Wykrywanie śladowych ilości formaldehydu i etanu w powietrzu metodami spektroskopii laserowej

Tematem rozprawy doktorskiej jest wykrywanie formaldehydu i etanu w ilościach śladowych ze szczególnym uwzględnieniem badań powietrza wydychanego z ludzkich płuc. Omówione zostało zagadnienie biomarkerów oraz związek konkretnych gazów z odpowiadającymi im chorobami. Opisano konwencjonalne techniki pomiarowe, przede wszystkim chromatografię gazową. Ze względu na fakt, że zastosowaną w rozprawie doktorskiej metodą detekcji jest absorpcyjna spektroskopia laserowa, została ona szczegółowo omówiona. Bardzo niskie stężenia biomarkerów w wydychanym powietrzu (rzędu cząsteczek na miliard) nakładają konieczność wykorzystania ultraczułych metod pomiarowych. W pracy opisano najpopularniejsze z nich, takie jak spektroskopia z modulacją długości fali, spektroskopia wieloprzejściowa, spektroskopia strat we wnęce optycznej oraz spektroskopia fotoakustyczna - wraz z jej wariantem wykorzystującym widelec kwarcowy. Omówiono zagadnienie widm absorpcyjnych cząsteczek, ze szczególnym uwzględnieniem widm oscylacyjno-rotacyjnych w podczerwieni. Przedstawiono budowę molekuł formaldehydu i etanu wraz z charakterystycznymi pasmami absorpcji grup chemicznych wchodzących w ich skład. Dokonano również przeglądu literatury omawiającej oscylacje tych cząsteczek. Ze względu na fakt wykrywania biomarkerów w powietrzu wydychanym z płuc, przeprowadzono analizę widm innych związków chemicznych występujących w oddechu w dużym stężeniu (interferentów). W pracy opisano badania mające na celu porównanie widm etanu i formaldehydu z danymi znajdującymi się w bazie Hitran. Po pozytywnej weryfikacji używano ich do symulacji absorpcji światła lasera przez biomarkery i interferenty. W celu znalezienia optymalnej linii absorpcyjnej do badań bezpośrednio w oddechu napisano program komputerowy służący do analizy widma pod ciśnieniem atmosferycznym oraz obniżonym (pozwoliło to na rozdzielenie linii absorpcyjnych biomarkerów i interferentów). Wyznaczono optymalne długości fali do detekcji formaldehydu i etanu – odpowiednio 3595,83 nm oraz 3336,80 nm. Symulacja wykazała, że konieczne jest obniżenie ciśnienia badanego gazu – w zależności od biomarkera do 0,01 atm (formaldehyd) i 0,1 atm (etan). Z opisanych wcześniej metod spektroskopii o zwiększonej czułości wybrano – z uwagi na stabilność – spektroskopię wieloprzejściową wraz z modulacją długości fali lasera. Obliczono, że zastosowana komórka wieloprzejściowa musi umożliwić zwiększenie drogi optycznej lasera w gazie do minimum dziesięciu metrów. W ramach niniejszej pracy doktorskiej postanowiono skonstruować własną komórkę, w związku z czym przedstawione zostały ogólne zasady dotyczące ich projektowania. Opisano program komputerowy do symulacji komórek Herriota w języku Python i udostępniony bezpłatnie na licencji GNU GPL. Przy jego użyciu zaprojektowana została komórka wieloprzejściowa o drodze optycznej ok. 19 m. Wykonano jej prototyp w układzie otwartym który służył weryfikacji symulacji komputerowej z rzeczywistym układem. Opracowana komórka okazała się bardzo stabilna – przez ponad rok używania oraz wielokrotnych zmian ciśnienia w jej wnętrzu ani razu nie wymagała ponownego strojenia. Typowym problemem przy pracy z komórkami wieloprzejściowymi jest pojawianie się zakłóceń tzw. szumów optycznych. Powstają one w wyniku interferencji światła lasera wewnątrz komórki i prowadzą do niepożądanej modulacji widma transmisji układu optycznego. Rozprawa przedstawia