6. Amplificatorul lock-in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7. Sistemul de achizit ¸ie al datelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8. Instalat ¸ia de alimentare a gazelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.9. Zgomote s ¸i factori limitativi ˆın spectroscopia fotoacustic ˘a . . . . . . . . . . . . . . . 30
3. Biomarkeri gazos ,iˆın respirat ,ia umana : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32
3.1. Respirat ,ia uman ˘a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.1. Not ,iuni generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.2. Analiza respirat ,iei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2. Biomarkeri s ,i asocierea lor cu diabetul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4. M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai etilenei s ¸i amoniacului : : : : : : : : : : : : 40
4.1. M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai etilenei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2. M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai amoniacului . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5. Masurarea biomarkerului etilena s ¸i amoniac la pacient ¸i cu diabet de tip-2 : : : : : : 41
Bibliografie : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 42
ii
1
Introducere
Laserii continu ˘a s˘a fie un domeniu uimitor de robust de activitate, prin extinderea continu ˘a a frontie-
relor s ,tiint ,ifice s ,i tehnologice. Astfel, ast ˘azi putem avem efect laser f ˘ar˘a inversiune, lasere ˆın cascad ˘a
cuantice, efect laser ˆın medii puternic dispersive, ˆın biomateriale si ˆın cristale fotonice, un laser unic
atom, lasere semiconductoare cu timp de funct ,ionare prezis la mai mult de 100 de ani, iar acestea
sunt doar cateva dintre exemple posibile. ˆIn ultimele patru decenii, laserul a devenit un instrument
indispensabil pentru omenire fiind necesar ˆın aplicat ,ii din domenii diverse, precum s ,tiint ,˘a, inginerie,
comunicat ,ii, fabricarea s ,i prelucrarea materialelor, medicina, divertisment, stocare s ,i prelucrare de
date, metrologie. Este aproape imposibil de imaginat, ˆın contextul actual, implementarea cercetarii
ˆın fizic ˘a, chimie s ,i biologie f ˘ar˘a utilizarea radiat ,ilor provenite de la diferite sisteme laser. ˆIn aceast ˘a
lucrare, laserul este folosit pentru a analiza probe ˆın stare gazoasa, mai exact probe din respirat ,ia
uman ˘a, iar aplicat ,ia ce a fost aleas ˘aˆın acest scop este spectroscopia fotoacustic ˘a.
Spectroscopia fotoacustic ˘a se bazeaz ˘a pe efectul fotoacustic manifestat ˆın faz ˘a gazoas ˘a, iar acesta
implic ˘a un fascicul de lumin ˘a, modulat ˆın domeniul frecvent ,elor audio, incident pe un gaz absorbant
ce produce o und ˘a sonor ˘aˆın acel gaz. Astfel se urmares ,te observarea undelor acustice generate ca ur-
mare a absorbt ,iei radiat ,iei de catre prob ˘a. Spectroscopia fotoacustic ˘a reprezint ˘a o analiz ˘aˆın timp real,
de sensibilitate ridicat ˘a, iar m ˘asur˘atorile realizate urm ˘aresc determinarea cantitativ ˘a s,i calitativ ˘a a bi-
omarkerilor din aerul exhalat de c ˘atre pacient ,i. Prezent ,a unui anumit biomarker, dar s ,i abundent ,a sa,
pot da informat ,ii despre starea patofiziologic ˘a a corpului. Cu ajutorul acestei metode se pot determina
boli precum astmul, cancerul, diabetul, ulcerul s ,i de asemenea, se mai pot identifica consumul de dro-
guri sau alcool si efectul fumului de t ,igar˘a. Cei mai utilizati biomarkeri ˆın spectroscopia fotoacustic ˘a
sunt etilena, amoniacul s ,i pentanul.
ˆIn lucrarea de fat ,˘a, vor fi analizate probe de respirat ,ie uman ˘a provenite de la pacient ,i cu diabet de
tip 2, pun ˆandu-se accent pe biomarkerii etilen ˘a s,i amoniac. Lucrarea este format ˘a din cinci capitole
dintre care trei teoretice s ,i dou ˘a cu contribut ,ii. Capitolul 1 cont ,ine informat ,ii despre principiul fizic
al efectului fotoacustic s ,i posibilele lui aplicat ,iiˆın mai multe domenii. Capitolul 2 prezint ˘a detaliat
elementele montajului experimental ce stau la baza realiz ˘arii spectroscopiei fotoacustice. Capitolul
3 prezinta caracteristici ale biomarkerilor gazos ,i s,i tehnica analizei respirat ,iei umane. Capitolele
4 s,i 5 reprezinta contribut ,iile aduse ˆın domeniu, at ˆat prin m ˘asurarea coeficient ,ilor de absorbt ,ie ai
etilenei s ,i amoniacului, c ˆat s ,i prin m ˘asurarea concentrat ,iilor acestor biomarkeri. ˆIn final, rezultatele
experimentale sunt interpretate s ,i sunt prezentate concluziile.
Partea I
Teoria spectroscopiei fotoacustice cu laser cu
CO2
2
3
Capitolul 1
Efectul fotoacustic
1.1 Principiul de baza
Efectul fotoacustic (PA – Photoacoustic) reprezint ˘a,ˆın principal, generarea undelor acustice de c ˘atre
un gaz absorbant ce a fost iradiat de un fascicul de lumin ˘a. Acest efect a fost observat prima dat ˘aˆın
1880, c ˆand Alexander Graham Bell studia o modalitate de a transmite sunetele f ˘ar˘a ajutorul cablurilor.
El a observat c ˘a un fascicul focalizat de lumina, rapid ˆıntrerupt, incident pe un bloc de seleniu, produce
un semnal sonor ce poate fi preluat printr-un tub, dispozitivul creat de c ˘atre Bell fiind numit fotofon
[1].ˆIns˘a acest domeniu de studiu a r ˘amas inactiv timp de 50 de ani, p ˆan˘a la inventarea microfonului,
care a f ˘acut posibil ˘aˆımbun ˘at˘at,irea m ˘asur˘atorilor. ˆIn 1973, Allan Rosencwaig s ,i Gersho au dezvoltat
un model detaliat pentru acest efect (Teoria R-G). [2]
O molecul ˘a gazoas ˘a poate interact ,iona cu o radiat ¸ie electromagnetic ˘a prin absorbt ,ie, excitandu-se
s,i ajung ˆand pe un sub-nivel de vibrat ¸ie al unui nivel electronic superior. La trecerea unui fascicul
laser prin incinta ˆın care este ment ,inut gazul, doar o parte din populat ¸ia de pe primul nivel energetic
absoarbe radiat ¸ia incident ˘a. Absorbt ¸ia se va realiza numai dac ˘a energia fotonilor incident ,i este egal ˘a
cu diferent ¸a de energie dintre nivelul energetic de baz ˘a s ¸i nivelul st ˘arii excitate a moleculelor, aceasta
fiind condit ,ia de rezonant ,˘a. Pentru a excita moleculele pe nivele electronice superioare se vor folosi
radiat ,ii din spectrul vizibil s ,i UV , iar pentru a atinge excitarea pe nivele vibrat ,ionale s ,i rotat ,ionale se
va folosi radiat ,ie din spectrul IR. Dupa un anumit timp, molecula se va dezexcita, elimin ˆand surplusul
de energie prin procese radiative, precum emisia spontan ˘a sau stimulat ˘a, sau neradiativ prin coliziune,
ˆın proces efectu ˆandu-se un transfer al energiei de excitare. La presiunile de lucru din domeniul fotoa-
custic (1 bar), timpul de relaxare radiativ ˘a este mai mare dec ˆat timpul necesar pentru dezexcitarea
colizional ˘a, deci emisiile radiative nu joac ˘a un rol important. Astfel, cele mai multe molecule vor
elibera energia absorbit ˘a prin fluorescent ¸ ˘a,ˆın cazul presiunilor sc ˘azute, sau transfer neradiativ [3].
Procesul neradiativ, reprezentat de ciocnirile moleculelor excitate cu alte molecule din sistem (nu-
mit spectrofon) sau cu peret ¸ii acestuia, permite transferul energiei de excitare ˆın energie vibrat ¸ional ˘a,
rotat ¸ional ˘a sau de translat ¸ie a particulelor ˆın interact ¸ie. ˆIn cazul transferului ˆın energie de translat ,ie,
procesul va determina cres ¸terea local ˘a a energiei termice, iar dup ˘a stabilirea echilibrului termic,
aceast ˘a energie va conduce la cres ¸terea temperaturii gazului. Densitatea de putere de c ˘aldur ˘a transfe-
rat˘a este proport ¸ional ˘a cu coeficientul de absorbt ¸ie al gazului s ¸i cu intensitatea luminii incidente. ˆIn
cazul lucrului cu un volum ˆınchis (de exemplu, ˆın celula PA), aceast ˘a cres ,tere a temperaturii gene-
reaz˘a o cres ¸tere de presiune [3]. Dac ˘a fasciculul laser este modulat astfel ˆıncˆat frecvent ¸a de modulare,
f, s˘a fie mult mai mic ˘a dec ˆat inversul timpului de viat ¸ ˘a total al st ˘arii excitate,
f t 1
r+t 1
nr; (1.1)
unde treste timpul de relaxare radiativ ˘a s ¸itreste timpul de relaxare neradiativ ˘a, atunci modularea
intensit ˘at ¸ii fasciculului va determina modularea presiunii gazului. Undele de presiune rezultate, care
sunt unde acustice, vor avea aceeas ¸i frecvent ¸ ˘a cu cea a modulat ¸iei s ,i pot fi detectate mai departe
cu ajutorul unor microfoane sensibile, plasate ˆın interiorul celulei de m ˘asur˘a.ˆIn acest mod, energia
radiat ¸iei absorbite de gaz va fi detectat ˘a sub forma unui semnal acustic – se observ ˘a motivul denumirii
de efect fotoacustic [3].
4
ˆIn timpul unei m ˘asuratori fotoacustice, proba trebuie s ˘a fieˆıncapsulat ˘aˆıntr-un compartiment numit
celula PA( Figura 1.1 ). Termenul de ”spectrofon”, utilizat anterior, desemneaz ˘a sistemul format din
volumul ˆınchis ˆın care se produc undele acustice (celula PA) s ¸i detectorul sensibil al acestor unde
(microfonul).
Figura 1.1: Reprezentarea schematic ˘a a unei celule PA [4]
Pentru o radiat ¸ie de excitare, cu lungime de und ˘a de 10 mm, timpul de relaxare radiativ ˘a va fi
tr=10 2s,ˆıns˘a la presiune atmosferic ˘a, relaxarea neradiativ ˘a prezint ˘a un domeniu mai larg de timpi
scurt ,i (tnr=10 710 5s) [5]. ˆIn acest caz, se va considera complet neglijabil ˘a relaxarea radiativ ˘a
ˆın comparat ¸ie cu cea neradiativ ˘a.
ˆIn cazul gazelor moleculare, rata de relaxare neradiativ ˘a este proport ¸ional ˘a cu presiunea gazului
(trµp),ˆıns˘a timpul de relaxare radiativ ˘a este independent de aceasta. Amplitudinea semnalului acus-
tic este proport ¸ional ˘a cu num ˘arul de molecule absorbante s ,i permite determinarea unor concentrat ¸ii
foarte mici de gaz. Se va evalua, ˆın aceste condit ,ii, densitatea de energie absorbit ˘a de prob ˘a t,inˆand
cont de legea Lambert – Beer [3]:
P(L) =P(0)exp( apL) =P(0)exp( acL); (1.2)
unde P(0) reprezint ˘a puterea radiat ¸iei laser incidente, P(L) este puterea radiat ¸iei laser transmise
ˆın mediul absorbant, apreprezint ˘a coeficientul de absorbt ¸ie (m ˘asurat ˆıncm 1) la presiunea gazului s ,i
lungimea de und ˘a a radiat ,iei laser specificate ( ap=ac),aeste coeficientul de absorbt ¸ie al gazului
(m˘asurat ˆıncm 1atm 1),ceste concentrat ¸ia gazului (m ˘asurat ˆınatm 1), iar Lreprezint ˘a lungimea
c˘aii de absorbt ¸ie [3].
Daca absorbt ¸iile sunt slabe (DP
P(0) 1, unde DP= P(0) – P(L)) rezult ˘a urmatoarea egalitate:
c= 1
aLlnP(L)
P(0)= 1
aLln
1 DP
P(0)
' 1
aLDP
P(0)(1.3)
ˆIn majoritatea cazurilor aplicative, spectroscopia PA se utilizeaz ˘a pentru a determina concentrat ¸iile
elementelor care absorb radiat ¸ia incident ˘a. Analiz ˆand relat ,ia de mai sus (1.3), se poate afirma c ˘aˆıntre
concentrat ¸ia unei astfel de probe s ,i puterea laser absorbit ˘a exist ˘a o relat ,ie de proport ,ionalitate di-
rect˘a, iar factorul de proport ¸ionalitate este inversul coeficientului de absorbt ¸ie ( a).ˆIn spectroscopia
fotoacustic ˘a (PAS – Photoacoustic Spectroscopy), cantitatea de energie absorbit ˘a de c ˘atre prob ˘a este
determinat ˘a prin cuantificarea efectului de ˆınc˘alzire datorat energiei moleculelor excitate, spre de-
osebire de spectroscopia clasic ˘a,ˆın care se analizeaz ˘a atenuarea intensit ˘at ¸ii fasciculului de radiat ¸ie
incident ˘a.
Se poate clasifica efectul PA ˆın cinci etape majore: (Fig. 1.2) [3]:
1.Modulat ¸ia radiat ¸iei laser ˆın amplitudine sau ˆın frecvent ¸ ˘a, astfel ˆıncˆat lungimea de und ˘a s˘a se
suprapun ˘a cu una dintre liniile de absorbt ¸ie ale moleculelor t ¸int ˘a.
5
2.Excitarea moleculelor t ¸int ˘aprin absorbt ¸ia radiat ¸iei incidente, astfel acestea c ˘ap˘atˆand energie
de vibrat ¸ie-rotat ¸ie, cantitatea de energie absorbit ˘a depinz ˆand de coeficientul de absorbt ¸ie al
gazului, care este o funct ¸ie de presiune.
3.Dezexcitarea moleculelor prin coliziune, energia de excitare fiind transformat ˘aˆın energie ter-
mic˘a, determin ˆand o ˆınc˘alzire tranzitorie local ˘a; eficient ¸a conversiei energetice, din energia de
excitare ˆın energia translat ¸ional ˘a, depinde de presiune s ¸i de structura intern ˘a a moleculei; tim-
pul de relaxare vibrat ¸ional ˘a este, de obicei, foarte scurt astfel ˆıncˆat aceasta nu este limitat ˘a de
sensibilitate.
4.Extinderea s ¸i contract ¸ia gazului ˆıntr-un volum ˆınchis, conduce la variat ¸ii de presiune, acestea fi-
ind de fapt unde acustice; dac ˘a se realizeaz ˘a o corelat ,ie temporal ˘aˆıntre fluxul de fotoni incident ,i
s,i caracteristica celulei de absorbt ¸ie se poate crea o und ˘a acustic ˘a stat ,ionar ˘aˆın rezonator.
5.Monitorizarea undelor acustice generate, cu un microfon; eficacitatea transmisiei undelor acus-
tice la microfon s ,i detect ,iei lor depinde de geometria celulei PA s ¸i de propriet ˘at ¸ile termodina-
mice ale gazului.
Figura 1.2: Schema proceselor fizice implicate ˆın procesul spectroscopiei fotoacustice [3]
ˆIn str ˆans˘a leg ˘atur˘a cu efectul PA sunt fenomenele fototermice (PT) [6], care sunt cauzate de
ˆınc˘alzirea init ,ial˘a determinat ˘a de absorbt ,ia radiat ,iei.ˆIn timp ce efectul PA este detectat prin interme-
diul senzorilor acustici, cum ar fi microfoane, hidrofoane sau dispozitive piezoelectrice, fenomenele
PT sunt detectate analiz ˆand modific ˘ari ale indicelui de refract ,ie al mediului prin devierea fasciculelor
ˆın prob ˘a, efect de lentil ˘a termic ˘a sau radiometrie PT. Ambele spectroscopii, PA s ,i PT, sunt utilizate
pe scar ˘a larg ˘aˆın prezent ˆın multe aplicat ,ii. Efectul fotoacustic, cuantificat prin m ˘asurarea sunetului
format (a modific ˘arilor de presiune), s ,i studiat prin variat ,iaˆın timp a semnalului electric de ies ,ire
de la detectori (semnal fotoacustic), este util ˆın determinarea anumitor propriet ˘at,i ale es ,antionului.
De exemplu, ˆın spectroscopia fotoacustic ˘a, semnalul fotoacustic este folosit pentru a obt ,ine absorbt ,ia
efectiv ˘a a luminii, at ˆat prin obiecte opace, c ˆat s ,i transparente. O utilitate foarte mare o are ˆın ca-
zul substant ,elor ˆın concentrat ,ii extrem de mici [6], impulsurile puternice de lumin ˘a laser put ˆand
cres ,te sensibilitatea, iar lungimile de und ˘aˆınguste fi folosite pentru specificitate. Mai mult dec ˆat
atˆat, m ˘asur˘atorile fotoacustice sunt un instrument de cercetare valoros ˆın studiul c ˘aldurii ˆın react ,ii
fotochimice, ˆın special ˆın studiul fotosintezei.
1.2 Important ,a s,i aplicat ,iile PAS
Se remarc ˘aˆın istorie mai multe experimente notabile ale efectului PA, efectuate folosind ca surs ˘a de
radiat ,ie laserii. O prim ˘a utilizare a laserilor ˆın m ˘asur˘atorile fotoacustice, a fost dezvoltat ˘a de c ˘atre
Kerr s ¸i Atwood (Kerr, 1968) [7], care au m ˘asurat un factor de absorbt ¸ie a=1;210 2cm 1,ˆıntr-
un amestec de CO 2s ¸i N 2, cu ajutorul unui laser cu CO 2ˆın und ˘a continu ˘a.ˆIn 1971, metoda a fost
aplicat ˘a de c ˘atre Kreuzer [8], care a utilizat un laser cu He-Ne pentru a detecta prezent ,a metanului
ˆın amestecuri de azot, ˆın concentrat ¸ii sub 0,01 ppm (p ˘art,i per milion). Astfel, spectroscopia PA ce
6
foloses ,te laseri pulsat ,i cu HF sau laserii cu CO 2, s,i-a demonstrat potent ,ialul s ,i utilitatea ˆın m˘asurarea
concentrat ,iilor mici s ,i analizarea spectrelor de absorbt ,ie redus ˘a [9].
ˆIntruc ˆat o sensibilitate ridicat ˘a metodei este de dorit, se pot utiliza tehnici care s ˘a permit ˘a am-
plificarea undelor acustice, ˆın interiorul celulei de m ˘asur˘a. Acest aspect poate fi realizat ˆın cazul ˆın
care frecvent ¸a de modulat ¸ie a fasciculului coincide cu frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a a celulei PA. Pentru
a cres ¸te sensibilitatea de detect ¸ie s ¸i rezolut ¸ie spectral ˘a, de-a lungul timpului, montajele utilizate ˆın
spectroscopia PA au suferit mai multe modific ˘ari. Patel (Patel, 1977) [10] s ¸i Kavaya (Kavaya, 1979)
[11] au combinat spectrofonul cu un dispozitiv de inducere a c ˆampurilor magnetice s ¸i electrice. Echi-
pamentul fusese dezvoltat ˆın 1970, de Krupnov s ¸i colaboratorii, [11] s ,i a f˘acut posibil ˘a detect ¸ia cu
ˆınalt˘a rezolut ¸ie, a unor absorbt ¸ii foarte slabe ˆın gaze. Astfel, Patel [12] a putut m ˘asura concentrat ¸ii
reduse de NO s ¸i H 2Oˆın atmosfer ˘a, la o altitudine de 28 km, folosind un laser “spin-flip” Raman.
Sistemele de detect ¸ie, ce folosesc laseri cu CO sau CO 2, au fost utilizate pentru a analiza ames-
tecurile gazoase industriale s ,i gazele de es ¸apament, at ˆat din mediul urban, c ˆat s ¸i rural. ˆIn urma
m˘asur˘atorilor, s-au raportat coeficient ¸i de absorbt ¸ie de ordinul 10 8cm 1[13], rezultatul fiind ˆın li-
mitele de detect ¸ie de ordinul ppb (parts per billion – p ˘art,i per miliard – 1 ppb = 1 : 109atm). Dac ˘a
se foloses ,te un sistem PA ˆın configurat ¸ie intracavitate, sensibilitatea m ˘asur˘atorii poate cres ¸te semni-
ficativ p ˆan˘a la valori de ordinul ppt (p ˘art,i per trilion – 1 ppt = 1 : 1012atm) [14, 15]. Datorit ˘a acestei
sensibilitat ¸i, spectroscopia fotoacustic ˘a cu laser (LPAS) are o utilitate ridicat ˘aˆın studiile de fiziolo-
gie,ˆın care volumul probei este limitat, astfel c ˘a timpul de r ˘aspuns al sistemului trebuie s ˘a fie foarte
scurt. Av ˆandˆın vedere c ˘a laserii cu CO 2(9-11) mms ¸i cei cu CO (4,8 – 5,4) mmrespectiv, (2,8 – 4,1)
mmacoper ˘aˆımpreun ˘a o parte considerabil ˘a din spectrul IR [16, 17, 18] , au putut fi investigate peste
250 de gaze moleculare de interes biologic pentru protect ¸ia mediului [16, 19, 20], cu ajutorul acestor
sisteme de detect ¸ie PA. Recent, sensibilitatea sistemelor de detect ¸ie PA a permis l ˘argirea sferei de
aplicat ¸ii ale spectroscopiei, ˆın domeniul medicinii. Astfel, acestea sunt utilizate ˆın investigat ¸ii neinva-
zive de analiz ˘a a aerului expirat, rezultatele put ˆand fi folosite ˆın diagnosticarea diferitelor boli ˆın faz ˘a
incipient ˘a.
