Upload
preda-alexandra
View
142
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
UNIVERSITATEA DIN BUCUREŞTI
FACULTATEA DE FIZICĂ
CATEDRA DE BIOFIZICĂ ŞI FIZICĂ MEDICALĂ
STUDIUL STRESULUI OXIDATIV LA
PACIENŢII DIALIZAŢI, PRIN MONITORIZAREA UNOR BIOMARKERI
GAZOŞI, CU AJUTORUL SPECTROSCOPIEI FOTOACUSTICE
-REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT-
Doctorand Conducător de doctorat
Cristina Mihaela ACHIM (Popa)
Prof. Univ. Dr. Aurel POPESCU
BUCUREŞTI 2011
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 2 -
CUPRINS
MMuullttuummiirrii.................................................................................................................................................................................................................. 33
Introducere.............................................................................................................................................................................................................. 55
Capitolul 1. Fundamentele disfuncţiilor renale.................................................................................................................................................................................................................................... 88
1.1 Particularităţile clinice şi evolutive ale disfuncţiilor renale......................... 88 1.2 Efectul peroxidării lipidice asupra membranei celulare şi protecţia
împotriva oxidării............................................................................................. 99
Capitolul 2. Biomarkerii gazoşi din respiraţia umană................................. 1100 2.1 Diagnostic prin testarea respiraţiei............................................................... 1100 2.2 Importanţa biomarkerilor în organism ....................................................... 1111
Capitolul 3. Spectroscopia fotoacustică......................................................... 1133
3.1 Efectul fotoacustic........................................................................................... 1133 3.2 Detectori folosiţi în spectroscopia fotoacustică............................................. 1133 3.3 Instrumentaţia utilizată: descrierea montajului experimental................... 1144 3.4 Zgomote și factori limitativi în spectroscopia fotoacustică......................... 2200
3.5 Putere laser mică sau putere laser mare....................................................... 2200
Capitolul 4. Studiul stresului oxidativ prin măsurarea biomarkerilor la pacienţii dializaţi: determinări experimentale.............................................. 2244
4.1 Datele obiective la momentul prelevării de aer expirat............................... 2244 4.2 Protocolul utilizat pentru recoltarea biomarkerilor din aerul
exalat................................................................................................................. 2255
4.3 Măsurarea coeficienţilor de absorbţie ai amoniacului şi etilenei................ 2288 4.4 Determinări experimentale ale biomarkerilor din aerul exalat în cazul
pacienţilor dializaţi.......................................................................................... 3300
CCoonncclluuzziiii...................................................................................................................................................................................................................... 3344
BBiibblliiooggrraaffiiee ................................................................................................................................................................................................................ 3388
Lista lucrărilor autoarei................................................................................... 40
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 3 -
MULŢUMIRI
Lucrarea prezentă constituie rezultatul activităţii mele de cercetare privind detecţia
unor biomarkeri gazoşi din aerul exalat al pacienţilor cu disfuncţii renale trataţi cu
hemodializă. Atât partea teoretică cât şi partea practică reprezintă efortul a trei ani de
cercetare în cadrul Institutului Naţional de Fizica Laserilor, Plasmei şi Radiatei (INFLPR),
Laboratorul de Optică şi Laseri în Ştiinţele Vieţii Mediu şi Tehnologie. Rezultatele obţinute
nu ar fi fost posibile dacă nu aveam alături de mine oameni de ştiinţă de o valoare
incontestabilă şi o conduită profesională exemplară, al căror suport şi contribuţie au dus la
îmbunătăţirea cunoştinţelor mele teoretice şi la perfecţionarea în acest domeniu.
Cea mai mare parte a rezultatelor obţinute în cadrul tezei de doctorat au fost prezentate
la conferinţe şi workshopuri ştiinţifice de prestigiu şi au fost publicate în reviste de
specialitate recunoscute pe plan internaţional şi cotate ISI ( regăsite în finalul tezei).