szczegółową analizę metody służącej do tłumienia tego niekorzystnego zjawiska za pomocą dodatkowej (ściśle dobranej do komórki wieloprzejściowej) modulacji długości fali lasera połączonej z uśrednianiem sygnału. Opisana metoda nie jest wrażliwa na zmianę fazy zakłóceń (wynikającą m.in. z rozszerzalności termicznej elementów optycznych). W rozprawie doktorskiej szczegółowo opisano system do optycznej detekcji śladowych ilości formaldehydu w powietrzu. Detekcja tego gazu, z uwagi na jego specyficzne właściwości jest problematyczna przy użyciu konwencjonalnych metod chromatograficznych. Dokonano przeglądu literatury pod kątem badań tego związku z powietrzu za pomocą metod optycznych, w szczególności porównano stosowane długości fali z optymalną, znalezioną przy pomocy symulacji komputerowej. Różniły się one z uwagi na uwzględnienie interferentów naturalnie występujących w ludzkim oddechu. Przedstawiono pomiary mocy i długości fali używanego lasera w funkcji jego prądu – wykazały one nieliniowość źródła światła. Opisano układ próżniowy pozwalający na przygotowanie próbek gazu o różnym stężeniu formaldehydu. Przedstawiono wyniki eksperymentów wskazujące na problem osadzania się formaldehydu na ściankach urządzenia pomiarowego. Pomiary wykazały czułość na poziomie około 1,8·109 molekuł formaldehydu na centymetr sześcienny powietrza pod ciśnieniem 0,01atm. Odpowiada to koncentracji tego gazu ok. 6,6 ppb. W pracy opisano również system służący do detekcji etanu – zastosowanie metod optycznych w wykrywaniu tego gazu pozwala na precyzyjny pomiar w czasie kilkudziesięciu sekund co nie jest możliwe w przypadku chromatografii. Podobnie jak w przypadku formaldehydu wykonany został przegląd literatury dotyczącej detekcji tego biomarkera. Ze względu na zastosowanie woltomierza homodynowego i zmierzoną nieliniowość lasera opracowano i przedstawiono metodę pomiaru z wykorzystaniem czwartej harmonicznej częstotliwości modulacji. Przeprowadzono eksperyment mający na celu sprawdzenie czułości i liniowości urządzenia. Uzyskano (pod ciśnieniem 0,1 atm.) graniczne stężenie pomiaru 1 ppb oraz bardzo dobrą liniowość w zakresie trzech rzędów wielkości (do 1 ppm – wyższych stężeń nie mierzono). Sporządzono również – w celu wyznaczenia precyzji pomiaru – wykres odchylenia Allana. W ten sposób określono, że optymalny czas uśredniania przy pomiarze etanu wynosi 20 s i uzyskuje się w tym wypadku odchylenie standardowe ok. 80 ppt. Dodatkowo, w pracy opisana została możliwość detekcji czterech różnych gazów obecnych w oddechu za pomocą jednego lasera. Przeprowadzone zostały eksperymenty mające na celu pomiar koncentracji etanu (3336,80 nm), metanu (3334,37 nm), formaldehydu (3334,97 nm) i pary wodnej (3334,27 nm). Znajomość zawartości tych substancji w wydychanym powietrzu może nieść dodatkową informację diagnostyczną, a ich pomiar nie wymaga pobrania kolejnej próbki oddechu ani zastosowania dodatkowych elementów optycznych. Dodatek do rozprawy doktorskiej opisuje prototypy sensorów formaldehydu i etanu do celów medycznych. Urządzenia te pozwoliły na przeprowadzenie testów klinicznych poprzez bezpośredni pomiar biomarkerów w powietrzu wydychanym z płuc przez pacjentów Uniwersyteckiego Centrum Klinicznego WUM w Warszawie. Automatyzacja procesu pomiarowego i odpowiednie oprogramowanie pozwoliły na samodzielną obsługę urządzeń przez personel medyczny. Czułość detekcji udało się zwiększyć budując nową komórkę wieloprzejściową o dłuższej drodze optycznej wynoszącej ok. 40 metrów.