Cˆateva din avantajele pe care le ofer ˘a sunt: simplitatea oper ˘arii, sensibilitate, indiferent ,a la interferent ¸ ˘a,
universalitatea aplic ˘arii, plaj ˘a dinamic ˘a mare, acuratet ¸e, ˆınregistrarea datelor ˆın timp real, portabilitate
relativ ˘a s ¸i calibrare us ¸oar ˘a. [3]
1.2.1 Studii asupra solidelor
Avantajul principal al PAS aplicat solidelor este faptul c ˘a nu este necesar ˘a o preg ˘atire a probelor, iar
suprafet ,ele nelustruite nu sunt problematice. Deoarece intensitatea semnalului PA este proport ,ional
cu energia absorbit ˘a, chiar s ,i spectrele probelor puternic ˆımpr ˘as,tietoare, de exemplu pulberile, pot fi
m˘asurate cu us ,urint ,˘a [6]. Totus ,i, trebuie ment ,ionat c ˘a, datorit ˘a naturii complexe a gener ˘arii semna-
lului, care implic ˘a expansiunea gazului interstit ,ial, studiile PA asupra pulberilor sunt, de obicei, doar
de natur ˘a calitativ ˘a.
Un alt avantaj al metodei ˆıl constituie sensibilitatea ridicat ˘a, put ˆand fi detectate absorbt ,ii de ordine
foarte mici(10 7) [6]. Pentru radiat ,ii modulate, a fost dezvoltat un model teoretic simplu, care se
bazeaz ˘a pe faptul c ˘a generarea semnalului acustic se datoreaz ˘a unui flux de c ˘aldur ˘a periodic, de la
solid c ˘atre la gazul inconjur ˘ator, atunci c ˆand solidul este ˆınc˘alzit ciclic prin absorbt ,ia luminii trecute
printr-un chopper. Se permit astfel m ˘asuratori asupra materialelor total opace, lucru imposibil de
f˘acut prin m ˘asur˘atori convent ,ionale [6], aceasta fiind o caracteristic ˘a unic ˘a a metodei. De aceea,
PAS este o tehnic ˘a folosit ˘a pentru: a studia materialele brute s ,i absorbt ,ia de suprafat ,˘aˆın cristale s ,i
semiconductori, a evalua nivelul de energie absorbit ˘aˆın straturi subt ,iri, a m ˘asura spectrul straturilor
de oxid ˆın metale, diverse pulberi, materiale organice, etc., s ,i, de asemenea, pentru a investiga probe
ˆın multi-strat. Un alt exemplu de aplicat ,ie prives ,te studiul adsorbant ,ilor pe suprafet ,ele solide. Precum
este de as ,teptat, PAS este o metod ˘a destul de sensibil ˘a la adsorbt ,ia de suprafat ,˘a,ˆın special ˆın cazul ˆın
7
care substratul este transparent sau puternic reflector ˆın regiunea lungimii de und ˘aˆın care absoarbe
adsorbantul. At ˆat modulat ,ia sinusoidal ˘a a razei laser incidente, c ˆat s ,i laserele pulsate au fost folosite
ˆın acest scop.
Studiile ulterioare au avut ca scop investigarea mai detaliat ˘a a adsorbt ,iei, de exemplu, diferent ,ierea
ˆıntre chemisorbt ,ie s,i fizisorbt ,ie, prin combinarea rezolut ,iei spectrale s ,i sensibilit ˘at,ii ridicate oferite de
PAS cu laser ˆın impulsuri. ˆIn alte studii, gama spectral ˘a larg ˘a oferit ˘a de spectroscopia ˆın infraros ,u cu
transformat ˘a Fourier (FTIR), combinat ˘a cu metodele de scanare cu pas, a fost din ce ˆın ce mai aplicat ˘a
ˆımpreun ˘a cu detect ,ia PA pentru analizarea profilului de ad ˆancime ˆın spectru infraros ,u a materialelor
laminare s ,i optic eterogene. Spectrul IR, care este adesea neutilizabil pentru alte tehnici, devine acce-
sibil prin probe care sunt puternic absorbante sau chiar opace, probe puternic dispersive si de la probe
in situ [6].
1.2.2 Studii asupra lichidelor
Studii experimentale s ,i teoretice PA s ,i PT asupra lichidelor cuprind un interval larg de absorbt ,ie
pentru lichide variind de la transparente la opace. Pentru investigat ,ii asupra mediilor slab absorbante
s-a utilizat un laser cu colorant ,i pompat cu lamp ˘a flash, cu energii de impulsuri de 1 mJ, drept surs ˘a
de excitat ,ie, iar un traductor piezoelectric a detectat semnalele acustice generate [6]. Sensibilitatea
ridicat ˘a permite procedee precum ˆınregistrarea spectrului apei ˆın domeniul vizibil, context ˆın care alte
tehnici sunt adesea limitate.
Un alt domeniu de interes se refer ˘a la investigat ,ii analitice privind poluant ,iiˆın lichide. Limitele
de detect ,ieˆın domeniul sub-ppb au fost atinse prin PAS, de exemplu, pentru caroten s ,i cadmiu ˆın
cloroform sau pentru piren ˆın heptan [6]. Recent, s ,i pesticidele ˆın solut ,ii apoase au devenit un studiu
de interes. Diferite aranjamente experimentale cu laseri de pompaj ˆın impulsuri sau und ˘a continu ˘a
s,i diverse scheme de detect ,ie PA s ,i PT au fost utilizate ˆın aceste studii. Limitele de detect ,ie sunt de
aproape 10 6cm 1[6], valoare care corespunde concentrat ,iilor ppb.
Spectroscopia PA ofer ˘a marele avantaj al coeficient ,ilor de absorbt ,ie, care sunt cu dou ˘a sau trei
ordine de m ˘arime mai mari [6] dec ˆat este accesibil prin spectroscopie de transmisie convent ,ional ˘a, s,i
care pot fi determinat ,i f˘ar˘a dificult ˘at,i. Cont ,inutul de acizi gras ,i trans (TFA) din margarin ˘a a fost deter-
minat folosind un laser cu CO 2s,i fereastra optotermal ˘a. Rezultatele au fost ˆın acord cu cele obt ,inute
prin tehnici alternative precum FTIR, cromatografia gaz-lichid sau cromatografia ˆın strat subt ,ire.
1.2.3 Studii asupra gazelor
Studiile PAS timpurii asupra gazelor au demonstrat deja sensibilitatea ridicat ˘a, ce poate fi obt ,inut˘a cu
o configurat ,ie destul de simpl ˘a, s,i au favorizat dezvolt ˘ari ulterioare ˆın monitorizarea urmelor gazoase.
ˆIn comparat ,ie cu m ˘asur˘atorile convent ,ionale de absorbt ,ie optic ˘a, PAS ofer ˘a urm ˘atoarele principale
avantaje:
1. doar lungimi de drum optic scurte sunt necesare
2. microfonul ca detector reprezint ˘a un dispozitiv simplu ce opereaz ˘a la temperatura camerei, cu
o responsivitate independent ˘a de lungimea de und ˘a,
3. efectele de ˆımpr ˘as,tiere sunt mai put ,in importante,
4. intervalul dinamic cuprinde cel put ,in cinci ordine de m ˘arime.
ˆIn timpul efectu ˘arii m ˘asur˘atorilor, gazul este ment ,inut sau trecut continuu printr-o celul ˘a PA, special
conceput ˘a. De obicei, un coeficient de absorbt ,ie minim detectabil amineste de ordinul 10 8cm 1atm 1
[6], valoare corespunzatoare concentrat ,iilor ppb (10 9), s,i poate fi obt ,inut prin montaje experimen-
tale ce includ laseri. Aceast ˘a limit ˘a poate fi redus ˘aˆın continuare, c ˘atre o valoare sub 100 ppt, prin
operarea intracavit ˘at,ii celulei PA, ˆıns˘a acest lucru va afecta intervalul dinamic [6]. Tabelul 1 prezint ˘a
8
anumit ,i compus ,i gazos ,i, sursele laser utilizate s ,i limitele de detect ,ie atinse.
Specia chimica Tipul laserului Regiune spectrala [mm] Limita detectiei [ppb]
Formaldehid ˘a Cu colorant ,i organici 303.6nm 50
Metan DF 3.8 cativa
Monoxid de carbon PbS 1 xSex 4.6 40
Etan CO 6.7 1
Pentan CO 6.8 0.1
Acetilen ˘a CO 7.2 1
Amoniac CO2 9.22 0.4
Etanol CO2 9.46 17
Metanol CO2 9.68 5
Etilena CO2 10.53 0.3
Tabelul 1 : Lista c ˆatorva compus ,i chimici s ,i a limitei de detect ,ie asociate, ce au fost monitorizat ,i cu ajutorul PAS cu laser
ˆın medii f ˘ar˘a interferent ,˘a [6].
ˆIn practic ˘a, se folosesc de obicei probe cu mai multe componente. Analiza se face pe baza spectre-
lor individuale s ,i a m ˘asur˘atorilor efectuate la lungimi de und ˘a selectate ˆın mod corespunz ˘ator, pentru
a reduce interferent ,ele de absorbt ,ie. Pe l ˆang˘a amplitudinea semnalului PA, faza cont ,ine informat ,ii
suplimentare pentru analiz ˘a.
Majoritatea studiilor PA asupra urmelor de gaze au fost concepute pentru investigat ,ii de laborator,
efectuate pe es ,antioane de aer colectate din origini diferite, precum aerul emis de t ,evile de es ,apament
ale vehiculelor sau emisiile industriale. ˆIn cazul ˆın care interesant ˘a este evolut ,iaˆın timp a compozit ,iei
gazului, proba va fi pusa ˆıntr-o curgere continu ˘a prin celula PA iar laserul va fi comutat ˆın mod
repetat ˆıntre lungimi de und ˘a corespunz ˘atoare, caracteristice pentru absorbt ,ia gazelor care urmeaz ˘a a
fiˆınregistrate. Spre deosebire de LIDAR sau m ˘asur˘atori de absorbt ,ie pe distant ,˘a mare, sistemul PA nu
este potrivit pentru studii la distant ,˘a, ci pentru m ˘asur˘atori in situ, fiind util ˆın monitorizarea simultan ˘a
a mai multor compus ,i.ˆIn afar ˘a de dispozitivele cu senzori de gaz non-laser, put ,ine sisteme PA cu
laser mobil au fost operate p ˆan˘aˆın prezent.
Aerul din mediul urban cont ,ine adesea numeros ,i poluant ,i ai c ˘aror concentrat ,ii sunt ridicate s ,i
variate. Recent, sistemul PA mobil a fost utilizat ˆıntr-un mediu dur, mai exact, la ies ,irea dintr-un
tunel situat pe autostrad ˘a, pentru a ˆınregistra timp de o s ˘apt˘amˆan˘a gazele emise de traficul rutier.
Aerul poluat a fost trecut, mai int ˆai, printr-un filtru de praf din teflon, cu o porozitate de 1 mm[6],
iar apoi prin celula PA. Laserul a fost reglat pe r ˆand s ˘a emit ˘a la lungimi de und ˘a caracteristice pentru
absorbt ,iile amoniacului (NH 3), etilenei (C 2H4) s,i dioxidului de carbon (CO 2), dar au fost folosite
s,i lungimi de und ˘a de referint ,˘a, la care nu exist ˘a o absorbt ,ie apreciabil ˘a de c ˘atre aces ,ti compus ,i.
Profilurile de concentrat ,ii ale acestor trei specii au putut fi astfel ˆınregistrate aproape simultan cu o
rezolut ,ie de timp de 10 min [6].
Un aspect-cheie ˆın analiza probelor multicomponent este selectivitatea detect ,iei, care este puternic
influent ,at˘a de caracteristicile de reglaj ale dispozitivului, de l ˘at,imea liniei laser precum s ,i de condit ,iile
mediului ˆın care are loc experimentul (de exemplu, presiunea gazului). Un laser cu CO 2acordabil, cu
band ˘aˆıngust ˘a, a permis ˆın trecut analiza unui amestec de s ,ase izotopi CO 2[6].
1.2.4 Studii in s ,tiint ,ele viet ,ii
Dispersia puternic ˘a a luminii s ,i structura de ad ˆancime foarte variat ˘a,ˆıngreuneaz ˘a studiul probelor bi-
ologice s ,i medicale cu instrumente spectroscopice convent ,ionale. S-a demonstrat ˆıns˘a c˘a tehnicile PA
s,i PT pot fi aplicate cu succes asupra mediilor precum t ,esutul cutanat, s ˆangele sau structura plantelor
[6]. Studii in vivo au fost efectuate pe pielea uman ˘a cu ajutorul unor celule PA special concepute
9
care au permis studiul t ,esutului epitelial viu prin evitarea perturbatiilor produse de zgomotul indus de
pulsat ,ia sangvin ˘a.ˆIn particular, au fost studiate spectroscopic, prin tehnica PA, absorbt ,ia luminii UV
de c˘atre proteine ( a-keratina) s ,i efectul pe care ˆıl determin ˘a aplicarea cremei de protect ,ie solar ˘a [6].
ˆIn acelas ,i timp, au mai fost analizate dependent ,a de tipul de protect ,ie solar ˘a s,i cantitatea aplicat ˘a (ˆın
mgcm 2), precum s ,i rata de penetrare a pielii s ,i timpul de remanent ,˘aˆın diferitele straturi ale pielii.
Capacitatea PAS de a detecta compus ,ii prezent ,iˆıntr-un mediu foarte difuziv este un mare avantaj
pentru studiile spectroscopice asupra s ˆangelui. Hemoglobina este proteina responsabil ˘a pentru schim-
bul de O 2s,i CO 2dintre sange s ,i t,esut. Aceasta prezint ˘a trei benzi de absorbt ,ie, la 415, 540 s ,i 580 nm
[6], care sunt cauzate de ciclul tetra-porfirinei legat la scheletul de aminoacid. Spectrul tipic al he-
moglobinei este diferit de spectrele rezultate din s ˆangele pacient ,ilor care sufer ˘a de anemie, leucemie
sau methemoglobinemie, iar aceste abaterile ar putea compromite alte rezultate de laborator. Faptul
c˘a investigat ,iile PA sunt desf ˘as,urate f ˘ar˘a contact s ,i sunt necesare doar cantit ˘at,i mici de prob ˘a, este un
alt avantaj care permite studii suplimentare pe aceeas ,i prob ˘a prin tehnici alternative.
Este de remarcat c ˘a nu sunt necesare preg ˘atiri complicate, tratament sau orice alte procese de
purificare asupra probelor ˆınainte de a m ˘asur˘atorilor. Acest lucru este avantajos pentru studiile asu-
pra plantelor vii. P ˆan˘aˆın prezent, au fost monitorizate s ,i analizate fotosinteza plantelor s ,i influent ,a
stresului generat de mediu. Ca exemplu, un aparat PA a fost dezvoltat pentru a m ˘asura evolut ,iaˆın
timp a ratei de oxigen la o singur ˘a frunz ˘a apart ,inˆand unei plante vii [6]. Factorii de mediu ce au fost
studiat ,i in detaliu sunt: efectele stresului apei, temperaturile extreme, variat ,ii ale fluxului de lumin ˘a
s,i poluant ,ii gazos ,i.
Un alt domeniu de cercetare ˆın care spectroscopia PA este un instrument valoros este s ,tiint ,a ali-
mentar ˘a. Exemplele de aplicat ,ii includ determinarea cont ,inutului de fier din laptele praf concentrat,
a umidit ˘at,iiˆın lapte praf degresat sau detectarea cafelei pulbere contaminat ˘a. Un exemplu de con-
taminare premeditat ˘aˆın condimente prives ,te ad ˘augarea de plumb ros ,u (Pb 3O4)ˆın boia [6], astfel
intensific ˆand culoarea s ,i m˘arindu-i greutatea sa total ˘a. Studiile pe terenuri ˆın care se cultiv ˘a boia
dulce au demonstrat c ˘a spectroscopia PA poate fi recomandat ˘a ca metod ˘a de depistare rapid ˘a s,i brut ˘a
ˆımpotriva contamin ˘arii cu Pb 3O4,ˆıns˘a limita actual ˘a de detect ,ie este peste nivelul maxim admis pe
plan internat ,ional s ,i inferioar ˘a limitelor tehnicilor stabilite, precum spectroscopia de absorbt ,ie ato-
mic˘a (AAS) sau spectroscopie cu plasm ˘a inductiv-cuplat ˘a (ICPS).
10
Capitolul 2
Instrumentat ¸ia utilizat ˘aˆın m ˘asur ˘atorile de spectroscopie
fotoacustic ˘a
Configurat ¸ia tipic ˘a utilizat ˘a pentru m ˘asur˘atorile de PAS este prezentat ˘aˆın fig. 2.1 – 2.2 s ¸i este com-
pus˘a din: o surs ˘a de radiat ¸ie (a c ˘arei emisie este ˆın regiunea spectral ˘a dorit ˘a); un chopper, o celul ˘a
PA (rezonant ˘a sau nerezonant ˘a), microfoane s ¸i un amplificator lock-in. ˆIn plus, se folosesc lentile
de focalizare, unul sau dou ˘a radiometre (montate dup ˘a laser, respectiv dup ˘a celula fotoacustic ˘a) s ,i
modulul electronic pentru analiza semnalului.
Figura 2.1: Schema instalat ¸iei din laboratorul INFLPR [3]
Figura 2.2: Schema general ˘a a instalat ¸iei de spectroscopie fotoacustic ˘a [3]
Sursa furnizeaz ˘a radiat ¸ie ˆın domeniul IR ˆındep ˘artat, urm ˆand a fi modulat ˘a,ˆın frecvent ¸ ˘a sau ampli-
tudine, de c ˘atre un modulator. Radiat ,ia este mai apoi focalizat ˘a s ¸i direct ¸ionat ˘a cu ajutorul unei lentile
ˆın celula PA, unde este cont ¸inut ˘a proba de analizat. Radiat ¸ia laser trece prin celul ˘a, aceasta av ˆandˆın
ambele capete ferestre, astfel ˆıncˆatˆın interiorul celulei este stocat ˘a doar energia absorbit ˘a de prob ˘a.
Semnalul acustic rezultat este detectat de microfon, care ˆın majoritatea cazurilor, se afl ˘aˆın interiorul
11
celulei. Semnalul electric este transmis modulului electronic, unde este amplificat, filtrat, redresat,
afis ¸at s ¸i ˆınregistrat. Powermetrul indic ˘a valoarea instantanee a puterii laser, iar cu ajutorul acesteia se
pot normate valorile semnalului la puterea laser efectiv ˘a (conform ec. 1.3).
ˆIn funct ¸ie de proba folosit ˘a, mai exact starea sa de agregare, modul de detect ¸ie sau scopul urm ˘arit,
schema general ˘a poate suferi c ˆateva modificari de la un montaj la altul, ˆıns˘a principiul s ,i elementele
de baz ˘a ale montajulului ram ˆan la fel. ˆIn subcapitolele urm ˘atoare sunt descrise s ,i analizate detaliat
p˘art ¸ile componente ale instalat ¸iei de LPAS.
2.1 Laserul
Procesul care st ˘a la baza funct ,ion˘arii laserului, emisia stimulat ˘a a radiat ,iei, a fost prima oar ˘a teoretizat
de c˘atre Einstein ˆın 1917. Acesta a tratat interact ,iile atomilor, ionilor s ,i moleculelor cu radiat ,ia
electromagnetic ˘aˆın lucrarea ”Zur Quantum Theorie der Strahlung” (”Teoria cuantic ˘a a radiat ,iei”),
discut ˆand astfel procesele de absorbt ,ie s ,i emisie stimulat ˘a,ˆıns˘a ment ,ionˆand s ,i un al treilea proces,
emisia stimulat ˘a. Einstein a postulat c ˘a emisia spontan ˘a prezint ˘a o cres ,tereˆın prezent ,a unei radiat ,ii
electromagnetice similare [21].
ˆIn anii ce au urmat, s-au efectuat numeroase ˆıncerc ˘ari de a produce energie electromagnetic ˘a prin
emisie stimulat ˘a, iar acest lucru a fost reus ,itˆın anul 1954 de c ˘atre Dr. Charles Townes s ,i doi dintre
student ,ii s˘ai. Aces ,tia au produs emisia stimulat ˘a a radiat ,iei din domeniul microundelor, dezvolt ˆand
primul maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation). A fost astfel deschis ˘a
calea pentru realizarea primului laser (light amplification by stimulated emission of radiation), care
este ast ˘azi utilizat ˆın numeroase aplicat ,ii din domenii de interes diferite[22].