Deosebită recunoştinţă şi sincere mulţumiri datorez Domnului Prof. Univ. Dr. Aurel
POPESCU de la Facultatea de Fizică, Universitatea din Bucureşti, conducătorul ştiinţific al
tezei de doctorat. Dânsul mi-a îndrumat paşii pe parcursul întregului proces de desăvârşire a
cunoştinţelor din cadrul ciclului III de studii universitare de doctorat, contribuind atât în
calitate de îndrumător ştiinţific cât şi de îndrumător moral în finalizarea acestei teze. Doresc
în mod special să-mi exprim stima şi preţuirea pentru sprijinul acordat, pentru munca depusă
şi încrederea dovedită pe parcursul elaborării şi finalizării lucrării, eu beneficiind de preţioasa
experienţă a dânsului în coordonarea tezelor de doctorat.
Un rol decisiv în formarea mea ca cercetător îl are Domnul Prof. Univ. Dr. Ing. Dan
C. DUMITRAŞ căruia doresc să-i mulţumesc în mod deosebit pentru oportunitatea de a mă
alătura grupului de cercetare pe care îl conduce, “Optică şi Laseri în Ştiinţele Vieţii, Mediu şi
Tehnologie”. Îi mulţumesc pentru modul exemplar în care m-a coordonat şi susţinut, pentru
încrederea acordată şi insuflată permanent, pentru discuţiile extrem de constructive avute pe
baza metodei de spectroscopie fotoacustică şi nu în ultimul rând doresc să îi mulţumesc
pentru răbdarea, înţelegerea şi entuziasmul său, ce mi-a motivat dorinţa de cunoaştere.
Mulţumesc distinşilor membri ai Comisiei de doctorat pentru timpul acordat, pentru
răbdarea cu care au citit această lucrare şi pentru opiniile Domniilor lor, care au contribuit la
realizarea acestei teze de doctorat.
Le mulţumesc tuturor colegilor mei din grupul: “Optică şi Laseri în Ştiinţele Vieţii,
Mediu şi Tehnologie” pentru asigurarea unor colaborări cu Centre Medicale în care am fost
implicată (Dr. Ing. Doru C. A. Duțu), pentru toate discuţiile constructive şi sfaturile date în
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 4 -
realizarea montajelor (Drd. Consuela Matei), pentru sprijin, încurajare, susţinerea moralului,
ajutorul dat şi voia bună emanată atunci când am avut nevoie (Drd. Ştefan Băniţă), pentru
numeroasele discuţii avute în laborator pe anumite probleme tehnice (Drd. Ana Bratu), pentru
îndrumările utile în diverse etape ale cercetării mele ştiinţifice (Drd. Mioara Petruș, Drd.
Mihai Patachia, Dr. Ramona Cernat).
Mulţumesc profund părinţilor şi fraţilor mei pentru iubirea şi suportul moral
necondiţionat, pentru grija cu care mi-au asigurat o educaţie bună, pentru calmul şi echilibrul
interior insuflat în permanenţă. Le mulţumesc, de asemenea, socrilor mei pentru grija,
înţelegerea şi susţinerea de care au dat dovadă de fiecare dată când am avut nevoie.
În mod categoric, finalizarea tezei mele de doctorat nu ar fi fost posibilă fără ajutorul
soţului meu căruia îi mulţumesc special pentru suport și răbdare, înţelegere şi sprijin moral.
Această teză a fost de asemenea realizată și cu sprijinul grantului strategic:
POSDRU/6/1.5/S/10 cu titlul „Dezvoltarea proiectată și performantă în cercetarea doctorală
de tip interdisciplinar”, finanţat de către Fondul Social European în cadrul programului
POSDRU (Programul Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane) 2007 - 2013.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 5 -
INTRODUCERE
Spectroscopia fotoacustică de investigare a stării de sănătate sau îmbolnăvire a unui
organism reprezintă o analiză în timp real de mare sensibilitate. Prin măsurătorile realizate s-a
urmarit determinarea concentraţiei unui biomarker din aerul exalat de către un subiect,
concentraţie care poate descrie starea fiziologică a unui organ sau buna funcţionare a unui
proces fiziologic.
Spectroscopia fotoacustică se bazează pe efectul fotoacustic prin care un fascicul de
lumină modulat în domeniul frecvenţelor audio, incident pe un gaz absorbant, produce o undă
sonoră în acel gaz. În principiu, acest efect se bazează pe generarea de unde acustice ca
urmare a absorbţiei radiaţiei de către probă. La trecerea unui fascicul laser prin spectrofon, o
fracţiune din populaţia stării de bază absoarbe radiaţia optică şi este excitată pe nivele
energetice superioare. Absorbţia este posibilă numai dacă energia radiaţiei de excitare
corespunde diferenţei de energie dintre starea de bază şi starea excitată a moleculelor.
