Профессор Маркус Сигрист руководит группой лазерной спектроскопии и считывания в Институте квантовой электроники Швейцарской высшей технической школы Цюриха. В интервью «ФИАН-Информ» он рассказал о неожиданном спектроскопическом решении для хирургии и криминалистики, разработанном его группой. Работа была представлена на 9-ой Международной конференции по диодной лазерной спектроскопии (TDLS-2013) в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН).

     - На конференции были представлены работы в области перестраиваемых лазеров. Почему эти источники привлекли внимание учёных?

    - Дело в том, что  частоту излучения в перестраиваемых лазерах можно изменять в спектральном диапазоне, по ширине значительно превышающем ширину линии излучения лазера. Они позволяют изучать поглощающие свойства молекул и быстро получать высокоточную «картину» вещества, поэтому всё чаще используются в аналитических приборах для фундаментальной спектроскопии и для её приложений. Надо сказать, идеального лазерного источника пока нет, но прогресс в этом направлении – в том числе, судя по конференциям TDLS – весьма заметен.

      - Расскажите, пожалуйста, о работе вашей группы в Институте квантовой электроники.

    - В нашей лаборатории разрабатываются и создаются системы с использованием перестраиваемых лазеров, работающих в средневолновой инфракрасной области спектра, где большинство молекул имеет сильное поглощение, а также очень специфическое поглощение (как, например, молекулы отпечатков пальцев). Мы создаём системы для газоанализа: начали с изучения атмосферных и промышленных газов, а в последнее время перешли к применению лазерных технологий в медицине. Поражает, сколько разнообразных направлений использования в одной только этой сфере уже удалось «нащупать» – и сколько ещё, как мы надеемся, предстоит.

     - Какие из них Вы осветили на конференции?

    - Во-первых, мы предложили технологию для измерения уровня глюкозы в тканях организма. Это неинвазивный метод, и он должен заинтересовать больных диабетом, которым приходится замерять уровень сахара в крови по несколько раз в день. Для измерения используется квантово-каскадный лазер с излучением в средней инфракрасной области спектра (длина волны составляет около 10 мкм) и фотоакустический сенсор. Во-вторых, я рассказал о нашей свежей разработке для спектроскопического анализа выдыхаемого воздуха. Такой анализ может пригодиться врачам как неинвазивный метод диагностики заболеваний.

    - Вы упомянули квантово-каскадный лазер. В чём его особенность?

    - Квантово-каскадные лазеры (ККЛ) – довольно молодое и очень перспективное направление. Это полупроводниковые лазеры, излучающие  в средней и дальней (терагерцевой) инфракрасной области спектра. А поскольку терагерцевые волны сочетают свойства «соседей» по спектру, у них высокая проникающая способность и они легко фокусируются. При этом в отличие от рентгеновского, терагерцевое излучение безвредно.

    Своё название ККЛ получили из-за механизма генерации излучения. Обычные полупроводниковые лазеры излучают путём взаимодействия  (рекомбинации) электронно-дырочных пар через запрещённую зону полупроводника, не заполненную электронами. В квантово-каскадных лазерах луч получается, когда электроны перемещаются между слоями гетероструктуры полупроводника внутри одной зоны. Эти слои чуть различаются по толщине и разделены слоями другого материала, поэтому разные уровни энергии  образуют своего рода «лестницу», по которой электрон и «спускается», испуская фотон на каждой «ступени».

     - Какие ещё применения  перестраиваемые лазеры находят в Вашей лаборатории?

    - Например, в электрохирургии. При проведении операций с использованием электроножей или лазеров зачастую выделяется некоторое количество дыма. Его не много, и всё же возникает вопрос, не содержит ли он компоненты, токсичные или опасные для пациента или медперсонала. И главное – в какой концентрации? Теперь мы можем проводить количественный анализ и определять химический состав дыма. Измерения in vivo (в организме), которые стали возможны благодаря сотрудничеству с Университетской больницей Цюриха, показывают, что концентрации большинства газов не превышают норму; только газообразный анестетик (C₄H₃F₇O) содержится в большом количестве.

    Наконец, лазеры находят применение и в криминалистике, для выявления наркотиков в организме, например, у водителей. Используемые сейчас методы их выявления не очень надёжны и, в случае положительного результата, требуют дополнительного и довольно  дорогостоящего анализа в лаборатории. Оптическое детектирование могло бы упростить эту процедуру. Так, мы выявляли пробы кокаина в слюне с помощью Фурье-спектрометров и квантово-каскадных лазеров. Сейчас предстоит работа по повышению чувствительности прибора, которая в сочетании с миниатюрностью и простотой сделает его действительно перспективным для практического использования.

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-информ»