2.1.1 Principii funct ,ionale s ,i constructive ale laserilor
Un dispozitiv laser este alc ˘atuit din dou ˘a sisteme fizice aflate ˆın interact ,ie, acestea fiind mediul activ
s,i cˆampul electromagnetic situate ˆıntr-un rezonator optic. Atomii, moleculele s ,i ionii din mediul activ
au cel put ,in dou ˘a niveluri energetice, iar frecvent ,a diferent ,ei de energie este ˆın rezonant ,˘a cu una dintre
frecvent ,ele proprii ale rezonatorului [23].
Fenomenele de absorbt ,ie s ,i emisie spontan ˘a pot fi descrise prin considerarea unui ansamblu de
atomi sau molecule, cu dou ˘a nivele energetice E 1s,i E2, primul fiind nivelul fundamental, iar al doilea
primul nivel excitat. ˆIn cazul ˆın care, o und ˘a electromagnetic ˘a poate furniza diferent ,a de energie dintre
E1s,i E2, unui atom aflat ˆın starea fundamental ˘a, va avea loc tranzit ,ia pe nivelul superior, procesul
numindu-se absorbt ,ie(Fig 2.3 (a)). Dac ˘a atomul se afl ˘a pe E 2, deoarece E 2>E1, acesta va executa o
tranzit ,ie pe nivelul fundamental, tinz ˆand c ˘atre starea de energie mai mic ˘a. Diferent ,a de energie dintre
cele dou ˘a st˘ari poate fi eliberat ˘a sub form ˘a de und ˘a electromagnetic ˘a (tranzit ,ie radiativ ˘a), procesul
numindu-se emisie spontan ˘a(Fig. 2.3 (b)), sau sub alte forme, precum energie cinetic ˘a, proces ˆın
care tranzit ,ia este neradiativ ˘a.
Dac˘a atomii din mediul activ sunt excitat ,i pe un nivel energetic superior, modul electromagnetic
rezonant ii va stimula pentru a trece pe nivelul inferior. Prin acest proces de emisie stimulat ˘a(Fig.
2.3 (c)), diferent ,a de energie este transferat ˘a cˆampului electromagnetic din cavitate, mai exact, unui
singur mod de oscilat ,ie a c ˘arui frecvent ,˘a este ˆın rezonant ,˘a cu frecvent ,a rezonatorului optic. Dac ˘a se
poate asigura o diferent ,˘a de populat ,ieˆıntre cele dou ˘a nivele atomice, atunci dispozitivul funct ,ioneaza
ca un amplificator cuantic de radiat ,ie [23].
Procesele de emisie spontan ˘a s,i emisie stimulat ˘a difer ˘a, in special, prin caracteristicile fotonilor
emis ,i.ˆIn cazul emisiei spontane, ˆıntre fotonii emis ,i nu exist ˘a nicio relat ,ie de faz ˘a, iar aces ,tia pot fi
emis ,iˆın toate direct ¸iile. ˆIn cazul emisiei stimulate, fotonul, care interact ,ioneaz ˘a cu atomul excitat,
determin ˘a emisia unui nou foton, de aceeas ,i direct ,ie, lungime de und ˘a, faz ˘a s,i stare de polarizare.
12
Figura 2.3: Diagrama nivelelor energetice s ,i a tranzit ,iilor [23]
Un electron poate fi excitat pe o serie de st ˘ari, fiecare cont ,inˆand un num ˘ar de nivele energe-
tice vibrat ,ionale s ,i rotat ,ionale. Nivele vibrat ,ionale sunt spat ,iate cu energii de 0,08 – 0,14 eV sau
1000-1700 cm 1, ceea ce conduce la emisia la lungimi de und ˘a de 6 – 10 mm. Nivele rotat ,ionale
sunt spat ,iate cu energii cu dou ˘a ordine de m ˘arimi mai mici. Inversia de populat ,ie se poate realiza
ˆıntre nivele electronice ( ˆıntre atomi neutri sau ioni), ˆıntre nivele vibrat ,ionale apart ,inˆand de dou ˘a st˘ari
electronice diferite (laseri vibronici), ˆıntre nivele de vibrat ,ie-rotat ,ie apart ,inˆand st ˘arii electronice fun-
damentale (laseri moleculari) sau ˆıntre nivele rotat ,ionale apart ,inˆand aceleias ,i st˘ari vibrat ,ionale (laseri
rotat ,ionali) [24], [25].
Pentru a explica conceptul de efect laser se consider ˘a dou ˘a nivele energetice E 1s,i E2, avˆand
populat ,iile la echilibru termodinamic N 1s,i N2cu degenerescent ,ele g 1s,i g2corespunz ˘atoare. Dac ˘a
sistemul este adus ˆıntr-o stare de neechilibru termic, ˆın care N 2>N1,ˆınseamn ˘a c˘a s-a realizat inversia
de populat ,ie, iar materialul se comport ˘a ca un amplificator. Condit ,ia de inversie de populat ,ie este N 2
N1,ˆıns˘a aceasta, des ,i necesar ˘a, nu este suficient ˘a pentru obt ,inerea efectului laser. ˆIntruc ˆatˆın
mediul de interact ,ie apar pierderi, se impune existent ,a unui”cˆas,tig” al liniei spectrale emise care s ˘a
le dep ˘as,easc˘a. Astfel, inversia de populat ,ie trebuie s ˘a dep ˘as,easc˘a un anumit prag, N p, aceasta fiind
condit ,ia dup ˘a care sistemul ˆıncepe s ˘a oscileze; N 2- N1>Np[26].
ˆIn principal, laser-ul poate fi descris ca un oscilator construit dintr-un amplificator, ce lucreaz ˘a la
frecvent ,e optice cu react ,ie pozitiv ˘a (asigurat ˘a de oglinzile rezonatorului optic), termenii de ”oscilator”
s,i ”amplificator” fiind folosit ,iˆın electronica convent ,ional ˘a (frecvent ,e mai mici de 1011 Hz) s ,iˆın
electronica cuantic ˘a (frecvent ,e de 1011 – 1015 Hz) [26].
Un laser cuprinde patru componente principale (fig. 2.4)
1. mediul activ (care poate fi gaz, lichid, solid/ semiconductor);
2. mecanismul de excitare (desc ˘arcare electric ˘a, pompaj optic, react ,ie chimic ˘a, etc.);
3. mecanismul de react ,ie (oglinzile rezonatorului optic);
4. cuplorul de ies ,ire (oglinda cu transmisie part ,ial˘a).
Mediul activ este format dintr-o colect ¸ie de atomi, molecule sau ioni care, absorbind energie de la
o surs ˘a extern ˘a, genereaz ˘a radiat ¸ie laser prin procese atomice. Acesta poate alc ˘atuit dintr-un material
ˆın starile solid ˘a, lichid ˘a, gazoas ˘a sau poate fi un semiconductor. Parametrii funct ,ionali ai laserului
depind de caracteristicile acestui material, unul dintre cei mai important ,i parametrii influent ,at,i fiind
lungimea de und ˘a. Energia extern ˘a este introdus ˘aˆın sistem printr-un mecanism numit pompare , care
poate fi realizat ˘a electric sau optic, s ,i care duce la excitarea atomilor din mediul activ, realizandu-se
13
Figura 2.4: Schema unui oscilator laser [27]
inversia de populat ,ie. Trecerea unui fascicul de lumin ˘a prin acest mediu activat, va determina emisia
stimulat ˘a, fasciculul fiind amplificat. Important ˆın acest proces este posibilitatea de a porni de la un
singur foton, generat prin emisie spontan ˘a, s ,i a obt ,ine un fascicul cu un num ˘ar imens de fotoni, tot ,i
avˆand caracteristici identice cu fotonul init ,ial [28].
Cavitatea optic ˘a rezonant ˘aeste format ˘a,ˆın cele mai multe cazuri, din dou ˘a oglinzi concave aflate
la capetele mediului activ. Rolul acestora este de a selecta fotonii ce au fost generat ,i pe direct ,ia axei
optice a cavit ˘at,ii s,i de a-i p ˘astra ˆın interiorul mediului activ. Fotonii, redirect ,ionat ,i prin mediul activ,
determin ˘a dezexcitarea atomilor s ,i atingerea unui echilibru activ, ˆın care num ˘arul de atomi excitat ,i
prin pompare este egal cu num ˘arul celor dezexcitat ,i prin emisie stimulat ˘a. Prin ajungerea la acest
echilibru, laserul ajunge, de asemenea, la o intensitate constant ˘a. Pentru a obt ,ine efectul laser ˆın final,
este nevoie ca pierderile prin absorbt ,ie, reflexie part ,ial˘a s,i difract ,ie s˘a fie compensate printr-o energie
minim ˘a. Mai exact, exist ˘a o energie de prag ce trebuie s ˘a fie furnizat ˘a mediului activ [26], [25].
Laserii sunt adesea clasificat ¸i dup ˘a metoda utilizat ˘a pentru obt ¸inerea inversiei de populat ¸ie s ¸i a
cˆas ¸tigului [25]. Des ,i exist ˘a un num ˘ar mare de medii active s ¸i un num ˘ar mai mare de tranzit ¸ii laser
individuale, num ˘arul mecanismelor de excitare este redus. Principalele mecanisme de excitare pentru
laseri sunt [28]:
excitarea prin ciocniri electronice (prin impact electronic, prin desc ˘arcare electric ˘a);
excitarea prin transfer rezonant de energie;
excitarea prin pompaj optic;
excitarea prin efect Penning;
excitarea prin procese gaz-dinamice;
excitarea prin react ¸ii chimice;
excitarea laserilor cu semiconductoare.
Laserul poate funct ,iona at ˆatˆın und ˘a continu ˘a 2.5, c ˆat s ,iˆın impulsuri (2.6, 2.7), aceste regimuri
fiind determinate de modul ˆın care este realizat ˘a pomparea s ,i de tipul mediului activ. Atunci c ˆand
puterea, P (W), a unui laser se ment ¸ine la nivel constant pentru perioade lungi de timp (secunde, zeci
de secunde), se spune c ˘a laserul funct ¸ioneaz ˘aˆın und ˘a continu ˘a. Pentru aplicat ¸iile biofotonicii, puterile
utile ale laserilor se ˆıncadreaz ˘aˆın domeniul 0,1 100 W [22], [26]. Primul maser s ,i primul laser au
funct ,ionat ˆın regim de impulsuri [25].
ˆIn cazul funct ¸ion ˘ariiˆın impulsuri prin choppare, puterea de v ˆarf a impulsului este cea a laserului
ˆın und ˘a continu ˘a. Frecvent ¸a de repetit ¸ie a impulsurilor este de Hz – kHz. Raportul ˆıntre durata
14
Figura 2.5: Regimul de funct ¸ionare ˆın und ˘a continu ˘a [27]
Figura 2.6: Regimul de funct ¸ionare ˆın impulsuri prin ˆıntreruperea periodic ˘a a unui fascicul laser ˆın
und˘a continu ˘a [27]
impulsului tps ¸i perioada impulsurilor T p(inversul frecvent ¸ei de repetit ¸ie a impulsurilor, T p= 1/f r)
reprezint ˘a factorul de umplere (0,1 – 0,9) [25].
Figura 2.7: Regimul de funct ¸ionare normal ˘aˆın impulsuri a laserului [27]
Impulsurile laser se obt ¸in prin ˆınmagazinarea energiei ˆın sursa de alimentare a laserului sau ˆın
circuitele care conecteaz ˘a laserul de sursa de alimentare. Desc ˘arcarea rapid ˘a a energiei ˆınmagazinate
conduce la emisia de impulsuri laser cu puteri de v ˆarf mai mari dec ˆatˆın cazul funct ¸ion ˘ariiˆın und ˘a
continu ˘a.
2.1.2 Particularit ˘at,i ale laserului cu CO 2
Laserul cu CO 2este o surs ˘a potrivit ˘a pentru a fi utilizat ˘aˆın PAS, ˆıntruc ˆat majoritatea gazelor de
interes absorb radiat ,ia din domeniul spectral 9-11 mm.ˆIn laboratorul ”Optic ˘a s ¸i Laseri ˆın S ¸tiint ¸ele
Viet ¸ii, Mediu s ¸i Tehnologie” sunt utilizate dou ˘a surse de radiat ¸ie pentru detect ¸ia PA:
1. un laser de putere mare, comercial, cu CO 2(GEM SELECT 50T M, Coherent, SUA);
2. un laser de putere mic ˘a, construit ˆın laborator, ˆınchis, cu CO2 (LIR 25 SF).
Laserul de putere mare (GEM SELECT 50T M) cu CO 2(Fig. 2.8) prezint ˘a un ghid de und ˘a excitat
ˆın radiofrecvent ¸ ˘a (RF) s ,i este acordabil pe 73 de linii de vibrat ¸ie-rotat ¸ie ( ˆın domeniul de lungimi
15
de und ˘a 9,2-10,8 mm). Laserul este stabilizat ˆın frecvent ¸ ˘a s,i are puterea maxim ˘a de ies ,ire de 56 W,
aceasta depinz ˆand de linia laser selectat ˘a (fereastra de ies ¸ire din ZnSe). Configurat ¸ia optic ˘a a laserului
permite operarea ˆın modul transversal de oscilat ¸ie TEM 00(>98 %) cu dimensiunea fasciculului la
1/e2= 1,70,2 mm s ¸i factorul de calitate M2<1,1 [29].
Figura 2.8: Laserul GEM SELECT 50T Ms ¸i sistemul cu lichid de r ˘acire ˆın circuit ˆınchis [3]
Acordabilitatea laserului (Fig. 2.9) a fost verificat ˘a prin folosirea un monocromator, regl ˆand
ret,eaua de difract ,ie intern ˘a cu un s ,urub micrometric, pentru a obt ,ine fiecare linie laser.
Figura 2.9: Acordabilitatea spectral ˘a a laserului cu CO2 GEM SELECT 50T M[3]
Laserul de putere mic ˘acu CO 2, construit ˆın laborator, este de asemenea stabilizat ˆın frecvent ¸ ˘a
s ¸i acordabil. Acesta a fost proiectat ca un dispozitiv compact, f ˘ar˘a circulat ¸ie a gazelor, permit ,ˆand
funct ¸ionarea monomod. Puterea de emisie de maxim ˘a este de 6,5 W, ˆın und ˘a continu ˘a [30], [31].
Realizarea unui laser cu CO 2f˘ar˘a circulat ,ie de gaz prezint ˘a o problem ˘a esent ,ial˘a,ˆın cazul ˆın care
se dores ,te o durat ˘a mare de funct ,ionare, deoarece moleculele de CO 2se pot disocia prin ciocnirea
cu electronii, iar acest lucru trebuie ˆımpiedicat pentru a ment ,ine mediul activ la concentrat ,ia init ,ial˘a.
Energia de disociere a CO 2este de 5,47 eV , iar ˆıntr-o desc ˘arcare electric ˘a, o parte din moleculele de
dioxid de carbon se disociaz ˘aˆın CO s ¸i O. Suprafet ,e solide absorb oxigenul ˆıntr-o cantitate mare, astfel
acesta disp ˘arˆand din echilibrul gazos s ,i permit ,ˆand disocierea unei alte cantit ˘at,i de CO 2, proces care
16
duce, ˆın final, la terminarea cantit ˘at,ii de CO 2. Exist ˘a mai multe solut ,ii pentru a diminua disocierea
moleculelor de CO 2, acestea fiind: ˆımbun ˘at˘at ¸irea structurii tubului de desc ˘arcare, alegerea electrozilor
potrivit ¸i, introducerea unor gaze care limiteaz ˘a disocierea moleculelor de CO 2s ¸i prelucrarea adecvat ˘a
a tubului laser s ¸i a electrozilor.
Pentru laserii f ˘ar˘a circulat ,ie de gaz, ˆın care lipses ,te regimul de curgere a gazelor, se pune problema
stabilit ˘at ¸ii componentelor din plasma de desc ˘arcare. Mai mult, trebuie avut ˘aˆın vedere alegerea optim ˘a
a contribut ¸iilor de gaze adit ,ionale. Prin ad ˘agarea de gaze aditive, puterea laserului cu CO 2poate fi
m˘arit˘a considerabil. Cel mai comun amestec de gaze este CO 2: N 2: He = 1 : 1 : 6, cu adaos de
Xe s ¸i H 2, la o presiune de 32 mbar. Antecedent utiliz ˘arii, amestecul este omogenizat ˆıntr-un rezervor
ˆınc˘alzit electric din instalat ¸ia de umplere [31, 32].
Xe are un rol principal ˆın ment ¸inerea componentei de CO 2din plasma de desc ˘arcare. Acesta
are cel mai sc ˘azut potent ¸ial de ionizare din mediul activ, contribuind la descres ¸terea num ˘arului de
electroni de energie ˆınalt˘a, din plasma de desc ˘arcare, s ¸i a num ˘arului de specii ionizate. Astfel, Xe
ajut˘a la reducerea gradului de disociere a moleculelor de CO 2. Alte contribut ,ii a Xe sunt descres ¸terea
tensiunii de desc ˘arcare (0,66 mbar de Xe sunt suficient ¸i pentru o reducere a c ˘aderii de tensiune cu
aproximativ 13%) s ,i mics ¸orarea temperaturii gazului, determin ˆand o cres ¸tere a puterii laserului.
Scopul ad ˘aug˘arii de H 2(ˆıntre 0,15 s ¸i 0,18 mbar) este ˆımbun ˘at˘at ¸irea timpului de viat ¸ ˘a al laserului
cu CO 2, le fel ca Xe, ajut ˆand la ment ¸inerea concentrat ¸iei init ¸iale de CO 2.ˆIn urma procesului de
disociere a CO 2rezult ˘a o cantitate semnificativ ˘a de CO s ¸i O, iar ˆın prezent ,a H 2se pot forma radicalii
hidroxil. Aces ,tia reprezint ˘a un bun catalizator pentru recombinarea CO ˆın CO 2, astfel mics ,orˆand
gradul de disociere al CO 2de 2 – 3 ori.
Laserul poate fi realizat, practic, ˆın mai multe moduri:
cu tubul ˆınchis sau cu circulat ¸ie de gaz;
cu ghid de und ˘a sau cu tubul av ˆand diametrul mai mare;
cu desc ˘arcare longitudinal ˘a sau transversal ˘a.
Pentru experimentele prezentate ˆın aceast ˘a lucrare s-a lucrat cu un laser de tip ˆınchis (f ˘ar˘a circulat ,ie
de gaz), cu desc ˘arcare longitudinal ˘a (Fig. 2.10). Tubul laserului (Fig. 2.11) este construit din sticl ˘a
Pyrex, av ˆand 3 c ˘am˘as ¸i coaxiale. Prima c ˘amas ¸ ˘aˆınchide tubul de desc ˘arcare, al c ˘arui diametru interior
este de 7 mm s ¸i care asigur ˘a o lungime a desc ˘arc˘arii de 53 cm. A doua c ˘amas ¸ ˘a serves ¸te circul ˘arii
lichidului de r ˘acire (agentul de r ˘acire fiind apa), pentru a ment ¸ine temperatura constant ˘aˆın tubul de
desc˘arcare. Cea de-a treia c ˘amas ¸ ˘a formeaz ˘a un rezervor de gaz, al c ˘arui volum este de peste 70 ori
mai mare ca volumul desc ˘arc˘arii active.
Figura 2.10: Laserul LIR-25 SF cu CO 2[3]
La capetele tubului, ce delimiteaz ˘a zona de desc ˘arcare activ ˘a, sunt amplasat ¸i doi electrozi, ne-
cesari sust ¸inerii desc ˘arc˘ariiˆın curent continuu, prin mediul activ laser. Capetele tubului laser sunt
17
t˘aiate la unghi Brewster s ¸i ˆınchise cu ferestre de ZnSe, asigur ˆandu-se pierderi minime s ¸i polarizare
liniar ˘a a radiat ¸iei laser. Configurat ¸ia optic ˘a permite operarea ˆın modul fundamental TEM 00, criteriul
de select ¸ie a modului baz ˆandu-se pe faptul c ˘a pierderile prin difract ¸ie, pentru modul TEM 10, pot fi
m˘arite fat ¸ ˘a de c ˆas ¸tigul laser, astfel c ˘a toate modurile superioare sunt eliminate [31]. Configurat ¸ia op-
tim˘a s-a dovedit a fi semisimetric ˘a, cu un factor geometric, g cuprins ˆın intervalul 0,5 – 0,6 ( g a fost
definit ca 1 – L/R, unde L este lungimea rezonatorului, L = 1m, iar R este raza de curbur ˘a a oglinzii,
R = 3m). Aceast ˘a configurat ¸ie asigur ˘a pierderi minime prin difract ¸ie pentru modul fundamental.