Motivația
Această teză de doctorat abordează cercetarea într-un segment al domeniului de interes
major, şi anume, monitorizarea concentrațiilor de amoniac și etilenă la pacienții dializați cu
ajutorul metodei de spectroscopie fotoacustică, prezentând un grad mare de noutate, atât pe
plan naţional, cât şi internaţional.
Analizele de respiraţie, datorită caracteristicilor lor speciale, au potenţialul de a deveni
în curând, o metodă neinvazivă de diagnostic medical (în comparaţie cu testele de sânge),
oferind informaţii directe asupra funcţiei respiratorii. Deşi nu s-au identificat markeri pentru
fiecare boală şi o corelaţie între concentraţia acestora din respiraţie şi concentraţia din sânge,
analizele de respiraţie pot da totuși informaţii despre starea de sănătate, în general, despre
evoluţia unei boli sau posibilitatea apariţiei sale. În momentul actual, cea mai bună
întrebuinţare a metodei o reprezintă monitorizarea tratamentului sau terapiei insuficienţelor
renale.
Spectroscopia fotoacustică este o metodă rapidă şi precisă de analiză a urmelor de
gaze, ce se găsesc în aerul exalat de către subiecţi umani. Această metodă de investigare se
desfăşoară într-un timp foarte scurt. Monitorizarea unui proces se face în timp real şi este
foarte sensibilă, detectând concentraţii foarte mici din gazul respectiv, de ordinul 1 ppb (părți
per miliard) sau chiar sub 1 ppb. Viteza şi sensibilitatea deosebite au făcut posibilă observarea
unor procese foarte rapide, care nu se pot înregistra cu metode convenţionale.
Spectroscopia fotoacustică cere un echipament relativ ieftin (laserul de putere
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 6 -
acordabil, celula fotoacustică sensibilă şi alte câteva componente, pentru controlul
experimental şi achiziţionarea datelor), însă aceasta nu înseamnă că echipamentul este simplu,
ci trebuie să aibă o structură bine corelată, iar operarea acestuia cere personal de înaltă
calificare.
Sistemul de spectroscopie fotoacustică joacă un rol important în analiza de aer expirat
din respiraţia umană, avantajele acestei tehnici fiind: sensibilitatea, precizia, selectivitatea,
rapiditatea de răspuns în timp real şi uşurinţa de utilizare.
Scopul cercetării este de a investiga biomarkerii (amoniac și etilenă) prezenți în
respirația pacienților cu insuficiență renală tratați prin hemodializă cu ajutorul metodei de
spectroscopie fotoacustică laser.
Obiectivele pe care mi le-am propus au fost de a stabili o corelație între rezultatele
testelor de sânge (uree) și rezultatele testelor de respirație (amoniac și etilenă), de a determina
dacă insuficiența renală și hemodializa pot fi asociate cu creșterea stresului oxidativ și de a
afla dacă măsurarea concentrației de amoniac din aerul exalat al pacienților poate fi folosită
pentru selectarea duratei optime de hemodializă pentru stadiul dorit.
Structura lucrării
Conţinutul lucrării este structurat în cinci capitole, contribuţiile originale și rezultatele
esențiale făcând obiectul ultimelor trei capitole.
Astfel, în capitolul I sunt descrise particularităţile clinice şi evolutive ale disfuncţiilor
renale, efectul peroxidării lipidice asupra membranei celulare şi protecţia împotriva oxidării.
În capitolul II se prezintă un scurt istoric al diagnosticului prin testarea respirației,
împreună cu principiul testului de respirație. De asemenea se face o prezentare amplă a
biomarkerilor specifici organismului uman adecvați studiului prin LPAS, urmată de o corelare
a etilenei din aerul exalat cu peroxidarea lipidică la om și o corelare a amoniacului din aerul
exalat cu disfuncția renală la om.
