Лазер измеряет сахар у диабетиков

Швейцарские физики предложили определять содержание глюкозы у больных диабетом с помощью лазера. Главное преимущество нового метода контроля — его неинвазивность, то есть пациентам не надо несколько раз в день колоть палец с тем, чтобы получить каплю крови на анализ. Как сообщили авторы исследования на 9-й Международной конференции по диодной лазерной спектроскопии, состоявшейся в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН, пациентов, нуждающихся в постоянном мониторинге содержания глюкозы в крови, в мире насчитывается примерно 366 млн человек.

Метод основан на лазерной спектроскопии. В своих экспериментах сотрудники Института квантовой электроники, лазерной спектроскопии и сенсоров (г. Цюрих, Швейцария) использовали квантовый каскадный лазер (ККЛ). С помощью ККЛ можно изучать содержание в тканях человека сложных химических соединений, к каковым относится и глюкоза. ККЛ представляют собой полупроводниковые лазеры, излучающие в инфракрасной области. Их основное отличие от обычных полупроводниковых лазеров — в механизме возникновения излучения. Если излучение электромагнитных волн в обычных полупроводниковых лазерах возникает при рекомбинации электронно-дырочных пар, то в ККЛ излучение генерируется при переходе электронов между тонкими слоями различных материалов (гетероструктур), так что один электрон рождает несколько квантов. Длину волны излучения в таких лазерах можно регулировать, изменяя толщины слоев. Отметим, что эти мощные лазеры невелики, —их характерные размеры составляют 3 мм, что открывает широкие возможности для использования в медицине.

То или иное вещество по-разному поглощает излучение разной длины волны и имеет свой, присущий только ему характерный спектр поглощения, по которому можно это вещество идентифицировать. Так и у глюкозы есть свой спектр поглощения и длина волны, на которой это поглощение максимально. Метод, предложенный исследователями из Цюриха, использует эффект возникновения акустических волн в испытуемой среде под действием оптического излучения (фото-термоакустический эффект). Заключается он в нагреве облучаемого объёма среды при поглощении ею ИК-излучения определённой длины волны. Этот нагрев влечёт за собой изменение плотности среды (или механических напряжений в среде). Если мощность падающего излучения меняется (модулируется), происходят временные изменения плотности, что возбуждает в среде акустические волны. Построив калибровочную кривую акустического ответа исследуемого материала на лазерное излучение, можно определить концентрацию интересующего вещества, в данном случае — глюкозы.
Свои эксперименты швейцарские физики проводили в средней ИК-области спектра: именно на этих длинах волн возможно определение содержания глюкозы во внутритканевых жидкостях кожи. Излучение квантового каскадного лазера (длины волн 9 и 13мкм) направляли в фотоакустическую ячейку объёмом 78 мм3. Ячейка снабжена микрофоном для детектирования возникающего фотоакустического сигнала и сенсором для измерения относительной влажности и температуры кожи испытуемого. Дело в том, что часто кожа имеет слишком высокую влажность, вода же сама по себе поглощает излучение в средней ИК-области, меняя спектр поглощения испытуемой среды. Поэтому для снижения влажности кожи и исключения паразитного поглощения экспериментальная ячейка постоянно продувалась азотом. В модельном эксперименте кусочек кожи находился в контакте с водным раствором глюкозы с концентрацией от 0,1 до 10г/дл, которая диффундировала в испытуемый образец. На данный момент исследователям удалось достигнуть чувствительности метода в 100 мг/дл, что отвечает физиологическому изменению концентрации глюкозы в крови (30—500 мг/дл), но для определения уровня сахара этого недостаточно: она должна быть примерно в 10 раз выше, над чем экспериментаторам ещё придётся поработать. Пока же в планах исследователей — испытание фотоакустического метода определения глюкозы в межтканевой жидкости кожи здоровых добровольцев после так называемого теста на толерантность к глюкозе и одновременное определение у них содержания глюкозы в крови традиционным методом для сравнения получаемых данных.