Figura 2.11: Configurat ¸ia unui tub laser cu CO 2f˘ar˘a circulat ¸ie de gaz (vedere lateral ˘a) [3]
Folosind o ret ,ea de difract ,ie, care act ¸ioneaz ˘a ca un element selectiv de lungimi de und ˘a (Fig. 2.12),
se poate realiza funct ,ionarea monolinie a laserului cu CO2. Ret ,eaua de difract ,ie se afl ˘aˆın configurat ,ie
Littrow, iar prin modificarea unghiului de ˆınclinare al acesteia (cu ajutorul unui s ¸urub micrometric de
exterior 0-25 mm) se poate obt ,ine select ,ia celor 63 de linii de vibrat ¸ie-rotat ¸ie ˆın domeniul (9 – 11) mm
(Fig. 2.13). Ret ,eaua de difract ,ie prezint ˘a 135 linii/mm, iar prin utilizarea ei laserul poate fi acordat, pe
toat˘a l˘argimea liniei de oscilat ¸ie. Ulterior stabiliz ˘ariiˆın frecvent ,˘a a laserului, a fost m ˘asurata puterea
pentru fiecare linie, valorile prezentate reprezent ˆand maximul de putere corespunz ˘ator unei pozit ¸ii
optime a ret ¸elei de difract ¸ie [30].
Figura 2.12: Ret ¸eaua de difract ¸ie [3]
Prin reglarea ˆınclin ˘arii ret ,elei de difract ,ie, s-a m ˘asurat acordabilitatea laserului cu CO 2, acesta
18
fiind acordabil pe 63 de linii de vibrat ¸ie-rotat ¸ie, ˆın ramurile de 9 s ¸i 10 mm (Fig. 3.9).
Figura 2.13: Acordabilitatea spectral ˘a a laserului de putere mic ˘a, stabilizat ˆın frecvent ¸ ˘a [3]
Stabilizarea ˆın frecvent ,˘a se foloses ,te, at ˆat pentru minimizarea efectelor de instabilitate, c ˆat s ,i
pentru asigurarea unei valori constante a puterii de ies ¸ire [3], [30], [32], [15]. ˆIn acest scop, exist ˘a
dou˘a metode ce pot fi utilizate, stabilizarea pasiv ˘a s ¸i stabilizarea activ ˘a.
Pentru realizarea stabiliz ˘arii pasive se proiecteaz ˘a s,i execut ˘a o cavitate rezonant ˘a, a c ˘arei lungime
s˘a fie c ˆat mai put ,in afectat ˘a de perturbat ¸iile mecanice s ¸i termice, ale mediului ˆınconjur ˘ator. Pen-
tru aceasta, s-a realizat o structur ˘a mecanic ˘a a cavit ˘at ¸ii rezonante, cu rigiditate mecanic ˘aˆınalt˘a s ¸i
dependent ¸ ˘a redus ˘a de temperatur ˘a, care s ˘a permit ˘a reglarea oglinzilor ˆın interiorul rezonatorului s ¸i
rotirea ret ¸elei de difract ¸ie.
ˆIn cazul stabiliz ˘arii active, se va controla lungimea cavit ˘at,ii,ˆın mod automat, folosind un traductor
piezoelectric (PZT), la centrul liniei de c ˆas ¸tig. La o stabilitate a curentului de desc ˘arcare de 510 3,
stabilizarea ˆın frecvent ¸ ˘a, pe termen lung, este de 3 10 8, iar stabilizarea ˆın putere de cel put ¸in, 10 2,
pentru toate tranzit ¸iile laser din ramurile P s ¸i R.
2.2 Celula fotoacustic ˘a
Proiectarea celulei PA este critic ˘a pentru a obt ,ine un raport semnal/zgomot bun. Studiile teoretice s ,i
experimentale arat ˘a c˘aˆın cazul unei absorbt ,ii constante a luminii, amplitudinea semnalului PA care
ajunge la microfon depinde de m ˘arimea celulei s ,i, de regula, acesta cres ,te atunci c ˆand dimensiunile
celulei sunt reduse. Totus ,i, celula PA nu ar trebui sa sufere o minimizare considerabil ˘a, intruc ˆat se
poate ajunge ˆın punctul ˆın care semnalul acustic produs sufer ˘a o disipare apreciabil ˘a prin fereastrele
s,i peret ,ii celulei ˆınainte de a ajunge la microfon. Izolarea acustic ˘a fat ,˘a de exterior s ,i configurat ,ia mi-
crofonului adecvate sunt de asemenea importante pentru acuratet ,ea m ˘asur˘atorilor. Cel mai important,
ˆın proiectarea unei celule fotoacoustice, proba ce trebuie studiat ˘a joac ˘a un rol semnificativ.
Construct ,ia celulei
Celula PA, utilizat ˘aˆın configurat ¸ia extracavitate cu laserul cu CO2, este o celul ˘a rezonant ˘a cu
geometrie H (Fig. 2.14) format ˘a dintr-un tub rezonant din inox, deschis la ambele capete, av ˆand
peret ¸ii polisat ¸i pe partea interioar ˘a, diametrul interior de 6 mm s ¸i lungimea de 300 mm. Tubul rezonant
este plasat coaxial ˆıntr-un cilindru din aluminiu cu diametrul de 57 mm s ¸i este excitat ˆın primul mod
19
longitudinal. Frecvent ¸a de modulare a radiat ¸iei coincide cu frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a a modului, iar
astfel se asigur ˘a o cuplare eficient ˘aˆıntre rezonant ¸a acustic ˘a selectat ˘a s ¸i profilul fasciculului laser [3],
[33].
Figura 2.14: Celula PA excitat ˘aˆın primul mod longitudinal [3]
La ambele capete ale tubului sunt plasate dou ˘a cavit ˘at ¸i rezonante, cu diametrul de 57 mm s ¸i
lungimea de 75 mm [3] (as ,a cum se poate observa din Fig. 2.15), av ˆand rolul de a atenua semnalul
parazit, rezultat din absorbt ¸ia fasciculului laser ˆın ferestrele celulei. Dimensiunile cavit ˘at ¸ilor sunt
alese astfel ˆıncˆat s˘a se asigure un cuplaj acustic redus cu tubul rezonator, observabila fiind valoarea
mare a raportul dintre diametrul cavit ˘at ¸ii tampon s ¸i cel al tubului rezonant. Mai mult, lungimea
cavit ˘at ¸ii tampon constituie un sfert din lungimea rezonatorului.
Figura 2.15: Sect ¸iune transversal ˘a prin celula PA, ˆın montaj extracavitate [3]
Pentru a minimiza zgomotol fotoacustic generat prin ˆımpr ˘as ¸tiere s ¸i absorbt ¸ie ˆın ferestre, capetele
tubului sunt finalizate cu ferestre din ZnSe, fixate ˆın monturi de aluminiu, plasate la unghi Brewster.
Leg˘atura dintre volumele tampon s ¸i ferestre este realizat ˘a prin intermediul unor cilindri de lungime
minim ˘a, scopul fiind prevenirea rezonant ¸elor adit ¸ionale.
Pentru mics ,orarea pierderilor datorate absorbt ¸iei, peret ¸ii celulei sunt realizat ¸i din ot ¸el inoxidabil.
Tubul rezonator este centrat coaxial ˆın interiorul tubului exterior, prin intermediul unui distant ¸ier.
Unul din capetele tubului rezonator este sudat ˆıntr-un distant ¸ier metalic masiv care asigur ˘a circulat ¸ia
direct ,ionat ˘a a gazului prin rezonator [3], iar cel ˘alalt cap ˘at este centrat cu ajutorul unui distant ¸ier din
teflon. C ˘aile de circulat ¸ie ale gazului (intrarea, respectiv ies ¸irea) sunt plasate ˆın apropierea unui cap ˘at
al tubului rezonator.
Semnalul PA
Generarea semnalului PA implic ˘a producerea energiei termice s ¸i generarea undelor acustice. ˆIn
urma absorbt ¸iei energiei de la fasciculul de radiat ¸ie modulat, se produce o surs ˘a periodic ˘a de caldur ˘a
20
ˆın gaz, care va act ¸iona ca surs ˘a de unde acustice, acest proces fiind dependent de propriet ˘at ¸ile fas-
ciculului laser s ¸i de gazul absorbant. Detect ¸ia acestor unde acustice fiind realizat ˘a cu ajutorul unui
microfon sensibil, plasat ˆın celula PA [34].
O celul ˘a PA poate funct ¸iona ˆın dou ˘a moduri: nerezonant, atunci c ˆand frecvent ¸a de modulat ¸ie este
mult mai mic ˘a dec ˆat frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a acustic ˘a a rezonatorului, sau rezonant, ceea ce implic ˘a
lucrul la o frecvent ¸ ˘a de rezonant ¸ ˘a acustic ˘a specific ˘a rezonatorului PA [3]. ˆIn cazul unei celule nere-
zonante, frecvent ¸a de modulat ¸ie sc ˘azut˘a prezint ˘a un dezavantaj, deoarece sistemul devine sensibil la
zgomot, iar semnalul de fond este relativ mare. ˆIns˘a la presiune joas ˘a, celula nerezonant ˘a prezint ˘a un
avantajul c ˘a raportul semnal/zgomot r ˘amˆane constant odat ˘a cu sc ˘aderea presiunii, spre deosebire de
o celula rezonant ˘a, la care acest raport scade liniar cu presiunea.
Dac˘a se cres ¸te frecvent ¸a de modulat ¸ie, lungimea de und ˘a acustic ˘a poate deveni egal ˘a cu dimensiu-
nea celulei la un moment dat, intruc ˆat celula PA este un bun rezonator acustic ˆın volum. ˆIn acest fel,
modurile rezonante ale celulei pot fi excitate determin ˆınd amplificarea semnalului [3]. Acest efect este
ˆın direct ˘a leg ˘atur˘a cu geometria celulei s ,i este dependent de volumul s ,i frecvent ¸a de modulat ¸ie. La
rezonant ¸ ˘a unda stat ¸ionar ˘a poate acumula mai mult ˘a energie dec ˆat energia de ˆınceput/ciclu, semnalul
fiind amplificat de Q ori (Q reprezent ˆand factorul de calitate, mai concret, gradul de amplificare a sem-
nalului). Din acest motiv, au fost dezvoltate mai multe tipuri de celule rezonante, pentru ˆımbun ˘at˘at ¸irea
optim ˘a a amplitudinii acustice, iar una dintre cele mai utilizate geometrii este cea cilindric ˘a, ea put ˆand
fi excitat ˘aˆın modurile longitudinal, radial s ,i azimutal.
Amplificarea semnalului prezint ˘a o dependent ,˘a fat ,˘a de pierderile rezonatorului, des ,iˆın practic ˘a,
pentru obt ¸inerea amplitudinii undei acustice s ¸i a frecvent ¸ei de rezonant ¸ ˘a se neglijeaz ˘a procesele de
disipare a energiei. Exist ˘a dou ˘a categorii principale de pierderi care trebuie cunoscute [3], [34],[35]:
1. pierderi la suprafat ¸ ˘a reprezentate de: disip ˘ari termice s ,i pierderi datorate v ˆascozit ˘at ¸ii pe suprafet ¸ele
interne, ˆımpr ˘as ¸tierea undei pe suprafet ¸ele de obstruct ¸ie, prezent ¸a peret ¸ilor rezonatorului, disi-
parea pe diafragma microfonului.
2. pierderi volumetrice contituite de: disipari termice s ¸i pierderi datorit ˘a vˆascozit ˘at ¸iiˆın spat ¸ii li-
bere, efecte de difuzie, radiat ¸ie s ,i relaxare.
Frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a a celulei
Frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a depinde de geometria celulei s ¸i amestecul de gaz prezent ˆın aceasta. ˆIn
cazul unui rezonator cilindric f ˘ar˘a pierderi, frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a se determin ˘a ca o solut ¸ie a ecuat ¸iei
undei ˆın coordonate cilindrice:
fres=c0
2"k
L2
+amn
pr2#1
2
(2.1)
unde c0este viteza sunetului ˆın prob ˘a,Ls ¸irsunt lungimea s ¸i raza cilindrului, iar amneste r ˘ad˘acina
an-a (a00=0,a01=3:83,a02=7:02,a10=1:84,a11=5:33,a12=8:53, etc) a derivatei funct ¸iei
Bessel:
Jm(z)
z=0 (2.2)
Pentru primul mod longitudinal ( k=1,amn=0ˆın relat ¸ia 2.2 ), consider ˆand viteza sunetului
c0=347m=s, s-a calculat o valoare a frecvent ¸ei de rezonant ¸ ˘a de 564 Hz. Pentru a obt ¸ine valoarea
experimental ˘a a frecvent ¸ei de rezonant ¸ ˘a,fres, s ¸i a factorului de calitate, Q, s-a utilizat un amestec
de 1 ppmV (p ˘art,i per milion ˆın volum) etilen ˘aˆın azot, la o presiune total ˘a de 1 atm. Amestecurile
cu etilen ˘a sunt propice utiliz ˘ariiˆın astfel de determin ˘ari,ˆıntruc ˆat se cunoas ,te absorbt ,ia acestui gaz la
lungimile de und ˘a corespunz ˘atoare liniilor laserului cu CO2 [3].
21
Curba de rezonant ¸ ˘a a celulei PA, cu ajutorul c ˘areia se pot determina frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a s ¸i
factorul de calitate, este prezentat ˘aˆın Fig. 2.16.
Figura 2.16: Curba de rezonant ¸ ˘a a celulei PA s ,i FWHM al profilului (l ˘argimea la semi- ˆın˘alt,ime – full
width at half maximum)[3], [34]
M˘asuratorile efectuate pe linia 10P(14) a laserului cu CO 2, au condus determinarea valorii de
564 Hz pentru frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a a celulei PA, respectiv 16,11 pentru factorul de calitate. Q
este, de obicei, cuprins ˆıntre 10 s ¸i 50 pentru rezonatori longitudinali s ,i poate atinge valoarea 1000
pentru cavit ˘at ¸i sferice [3]. Acesta a fost calculat ca raportul dintre frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a s ¸i banda de
frecvent ¸ ˘a, la1p
2din amplitudinea maxim ˘a de semnal (2.3)
Qexp=fres
Df1=p
2(2.3)
Constanta celulei
Constanta celulei, C, descrie sensibilitatea rezonatorului la o frecvent ¸ ˘a de rezonant ¸ ˘a dat ˘a s,i pentru
o anumit ˘a geometrie a celulei, depinz ˆand de dimensiunea rezonatorului, frecvent ¸a s ¸i factorul de cali-
tate, la rezonant ¸a selectat ˘a pentru detect ¸ia PA, s ,i de suprapunerea spat ¸ial ˘a a fascicului laser s ¸i modelul
undelor stat ¸ionare [3].
Pentru obt ¸inerea valorii experimental ˘a a constantei s-a utilizat un amestec calibrat de 1 ppm etilen ˘a
ˆın azot la o presiune total ˘a de 1 atm. M ˘asuratorile s-au realizat pe linia 10P(14) a laserului cu CO2
(a=30;4atm 1cm 1). Deoarece sensibilitatea microfoanelor, SM, este constant ˘a pe domeniul de
frecvent ¸ ˘a utilizat, semnalul PA m ˘asurat (V) este proport ¸ional cu constanta, C, a celulei ( PacmW 1).
(2.4) [3]
C=V
caPLSM(2.4)
unde U(V) este r ˘aspunsul ˆın tensiune al amplificatorului lock-in, c(atm) reprezint ˘a “concentrat ¸ia
gazului”, a(cm 1atm 1)este coeficientul de absorbt ¸ie al gazului la lungimea de und ˘a dat ˘a s ¸i la
presiune atmosferic ˘a,PL(W) este puterea laser dup ˘a trecerea prin chopper, iar SM(V Pa 1)este sensi-
bilitatea microfoanelor.
Dac˘a se consider ˘aV=2p
2Ve fs ¸iPL=2PmasSM, concentrat ¸ia gazului devine:
c=2p
2V
Ca2PmasSM(2.5)
22
S ¸tiind c ˘aR=CSM(V cmW 1)este responsivitatea celulei, atunci:
R=2p
2Ve f
caPmas(2.6)
Chopper-ul are paletele egale cu distant ¸a dintre ele, lucru care determin ˘a un coeficient de trans-
misie de 50%. Deci puterea m ˘asurat ˘a dup ˘a trecerea fasciculului prin chopper, va fi jumatate din PL,
indiferent de frecvent ¸a de lucru a chopperul-ului.
Pentru a determina parametrii celulei, s-a folosit un aranjament experimental optimizat [3]:
1. m ˘asur˘atorile sunt efectuate pe linia 10P(14) a laserului cu CO 2, la aceasta ˆınregistr ˆandu-se cea
mai puternic ˘a absorbt ¸ie a etilenei
2. celula este cur ˘at,at˘a prin vidarea sistemului s ¸i introducerea unui flux de N 2, la presiune atmosfe-
ric˘a (1,013 bar), timp de 10 minute.
3. calibrarea sistemului se face pentru un amestec de 0,96 ppm C 2H4ˆın N 2(furnizat de LINDE).
Raportul de transmisie se poate calcula cu formula (2.7), iar valoarea sa ideal ˘a este RT=50%.
Totus ,i exsta o diferent ,˘aˆıntre aceast ˘a valoare s ,i cea real ˘a, datorat ˘a pierderilor prin reflexie s ,i absorbt ,ie
ˆın ferestrele celulei s ,i pierderilor la propagarea fasciculului laser prin celula [3], [35], [36].
RT=PoutC
PoutLaser(2.7)
Folosind aranjamentul prezentat mai sus, s-au obt ¸inut urm ˘atorii parametri ai celulei PA (Tabelul
2) [3]:
Frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a,f0 564 Hz
Factorul de calitate1, Q 16.1
Responsivitatea celulei2, R 280 cmV/W
Sensibilitatea microfoanelor3,SM 8010 2V/Pa
Constanta celulei4, C 3.5103Pa cm/W
R˘aspunsul ˆın amplitudine a presiunii5,p=PL 10 1Pa/W
Limita de sensibilitate a celulei6,Scell 2.610 8Wcm 1
Limita de sensibilitate a sistemului7,Ssys 5.910 9cm 1
Concentrat ¸ia de etilen ˘a minim detectabil ˘a8,clim 0.2 ppbV
Semnalul minim detectabil ˆın azot9,Vmin 12mV
Amplitudinea presiunii minim detectabil ˘a10,pmin 4.210 4Pa
Concentrat ¸ia minim detectabil ˘a11,cmin 0.9 ppbV
Absorbt ¸ia minim detectabil ˘a12,amin 2.710 8cm 1
Tabelul 2 : Parametrii celulei PA
1Aceast ˘a valoare a factorului de calitate corespunde pentru o l ˘argime de band ˘a complet ˘a, la 0.707
puncte, de amplitudine de Df=f0=Q=35Hz
2Responsivitatea celulei este dat ˘a de valoarea semnalului pe unitatea de putere pe unitatea de
coeficient de absorbt ,ie;ˆın acest caz semnalul pe unitatea de putere este: 8.2 10 3V/W pentru 0.96
ppmV de C2H4; coeficientul de absorbt ,ie al amestecului este a= 30.4 cm 1atm 10.9610 6atm
= 2.9210 5cm 1; astfel R = 8.210 3(V/W) /2.9210 5cm 1= 280 Vcm/W;
3Sensibilitatea microfoanelor este dat ˘a de microfoanele Knowles EK 3033: 54 dB ( =500) atenu-
area: 564 Hz la 1V/0.1 Pa, din care rezult ˘a SM=20 mV/ Pa
4Constanta celulei este dat ˘a de raportul dintre responsivitatea celulei s ,i sensibilitatea microfoane-
lor: C = R/ S M
5R˘aspunsul ˆın amplitudine a presiunii pe unitatea de putere incident ˘a pentru 1ppmV de C 2H4este
p/PL= Ca
23
6Limita de sensibilitate a celulei este S cell= 2p
2 Vac
N/R
7Limita de sensibilitate a sistemului este S sys= Scell/ PL
8Limita de sensibilitate a sistemului ofer ˘a concentrat ,ia de etilen ˘a minim detectabil ˘a clim= S sys/
a
9Semnalul minim detectabil ˆın azot determinat de semnalul fotoacustic coerent de fond V min=
Vb
N(azot)PL
10Amplitudinea presiunii minim detectabil ˘a poate fi determinat ˘a prin ˆımp˘art,irea semnalului minim
m˘asurabil ˆın azot cu responsivitatea microfonului p min= 2p
2 V min/ SM
11Semnalul minim detectabil ˆın azot ofer ˘a o concentrat ,ie minim detectabil ˘a de c min= 2p
2 V min/
a2 PmasR, unde P masreprezint ˘a puterea laser m ˘asurat ˘a dup ˘a chopper: P L= 2 P mas
12Coeficientul de absorbt ,ie minim detectabil sau coeficientul de absorbt ,ie echivalent C 2H4pentru
o concentrat ,ie minim detectabil ˘a este amin= cmina= 2p
2 Vb
N/R.
2.3 Detectorii de semnal acustic
Detectorii transform ˘a semnalul acustic ˆıntr-unul electric s ,iˆın general se folosesc microfoane, care
din punct de vedere structural sunt traductoare acusto-electronice. Dup ˘a principiul de funct ¸ionare,
microfoanele se clasific ˘aˆın:
microfoane cu rezistent ¸ ˘a variabil ˘a (microfoane cu c ˘arbune);
electrodinamice (microfoane cu bobin ˘a mobil ˘a, microfoane cu band ˘a);
electroacustice (microfoane condensator, microfoane cu electret);
piezoelectrice (microfoane cu cristal).