În capitolul III, este prezentat un scurt istoric al efectului fotoacustic și al
principalelor etape evolutive, pornind de la momentul descoperirii acestuia și până la cele mai
recente aplicații. Totodată este realizată o descriere calitativă a efectului fotoacustic în baza
schemei de transformare a energiei radiației laser absorbite de către molecule. În partea a doua
a capitolului III descriu montajul experimental, investighez zgomotele și factorii limitativi în
spectroscopia fotoacustică, urmând ca în finalul acestui subcapitol să prezint un „rețetar”
pentru optimizarea sistemului de detecție. În finalul capitolului sunt studiate efectele de
saturație în cazul unui laser de putere mică și în cazul unui laser de putere mare folosind
metoda de trunchiere a fasciculului laser Gaussian.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 7 -
Capitolul IV detaliază datele privind prelevarea probelor de aer exalat și prezintă
protocolul utilizat pentru recoltarea biomarkerilor, de interes in cazul subiecților cu disfuncții
renale fiind amoniacul și etilena.
Testele au fost realizate pe pacienţi cu insuficienţă renală trataţi prin hemodializă, în
cadrul Centrului Medical de Nefrologie şi Dializă IHS Fundeni din Bucureşti. Studiul a inclus
un lot alcătuit din pacienţi cu insuficienţă renală hemodializaţi iterativ după un program care a
constat în trei şedinţe pe săptămână a câte 4 ore fiecare.
Lotul investigat a fost alcătuit din bărbaţi cu vârste cuprinse între 22 - 80 de ani,
nefumători, cu o condiţie clinică stabilă în momentul studiului şi o vechime minimă în
hemodializă de 16 luni.
În prima parte a cercetării, pentru a se asigura determinarea calitativă şi cantitativă a
concentraţiilor de amoniac şi etilenă fără interferenţe de CO2, s-a investigat eficienţa capcanei
cu KOH folosind trei recipiente cu volume diferite şi s-a aflat ce tip de capcană poate fi
utilizată în mod eficient pentru a reduce cantitatea de gaze reziduale din eşantionul de aer
colectat de la pacienții hemodializați.
În a doua parte a capitolului IV sunt determinați coeficienții de absorbție ai celor doi
biomarkeri de interes, urmărind o procedură foarte precisă și realizându-se o mediere largă pe
fiecare linie laser pentru a crește precizia măsurătorilor.
Pentru studiul clinic propriu-zis, subiecţii au fost rugaţi să expire în punga aluminizată
la o rată normală a fluxului de expiraţie, iar probele de aer exalat au fost colectate în trei
momente de timp specifice: înainte de începerea hemodializei, în timpul tratamentului de
hemodializă și imediat după terminarea hemodializei.
Prin buna corelaţie a valorilor ureei (analize de sânge) cu concentraţia de amoniac,
respectiv etilenă (analize de aer exalat) am demonstrat că hemodializa determină simultan o
creştere a concentraţiei de etilenă în aerul exalat al pacienţilor (ca urmare a stresului oxidativ)
şi o reducere a concentraţiei de amoniac, corelată cu scăderea nivelului de uree.
În finalul tezei sunt prezentate concluziile și discuțiile rezultatelor investigate,
concluziile generale, contribuțiile proprii și perspectivele de dezvoltare ulterioară.
Pe baza acestui studiu de stabilire a concentrațiilor de amoniac şi etilenă din aerul
expirat este posibilă implementarea unei metode de diagnosticare medicală neinvazivă, cu
afişarea rezultatelor absolute în timp real.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 8 -
CAPITOLUL 1. FUNDAMENTELE DISFUNCŢIILOR RENALE
1.1. Particularităţile clinice şi evolutive ale disfuncţiilor renale
Rinichii sunt organe esenţiale pentru supravieţuire, la fel ca inima sau plămânii. În mod
normal, în corpul uman se găsesc câte doi rinichi, situaţi în spatele cavităţii abdominale. La
fiecare două minute, toată cantitatea de sânge din corpul uman trece prin rinichi, pentru a se
elimina toxinele. Acestea rezultă din degradarea proteinelor din alimente cât şi din diferite
procese interne, fiind eliminate prin urină. Un organism sănătos produce zilnic între unu şi doi
litri de urină. Producerea urinii (formată din toxinele din sânge şi apa aflată, în exces, în
organism), este doar unul din rolurile pe care le au rinichii în menţinerea sănătăţii. Alte patru
procese importante se bazează pe funcţionarea rinichilor: reglarea tensiunii arteriale,
menţinerea unui nivel optim al unor substanţe din organism, formarea globulelor roşii din
sânge şi menţinerea sănătăţii oaselor [1, 2].
