Фотоионизационные сенсоры для неинвазивной медицинской диагностики состояния здоровья населения

Для работы при атмосферном давлении создан малогабаритный ВУФ-фотоионизационный детектор измеряющий спектр энергии электронов, образующихся при ионизации резонансными фотонами, длина волны которых находится в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ), пригодный для индивидуального ношения в целях постоянной неинвазивной медицинской диагностики без снижения качества жизни, для контроля окружающей среды и обеспечения жизнедеятельности человека. Также он может найти применение в системах безопасности для обнаружения опасных и взрывчатых веществ, в экологическом мониторинге, а также в качестве новых детекторов для портативных газовых хроматографов.

Цель: разработка миниатюрного фотоионизационного сенсора, работающего в условиях высокого давления вплоть до атмосферного, для его применения в качестве газоанализатора индивидуального ношения.
Задачи :
- разработка конструкции ВУФ-фотоионизационного детектора CES с микропроцессорной системой управления и регистрации сигнала;
- проведение теоретического анализа особенностей формирования энергетического спектра характеристических электронов в детекторе CES, образующихся при фотоионизации ряда молекул в воздухе резонансным излучением криптонового микроплазменного разрядного источника;
- разработка метода регистрации спектров энергии характеристических электронов по вольт-амперным характеристикам детекторов CES с помощью МНК-аппроксимации интервальными сплайнами 3-го порядка и их последующего двойного дифференцирования.

Медицина 21-го века остро нуждается в разработке новых методов для определения и непрерывного мониторинга молекулярных био-маркеров, которые выделяются в процессе жизнедеятельности организма человека в окружающую среду и которые могут стать основой неинвазивной диагностики, в частности, по продуктам газообмена при дыхании и через кожу. "По дыханию" можно обнаружить признаки массы заболеваний, такихкак рак лёгких, рак молочной железы, туберкулёз, болезни почек, диабет и др. Также, с помощью "дыхательных" тестов можно без биопсии выявить проблемы с пересаженным сердцем, запах ацетона изо рта связан с диабетом, по выделению аммиака можно диагностировать наличие бактерий Helicobacter, вызывающих гастриты и язвы пищеварительного тракта.

Метод столкновительной электронной спектроскопии не требует высокого вакуума, а габариты сенсора не превышают размеров сотового телефона, так как энергия заряженных частиц измеряется напрямую, не обращая внимания на изменение вектора импульса частиц.
При столкновении атомов или молекул примеси A с частицами сорта B^*, имеющими определенную энергию E_p, происходит ионизация атомов или молекул примеси с образованием свободных электронов, если энергия частиц B^*достаточна для этого.
В основе предлагаемого метода детектирования лежит тот факт, что при одном упругом столкновении с частицами газа электрон теряет только малую часть  своей начальной кинетической энергии, поэтому, если при движении к детектору электрон испытывает порядка 100 упругих столкновений, то он полностью «теряет» исходное направление своего импульса (как при броуновском движении). При этом искажение его энергии будет составлять сравнительно малую величину <1%.
Для регистрации спектров энергии характеристических электронов используется вторая производная вольт-амперной характеристики детектора (метод Дрювестейна).
Особенности метода CES позволяют сделать прибор, имеющий уникальный набор параметров, таких как миниатюрность (10*10*1 мм), низкая себестоимость, широкий спектр распознаваемых молекул, а также точность, достаточная для использования этого прибора в медицинских целях.

Основные результаты проекта :

1. Разработаны конструкция ВУФ-фотоионизационного детектора CES, микропроцессорный контроллер и встраиваемое программное обеспечение для регистрации спектров энергии электронов и определения примесей в атмосферном воздухе при высоких давлениях в диапазоне 0,01-1 атм.
2. В условиях  атмосферного воздуха исследованы особенности формирования спектров энергии характеристических электронов в ВУФ-фотоионизационном детекторе CES с ионизацией резонансными линиями Kr, продемонстрированы пути создания микро габаритных фотоионизационных детекторов для анализа летучих веществ в атмосферном воздухе.
3. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для аппроксимации вольт-амперных кривых детекторов CES по методу наименьших квадратов (МНК) с помощью сплайнов 3-го порядка и последующего двойного дифференцирования для автоматизированной обработки и регистрации  спектров энергии характеристических электронов.

Обсуждение результатов:

1. Участие в работе группы плазменных исследований Горного университета с 2013 года, где изучаются теория и экспериментальные методы анализа газовых сред, проводятся эксперименты по теме проекта.
2. Доклады на международных научных конференциях (Новосибирск, МНСК 2014-2016; Международная ярмарка научных разработок, Штутгарт, Германия, март 2014; Международная ярмарка научных разработок, Ганновер, Германия, март 2015; Международная ярмарка научных разработок, Кельн, Германия, февраль 2016; 2^nd International Scientific Symposium "Sense. Enable. SPITSE.", St. Petersburg  Electrotechnical University "LETI", St. Petersburg, Russia, 2015; Севастополь, Международный научный форум молодых ученых «Наука будущего – наука молодых», 2015; II Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития современной медицины», Воронеж, 2015; III Международная научно-методическая конференция «Современные образовательные технологии в преподавании естественно-научных и гуманитарных дисциплин», «Национальный минерально-сырьевой уиверситет «Горный», Санкт-Петербург, 2016; III Международная молодежная научная конференция «Физика. Технологии. Инновации», Екатеринбург, 2016). Имеются соответствующие публикации.
3. В мае 2015 года было принято участие в конкурсе грантов «Умник-2015» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. По итогам финала конкурса проект «Создание микроплазменных сенсоров для анализа летучих био-маркерных молекул человека» удостоен Гранта. Получено двухлетнее финансирование исследований в объеме 200 тысяч рублей ежегодно.
4. В июне 2016 года подана заявка на конкурс  бизнес-идей, научно-технических разработок и научно-исследовательских проектов под девизом «Молодые, дерзкие, перспективные»

1. Растворова, Ю.В. Микроплазменный сенсор для неинвазивной медицинской диагностики / Растворова Ю.В., Максимова Е.Н. // Сборник тезисов участников форума «Наука будущего – наука молодых», Севастополь, 2015, Т. 2, С. 87.
2. Kudryavtsev, A. A. Electron energy spectra in helium observed in a microplasma collisional electron spectroscopy detector. / A. A. Kudryavtsev, A. S. Mustafaev, A. B. Tsyganov, A. S. Chirtsov, V. I. Yakovleva // Technical Physics. October 2012, Volume 57, Issue 10, pp. 1325-1330.
3.Mustafaev, A.S. Microplasma analyzers for continuous personal biomedical diagnostics / A.S. Mustafaev, E.N. Maximova, J.V. Rastvorova, A.S. Chirtsov, A.B. Tsyganov // The Proceedings of 2nd International Scientific Symposium "Sense. Enable. SPITSE.", St. Petersburg Electro Тechnical University "LETI", St. Petersburg, Russia, 2015, P. 210-213

Compact VUV photoionization detector with current-voltage measurement are designed. Wavelength of ionizing resonance photons is in the vacuum ultraviolet (VUV). This device can be used for non-invasive medical diagnostics without compromising the quality of life, for control of environment and human life.