Calitatea transmisiei semnalului sonor este influent ,at˘a de caracteristicile electrice ale microfonu-
lui. Cele mai importante caracteristici sunt: sensibilitatea, caracteristica de frecvent ¸ ˘a, distorsiunile,
zgomotul propriu s ¸i impedant ¸a de ies ¸ire. Un alt factor important, de care trebuie t ,inut cont la proiecta-
rea sistemului de detect ,ie, este localizarea microfoanelor [3]. Amplasarea acestora se face astfel ˆıncˆat
s˘a existe un contact acustic bun cu mediul absorbant, iar perturbat ,iile introduse ˆın cˆampul acustic sa
fie minime. Se implic ˘a astfel existent ,a unei diafragme mici ˆıntre membrana microfonului s ¸i volumul
celulei.
Celula PA, folosit ˘aˆın laborator, este echipat ˘a cu patru microfoane electroacustice cu electret fixate
ˆıntr-un cilindru de teflon (fig. 2.17). Electretul este un strat subt ¸ire izolant care este ˆınc˘arcat cu
sarcini electrice de semne opuse pe cele dou ˘a fet ¸e. Microfoanele sunt modelul EK 3033 (Knowles
Electronics) s ,i au sensibilitatea de 20 mV/Pa fiecare. Microfoanele sunt conectate ˆın tubul rezonator
prin intermediul unor canale care, ˆımpreun ˘a cu volumele ˆın care sunt plasate microfoanele, formeaz ˘a
un rezonator Helmholtz (o camer ˘a acustic ˘a a c˘arei geometrie, ˆın combinat ,ie cu o deschiz ˘atur˘a de mici
dimensiuni, determin ˘a rezonant ,a la o anumit ˘a frecvent ,˘a).
Microfoanele Knowles EK 3033 sunt alc ˘atuite dintr-un preamplificator cu tranzistor cu efect de
cˆamp (FET – Field-effect transistor). Acestea prezint ˘a oˆınalt˘a sensibilitate electro-acustic ˘a, nivel de
zgomot sc ˘azut, construct ¸ie solid ˘a pentru a rezista la condit ¸ii de umiditate s ¸i temperaturi sc ˘azute s ¸i o
ˆınalt˘a rezistent ¸ ˘a la s ¸ocuri mecanice. Microfoanele sunt conectate ˆın serie s ¸i plasate la antinodurile
distribut ¸iei undelor stat ¸ionare, pentru a obt ¸ine un semnal maxim.
Cˆas,tigul ˆın sensibilitate se obt ,ine datorit ˘a cres ,terii semnalului de un num ˘ar de ori egal cu num ˘arul
de microfoane ˆınseriate, iar a zgomotului de fond doar de dou ˘a ori (p
4). Ceea ce rezult ˘a este o dub-
lare a raportului semnal/zgomot [3], [5], [33]. S-a constatat c ˘a cele patru componente secvent ¸iale,
reprezent ˆand microfoanele din interiorul rezonatorului, pot introduce modific ˘ari importante ale para-
metrilor celulei. Cuplajul acustic dintre rezonator s ¸i microfoane este realizat prin intermediul a patru
orificii (cu diametrul de 1 mm). ˆIntre microfoane s ¸i tubul rezonator nu exist ˘a spat ¸iu liber, ˆıntruc ˆat
acesta ar putea s ˘a determine o descres ¸tere a semnalului s ¸i a factorului de calitate, acestuia din urm ˘a
influent ,ˆandu-i ˆın mod critic valoarea.
24
Figura 2.17: Cele patru microfoane ˆımpreun ˘a cu cilindrul din teflon [3]
2.4 Modulatorul
Un modulator optic este un dispozitiv utilizat ˆın scopul varierii uneia dintre caracteristicile radiat ,iei
laser, fasciculul put ˆand fi propagat at ˆat liber prin mediu, c ˆat s ,i printr-un ghid de und ˘a. Cˆat,iva dintre
parametri ce pot fi manipulat ,i sunt amplitudinea, frecvent ,a, faza s ,i polarizarea, aces ,tia determin ˆand
astfel s ,i o clasificare a modulatoarelor. Uneori, pentru a obt ,ine modulat ,ia intensit ˘at,ii unui fascicul,
cel mai simplu mod de realizare este modularea curentului de act ,ionare al sursei de lumin ˘a, acest tip
de modulare numindu-se modulare direct ˘a.ˆIn opozit ,ie cu aceasta se afl ˘a modul extern, pe care ˆıl
efectueaz ˘a modulatoarele ce act ,ioneaz ˘a asupra fasciculului [37].
ˆIn configurat ,ia prezentat ˘a, modularea se va realiza ˆın mod periodic, cu o frecvent ¸ ˘a audio, ce va fi
recept ¸ionat ˘aˆın microfon. C ˆateva din avantajele pe care le ofer ˘a procesul modul ˘arii sunt [3], [38]:
posibilitatea t ˘aierii oric ˘arei componente continue;
posibilitatea folosirii unui amplificator de curent alternativ;
este posibil ˘a folosirea metodei lock-in, pentru a primi numai semnalul care este ˆıntr-o anumit ˘a
relat ¸ie de faz ˘a cu modulatorul.
Modularea ˆın frecvent ¸ ˘a se poate folosi ˆın cazul laserilor cu colorant ¸i, ˆıntruc ˆat domeniul de ampli-
ficare este mare. Folosirea acestora prezint ˘a avantajul de insensibilitate a sistemului la zgomotul care
ar putea ap ˘area din cauza absorbt ¸iei ˆın ferestrele celulei. ˆIn cazul modul ˘ariiˆın amplitudine, exist ˘a
patru moduri prin care aceasta poate fi realizat ˘a [3]:
1. mecanic;
2. electric prin varierea curentului din tubul de desc ˘arcare;
3. electrooptic prin schimbarea planului de polarizare a fasciculului laser;
4. acustooptic prin modularea spat ¸ial ˘a a fasciculului laser s ,i difract ¸ia acustic ˘a a luminii ˆıntr-un
cristal.
Sistemul descris s ,i folosit ˆın acest caz, cont ¸ine un modulator mecanic produs de firma DigiRad
(C-980 sau C-995). Modulatorul este alc ˘atuit dintr-un disc, prev ˘azut cu dou ˘a rˆanduri de fante radiale
s ¸i este rotit de un motor cu o turat ¸ie controlat ˘a (chopper). Mai mult, modulatorul funct ¸ioneaz ˘a la
frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a a celulei PA (564 Hz).
Atunci c ˆand fasciculul laser trece prin zona fantelor, acesta este blocat periodic de zonele opace
dintre ele, rotirea fantelor produc ˆand un semnal care fluctueaz ˘a periodic ˆıntre zero s ,i o valoare maxim ˘a
a intensit ˘at,ii. Este preferat ca t ˘aierea semnalului s ˘a fie realizat ˘a cˆat mai aproape de surs ˘a, astfel ˆıncˆat
ˆın proces, zgomotul care va trebui eliminat, s ˘a fie rezultat doar dup ˘a t˘aiere. Diametrul fasciculului
25
laser este de aproximativ 6.2 mm ˆın punctul ˆın care ˆıntalnes ,te lama de t ˘aiere, fiind aproape egal cu
l˘at,imea deschiz ˘aturii modulatorului. Ceea ce rezult ˘a, este o und ˘a cu form ˘a p˘atrat˘a cu o ad ˆancime de
modulat ,ie de 100% s ,i un ciclu de funct ,ionare de 50%, astfel ˆıncˆat puterea medie m ˘asurat ˘a la ies ,irea
din celula PA este jum ˘atate din valoarea puterii undei continue [39].
Blocul electronic include circuitele de generare a frecvent ¸ei de referint ¸ ˘a, regulatorul de turat ¸ie s ¸i
partea de deservire a panoului frontal. Turat ¸ia poate fi reglat ˘a la o valoare dorit ˘a de c ˘atre utilizator
cu ajutorul unui buton multitur ˘a. Frecvent ¸a actual ˘a de modulare (chopping) este afis ,ataˆın Hz pe un
display cu LED-uri cu 4 cifre. Afis ,area red ˆandu-se la fiecare secund ˘a. De la un comutator cu pozit ¸iile
”low”, ”high” s ¸i ”off” se poate selecta domeniul de frecvent ¸e de lucru sau se poate opri aparatul.
Exist ˘a dou ˘a domenii de frecvent ¸ ˘a posibile: 4400 Hz (valabil pentru setul de 3 fante) s ¸i 40 4000
Hz (valabil pentru setul de 30 fante). Comutarea se face ˆın scopul afis ¸ ˘arii frecvent ¸ei cu acuratet ,e s ¸i
gener ˘arii corecte a semnalului de sincronizare. Performant ¸ele garantate de c ˘atre produc ˘ator sunt [37]:
1. timp de stabilire sub 5 secunde, la o schimbare total ˘a a frecvent ¸ei;
2. timp de stabilire sub o secund ˘a, la o schimbare de 10 % a frecvent ¸ei;
3. stabilitatea ˆın frecvent ¸ ˘a este dat ˘a de valoarea mai mare dintre 0,1 % din turat ¸ie s ¸i 1Hz.
2.5 Radiometrul
Un radiometru sau un roentgenometru este un dispozitiv folosit pentru m ˘asurarea fluxului radiant (sau
puterea) al radiat ,iei electromagnetice, acesta put ˆand opera ˆın spectrul UV , IR sau microunde.
Radiometrele folosite sunt de tipul “Coherent model 850” (analogic) s ,i “Laser Probe model Rk-
5700” (digital). Radiometrul analogic este alc ˘atuit din dou ˘a elemente: capul de m ˘asurare s ¸i partea
electronic ˘a de amplificare-afis ¸are. Senzorul este compus din mai multe termocupluri, legate serial
s,i aranjate radial pe partea posterioar ˘a a unui disc conductor termic, pe partea sa superioar ˘a urm ˆand
s˘a fie incident ˘a radiat ¸ia m ˘asurat ˘a. Capul de m ˘asurare poate fi as ,ezat ˆın pozit ,ia dorit ˘a cu ajutorul
unei tije de fixare. Semnalul electric este transmis printr-un fir conductor c ˘atre partea electronic ˘a de
amplificare. Valoarea tensiunii se cites ,te de pe un instrument de m ˘asur˘a gradat de la 0 la 3 s ¸i de la
0 la 10. Cap ˘atul de scal ˘a poate fi ales ca 1 W, 3 W sau 10 W, cu ajutorul unui buton. Un al doilea
buton permite reglajul zero-ului electronic. Aparatul funct ¸ioneaz ˘a de la ret ¸eaua de 220 V sau de la un
acumulator. Radiometrul Rk-5700 (cap de m ˘asura RkT-30) de la Laser Probe Inc., prezint ˘a o gam ˘a
larg˘a de m ˘asurare a puterii optice [40], astfel funct ,ionˆand cu o varietate de probe, m ˘asurˆand nivelul
de putere medie de la pW la kW, pentru lungimi de und ˘a de la UV la IR.
Prin integrarea ˆın circuit a unui amplificator”lock-in” este posibil ˘a detect ,ia sincron ˘a a semnalelor
optice modulate, ˆın acest fel av ˆand loc o ˆımbun ˘at˘at,ire a raportului semnal/zgomot. Detect ,ia sincron ˘a
prezint ˘a avantajul c ˘a instrumentul va m ˘asura selectiv doar semnalul optic cu frecvent ,a egal ˘a cu cea a
semnalului de referint ,˘a, ignor ˆand celelalte semnale [3].
Radiometrul dispune de un contrast ridicat, cu iluminare din spate, display LCD alfanumeric,
taste funct ,ionale s ,i un alimentator. Alte funct ,ii disponibile sunt:”Autorange”– pentru urm ˘arirea unui
semnal care fluctueaz ˘aˆıntr-o gam ˘a larg ˘a de putere;”Fast Averaging”- stabilirea timpulului filtrului
trece-jos constant pentru mai multe surse stabile;”Slow Averaging” – integrare pe o perioad ˘a mai
lung˘a (10 secunde), pentru o m ˘asur˘a mai bun ˘a a puterii medii ˆın cazul unei surse cu zgomot;”Ca-
libration Factors”- compenseaz ˘a nelinearitatea drumului optic. Puterea m ˘asurat ˘a este ˆımp˘art,it˘a de
factorul de calibrare (”Calibration Factors”) s ,i puterea corectat ˘a este afis ,at˘a.
Radiometrele din seria Rk-5700 accept ˘a o gam ˘a larg ˘a de sonde – piroelectrice, termopile s ,i cele
din siliciu – care le permit s ˘a efectueze m ˘asur˘atori de radiometrie absolut ˘a, de iradiant ,˘a de la UV p ˆan˘a
la IR, de pW la kW, s ,i determin ˘ari ale puterii totale a laserului. Aceast ˘a capacitate complex ˘a este o
caracteristic ˘a distinct ˘a pentru acest tip de radiometre. Radiometrul cont ,ine circuite integrate de am-
plificator lock-in care permit detectarea sincron ˘a a semnalelor optice t ˘aiate (modulate), ˆımbun ˘at˘at,ind
raportul semnal/zgomot [40].
26
2.6 Amplificatorul lock-in
Amplificatoarele lock-in sunt utilizate pentru a detecta s ,i m˘asura semnale de curent alternativ foarte
mici, care pot avea p ˆan˘a pˆan˘a la c ˆativa nanovolti. M ˘asur˘atorile pot fi efectuate cu precizie chiar dac ˘a,
semnalul mic este acoperit de surse de zgomot cu c ˆateva ordine mai mari. Aceste amplificatoare
realizeaz ˘a detect ¸ia sincron ˘a a semnalului, ˆın raport cu un semnal de referint ¸ ˘a, scopul fiind m ˘asurarea
amplitudinii unei singure componente din semnalul complex, mai exact, cea care are aceeas ¸i frecvent ¸ ˘a
cu semnalul de referint ¸ ˘a. Tehnica folosit ˘a este detect ¸ia sensibil ˘a la faz ˘a s,i este folosit ˘a pentru izolarea
unei componente a semnalului, la frecvent ¸a s ¸i faza specific ˘a ale semnalului de referint ¸ ˘a. Semnalele ce
au alte frecvent ¸e dec ˆat frecvent ¸ele de referint ¸ ˘a (zgomotul) sunt respinse s ¸i nu afecteaz ˘a m˘asur˘atorile
[41].
Detect ¸ia sensibil ˘a la faz ˘a poart ˘a aceast ˘a denumire deoarece nivelul semnalului util m ˘asurat este
determinat de diferent ¸a de faz ˘a dintre acesta s ¸i semnalul de referint ¸ ˘a, frecvent ¸a celor dou ˘a fiind iden-
tic˘a sau foarte apropiat ˘a. Nivelul semnalului m ˘asurat este invers proport ,ional cu diferent ¸a de faz ˘a,
semnalul devenind mai mare odat ˘a cu scaderea diferent ,ei dintre cele dou ˘a semnale, devenind maxim,
atunci c ˆand cele dou ˘a semnale au aceeas ,i faz˘a [3].
Principiul de baz ˘a al funct ,ion˘arii unui amplificator lock-in este explicat ˆın figura 2.18:
Figura 2.18: Schema bloc a detect ,iei sensibil ˘a la faz ˘a [42]
Semnalul de intrare V(t) este trecut printr-un condensator pentru a elimina orice decalaj pre-
existent s ,i apoi va trece printr-un amplificator (A), iar semnalul de referint ,˘a VR(t) intr ˘aˆıntr-un schimb ˘ator
de faz ˘a reglabil ( j). Cele dou ˘a rezultate sunt apoi multiplicate, iar componentele continue rezultate
sunt extrase de filtrul trece-jos (L.P. – low-pass) [42].
ˆIn principal, un amplifcator lock-in este compus din cinci elemente (Fig. 2.19) [43]:
1. amplificator AC, numit si amplificator de semnal
2. oscilator comandat ˆın tensiune
3. detector sensibil la faza (multiplicator)
4. filtru trece-jos
5. amplificator DC
Amplificatorul AC (alternative current – curent alternativ) este un amplificator de tensiune ce lu-
creaz ˘a cu ajutorul unor filtre variabile, acestea put ˆand fi schimbate ˆın cazul anumitor modele de am-
plificator lock-in. De asemenea, unele amplificatoare lock-in permit legarea ies ,irii amplificatorului
AC la un dispozitiv pentru monitorizarea semnalului.
Oscilatorul comandat ˆın tensiune (VCO – voltage controlled oscillator) se poate sincroniza cu un
semnal de referint ,˘a extern (prin funct ,ia ”trigger”) at ˆatˆın faz ˘a cˆat s,iˆın frecvent ,˘a. Unele amplificatoare
27
Figura 2.19: Schema unui amplificator lock-in [43]
lock-in cont ,in un oscilator complet s ,i nu necesit ˘a o referint ,˘a extern ˘a,ˆın acest caz, funct ,ionˆınd la
frecvent ,a s,i amplitudinea setate.
Detectorul sensibil la faz ˘a(PSD – phase sensitive detector) este circuitul, ment ,ionat anterior, care
realizeaz ˘a produsul a dou ˘a tensiuni de intr ˘are V1 s ,i V2, acesta fiind un circuit de multiplicare.
Filtrul trece-jos este un filtru RC a c ˘arui constant ˘a de timp poate fi selectat ˘a.ˆIn general se poate
lucra cu o etap ˘a de filtrare RC (filtru cu un singur pol) sau dou ˘a etape de filtrare RC ˆın serie (filtru cu
2 poli). ˆIn amplificatoarele lock-in actuale, acesta poate fi un filtru digital ce execut ˘a atenuarea unui
filtru ”multi-pol”.
Amplificatorul DC (direct current – curent continuu) este un amplificator de frecvent ,˘a joas ˘a,
asem ˘an˘ator cu cele asamblate ˆın amplificatoare operat ,ionale (op-amp). Aceasta difer ˘a de amplifi-
catorul AC prin faptul c ˘a funct ,ioneaz ˘a pˆan˘a la frecvent ,a zero (DC) s ,i nu este proiectat s ˘a funct ,ioneze
la frecvent ,e foarte ridicate, de exemplu peste 10 KHz.
Funct ,ionarea unui amplificatorului se bazeaz ˘a pe ortogonalitatea funct ,iilor sinusoidale. Prin
ˆınmult ,irea a dou ˘a funct ,ii sunusoidale, cu frecvent ,ele f1 s ,i f2, s ,i integrarea lor ˆıntr-un domeniu de timp
mai mare dec ˆat perioada celor dou ˘a funct ,ii, va rezulta valoarea zero atunci c ˆand cele dou ˘a frecvent ,e
difer ˘a.ˆIn cazul ˆın care frecvent ,ele sunt egale s ,i cele dou ˘a funct ,ii sunt ˆın faz ˘a, valoarea medie este
egal˘a cu jum ˘atate din produsul amplitudinilor [38].
Amplificatorul lock-in folosit este modelul SR830 (Stanford Research Systems). ˆIn SR830, pro-
dusul multiplic ˘arii d ˘a un semnal de ies ,ireˆın curent continuu, proport ,ional cu componenta semnalului
de interes. Filtrul trece-jos, care urmeaz ˘a dup ˘a multiplicator, elimin ˘a apoi toate produsele rezultate
ˆın urma multiplic ˘arii referint ,ei cu componentele la celelalte frecvent ,e dec ˆat cea de referint ,˘a.ˆIn acest
mod, amplificatorul poate suprima semnalele precum zgomote aleatoare, tranzitorii s ,i armonici ale
frecvent ,ei de m ˘asur˘a [38].
Principalele caracteristici ale amplificatorului lock-in utilizat sunt date ˆın Tabelul 2.6 [38].
Sensibilitate 2 nV – 1 V
Zgomot la intrare 6 nV/pHzla 1kHz
Rezerv ˘a dinamic ˘a Peste 100 dB
Domeniul de frecvent ,˘a 1 mHz – 102 kHz
Constante de timp10ms – 30 s (referint ,a>200 Hz)
si pana la 30000 s (referint ,a<200 Hz)
Ies,iri X, Y , R, zgomote
Interfet ,e IEEE-488 s ,i RS232
Tabelul 2.6 Caracteristicile amplificatorului lock-in, model SR830
Caracteristicile principale ale acestor amplificatoare sunt versatilitatea ˆın utilizare (domeniul de
28
frecvent ¸ ˘a de lucru), la caracteristicile dinamice, domeniile dinamice de intrare s ,i ies ¸ire, rezerva di-
namic ˘a s ¸i la semnalul minim detectabil: zgomotul amplificatorului propriu-zis, tensiunea continu ˘a
rezidual ˘a, adaptarea la cuplarea traductor/amplificator. Din aceste motive, se poate concluziona c ˘a
amplificatoarele cu detect ¸ie sensibil ˘a la faz ˘a sunt potrivite pentru a fi utilizate ˆın experient ¸e de spec-
troscopie [3], unde o sensibilitate ridicat ˘a este important ˘a.