Când rinichii nu mai funcţionează corespunzător, apare o suferinţă a întregului organism
care se numeşte disfuncţie sau insuficienţă renală (cronică sau acută) [3].
1.1.1. Explorarea funcţională renală
Atunci când funcţia renală este afectată, substanţe ca ureea, creatinina şi o parte din
electroliţi încep să se acumuleze în fluxul sanguin. Următoarele investigaţii ale sângelui şi
urinei măsoară nivelurile acestor substanţe în fluxul sanguin, ajutând astfel, la evaluarea
funcţiei renale: glicemia, creatinina (clearence-lui creatininei), ureea serică, electroliţii,
hormonii paratiroidieni, microalbuminuria.
Medicii mai folosesc şi alte investigaţii pentru a aprecia funcţia renală sau pentru a
determina dacă altă boală sau insuficiența renală contribuie la reducerea funcţiei renale cum ar
fi: investigaţii de monitorizare a anemiei (hemoleucogramă, reticulocitele, fierul seric, feritina
serică) ecografia renală, ecografia Doppler, angiografia renală, biopsia renală, tomografia
computeriaza, rezonanţa magnetică nucleară, scintigrafia renală, pielografia retrogradă,
ultrasonografia abdominală s.a.m.d. [4, 5].
1.1.2. Tratamentul de substituţie renală
Scopul tratamentului disfuncției renale (DR) este de a opri sau încetini evoluţia bolii.
Aceasta poate evolua în insuficienţa renală terminală (IRT), în care funcţia renală este mult
redusă sub valorile normale. În acest caz, pacienţii au nevoie de o filtrare artificială a sângelui
sau de un transplant renal, pentru a supravieţui.
Dializa este o metodă terapeutică de dezintoxicare a sângelui, un procedeu ce preia
funcţia rinichiului de a elimina reziduurile şi fluidele, în exces, din organism şi de a echilibra
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 9 -
balanţa electroliţilor din sânge. Dializa lucrează pe principii de difuziune a soluţiilor şi
ultrafiltrare a lichidelor, printr-o membrană semipermeabile (dializor). Există două tipuri de
dializă ce pot fi folosite în tratamentul insuficienţei renale: hemodializa (HD) şi dializa
peritoneală (DP) [6].
1.2. Efectul peroxidării lipidice asupra membranei celulare şi protecţia împotriva oxidării
Membrana celulară este o structură cu rol în delimitarea şi protejarea spaţiului celular.
Aceasta este foarte mobilă şi prezintă un dublu strat lipidic, în care sunt înglobate proteinele,
lipidele, carbohidraţii, glicoproteinele, lipoproteinele, ionii şi apa.
Conform principiului al doilea al termodinamicii, orice sistem tinde să atingă, mai
rapid sau mai lent, o stare de repaus, de echilibru [6, 7]. Organsimele vii se caracterizează
printr-un echilibru dinamic, rezultat din combinarea unor reacţii exergonice cu cele
endergonice, din reînnoirea continuă a elementelor structurale, din lupta perpetuă cu agenţii
distructivi interni şi externi.
O ţintă majoră a atacului radicalilor liberi (RL) sunt lipidele membranare, datorită
prezenţei dublelor legături din structura acizilor graşi polinesaturaţi. Peroxidarea lipidelor
(PL) membranare, produsă de radicalii liberi ai oxigenului (RLO), conduce la formarea
hidroperoxizilor, ca primi produşi.
Radicalii liberi pot fi definiţi ca molecule sau fragmente moleculare înalt reactive, ce
conţin un electron neâmperecheat pe orbitalul extern, condiţie de dezechilibru care transformă
aceste molecule fragmentate în agenţi foarte instabili şi periculoşi, din punct de vedere
biochimic. O moleculă căreia îi lipseşte un electron (i.e., RL) va intra în reacţie cu o moleculă
vecină, perfect stabilă (cu grupări electrofile), căreia îi va smulge electronul de care are
nevoie şi astfel va deveni un radical liber, iar noul radical va face exact acelaşi lucru ,adica va
produce oxidări. Speciile reactive de oxigen (ROS) sunt atât radicali care conţin oxigen, cât şi
alte specii de molecule care produc aceşti radicali, în cursul reacţiilor la care participă [8].
