Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0020

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0020
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "Новые энергетические технологии"
Название доклада
Лазерная масс-спектрометрия биологических объектов при атмосферном давлении для выявления патологических изменений и лекарственного мониторинга биологических тканей.
Докладчик
Алимпиев Сергей Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка физико-технических основ нового метода масс-спектрометрического анализа биологических тканей, обладающего высоким пространственным разрешением и возможностью послойного анализа для обнаружения патологических участков ткани, включая диагностику онкологических поражений, определения пространственного распределения лекарственных и маркерных препаратов в тканях.
Создание макета лазерного масс-спектрометра для анализа образцов биологических тканей при атмосферном давлении с ионизацией излучением лазерной плазмы и разработка методики его применения.
Актуальность и новизна исследования
Разрабатываемые научно-технологические подходы могут быть применены для решения задач фармакинетики, таких как идентификация малых количеств лекарственных препаратов в биологических тканях, для изучения концентрирования фармацевтических препаратов в тканях и органах.
Применение разрабатываемых подходов в решении гистологических задач позволяет проводить идентификацию типа ткани, определять пространственного распределения веществ в тканях для выявления признаков различных патологий, в том числе, онкологических поражений. Возможность анализа исследуемого объекта без его предварительной подготовки при атмосферном давлении даст возможность проводить экспресс-анализ тканей непосредственно в области оперативного вмешательства и получать дополнительную информацию о состоянии ткани,

Описание исследования

Комплекс научно-технических задач проекта заключался в разработке физических принципов, на основании которых можно создать экспресс-методику масс-спектрометрического анализа биологических тканей в состоянии как они есть при атмосферном давлении, включая получение масс-спектрометрических изображений, как плоских, так и объемных.

Первой задачей исследования явилась оптимизация процесса лазерного испарения образцов тканей и транспортировки газа, содержащего нейтральные молекулы образца, к узлу ионизации. Несмотря на то, что проблема лазерного испарения биологических тканей достаточно хорошо изучена, при ее применении для анализа состава ткани возникает ряд проблем.  В работе изучены два режима абляции – взрыв перегретого участка ткани под действием наносекундного лазерного импульса и процесс испарения ткани с движением фронта испарения во время воздействия импульса микросекундной длительности. Для первого режима использован компактный Nd-YAG лазер с диодной накачкой и широким спектром генерируемых

длин волн. Второй режим реализован при использовании импульсно периодического СО2 лазера с длиной волны 10.6 мкм,

и Er YAG лазера с длиной волны 2.97 мкм. Для транспортировки полученных нейтральных продуктов испарения к ионизатору использован нагреваемый канал с регулируемой температурой стенки. Задача этого канала заключается в разрушении

полученных при взрывном испарении биоткани кластеров. Определена оптимальная длина и температура канала,

а также роль присадочных газов и скорости подачи газовой смеси в масс-спектрометр.

Важной задачей, реализованной в режиме лазерного испарения ткани, явилось получение плоских масс-изображений образца, помещенного в установку, с помощью сканирования поверхности лазерным лучом с высоким пространственным разрешением,

а также методика получения объемных изображений. Последняя возможность реализована путем послойного сканирования

поверхности испаряющего лазерного излучения.

Вторая задача заключалась в разработке метода ионизации продуктов испарения биологических тканей. Ключевой особенностью разрабатываемых физических процессов ионизации должна быть высокая эффективность ионизации, независимость от процесса испарения образца и обеспечение минимальной селективности ионизации по классам химических соединений. Этим требованиям удовлетворяет процесс ионизации излучением лазерной плазмы при атмосферном давлении APLPI. Лазерная плазма, создаваемая наносекундным лазерным излучением, является источником жесткого ультрафиолетового (УФ) излучения, спектр которого

не ограничен оптическими элементами как это имеет место при использовании УФ ламп.

Лазерная плазма является также источником метастабильных и ионизованных атомов мишени. УФ излучение и поток атомов

использован для ионизации продуктов, полученных при испарении исследуемого образца. Преимуществом такого источника

является  широкий спектральный диапазон, компактность и простота реализации. Для создания плазмы использована основная

частота компактного многочастотного Nd-YAG лазера с диодной накачкой, при этом важно, что производные частоты, т.е.

гармоники и параметрические производные были использованы для испарения образцов биологических тканей.

 

Третьей задачей, без решения которой невозможна успешная реализация экспресс-методики масс-спектрометрического анализа биологических тканей, явилась оптимизация транспортировки ионов из области атмосферного давления в масс-анализатор.

Проблема моделирования системы транспортировки ионов заключалась в корректном учете краевых эффектов электрических полей на гранях и поверхностях электродов, учете кулоновского взаимодействия ионов, газодинамического

описания потока нейтрального газа с ионами в электрическом поле, создаваемом электродами. Наиболее совершенным

на сегодняшний день для расчета подобного рода задач является пакет

прикладных программ MASIM ( MAthematical SIMulation), разработанный, в том числе, при участии авторов  проекта.

Этот пакет обладает рядом преимуществ в области расчетов ионно- оптических систем, однако к его недостаткам в контексте

решаемой проблемы следует отнести недостаточно корректный учет газодинамических

процессов, что является чрезвычайно важным для решения задачи создания эффективного газодинамического ввода ионов из атмосферы в масс-анализатор. Поэтому в рамках выполнения проекта разработана методика, позволяющая адекватно учесть газодинамические процессы для расчета эффективного атмосферного ввода ионов в масс-спектрометр.

 

 

 

 

 

 

Результаты исследования

 

В результате выполнения проекта разработаны физико-технические основы нового метода масс- спектрометрического анализа биологических тканей и создан макетный образец прибора для анализа биологических тканей в состоянии «как они есть» при атмосферном давлении, получения масс-спектрометрических изображений, как плоских, так и объемных, для обнаружения патологических участков ткани, включая диагностику онкологических поражений, определения пространственного

распределения лекарственных и маркерных препаратов в тканях.

В ходе выполнения проекта  разработаны:

- Технология лазерного испарения анализируемых образцов тканей и транспортировки нейтральных продуктов испарения в зону ионизации.

- Методика моделирования и математическая модель процессов транспортировки ионов из области ионизации при атмосферном давлении в масс-анализатор.

- Макет лазерного масс-спектрометра с разработанным ионным источником для анализа образцов биологических тканей при атмосферном давлении.

- Методика применения созданного макета лазерного масс-спектрометра для анализа образцов биологических тканей.

 

 

Практическая значимость исследования
Полученные результаты могут лечь в основу принципиально новой методики для клинического экспресс-анализа биологических
объектов, включающей как анализ образцов тканей «in vitro», так и анализ тканей «in vivo», например, во время хирургических вмешательств. В проекте использован ряд новых физических подходов, включающих метод лазерного испарения биологических тканей, метод ионизации продуктов испарения, метод расчета движения ионов в электрических полях с учетом газодинамических явлений.Основные решения защищены патентами РФ.