2.7 Sistemul de achizit ¸ie al datelor
ˆInregistrarea s ¸i prelucrarea datelor, obt ¸inute experimental, se realizeaz ˘a prin achizit ,ionarea semnalelor
de ies ¸ire din amplificatorul lock-in s ¸i radiometru. Achizit ,ia de date are loc ˆın timp real, folosindu-
seˆın aceast ˘a etap ˘a o plac ˘a de achizit ,ie AD – DA (tip KPCI 3102, produs ˘a de firma Keithley) s ,i
un program de control, dezvoltat ˆın software-ul Test Point. Programul ruleaz ˘a continuu, f ˘ar˘a limite
de timp, pe durata efectu ˘arii m ˘asur˘atorilor PA. Interfat ¸a grafic ˘a (fig. 2.20) poate fi configurat ˘a de
c˘atre utilizator, ˆıns˘a structura sa actual ˘a afis ,eaz˘a reprezentarea concentrat ¸iei gazului s ¸i a puterii laser,
ambele ˆın funct ¸ie de timp. De asemenea, programul poate realiza medierea acestor parametri din lotul
de es ¸antioane achizit ¸ionat (300-1000 de achizit ¸ii periodice).
Figura 2.20: Interfat ¸a grafic ˘a a programului de achizit ¸ie dezvoltat ˆın TestPoint [3]
ˆInainte de a porni achizit ,ia de date (prin ap ˘asarea tastei “Enter”), se introduc manual datele init ¸iale,
mai exact, num ˘arul de es ¸antioane, rata de achizit ¸ie (Hz) s ¸i num ˘arul maxim de m ˘asur˘atori. Datele
obt,inute pot fi salvate ˆın fis ¸iere, ce pot fi ˆınc˘arcate ulterior ˆın programe de calcul (precum Excel
sau Origin), ˆın scopul prelucr ˘arii acestora. Concomitent cu efectuarea m ˘asur˘atorilor, se vor controla
constant condit ¸iile de lucru pentru a asigura ˆınregistrarea corect ˘a a datelor [34], [44].
Folosind programul Test Point pentru ˆınregistrarea m ˘asur˘atorilor PA, se pot urm ˘ari anumit ,i para-
metri:
parametrii specifici laserului cu CO2: linia laser, lungimea de und ˘a s,i puterea ( ˆın cazul puterii
sunt afis ,ate valoarea instantanee m ˘asurat ˘a, valoarea medie ˆınregistrat ˘a s,i variat ¸ia ˆın timp);
coeficientul de absorbt ¸ie al gazului de m ˘asur˘a, corespunz ˘ator liniei laser folosite;
presiunea total ˘a a gazului de m ˘asur˘a;
sensibilitatea amplificatorului lock-in
29
timpul total de achizit ¸ie a datelor
semnalul PA (variat ¸ia ˆın timp, valoarea medie s ¸i valoarea instantanee).
2.8 Instalat ¸ia de alimentare a gazelor
Alimentarea cu gaze a celulei de m ˘asur˘a se desf ˘as,oar˘aˆın regim dinamic s ¸i static la concentrat ¸ii pres-
tabilite. Pentru a proiecta o instalat ¸ie de alimentare (fig. 2.21) cu gaze (sau vid) eficient ˘a, trebuie s ˘a
poat˘a fi asigurat ˘a executarea reproductibil ˘a a urm ˘atoarelor funct ,ii [3]:
trecerea componentelor gazoase prin celula PA (introducerea s ¸i evacuarea lor ˆın s ¸i din celul ˘a);
controlul presiunii part ¸iale s ¸i totale a gazelor ( ˆın celul ˘a s,i pe alte sectoare ale instalat ,iei LPAS);
controlul debitului de curgere s ¸i al gradientului de presiune pentru diferite componente gazoase;
evacuarea ˆın afara spat ¸iului de lucru a gazelor introduse ˆın celul ˘a;
eliminarea controlat ˘a a unor componente reziduale prezente ˆın gazul tampon (cum ar fi CO2,
O2, etanol etc.);
evacuarea componentelor reziduale, ce pot fi aderente la peret ¸ii cuvei de m ˘asur˘a sau ai celulei
PA;
introducerea ˆın instalat ,ie a probelor biologice, printr-o incint ˘a cuplat ˘a la celula de m ˘asur˘a sau a
unor pungi speciale ce cont ¸in aerul exhalat de pacient ¸i;
posibilitatea utiliz ˘arii unor pungi etans ¸e, ˆın cazul m ˘asur˘arii es ¸antioanelor gazoase prelevate la
distant ¸ ˘a.
Pentru investigarea probei, care cont ,ine gaze produse ˆın diferite procese biologice, aceasta se co-
necteaz ˘a la intrarea celulei PA printr-un sistem etans ¸. ˆIn funct ,ie de starea de agregare sau de m ˘arime,
se aleg incinte potrivite pentru probe. Pentru probele solide (precum diferite fructe), cuvele ˆın care
sunt as ¸ezate sunt realizate din sticl ˘a s ¸i sunt prev ˘azute cu o intrare s ¸i o ies ¸ire pentru gaz; pentru pro-
bele prelevate de la pacient ,i (la distant ,˘a) se folosesc, ˆın general, pungi speciale, etans ¸e s ¸i inerte la
cont ¸inutul gazos cont ,inut [3]. Av ˆandˆın vedere c ˘a LPAS poate fi folosit ˘a s,i pentru analiza product ¸iei
gazului de la diferite organe ale unei plante, cuvele de m ˘asura pot fi ajustate astfel ˆıncˆat s˘a asigure
izolarea acestor p ˘art ¸i, f ˘ar˘a a deteriora respective sect ,iuni sau organismul unitar.
Pentru a controla presiunea din instalat ,ieˆın timp real se foloses ,te un manometru capacitiv model
122A Baratron (produs de firma MKS INSTRUMENTS Inc.). Gazul emis este antrenat cu ajutorul
unui gaz tampon, de obicei aer sintetic sau azot, pentru a fi introdus ˆın celula de m ˘asur˘a. Pentru
acuratet ,ea m ˘asur˘atorilor, gazul este tratat ˆınainte de a fi introdus ˆın celula PA, astfel exist ˘a certitu-
dinea c ˘a nu este amestecat cu alte gaze. ˆIn acest scop, se utilizeaz ˘a filtre capcan ˘a, pozit ,ionate ˆın
circuitul gazului, rolul acestora fiind ret ,inerea eficient ˘a a componentelor adit ,ionale prezente ˆın gazul
ce urmeaz ˘a a fi m ˘asurat s ,i care ar putea afecta integritatea semnalului emis. Un exemplu posibil este
capcana cu KOH (hidroxid de potasiu) care ret ,ine CO 2.ˆIn urma acestei etape, gazul de m ˘asur˘a intr ˘a
ˆın celula PA pentru a putea fi analizat [3].
30
Figura 2.21: Schema instalat ,iei de alimentare cu gaze conectat ˘a laˆıntregul sistem LPAS [3]
2.9 Zgomote s ¸i factori limitativi ˆın spectroscopia fotoacustic ˘a
Sensibilitatea determinarilor concentrat ,iilor de gaz foarte sc ˘azute poate fi limitat ˘a considerabil de
nivelul de zgomot, din acest motiv, cunoas ,terea factorilor de zgomot prezint ˘a o important ,˘a ridicat ˘a.ˆIn
PAS, semnalul de zgomot predominant are o structur ˘a coerent ˘a (aceeas ,i frecvent ¸ ˘a s ¸i faz ˘a) cu semnalul
de la speciile t ¸int ˘a [3], motiv pentru care cea mai bun ˘a este tratarea ca semnal de fundal. Pentru a
determina fondul se poate m ˘asura semnalul acustic ˆıntr-un gas lipsit de absorbant ,i, precum azotul pur,
folosindu-se acelas ,i debit s ,i aceleas ,i condit ,ii de presiune, ca ˆın cazul gazelor de m ˘asur˘a.
ˆIn LPAS exist ˘a trei categorii de factori limitativi [3], [45]:
1. Zgomotul electric este datorat aparaturii electronice s ,i determin ˘a sensibilitatea detectorului.
Prin acesta se face referire la orice fluctuat ¸ie aleatoare, electronic ˘a sau acustic ˘a, care nu are o
relat ¸ie de faz ˘a fix˘a cu modularea intensit ˘at ¸ii laser. Valoarea m ˘asurat ˘a a fost de 0,15 mV/pHzs,i
a fost determinat ˘a la frecvent ¸a de rezonant ¸ ˘a de 564 Hz, celula PA neav ˆand niciun gaz absorbant
la lungimile de und ˘a ale laserului cu CO 2.
2. Zgomotul datorat procesului de modulat ¸ie este de tip acustic s ,i este cauzat de procesul de
modulare, dar nu este atribuit fasciculului laser ˆın celula PA. ˆIn aceast ˘a direct ¸ie s-au utilizat
urm˘atoarele caracteristici ale amplificatorului lock-in: constant ˘a de timp T = 0,3s, pant ˘a de fil-
tru 6 dB/octav ˘a s ¸i zgomotul echivalent de band ˘a ENB = 1/4T = 0,83 Hz. Valoarea m ˘asurat ˘a a
31
fost de 2,6 mV sau 9,2×10 5Pa, echivalentul unei absorbt ¸ii de 2,6×10 8W cm 1. Pentru a se
obt ¸ine coeficientul echivalent de absorbt ¸ie, se ˆımparte ultimul num ˘ar la P L(5,9×10 9cm 1.
3. Zgomotul de fond este datorat absorbt ¸iei s ¸i ˆımpr ˘as ¸tierii radiat ¸iei pe ferestrele s ¸i peret ¸ii celulei s ,i
determin ˘a un semnal PA coerent de fond. Acest tip de zgomot este prezent mereu ˆın detectorul
PA s ¸i depinde de regimul de curgere a gazului. ˆIn azot pur, la presiunea atmosferic ˘a de 1,011
bar s ¸i temperatura de 22C, zgomotul de fond m ˘asurat a fost de 12 mV , la o putere laser de
4,4 W (2,7 mV/W, sau 9,2×10 5Pa/W, echivalentul unei absorbt ¸ii de 2,7×10 8cm 1sau cu
o concentrat ¸ie de etilen ˘a de 0.9 ppbV) pe linia 10P(14) a laserului cu CO 2. Semnalul obt ,inut
s-a p ˘astrat la fel pentru regimul static s ,i pentru regimul dinamic, av ˆandˆın curgere continu ˘a prin
celul ˘a azot, la debitul constant de 50 ccmV (centimetri cubi per minut ˆın V olum).
ˆIn cazul semnalului de fond ˆın celula PA, exist ˘a mai multe surse ce ˆıl pot genera. Astfel, distingem
[3]:
Semnalul de fond de la ferestre; acesta este cauzat de ˆınc˘alzirea ferestrelor la trecerea radiat ¸iei
prin ele s ¸i de transferul part ¸ial al c ˘aldurii c ˘atre mediul ce se afl ˘aˆın contact cu acestea.
Semnal de fond de la ˆımpr ˘as ¸tierea radiat ¸iei pe peret ¸ii celulei s ¸i pe suprafat ¸a detectorului acus-
tic;ˆın acest caz, semnalul este cauzat de ˆınc˘alzirea peret ¸ilor s ¸i expansiunea lor ulterioar ˘a, dar
s ¸i de transferul unei p ˘art ¸i din c ˘aldur ˘a c˘atre mediul adiacent. P ˘atrundere radiat ¸iei ˆın peret ¸ii
celulei PA poate fi cauzat ˘a de: difract ¸ia s ¸i ˆımpr ˘as ¸tierea cauzat ˘a de elementele de intrare (dia-
fragme, suport ¸i), reflexii Fresnel pe ferestre, diferite tipuri de ˆımpr ˘as ¸tieri pe ferestre s ¸i ˆın mediu,
prezent ¸a neuniformit ˘at ¸ilor microscopice s ¸i a diferitelor incluziuni sau defecte de aliniere, care
au un impact mare dac ˘a sect ¸iunea transversal ˘a a celulei este mic ˘a.
Semnale de fond de la probe; acestea sunt datorate de prezent ¸a diferitelor impurit ˘at ¸i cu benzi
de absorbt ¸ie la aceeas ¸i frecvent ¸ ˘a cu cea a laserului.
Limita de detect ¸ie a celulei PA este determinat ˘a de efectul combinat al zgomotului stohastic in-
trinsec al microfonului, zgomotul de fond acustic s ¸i semnalul de fond acustic. Semnalele de fond
sunt deterministe. ˆıns˘a daca se pot cuantifica s ¸i minimiza, nu au o influent ,˘a negativ ˘a mare asupra
performant ¸ei celulei. Limita de detect ¸ie este definit ˘a fie ca SNR = 1 (raport semnal-zgomot de uni-
tate) fie ca SBR = 1 (raport semnal-fond de unitate) [3].
Obt ¸inerea unui raport semnal/zgomot maxim se poate face prin ment ,inerea frecvent ¸ei de rezonant ¸ ˘a
la o valoare mai mic ˘a de 1kHz, deoarece nivelul de zgomot este determinat de zgomotul amplificato-
rului de 1/f, (1/ w, iar av ˆandˆın vedere c ˘a Cµw 1=2
0, se obt ¸ine raportul semnal/zgomot µw1=2
0. Pentru
valori mai mari de 1kHz, unde zgomotul amplificatorului de 1/f este neglijabil, se obt ¸ine raportul sem-
nal/zgomot µw 1=2
0[3]. La valorile frecvent ,ei de rezonant ,˘a sub 1kHz, principala surs ˘a de zgomot
este cel al amplificatorului, ˆıns˘a la valorile mai mari, un efect predominant ˆıl au zgomotele Browniene
(zgomotul termic din celul ˘a), care sunt independente de frecvent ,˘a.ˆIntruc ˆat pµC, un interval ideal
pentru rezonant ,˘a este 500-1500 Hz, ˆıns˘a acesta limiteaz ˘a lungimea celulei PA la 100-300 mm.
Curgerea gazului prin celula PA poate determina zgomote acustice daca fluxul acestuia este turbu-
lent [3]. O solut ,ie pentru reducerea acestui zgomot este proiectarea celulei ˆıntr-un model aerodinamic
s,i utilizarea vitezelor de curgere mici.
Mai mult, semnalul de fond poate fi limitat prin plasarea ferestrelor la nodurile modului excitat s ¸i
introducerea volumelor tampon la ambele capete ale celulei. De asemenea, dimensiunile cavit ˘at,ilor
se aleg dup ˘a cˆateva reguli, ˆın scopul maximiz ˘arii semnalului util, determinat de absorbt ,ia gazului
din prob ˘a, s ,i minimiz ˘arii zgomotului de fond, rezultat din absorbt ,ia radiat ,ieiˆın ferestre. Raportul
dintre diametrele tamponului s ¸i rezonatorului trebuie s ˘a fie suficient de mare, iar lungimea tamponului
trebuie s ˘a fie egal ˘a cu 1/4 din lungimea rezonatorului [3].
32
Capitolul 3
Biomarkeri gazos ,iˆın respirat ,ia umana
3.1 Respirat ,ia uman ˘a
3.1.1 Not ,iuni generale
Exist ˘a aproximativ trei miliarde de procese metabolice celulare ce pot avea loc ˆın corpul uman, cele
mai multe av ˆand nevoie de oxigen pentru a se desf ˘as,ura propice. ˆIn urma consumului de oxigen, de
cele mai multe ori, se creeaz ˘a dioxidul de carbon, produs secundar ce are un potent ,ial periculos asupra
metabolismului celular [46]. Pentru ca procesele celulare de consum de oxigen s ,i creare de dioxid
de carbon s ˘a se realizeze optim, sunt necesare un sistem de absorbt ,ie/ eliminare s ,i unul de transport
extrem de eficiente.
Difuzia gazelor
Eliminarea dioxidului de carbon se poate face pe dou ˘a c˘ai, prin pl ˘amˆani sau rinichi, prima cale
fiind cea primar ˘a [47]. ˆIn cazul oxigenului ˆıns˘a, exist ˘a o singur ˘a cale disponibil ˘a pentru absorbt ,ie,
cea pulmonar ˘a, iar sistemul cardiovascular este singurul care ofer ˘a transportul acestuia ˆın organism.
Schimbul de gaze este procesul prin care se absorb moleculele de oxigen inhalat, fiind introduse in
fluxul sanguin, s ,i se elimin ˘aˆın mediul extern dioxidul de carbon din s ˆange [48]. Procesul se realizeaz ˘a
ˆın pl˘amˆani, prin difuzia gazelor.
Diferent ,ele de presiune a gazului genereaz ˘a gradient ,i de difuzie care determin ˘a fluxul moleculelor
de gaz de la concentrat ,ie ridicat ˘a la concentrat ,ie sc ˘azut˘a. Acest lucru se realizeaz ˘aˆın tocmai, chiar
dac˘a gradientul de concentrat ,ie implic ˘a un gaz s ,i un lichid, cum ar fi s ˆangele. Legea lui Henry afirm ˘a
c˘a exist ˘a o relat ,ie de proport ,ionalitate direct ˘aˆıntre cantitatea de gaz care se dizolv ˘aˆıntr-un lichid s ,i
presiunea sa part ,ial˘a [49]. Mai mult, aceast ˘a lege afirm ˘a c˘aˆın eventualitatea expunerii unui lichid la
amestec de gaze cu o concentrat ,ie de gaz diferit ˘a, un gradient de presiune este creat datorit ˘a diferent ,ei
de presiuni part ,iale. Moleculele din amestecul gazos vor fi determinate s ˘a difuzeze ˆın mediu lichid,
ˆın timp ce moleculele libere (nelegate) de gaz din lichid vor difuza ˆın mediul gazos. Cu ajutorul Legii
lui Henry se poate explica modul ˆın care oxigenul din aerul atmosferic intr ˘aˆın sˆange, iar dioxidul de
carbon p ˘ar˘ases ,te sˆangele [46].
Dup˘a intrarea gazului ˆın mediul lichid acesta poate, sau nu, s ˘a devin ˘a legat ˆın sistem, fiind parte
a matricei lichide. ˆIn cazul oxigenului, care nu se disperseaz ˘a us ,orˆın sˆange, este nevoie de un sistem
de transport alternativ, mai exact hemoglobina. Spre deosebire de oxigen, dioxidul de carbon de cele
mai multe ori se leag ˘a cu o molecul ˘a de ap ˘a, form ˆand acidul carbonic, ce poate fi transformat de or-
ganism ˆın bicarbonat, eliber ˆandu-se un atom de hidrogen. Prezent ,a sau absent ,a dioxidului de carbon
influent ,eaz˘a cantitatea de molecule libere de hidrogen din organism. Pentru a ment ,ine nivelurile nor-
male ale pH-ului sanguin s ,i tisular, trebuie s ˘a existe un echilibru ˆıntre acidul carbonic s ,i bicarbonat,
eliminarea eficient ˘a a dioxidului de carbon de c ˘atre pl ˘amˆani fiind esent ,ial˘aˆın acest scop [46].
Not ,iuni anatomice
Dup˘a intrarea aerului ˆın pl ˘amˆani, acesta c ˘al˘atores ,te prin treceri progresive c ˘atre alveole, locul
unde se produce schimbul de gaz ˆıntre corp s ,i mediul extern. Grosimea medie a peretelui alveolar
este de 0,5 mm (poate atinge s ,i 0,1 mmˆın unele zone), separ ˆand aerul de capilarele pulmonare cu
33
numai c ˆateva straturi de celule. Aceast ˘a structur ˘a permite difuzie facil ˘a a moleculelor de oxigen s ,i
dioxid de carbon ˆın s ,i din fluxul sanguin [50].
Alveolele sunt structuri goale, sferice s ,i grupate ˆın m ˘anunchiuri. Forma lor faciliteaz ˘a schimbul
de gaze prin asigurarea unei suprafet ,e mari de contact ˆıntre aer s ,i capilarele pulmonare (fig. 3.1). Di-
mensiunile alveolelor nu variaz ˘a mult, deci totalul de alveole dintr-un pl ˘amˆan depinde de dimensiunea
acestuia [51]. Un milimetru cub de t ,esut alveolar cont ,ine aproximativ 170 de alveole individuale, iar
o pereche de pl ˘amˆani cont ,ineˆın medie aproximativ 480 milioane de alveole [52]. Acest num ˘ar mare
de alveole determin ˘a o suprafat ,˘a masiv ˘a prin care se poate efectua schimbul de gaz, aceasta fiind de
aproximativ 35 de ori mai mare dec ˆat suprafat ,a pielii [50].
Figura 3.1: Schema anatomic ˘a a unei alveole [53]
Fiziologia respirat ,iei are loc ˆın dou ˘a faze: respirat ,ia mecanic ˘a (prin ventilat ,ii) s ,i respirat ,ie celular ˘a
(extern ˘a s,i intern ˘a). Procesul de ventilat ,ie mecanic ˘a se realizeaz ˘a prin inspirat ,ie s ,i expirat ,ie s ,i este
reglat de c ˘atre creier, pentru a determina fluxul aerului ˆın s ,i din pl ˘amˆani [54]. Mis ,carea aerului este
rezultatul diferent ,elor de presiune pozitiv ˘a s,i negativ ˘a create ˆınauntrul cavit ˘at,ii toracice.
Prin ventilat ,ie mecanic ˘a, moleculele de oxigen sunt aduse ˆın contact cu capilarele alveolare, ˆıns˘a
funct ,ionalitatea pl ˘amˆanilor depinde de num ˘arul de molecule de oxigen, care odat ˘a ajunse la alveole,
reus ,esc s ˘a penetreze membrana alveolar ˘a s,i s˘a ajunga la hemoglobina globulelor ros ,ii din s ˆange [46].