Varietatea radicalilor liberi existenţi se datorează: factorilor exogeni [poluarea aerului-
crearea unor condiţii de cancerizare la nivelul organelor susceptibile (carcinogeneza chimică
indusă de RL), razele UV, radiaţiile ionizante] şi celor endogeni (stres - RL intervin, mai ales,
în stresul emoţional dureros - SED).
Peroxidarea lipidica (degradarea oxidativă a acizilor graşi polinesaturaţi - AGP indusă
de RL: PUFA- polyunsaturated fatty acids) este rezultatul formării radicalilor oxigenului în
organismul uman, proces catalizat de metale de tranziţie şi enzime [8-10]. Echilibrul între
formarea şi înlăturarea radicalilor poartă denumirea de stare de stres oxidativ şi este
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 10 -
caracterizat de o valoare a concentraţiei de etilenă în aerul expirat, de aproximativ 1 ppbv
(ppbv = părţi pe billion în volum) pentru persoanele sănătoase.
Deoarece radicalii liberi nu sunt creaţi numai în mediul înconjurător, ci şi în
organismul uman, pentru sănătate şi longevitate, este esenţial să avem un flux continuu de
antioxidanţi, lucru pe care îl poate asigura un comportament alimentar sănătos şi un regim de
viaţǎ echilibrat [11].
Majoritatea pacienţilor dializaţi sunt într-o stare de inflamaţie cronică indusă de
procesul de dializă, care măreşte şi mai mult, starea de stres oxidativ. Această stare poate fi
puternic asociată cu diferite complicaţii, pe termen lung, cum ar fi: bolile cardiovasculare şi
de malnutriţie, ceea ce poate duce la un rezultat nesatisfăcător şi puţine şanse de
supravieţuire. Suplimentarea cu antioxidanţi (statine) poate reduce riscul potenţial letal al
sepsisului (sindrom clinic care complică infecţia severă şi este caracterizat de inflamaţia
sistemică şi răspindirea leziunii tisulare) la pacienţii dializaţi.
CAPITOLUL 2. BIOMARKERI GAZOŞI DIN RESPIRAŢIA UMANĂ
2.1. Diagnostic prin testarea respiraţiei
Cea mai primitivă formă de diagnosticare, cu ajutorul respiraţiei, a debutat din cele
mai vechi timpuri, când medicii ştiau că aroma aerului expirat este caracteristică anumitor
boli.
Principiul testului de respiraţie. Pereţii membranari fini ai vaselor de sânge din
plămâni (cu o grosime de aproximativ 0,5-0,6 µm,) realizează schimbul de gaze, astfel încât,
este destul de uşor pentru unele gaze, care sunt transportate de sânge la plămâni, să fie
eliminate odată cu aerul expirat. Principiul testului de respiraţie este sumarizat în următoarele
șapte etape: (1) producerea de molecule marker în celule şi organe, (2) difuzia în ţesuturi, (3)
intrarea în fluxul hematiilor, (4) transportul către plămâni, (5) eliberarea în aerul expirat, (6)
colectarea aerului şi (7) detecţia markerului în aerul exalat [12].
Cercetătorii au declarat că spectroscopia fotoacustică este destul de puternică pentru a
sorta toate moleculele ce se găsesc în respiraţia umană, dar şi destul de sensibilă, pentru a
identifica cele mai rare molecule, care pot fi biomarkeri (BM) ai anumitor boli.
Deşi nu s-au identificat BM pentru fiecare boală şi o corelaţie între concentraţia
acestora din respiraţie şi din sânge, analizele de respiraţie pot da, totuşi, informaţii despre
starea de sănătate, în general, despre evoluţia unei boli sau despre posibilitatea apariţiei sale.
În momentul actual, cea mai bună întrebuinţare a metodei, o reprezintă monitorizarea
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 11 -
tratamentului sau terapiei insuficienţelor renale (putându-se determina, cu exactitate, punctul
în care dializa se poate termina).
2.2. Importanţa biomarkerilor în organism
Ce este un biomarker (BM)? Termenul de BM a fost introdus în 1989. Definiţia,
utilizată în prezent, aparţine unui grup de lucru american de la National Institutes of Health.