The main topic of the thesis is the detection of formaldehyde and ethane in trace amounts with a particular focus on the study of human lung exhaled air. The issue of biomarkers and the relationship of specific gases to their corresponding diseases is discussed. Conventional measurement techniques, primarily gas chromatography, are described. Since the detection method used in the dissertation is laser absorption spectroscopy, it is discussed in detail. The very low concentrations of biomarkers in exhaled air (on the order of parts per billion) impose the need for ultra-sensitive measurement methods. The paper describes the most popular of these, such as wavelength-modulated spectroscopy, multi-pass spectroscopy, cavity ring-down spectroscopy and photoacoustic spectroscopy - including its variant using a quartz tuning fork. The issue of absorption spectra of molecules is discussed, with particular emphasis on rotational-vibrational spectra in the infrared. The structure of formaldehyde and ethane molecules is presented, together with the characteristic absorption bands of the chemical groups comprising them. The literature discussing the oscillations of these molecules is also reviewed. Due to the fact of detecting biomarkers in the exhaled air from the lungs, an analysis of the spectra of other chemical compounds present in the breath in high concentrations (interferents) was carried out. The thesis describes an experiment comparing the spectra of ethane and formaldehyde with data in the Hitran database. After positive verification, they were used to simulate the absorption of laser light by biomarkers and interferents. In order to find the optimum absorption line for direct breath testing, a computer program was written to analyse the spectrum at atmospheric and reduced pressure (that allowed separation of the absorption lines of biomarkers and interferents). The optimum wavelengths for detection of formaldehyde and ethane were determined - 3595.83 nm and 3336.80 nm, respectively. Simulation showed that it was necessary to reduce the pressure of the test gas - depending on the biomarker - to 0.01 atm (formaldehyde) and 0.1 atm (ethane). From the previously described spectroscopy methods with increased sensitivity, multi-pass spectroscopy together with laser wavelength modulation was chosen - for reasons of stability. It was calculated that the multi-pass cell used must allow the optical path of the laser in the gas to be increased to a minimum of ten meters. As part of this dissertation, it was decided to construct a cell of its own, so general principles for their design are presented. A computer program to simulate Herriot cells in the Python language and made freely available under the GNU GPL is described. Using it, a multi-pass cell with an optical path of approximately 19 m was designed. It was prototyped in an open system (without the possibility to depressurize the test gas), which was used to verify the computer simulation with the real system. The developed cell proved to be very stable - for more than a year of use and multiple pressure changes inside it, it did not once require re-tuning. A typical problem when working with multi-pass cells is the appearance of interference from so-called optical noise. They arise as a result of laser light interference inside the cell and lead to undesired modulation of the transmission spectrum of the optical system. The thesis presents a detailed analysis of a method for suppressing this unfavorable phenomenon by means of an additional (strictly selected for the multi-pass cell) modulation of the laser wavelength combined with signal averaging. The described method is not sensitive to the phase change of the interference (resulting, among other things, from the thermal expansion of the optical elements). The dissertation describes in detail a system for the optical detection of trace amounts of formaldehyde in air. Detection of this gas, due to its specific properties, is problematic using conventional chromatographic methods. A literature review was conducted for the study of this compound in air using optical methods, in particular comparing the wavelengths used with the optimum wavelength found using computer simulation. These differed due to the inclusion of interferents naturally occurring in human breath. Measurements of the power and wavelength of the laser used as a function of its current were presented - these showed the non-linearity of the light source. A vacuum system for the preparation of gas samples with different formaldehyde concentrations is described. Experimental results indicating the problem of formaldehyde deposition on the walls of the measuring device were presented. Measurements showed a sensitivity of about 1,8·109 formaldehyde molecules per cubic centimeter of air at a pressure of 0.01atm. This corresponds to a concentration of this gas of about 6.6 ppb. The thesis also describes a system for the detection of ethane - the use of optical methods in the detection of this gas allows precise measurement in tens of seconds, which is not possible with gas chromatography. As in the case of formaldehyde, a literature review was performed on the detection of this biomarker. Due to the use of a lock-in meter and the nonlinearity of the laser, a measurement method using the fourth harmonic of the modulation frequency was developed and presented. An experiment was performed to test the sensitivity and linearity of the device. A measurement limit of 1 ppb was obtained (at 0.1 atm.). The linearity is good over three orders of magnitude (up to 1 ppm - higher concentrations were not measured). An Allan deviation plot was also drawn up to determine the precision of the measurement. In this way, it was determined that the optimum averaging time for ethane measurements is 20 s and a standard deviation of approximately 80 ppt is obtained. In addition, the thesis describes the possibility of detecting four different gases present in breath with a single laser. Experiments were conducted to measure the concentration of ethane (3336.80 nm), methane (3334.37 nm), formaldehyde (3334.97 nm) and water vapour (3334.27 nm). Knowledge of the content of these substances in exhaled air can carry additional diagnostic information, and their measurement does not require another breath sample or additional optical elements. An appendix to the dissertation describes prototypes of formaldehyde and ethane sensors for medical purposes. These devices allowed clinical trials to be carried out by directly measuring biomarkers in lung exhaled air by patients of the University Clinical Hospital in Warsaw. Automation of the measurement process and appropriate software allowed the devices to be operated independently by medical staff. Detection sensitivity was increased by building a new multi-pass cell with a longer optical path of approximately 40 meters.