Respirat ,ia extern ˘a (sau pulmonar ˘a) este procesul ce are loc imediat dup ˘a intrarea aerului ˆın alve-
ole, const ˆandˆın schimbul de gaze ˆıntre acestea s ,i sˆange (fig. 3.2, st ˆanga). Oxigenul ajuns ˆın fluxul
sanguin, va circula apoi p ˆan˘a la t ,esuturi, unde se desf ˘as,oar˘a al doilea schimb de gaze ˆıntre capilare s ,i
celulele t ,esutului (fig. 3.2, dreapta). Acest proces este respirat ,ia intern ˘a (sau tisular ˘a) [55].
Figura 3.2: Procesele implicate ˆın respirat ,ia extern ˘a (stˆanga) s ,i respirat ,ia intern ˘a (dreapta), Pa CO2s,i
PaO2fiind presiunile part ,iale ale celor dou ˘a gaze [56]
Hematiile (globulele ros ,ii sau eritrocitele) sunt celule libere, cu o durabilitate mare, proiectate pen-
tru transportul oxigenului, s ,iˆıntr-o m ˘asur˘a mai mic ˘a al dioxidului de carbon, c ˘atre s ,i de la t ,esuturile
34
corpului (fig. 3.3). Acestea pot rezista ciocnirilor cu alte celule s ,i fort ,elor de presiune ˆınalt˘a din
ret,eaua capilar ˘a[46]. Forma lor, de disc biconcav, le permite liberatatea ˆın mis ,care prin ret ,eaua vas-
cular ˘a. Din punct de vedere structural, acestea nu au nucleu sau organite, neput ˆand sa se multiplice
sau repare, ˆıns˘a au enzime antioxidante s ,i proteine structurale pentru protect ,ia celulei [57]. De ase-
menea, eritrocitele cont ,in hemoglobin ˘a, aceasta fiind alc ˘atuit˘a dintr-o component ˘a proteic ˘a, globina,
s,i o component ˘a prostetic ˘a, hemul, acesta din urma ˘a avˆandˆın alc ˘atuirea sa un ion de Fe [50], [58].
Majoritatea oxigenului transportat ˆın sˆange se leag ˘a de ionul de Fe al hemoglobinei. ˆIn cazul dio-
xidului de carbon, doar 20% va fi transportat ˆın acest mod citeLod00, restul fiind legat sub forma
moleculelor de bicarbonat sau acid carbonic [59]. ˆIn medie, un adult normal are aproximativ 25 de
miliarde de hematii, fiecare cont ,inˆand aproximativ 280 de milioane de molecule de hemoglobin ˘a, iar
fiecare molecul ˘a de hemoglobin ˘a poate transporta p ˆan˘a la patru molecule de oxigen [50].
Figura 3.3: Forma hematiilor s ,i transportul oxigenului [46]
3.1.2 Analiza respirat ,iei
Potent ,ialul de diagnostic prin analiza aerului expirat este cunoscut din vremea anticilor greci, o cer-
cetare original ˘a put ˆand fi g ˘asit˘aˆın scrierile lui Hippocrates [60]. Des ,i cercet ˘arile dateaz ˘a de secole,
prima analiz ˘a cantitativ ˘a a fost publicat ˘aˆın 1784 c ˆand Lavoisier a examinat dioxidul de carbon din
respirat ,ie [61]. Dupa ce separarea moleculelor individuale de gaz a devenit posibil ˘a, prin cromato-
grafie [62], ˆın anii 1950, din ce ˆın ce mai multi compus ,i organici au fost gasit ,iˆın respirat ,ie s ,i au fost
legat ,i de o condit ,ie fiziologic ˘a. Drept exemplu se pot numi acetona, legat ˘a de diabet, s ,i amoniacul,
indicator al disfunct ,iei hepatice sau renale [63]. ˆIns˘as,i mirosul respirat ,iei poate da informat ,ii despre
starea de s ˘an˘atate, ˆın anumite cazuri, iar c ˆateva dintre mirosurile posibile au deja o cauz ˘a identifi-
cat˘a precum mirosul dulce, fructat, determinat de prezenta acetonei, semn al diabetului, sau mirosul
nepl˘acut atribuit abceselor pulmonare [64].
Respirat ,ia omului este o substant ,˘a complex ˘a, av ˆand numeroase variabile care pot interfera una cu
cealalt ˘a (ammonia), iar fiecare volum de aer expirat cont ,inˆand urme a peste 1000 de compus ,i organici
volatili (VOC – volatile organic compounds) [65]. ˆIn medie, aerul expirat de un om este un amestec
de 78,6% (greutate/ volum) azot, 16% (g/v) oxigen, 4,5% (g/v) dioxid de carbon s ,i 0,9% (greutate /
volum) gaze inerte s ,i VOC [66]. Acest amestec este expirat la temperaturi ˆıntre 34oC [67] s ,i 37oC
[68], iar umiditatea relativ ˘a poate varia de la 91% p ˆan˘a la 96% ˆın expirat ,ii orale s ,i de la 82% la 85%
ˆın cele nazale [69].
ˆIn fract ,iunea de 0,9% (g/v) care constituie contribut ,ia gazelor inerte s ,i VOC, concentrat ,iile indi-
viduale de gaz pot varia ˆıntre ppm s ,i ppt (p ˘art,i per triliard). ˆIn tabelul 3.1.2 sunt prezentate c ˆateva
din gazele detectate ˆın prezent peste nivelul ppb. Dintre acestea, c ˆateva prezint ˘a un interes ridicat
ˆın diagnosticarea clinic ˘a, unul dintre cele mai importante fiind amoniacul studiat ˆın monitorizarea
hemodializei [70], evaluarea astmului [71], diagnosticarea encefalopatiei hepatice [72], detectarea
35
Helicobacter pylori [73] s ,i analiza halitozelor [74]. Intervalul fiziologic considerat normal pentru
amoniac ˆın respirat ,ia uman ˘a este ˆıntre 50 s ,i 2.000 ppb [75], astfel o tehnic ˘a analitic ˘a eficient ˘a pentru
cuantificarea amoniacului trebuie s ˘a aib ˘a o limit ˘a de detect ,ie de aproximativ 50 ppb [63].
Gaz Concentrat ,ie (ppb)
Acetaldehid ˘a2 – 5
6 – 33
Aceton ˘a293 – 870
200 – 2000
Amoniac50 – 2000
559 – 639
425 – 1800
422 – 2389
200 – 2000
1500 – 2000 (pre-dializa)
200 – 300 (post-dializa)
Dioxid de carbon40000000
38000000
30000000
Etanol27 – 153
100 – 3358
Acid cianhidric 10
Izopren55 – 121
106
Metanol 461
Oxid nitric6.7
31
20
Propanol 0 – 135
Tabelul 3.1.2 Gaze indentificabile ˆın respirat ,ia uman ˘a s,i concentrat ,iile aferente [63]
Termenul de compus ,i organici volatili se refer ˘a la un grup de substant ,e chimice care se pot vapo-
riza us ,or la temperatura camerei [76]. Cele mai multe dintre VOC sunt substant ,ele chimice utilizate
pentru fabricarea s ,i preg ˘atirea materialelor de construct ,ie, a detergent ,ilor sau a pesticidelor, repre-
zentˆand o surs ˘a de poluare [77]. VOC apar ˆın respirat ,ia uman ˘a din mai multe cauze s ,i surse, cum ar fi
mediul ˆınconjur ˘ator, prin aerul inhalat, suprafet ,ele c ˘ailor respiratorii, s ˆangele s ,i t,esuturile periferice.
Des ,iˆın prezent nu se cunoas ,teˆın profunzime rolul acestor gaze, ˆın principal, producerea lor poate fi
ˆımp˘art,it˘aˆın dou ˘a categorii [78]:
gaze produse secundar ˆın urma react ,iilor biochimice
gaze produse cu scopul de a transmite semnale ˆıntre celule
Mediul ˆınconjur ˘ator este o surs ˘a de VOC prin inhalarea poluant ,ilor precum etan s ,i n-pentan.
Suprafet ,ele interne ale pl ˘amˆanilor contribuie direct la concentrat ,ia de gaze din amestecul expirat, at ˆat
prin generarea unor gaze specifice pulmonare, c ˆat s,i prin cres ,terea product ,iei unor gaze produse ˆın alt ˘a
parte a corpului. Celulele periferice s ,i t,esuturile, pot elibera gaze ˆın sˆange, nu doar ˆın st˘ari patologice,
dar s ,iˆın cele s ˘an˘atoase. Mai mult, des ,i sˆangele este un mediu de transfer pentru gaze, ˆıntre t ,esuturi s ,i
pl˘amˆani, exist ˘a studii care arat ˘a ca VOC pot fi produse s ,i de componentele sanguine. O ultim ˘a cauz ˘a
pentru formarea gazelor ˆın corp sunt bacteriile s ,i microorganismele, acestea produc ˆand profiluri unice
ce pot fi utilizate ˆın diagnosticare sau monitorizare [78].
36
ˆIn mediul biologic, procesul de formare a radicalilor liberi s ,i peroxidarea consecutiv ˘a a acizilor
gras ,i polinesaturat ,i, acizii linoleic s ,i linolenic, a indus formarea pulmonar ˘a a hidrocarburilor volatile,
care pot fi identificate s ,i cuantificate ˆın probele de respirat ,ie [77].
ˆIn ultimul deceniu, a existat o cres ,tere a utiliz ˘arii analizei respirat ,iei,ˆın cercetarea pulmonologic ˘a
[79], privind at ˆat gazele expirate, c ˆat s,i condensatele expirate. Pe l ˆang˘a analiza aerului expirat, ˆın sco-
pul detect ,iei bolilor, aceasta are un potent ,ial major ca mijloc neinvaziv de monitorizare a inflamat ,iei
s,i stresului oxidativ ˆın c˘aile respiratorii, ˆın special la pacient ,ii s˘an˘atos ,i. Aerul expirat poate fi co-
lectat f ˘ar˘a o stimulare a c ˘ailor respiratorii ˆın prealabil, as ,a cum se ˆıntˆampl ˘a la inducerea sputei sau
prelevarea probelor prin lavaj, proceduri nepl ˘acute pentru pacient ,i [77].
ˆIn principal, analiza respirat ,iei poate fi clasificat ˘aˆın dou ˘a grupe: analiza metabolit ,ilor din respirat ,ie
dup˘a administrarea unui medicament s ,i analiza compus ,ilor respirat ,iei produs ,i endogen av ˆand o cauz ˘a
fiziologic ˘a specific ˘a [71]. Analiza se poate realiza direct (online) sau indirect (offline), ˆın primul caz
analiza fiind imediat disponibil ˘a, iar metodele indirecte implic ˆand colectarea probei de respirat ,ie s ,i
transferarea la un instrument analitic de analiz ˘a [77].
Pˆan˘aˆın prezent s-au utilizat diferite tipuri de probe de respirat ,ie, dou ˘a dintre acestea fiind aerul
expirat mixt, reprezent ˆand aerul provenit din spat ,iul mort al pl ˘amˆanilor (spat ,iul lipsit de alveole) s ,i
zona alveolar ˘a de schimb de gaze, s ,i aerul post-expirat care este constituit din concentrat ,ia de aer
alveolar [77]. ˆIn m ˘asur˘atorile asupra urmelor de gaz din respirat ,ie, trebuie luate ˆın considerare vari-
abilele respiratorii precum rata de curgere s ,i volumul pulmonar, care variaz ˘aˆın funct ,ie de ˆın˘alt,imea,
greutatea, v ˆarsta s ,i suprafat ,a corporal ˘a a unei persoane [80]. ˆIn mod evident, volume mai mari de aer
pot prezenta o mas ˘a mai mare de gaze [63].
Des ,i examinarea aerului ce cont ,ine VOC se desf ˘as,oar˘a de mult timp, exist ˘a o a doua tehnic ˘a de
analiz ˘a, relativ nou ˘a, care se bazeaz ˘a pe aerul expirat condensat (EBC – exhaled breath condensate).
Acesta se poate obt ,ine prin r ˘acirea aerului expirat ˆın condit ,ii de respirat ,ie spontan ˘a [81] s ,i poate ajuta
ˆın evaluarea patobiologiei pulmonare. ˆIn principal, EBC este un fluid bilogic constituit din ap ˘a s,i
pic˘aturi de fluid provenit din membranele care acopera caile respiratorii. La fel ca s ,iˆın cazul analizei
VOC, tehnica este neinvaziv ˘a s,i nu prezint ˘a niciun risc pentru pacient ,i [77].
Ca orice tehnic ˘a, des ,i prezint ˘a numeroase avantaje, analiza respirat ,ieiˆıntˆalnes ,te s ,i cˆateva obsta-
cole. ˆIn completarea acesteia, se pot folosi s ,i alte tehnici neinvazive s ,i nedureroase precum analiza
urinei, salivei, p ˘arului s ,i unghiilor [64]. Pentru m ˘arirea potent ,ialului analizei respirat ,iei este necesar ˘a
dezvoltarea de dispozitive de monitorizare portabile s ,iˆımbun ˘at˘at,irea metodelor de analiz ˘aˆın timp real
[63]. De asemenea, cea mai mare provocare este legarea biomarkerilor de calea metabolic ˘a,ˆın urma
careia au fost creat ,i, ca efect al unei st ˘ari patologice, ˆıntruc ˆıt multe dintre aceste c ˘ai sunt necunoscute
ˆınc˘a.ˆIn ceea ce prives ,te dificult ˘at,ile tehnologice s ,i procedurale, solut ,iile de ˆımbun ˘at˘at,ire privesc stan-
dardizarea colect ˘arii probelor, precum s ,i preconcentrarea s ,i desorbt ,ia vaporilor, pentru a face analiza
respirat ,iei economic ˘a s,i practic ˘a [82].
3.2 Biomarkeri s ,i asocierea lor cu diabetul
Termenul”biomarker”, o contopire a celor doi termeni”marker” s ,i”biologic”, desemneaz ˘a o sub-
categorie de semne medicale – indicat ,ii obiective ale unor st ˘ari patologice – care sunt m ˘asurabile s ,i
reproductibile. O prim ˘a diferent ,˘a, dintre semnele medicale s ,i simptome, const ˘aˆın posibilitatea de a
fi percepute de pacient ,i.ˆIn literatur ˘a, exist ˘a mai multe definit ,ii posibile oferite termenului”biomar-
ker”; ˆın 1998, Institutului Nat ,ional pentru Biomarkeri a descris markerul biologc ca fiind ”o carac-
teristic ˘a m˘asurat ˘a s,i evaluat ˘a obiectiv, ca un indicator al proceselor biologice normale, al proceselor
patogene sau al r ˘aspunsurilor farmacologice la o intervent ,ie terapeutic ˘a” [83]. Mai mult, Programul
Internat ,ional pentru Securitate Chimic ˘a, condus de Organizat ,ia Mondial ˘a a S ˘an˘at˘at,ii (WHO – World
Health Organization) ˆın coordonare cu Nat ,iunile Unite s ,i Organizat ,ia Internat ,ional ˘a a Muncii, au de-
finit un biomarker drept ”orice substant ,˘a, structur ˘a sau proces care pot fi m ˘asurate ˆın organism sau
37
ˆın produsele sale s ,i pot influent ,a sau prezice incident ,a unei boli” [84]. O definit ,ie complet ˘a,ˆıns˘a, ia
ˆın considerare, pe l ˆang˘a incident ,a bolilor, s ,i efectele tratamentelor, intervent ,iilor s ,i chiar expunerea
neintent ,ionat ˘a la factori chimici ai mediului [85].
Dintre cei peste 1000 VOC identificat ,iˆın respirat ,ia uman ˘a, aproximativ 35 au fost stabilit ,i ca bio-
markeri pentru anumite boli sau tulbur ˘ari metabolice, iar aces ,tia sunt prezentat ,iˆın tabelul 3.2. Produ-
cerea acestora este atribuit ˘a react ,iilor biochimice, care au loc ˆın corpul uman ca o parte a proceselor
metabolice. Un exemplu este acetona, care este produs ˘aˆın principal prin decarboxilarea spontan ˘a a
acetoacetatului s ,i,ˆıntr-o m ˘asur˘a mai mic ˘a, prin conversia enzimatic ˘a a acetoacetatului ˆın aceton ˘a. De
asemenea, relat ,iile dintre biomarkeri s ,i o boli nu sunt strict definite; o anumit ˘a tulburare metabolic ˘a
poate fi caracterizat ˘a de prezent ,a simultan ˘a a mai multe specii chimice, iar un singur biomarker poate
fi un indicator pentru mai multe boli diferite. Din aceast ˘a cauz ˘a, analiza respirat ,iei trebuie s ˘a fie de o
sensibilitate s ,i selectivitate ˆınalte, ˆın vederea obt ,inerii informat ,iilor exacte [71].
ˆIn ceea ce prives ,te component ,a tabelului 3.2 este de ment ,ionat c ˘a doar monoxidul de azot (NO) a
fost aprobat, de c ˘atre Administrat ,ia SUA pentru Alimentat ,ie s ,i Medicamente, ca fiind un biomarker
pentru inflamat ,ia cronic ˘a a c ˘ailor respiratorii ˆın astm. Pentru ceilalt ,i compus ,i enumerat ,i, mai corect ˘a
este numirea lor”potent ,iali biomarkeri” [71].
Pentru detectarea s ,i m˘asurarea compus ,ilor din respirat ,ie, exist ˘a mai multe tehnici ce se pot clasi-
ficaˆın trei grupe [71]:
metoda cromatografie de gaz – spectrometrie de mas ˘a (GC-MS – Gas chromatography–mass
spectrometry) sau alte metode bazate pe spectrometrie de mas ˘a;
tehnici spectroscopice de absorbt ,ie;
senzori electrici (numit ,iˆın literatur ˘a s,i”nasuri electronice” [82])
Aceste tehnici au limitele de detect ,ieˆın intervalul ppm – ppt, fiecare dintre acestea prezent ˆand
avantaje s ,i dezavantaje ˆın utilizare. Totus ,i, init ,ial, aproape fiecare compus chimic este identificat s ,i
cuantificat prin utilizarea unei metode bazate pe spectrometrie de mas ˘a [71].
ˆIn declans ,area diabetului zaharat, precum s ,iˆın dezvoltarea complicat ,iilor vasculare s ,i neurologice
asociate bolii, un rol important ˆıl are stresul oxidativ [86]. Acesta este cauzat de abundent ,a unor specii
de oxigen reactive (ROS – reactive oxygen species), produse ˆın mitocondrii [87]. Acest proces a fost
asociat cu debutul diabetului de tip 1, prin apoptoza (moartea) celulelor beta pancreatice, s ,i a diabe-
tului de tip 2, prin declans ,area rezistent ,ei la insulin ˘a [88]. ˆIn cazul diabetului zahar, mecanismul de
declans ,are al bolii este complex, hiperglicemia put ˆand fi at ˆat o cazu ˘a, cˆat s ,i un efect al stresului oxi-
dativ [89]; astfel s-a dorit g ˘asirea unui biomarker obiectiv al stresului oxidativ s ,i numeros ,i potent ,iali
markeri au fost propus ,i pˆan˘aˆın prezent. O serie de biomarkeri studiat ,i, ce ar putea fi legat ,i direct
de stresul oxidativ includ peroxidul de hidrogen, malonidialdehida, substant ,ele care react ,ioneaz ˘a cu
acidul tiobarbituric, superoxid dismutaza, peroxidaza de glutation s ,i monoxid de carbon. Mai mult,
un alt studiu a raportat folosirea unui nou tip de biomarker, v ˆarsta oxidativ ˘a (Phi04), care ia ˆın cal-
cul concentrat ,ia de alcani C4–C20 s ,i alcani monometilici g ˘asit ,iˆın respirat ,ia uman ˘a, f˘acˆandu-se o
comparat ,ieˆıntre un pacient diabetic (tip 1 sau 2) s ,i unul s ˘an˘atos [90].
38
Biomarker Probleme metabolice / Boli
Aceton ˘aCancer pulmonar, diabet,
insuficient ,˘a cardiac ˘a congestiv ˘a, atac cerebral
Acetaldehid ˘a Alcolism, boli hepatice, cancer pulmonar
Amoniac Boli renale, astm
Monoxid de carbon Stres oxidativ, infect ,ii respiratorii, anemie
Disulfur ˘a de carbon Schizofrenie, boli coronariene s ,i ale arterelor
Dioxid de carbon Stres oxidativ
Sulfur ˘a de carbonil Boli hepatice
EtanDeficient ,˘a de vitamina E la copii,
peroxidarea lipidelor, stres oxidativ
Etanol Produs al bacteriilor intestinale
Etilen ˘aPeroxidarea lipidelor, distrugerea t ,esuturilor
epiteliale de c ˘atre radiat ,ia UV
HidrogenIndigestie la copii, probleme intestinale,
fermentat ,ieˆın colon
Izotopii H/D Acumularea apei ˆın corp
Peroxid de hidrogen Astm
Acid cianhidricPseudomonas aeruginosa la copiii
afectat ,i de fibroz ˘a chistic ˘a
8-Izoprostan Stres oxidativ
Izopren Colesterol
Metan Probleme intestinale, fermentat ,ieˆın colon
Metanetiol Halitoz ˘a
Metanol Deficient ,e ale sistemului nervos
Amine metilate Metabolizarea proteinelor ˆın corp
Azotat de metil Hiperglicemie ˆın diabet-tip 1
Monoxid de azotAstm, hipertensiune, rinit ˘a,
disfunct ,ii pulmonare, brons ,iectazie
Nitrotirozin ˘a Astm
Oxigen Respirat ,ie
PentanPeroxidarea lipidelor, disfunct ,ii hepatice,
schizofrenie, cancer la s ˆan, artrit ˘a reumatoid ˘a
Piridin ˘a Parodontoz ˘a
Compus ,i sulfurici Disfunct ,ii hepatice, cancer pulmonar
Hidrocarburi (Toluen, Benzen,
Heptan, Decan, Stiren,
Octan, Pentametilheptan)Peroxidarea lipidelor, cancer pulmonar,
stres oxidativ, inflamarea c ˘ailor respiratorii
Tabelul 3.2 Biomarkeri identificat ,iˆın respirat ,ia uman ˘aˆımpreun ˘a cu cauzele aparit ,iei lor [71]
Recent, cercet ˘arile asupra celulelor dintr-un corp afectat de diabet s-au concentrat asupra leuco-
citelor polimorfonucleare (PMN – polymorphonuclear), un tip de celule sanguine. ˆIntre acestea s ,i
nivelul de glucoz ˘a exist ˘a o relat ,ie de dependent ,˘a s,i,ˆın plus, acest tip de celule pot emite gaze (fig.