Conform acestei definiţii, BM reprezintă “o caracteristică care este obiectiv măsurată si
evaluată ca un indicator al proceselor biologice normale, al proceselor patologice sau ca
răspuns la o intervenţie terapeutică” [13].
Numeroase boli determină apariţia unor BM în urină sau în “respiraţia” unui pacient.
Celulele canceroase, spre exemplu, produc deşeuri metabolice care diferă de cele ale celulelor
sănătoase. Persoanele, cu diferite tipuri de cancer, expiră BM chimici, (formaldehidă şi
benzen), fiecare boală având determinând modificări în biochimia organismului.
Până în prezent, au fost detectaţi, folosind diferite tehnici de analiză, aproximativ 200
de COV, în respiraţia umană. Unele dintre cele mai importante hidrocarburi, prezente în aerul
exalat al persoanelor sănătoase, sunt: izoprenul (12-580 ppb), acetona (1,2-1880 ppb),
etanolul (13-1000 ppb) şi metanolul (160-2000 ppb). Aceşti compuşi endogeni reprezintă
rezultatul proceselor fiziologice normale şi anormale şi sunt frecvent utilizaţi în
diagnosticarea pacienţilor.
Biomarkeri utilizati în cazul pacientului cu disfuncţie renală
Creatinina este BM favorit în disfuncţia renală, aceasta fiind prezentă în cantităţi
crescute în ser şi urină. De asemenea, alţi indicatori specifici disfuncţiilor renale sunt:
clearance-ul creatininei şi nivelul de azot în ureea din sânge (BUN-blood ureea nitrogen).
BM “ideal” pentru disfuncţia renală ar trebui să fie non-invaziv, fiabil şi simplu în
diagnosticarea şi determinarea severităţii bolii şi în supravegherea riscului de progresie a bolii
[14].
Amoniacul în organismul uman via respiraţie
Amoniacul este o substanţă produsă de către celulele şi bacteriile intestinale, în timpul
arderii proteinelor.
La un individ sănătos, amoniacul şi ionii de amoniu sunt convertiţi în uree de către
ficat, prin ciclul ureogenetic (ciclul ureei Krebs-Henseleit). Acest proces de formare a ureei
(H2N-CO-NH2) este esenţial pentru organism, deoarece nivelurile crescute de amoniac, în
sânge, afectează echilibrul acido-bazic şi activitatea cerebrală.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 12 -
În procesele de dezaminare a aminoacizilor, precum şi în alte reacţii metabolice, apare
amoniac, un compus extrem de toxic pentru celula vie şi care este eliminat din corp, sub
forma de uree. Aninoacidul, arginină, constituie sursa de formare a ureei. Procesul are loc
numai în ficat, unde se află enzima arginază. În cursul hidrolizei argininei se eliberează uree
şi ornitină. Ureea astfel formată este apoi transportată de sânge (prin fluxul hematic) la rinichi
şi eliminată prin urină.
Amoniacul şi ionii de amoniu (molecule mici) pot penetra bariera hemato-pulmonară
şi pot apărea în respiraţia umană. În cazul disfuncţiilor renale, urea nu poate fi excretată,
cauzând astfel, o acumulare excesivă de amoniac în sânge. Persoanele cu insuficienţă renală
prezintă un miros de amoniac în respiraţie (miros de “peşte”), care poate fi un indicator (BM)
al acestei boli.
Etilena în organismul uman via respiraţie
Etilena (compus organic volatil) apare în aerul expirat, în urma PL. Este, de fapt, o
consecinţă a stresului oxidativ la nivel celular (molecular) din cauza RL formaţi în exces. În
condiţii de dezechilibru, cu diminuarea eficacităţii sistemelor antioxidante, apar perturbări ale
funcţiilor şi chiar ale structurii celulare: apar fenomene de degradare a proteinelor, lipidelor,
glucidelor şi enzimelor, cu consecinţe directe asupra membranei celulare care suferă procese
de degradare. De asemenea, sunt afectaţi şi receptorii de membrană, sunt deterioarate
procesele de glicoliză, se pierd funcţiile catalitice enzimatice, efectele toxice putând avea
consecinţe directe asupra acizilor nucleici (instalarea sau inducerea fenomenelor de
mutageneză şi carcinogenază).