3.4). S-a descoperit c ˘a promielocitele s ,i neutrofilele izolate pot emite acetaldehid ˘a, un gaz ce se pre-
supune c ˘a mediaz ˘a relaxarea vaselor sanguine. Celulele PMN circul ˘a prin ˆıntregul corp s ,i r˘aspund la
factorii chemotactici cu care interact ,ioneaz ˘a, put ˆand produce concentrat ,ii locale ridicate de gaze ˆıntr-
o anumit ˘a locat ,ie [78]. Gazele produse de acestea pot avea rol de semnalizare celular ˘a, speculandu-se
posibilitatea recrut ˘arii de PMN suplimentare, prin aceste gaze, acolo unde este necesar. ˆIn cazul bo-
lilor pulmonare [91], PMN pot r ˘amˆane blocate ˆın plam ˆani,ˆın concentrat ,ii mari, produc ˆand aparit ,ia
39
VOC ˆın respirat ,ie. Dac ˘a nivelul de glucoz ˘a din corp se modific ˘a, aspecte funct ,ionale ale neutrofile-
lor vor fi afectate. ˆIn cazul diabetului, s-au observat concentrat ,ii mari de substant ,e antibacteriene ˆın
sˆange, precum mieloperoxidaza (MPO) s ,i defensine derivate din neutrofile. Astfel, producerea VOC
de c˘atre PMN poate fi folosit ˘a drept un biomarker al modific ˘arii funct ,iilor sistemului imunitar s ,i al
declans ,˘arii s ,i progresia diabetului [78].
Figura 3.4: Relat ,iaˆıntre PMN s ,i diabet [78]
ˆIn principal, dintre compus ,ii chimici ce pot fi g ˘asit ,iˆın respirat ,ia uman ˘a, cˆat,iva r ˘amˆan constant
ˆın interesul cercet ˘arilor continue. O prim ˘a grup ˘a de compus ,i notabili, abundent ,iˆın respirat ,ie, sunt
cetonele (aceton ˘a, 2-pentanon ˘a s,i 2-butanon ˘a), ce apar ˆın urma lipolizei [92], pacient ,ii cu rezistent ,˘a
la insulin ˘a avˆand o product ,ie crescut ˘a de lipide. Etilena s ,i gazele conexe, derivate de neutrofile, este
presupus ˘a a avea rol ˆıntr-un sistem complex de semnalizarea celular ˘a,ˆın ceea ce prives ,te reglarea
nivelului de glucoz ˘a [78]. ˆIn final, amoniacul s ,i compus ,ii pe baz ˘a de azot au fost propus ,i ca posibili
markeri ai bolilor renale, aces ,tia fiind rezultat ,i din cres ,terea cantit ˘at,ii de uree ˆın corp, din cauza
incapacit ˘at,ii rinichilor de a filtra eficient s ˆangele [93]. O cercetare am ˘anunt ,it˘a a ar ˘atat ca intervalul de
variat ,ie al concentrat ,iei de amoniac, ˆın respirat ,ie, la pacient ,ii cu uremie, este de 820 – 14700 ppb, ˆın
comparat ,ie cu 425 – 1800 ppb, interval asociat unui pacient s ˘an˘atos [94]. Mai mult, ˆın urma studiul
s-a constatat o corelat ,ie liniar ˘a concentrat ,ia de amoniac ˆın respirat ,ie s,i concentrat ,ia de uree ˆın plasm ˘a
[82].
40
Capitolul 4
M˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai etilenei s ¸i amoniacului
4.1 M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai etilenei
4.2 M ˘asurarea coeficient ¸ilor de absorbt ¸ie ai amoniacului
41
Capitolul 5
Masurarea biomarkerului etilena s ¸i amoniac la pacient ¸i cu diabet
de tip-2
42
Bibliografie
[1] A. G. Bell. On the production and reproduction of sound by light: the photophone. American
Journal of Science , 3:305–324, 1880.
[2] A. Rosencwaig. Opt. Commun. , 7:305, 1973.
[3] D. C. Dumitras, D. C. Dutu, A. M. Magureanu, M. Petrus, and C. Popa. Laser photoacoustic
spectroscopy: principles, instrumentation, and characterization. Journal of Optoelectronics and
Advanced Materials , 9:3655–3701, 2007.
[4] Photoacoustics.
[5] V . P. Zharov and V . S. Letokhov. Laser optoacoustic spectroscopy , volume 37. Springer Verlag,
1986.
[6] Markus W. Sigrist. Photoacoustic spectroscopy, applications. Academic Press , 1999.
[7] E. L. Kerr and J. G. Atwood. The laser illuminated absorptivity spectrophone: A method for
measurement of weak absorptivity in gases at laser wavelengths. Applied. Optics , 7:915–921,
1968.
[8] L. B. Kreuzer. Ultralow gas concentration infrared absorption spectroscopy. Journal of Applied
Physics , 42:2934–2943, 1971.
[9] A. S. Gomenyuk, V . P. Zharov, and D. D. Ogurok. Optoacoustic raman spectroscopy of mole-
cular gases. Journal of Quantum Electronics , 4, 1975.
[10] C. K. N. Patel, R. J. Kerl, and E. G. Burkhardt. Excited-state spectroscopy of molecules using
opto-acoustic detection. Physics. Review Letters , 38:1204–1207, 1977.
[11] M. J. Kavaya, J. S. Margolis, and M. S. Shumate. Optoacoustic detection using stark modula-
tion. Applied Optics , 18:2602–2606, 1979.
[12] S. P. Belov, A. B. Burenin, L. N. Gershtein, V . V . Korolikhin, and A. F. Krunov. Broad-banded
millimeter and submillimeter microwave spectroscopy of gases with high sensitivity. Optica i
Spectroscopia , 32:295, 1973.
[13] C. K. N. Patel, E. G. Burkhardt, and C. A. Lambert. Spectroscopic measurements of stratosphe-
ric nitric oxide and water vapor. Science , 184:1173–1176, 1974.
[14] M. W. Sigrist. Trace gas monitoring by laser-photoacoustic spectroscopy. Infrared Physics &
Technology , 1:415–425, 1995.
[15] F. J. M. Harren, F. G. C. Bijnen, J. Reuss, L. A. C. J. V oesenek, and C. W. P. M. Bloom.
Sensitive intracavity photoacoustic measurements with a co2 waveguide laser. Applied Physics
B, 50:137–144, 1990.
[16] M. W. Sigrist. Air monitoring by laser photoacoustic spectroscopy, in air monitoring by spec-
troscopic technique. Chemical Analysis , 127:163–238, 1994.
43
[17] S. Bernegger and M. W. Sigrist. Co-laser photoacoustic spectroscopy of gases and vapours for
trace gas analysis. Infrared Physics , 30:375–429, 1990.
[18] A. A. E. Martis, S. Buscher, F. Kuhnemann, and W. Urban. Instrum. Sci.Technol. , 26:177, 1998.
[19] T. Fink, S. Buscher, R. Gabler, Q. Yu, and W. Urban. An improved co2 laser intracavity photoa-
coustic spectrometer for trace gas analysis. Rev. Sci. Instrum. , 67:4000–4004, 1996.
[20] M. H. Hubert. Laser optoacoustic detector-measurement of signatures of a selection of envi-
ronmental contaminants. Report No. 83-751-1, UltraLasertech, Mississauga, Ontario, Canada ,
1983.
[21] R. H. Ossoff and L. Reinisch. Chapter 12: Laser Surgery: Basic Principles and Safety Consi-
derations . C.V . Mosby Company, St. Louis, 1986.
[22] O. Svelto. Principles of lasers . Springer, Berlin, 1998.
[23] N. N. Puscas. Lasere – Ed. a 2-a, compl. si rev. Top Form, Bucuresti, 2007.
[24] M. H. Niemz. Laser-tissue interactions, Fundamentals and Applications, Third Enlarged Edi-
tion. Springer, 2007.
[25] W. T. Silfvast. Laser fundamentals . Cambridge University Press, 1996.
[26] N. Hodgson and H. Weber. Laser resonators and beam propagation . Springer, Berlin, 2005.
[27] D. C. Dumitras. Ingineria fasciculelor laser . Editura ALL, 2004.
[28] D. C. Dumitras. Biofotonica, Bazele fizice ale aplicat ¸iilor laserilor ˆın medicin ˘a s ¸i biologie .
Editura ALL EDUCATIONAL, 1999.
[29] GEM Select 50 Laser – Operator’s Manual . 2009.
[30] D. C. A. Dutu. Teza de doctorat, Contribut ,ii la determinarea caracteristicilor de emisie a
laserilor cu CO2 s ,i stabilizarea ˆın frecvent ¸ ˘a a acestor . Bucuresti, 1982.
[31] D. C. Dumitras, D. C. Dutu, V . Draganescu, and N. Comaniciu. CO2 laser frequency stabili-
zation . Central Institute of Physics Institute for Physics and Technology of Radiation Devices,
Bucharest, 1985.
[32] D. C. Dumitras, N. A. Shubina, E. M. Kudriavstev, and N. N. Sobolev. Power and gain measu-
rements in a waveguide co2 laser. Revue Roumaine de Physique , 20:1001–1004, 1975.
[33] D. C. A. Dutu, D. C. Dumitras, S. Cristescu, and L. Sarcozy. Romanian Reports in Physics ,
46:639–644, 1994.
[34] D. C. Dumitras, D. C. Dutu, A. M. Magureanu, M. Petrus, and C. Popa. Improvement of a laser
photoacoustic instrument for trace gas detection. U. P . B. Sci. Bull., Series A , 69:45–56, 2007.
[35] D. C. Dumitras, D. C. Dutu, A. M. Magureanu, M. Petrus, C. Popa, and M. Patachia. Measu-
rements of ethylene concentration by laser photoacoustic techniques with applications at breath
analysis. Romanian Reports in Physics , 60:593–602, 2008.
[36] R. Cernat, C. Matei, A. M. Bratu, C. Popa, D. C. A. Dutu, M. Patachia, M. Petrus, S. Banita,
and D. C. Dumitras. Laser photoacoustic spectroscopy method for measurements of trace gas
concentration from human breath. Romanian Reports in Physics , 62:617–623, 2010.
44
[37] DigiRad Division of Terahertz Technologies Inc. C-980 Phase-Locked-Loop Optical Chopper –
Operating Manual . 1992.
[38] Stanford Research Systems. Model SR830 DSP Lock-in Amplifier – Operating Manual Pro-
gramming Reference . 1993.
[39] C. Popa, S. Banita, M. Patachia, and D. C. Dumitras. Spectroscopic study of ammonia at sub-
jects with kidney failure: a case control study. Rev. Roum. Chim. , 58:779–784, 2013.
[40] Laser Probe inc. Rk-5700 Series Power Meter – Brochure .
[41] C. Popa, A. M. Bratu, C. Matei, R. Cernat, and D. C. Popescu, A. Dumitras. Qualitative and
quantitative determination of human biomarkers by laser photoacoustic spectroscopy methods.
Laser Physics , 21:1–7, 2011.
[42] G. B. Armen. Phase sensitive detection: the lock-in amplifier . 2008.
[43] Lock-in amplifier and applications.
[44] D. C. Dumitras, S. Banita, A. M. Bratu, R. Cernat, D. C. A. Dutu, C. Matei, M. Patachia,
M. Petrus, and C. Popa. Ultrasensitive co2 laser photoacoustic system. Infrared Physics &
Technology Journal , 53:308–314, 2010.
[45] E. V . Stepanov. Methods of highly sensitive gas analysis of molecular biomarkers in study of
exhaled air. Physics of Wave Phenomena , 15:149–181, 2007.
[46] R. Gilpin. Understanding the gas exchange process. BT, NRP, 2017.
[47] L. L. Hamm, N. Nakhoul, and K. S. Hering-Smith. Acid-base homeostasis. Clin. J. Am. Soc.
Nephrol , 10:232–242, 2015.
[48] Medlineplus. gas exchange.
[49] T. Buthelezi, L. Dingrando, N. Hainen, C. Wistrom, and D. Zike. Chemistry: Matter and
Change . 1st ed. Columbus, OH: McGraw Hill, 2013.
[50] F.H. Martini, J.L. Nath, and E.F. Bartholomew. Fundamentals of Anatomy & Physiology . 10th
ed. Glenview, IL: Pearson, 2015.
[51] M. Ochs, J.R. Nyengaard, and A. et al. Jung. The number of alveoli in the human lung. Am. J.
Respir. Crit. Care Med. , 169(1):120–124, 2004.
[52] A. A. Bove. Diving medicine. Am. J. Respir. Crit. Care Med. , 189(12):479–486, 2014.
[53] Respiratory system.
[54] C. Gu and Li C. Assessment of human respiration patterns via noncontact sensing using doppler
multi-radar system. Sensors (Basel) , 15(3):383–398, 2015.
[55] G.J. Tortora and B. Derrickson. Principles of Anatomy and Physiology . 11th ed. John Wiley
and Sons, 2009.
[56] E. et al McLafferty. Respiratory system part 2: gaseous exchange. Nursing Standard , 27:35–42,
2013.
[57] J. Moini. Anatomy and Physiology for Health Professionals . 2nd ed. Burlington, 2016.
45
[58] H. Lodish, A. Berk, S.L. Zipursky, P. Matsudaira, D. Baltimore, and J. Darnel. Molecular Cell
Biology . 4th ed. New York, 2000.
[59] A. American Academy of Orthopedic Surgeons, Pollak. Critical Care Transport . 1st ed. Bur-
lington, 2011.
[60] T.H. Risby and S.F. Solga. Current status of clinical breath analysis. Applied Physics B , 85
(2-3):421–426, 2006.
[61] S.Y . Tan and M. Hu. Medicine in stamps antoine – laurent lavoisier (1743-1794): Founder of
modern chemistry. Singapore Medical Journal , 45 (7):303–304, 2004.
[62] D. J. Morgan. Construction and operation of a simple flame-ionization detector for gas chroma-
tography. Journal of Scientific Instruments , 38 (12):501–503, 1961.
[63] T. Hibbard and A. Killard. Breath ammonia analysis: Clinical application and measurement.
Critical Reviews in Analytical Chemistry , 41 (1):21–35, 2011.
[64] M. Phillips. Breath tests in medicine. Scientific American , 267(1):74–79, 1992.
[65] W. Cao and Y . Duan. Current status of methods and techniques for breath analysis. Critical
Reviews in Analytical Chemistry , 37 (1):3–13, 2007.
[66] G. J. Tortora. Lung volumes and capacities. Principles of Anatomy and Physiology , (11th ed.),
John Wiley & Sons:868–869, 2006.
[67] P. Paredi, S.A. Kharitonov, and P.J. Barnes. Faster rise of exhaled breath temperature in asthma:
A novel marker of airway inflammation? American Journal of Respiratory and Critical Care
Medicine , 165 (2):181–184, 2002.
[68] V . Nodelman, A. Ben-Jebria, and J.S. Ultman. Fast-responding thermionic chlorine analyzer for
respiratory applications. Review of Scientific Instruments , 69 (11):3978–3983, 1998.
[69] G. Zehentbauer, T. Krick, and G.A. Reineccius. Use of humidified air in optimizing apci-ms
response in breath analysis. Journal of Agricultural and Food Chemistry , 48 (11):5389–5395,
2000.
[70] L.R. Narasimhan, W. Goodman, and C.K.N. Patel. Correlation of breath ammonia with blood
urea nitrogen and creatinine during hemodialysis. Proceedings of the National Academy of
Sciences of the United States of America , 98 (8):4617–4621, 2001.
[71] C. Wang and P. Sahay. Breath analysis using laser spectroscopic techniques: Breath biomarkers,
spectral fingerprints and detection limits. 9 (10):8230–8262, 2009.
[72] S. et al. DuBois. Breath ammonia testing for diagnosis of hepatic encephalopathy. Digestive
Diseases and Sciences , 50 (10):1780–1784, 2005.
[73] D.J. Kearney, T. Hubbard, and D. Putnam. Breath ammonia measurement in helicobacter pylori
infection. Digestive Diseases and Sciences , 47 (11):2523–2530, 2002.
[74] A. et al. Amano. Monitoring ammonia to assess halitosis. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral
Pathology , 94 (6):692 – 696, 2002.
[75] A.D. et al. Aguilar. A breath ammonia sensor based on conducting polymer nanojunctions.
IEEE Sensors Journal , 8 (3):269–273, 2008.
46
[76] Commission of the European Communities. Proposal for a council directive on limitation of
emissions of volatile organic compounds due to the use of organic solvents in certain industrial
activities. 96/0276 (SYN) , Article 2:84–90.
[77] M. Corradi and A. Mutti. Exhaled breath analysis: from occupational to respiratory medicine.
Acta Bio-Medica: Atenei Parmensis , 76 (2):20–29, 2005.
[78] T. D. C. Minh, D. R. Blake, and P. R. Galassetti. The clinical potential of exhaled breath analysis
for diabetes mellitus. Diabetes Research and Clinical Practice , 97:195–205, 2004.
[79] W. B. Gerritsen, J. Asin, P. Zanen, J. M. van den Bosch, and F. J. Haas. Markers of inflammation
and oxidative stress in exacerbated chronic obstructive pulmonary disease patients. Respir Med. ,
99:84–90, 2005.
[80] J.L. Hankinson, J.R. Odencrantz, and K.B. Fedan. Spirometric reference values from a sample
of the general u.s. population. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine ,
159 (1):179–187, 1999.
[81] M. Corradi, P. Pignatti, and P. et al. Manini. Comparison between exhaled and sputum oxidative
stress biomarkers in chronic airway inflammation. Eur Respir J. , 24:1011–1017, 2004.
[82] D. Hill and R. Binions. Breath analysis for medical diagnosis. International Journal on Smart
Sensing and Intelligent Systems , 5 (2), 2012.
[83] Biomarkers Definition Working Group. Biomarkers and surrogate endpoints: preferred defini-
tions and conceptual framework. Clin Pharmacol Therapeutics , 69:89–95, 2001.
[84] WHO International Programme on Chemical Safety. Biomarkers in risk assessment: Validity
and validation, 2001.
[85] K. Strimbu and J. A. Tavel. What are biomarkers? Current Opinion in HIV and AIDS ,
5(6):463–466, 2010.
[86] P. Rosen, P.P. Nawroth, G. King, W. Moller, H.J. Tritschler, and L. Packer. The role of oxidative
stress in the onset and progression of diabetes and its complications: a summary of a congress
series sponsored by unesco-mcbn, the american diabetes association and the german diabetes
society. Diabetes Metab Res Rev , 17:189–212, 2001.
[87] J. A. Knight. Free radicals: their history and current status in aging and disease. Ann Clin Lab
Sci, 28:331–346, 2004.
[88] D. Bonnefont-Rousselot, J. P. Bastard, M. C. Jaudon, and J. Delattre. Consequences of the
diabetic status on the oxidant/antioxidant balance. Diabetes Metab , 26:163–176, 2000.
[89] I. C. West. Radicals and oxidative stress in diabetes. Diabet Med , 17:171–180, 2000.
[90] M. Phillips, R. N. Cataneo, T. Cheema, and J. Greenberg. Increased breath biomarkers of oxi-
dative stress in diabetes mellitus. Clinica Chimica Acta , 344:189–194, 2004.
[91] V . Murugan and M. J. Peck. Signal transduction pathways linking the activation of alveolar ma-
crophages with the recruitment of neutrophils to lungs in chronic obstructive pulmonary disease.
Exp Lung Res , 35:439–485, 1997.
[92] L. Laffel. Ketone bodies: a review of physiology, pathophysiology and application of monito-
ring to diabetes. Diabetes Metab Res Rev , 15:412–426, 1999.
47
[93] A. Manolis. The diagnostic potential of breath analysis. Clinical Chemistry , 29(1):5–15, 1983.
[94] S. Davies, P. Spanel, and D. Smith. Quantitative analysis of ammonia on the breath of patients
in end-stage renal failure. Kidney International , 52(1):223–228, 1997.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Utilizarea tehnicii de spectroscopie fotoacustic aˆın determinarea [611884] (ID: 611884)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.