Stresul oxidativ poate sta la baza multor afecţiuni cu localizări diverse, care pot
interesa toate sistemele şi aparatele organismului uman: aparatul respirator, cardio-vascular,
gastro-intestinal, reno-urinar, sistemul nervos, endocrin, organele de simţ şi pielea. În
condiţiile excesului de RL, care nu mai pot fi contracaraţi de diferite sisteme antioxidante
specifice, se poate vorbi de apariţia etilenei în aerul expirat.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 13 -
CAPITOLUL 3. SPECTROSCOPIA FOTOACUSTICĂ
3.1. Efectul fotoacustic
Spectroscopia fotoacustică (PAS) se bazează pe efectul fotoacustic (PA) prin care un
fascicul de lumină modulat în domeniul frecvenţelor audio, iradiind un gaz absorbant,
produce o undă sonoră în acel gaz.
Efectul PA, în gaze moleculare, poate fi împărţit în 5 etape importante [15]:
1. Modulaţia radiaţiei laser (în amplitudine sau frecvenţă), cu lungimea de undă
suprapusă peste o linie de absorbţie a moleculei ţintă.
2. Excitarea moleculelor ţintă prin absorbţia radiaţiei incidente, care este stocată
ca energie de vibraţie-rotaţie (cantitatea de energie absorbită de fasciculul laser
depinde de coeficientul de absorbţie, care este o funcţie de presiune).
3. Dezactivarea moleculelor excitate prin ciocniri, prin care energia radiaţiei
absorbite este transformată în energie termică, manifestată printr-o încălzire
tranzitorie locală; eficienţa acestei conversii, de la energia de excitaţie la
energia translaţională, depinde de presiune şi de structura internă a moleculei;
relaxarea vibraţională este, de obicei, foarte rapidă astfel încât nu este limitată
de sensibilitate.
4. Extinderea şi contracţia gazului într-un volum închis, dă naştere la variaţii de
presiune (unde acustice); corelarea temporală a fluxului incident de fotoni cu
caracteristica celulei de absorbţie conduce la formarea unei unde acustice
permanente în rezonator.
5. Monitorizarea undelor acustice rezultate, cu un microfon; eficienţa cu care
sunt transmise undele acustice la microfon depinde de geometria celulei
fotoacustice şi de proprietăţile termodinamice ale gazului.
În PAS, cantitatea de energie absorbită de către probă nu este determinată direct prin
detecţia atenuării intensităţii fasciculului de radiaţie incident, ci prin măsurarea efectului de
încălzire, datorat acelei energii efectiv absorbite de către probă.
3.2. Detectori folosiţi în spectroscopia fotoacustică
Detectorii sunt acele elemente care trasformă semnalul acustic într-unul electric.
Celula PA construită în laborator, este echipată cu patru microfoane electret (un strat
subţire izolant care, pe ambele feţe, este încărcat cu sarcini electrice de semne opuse) model
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 14 -
EK 3033- Knowles Electronics, cu sensibilitatea de 20 mV/Pa fiecare, fixate într-un cilindru
de teflon. Microfoanele sunt conectate în tubul rezonator, prin intermediul unor canale care,
împreună cu volumele în care sunt plasate microfoanele, reprezintă un rezonator Helmholtz.
3.3. Instrumentaţia utilizată: descrierea montajului experimental
O configuraţie tipică pentru măsurători de PAS este prezentată în fig. 3-1 şi este
compusă din: o sursă de radiaţie (care emite în regiunea spectrală dorită); un chopper, o celulă
PA rezonantă sau nerezonantă; microfoane şi un amplificator lock-in. De asemenea, se mai
folosesc lentile de focalizare, un radiometru sau două (montate imediat după laser şi după
celula fotoacustică) și un modul electronic de analiză a semnalului.
Fig. 3-1. stânga- Schema instalaţiei din laborator INFLPR; dreapta-Schema generală a
instalaţiei de spectroscopie fotoacustică
Sursa furnizează radiaţie în domeniul IR îndepărtat. Aceasta va fi modulată, în
frecvenţă sau amplitudine, de către un modulator, după care este focalizată şi direcţionată cu
ajutorul unei lentile în celulă. Celula PA conţine substanţa de probă. Se observă că radiaţia
laser trece prin celulă, deci celula PA are ferestre la ambele capete, acest lucru fiind necesar
pentru a stoca, în interiorul celulei, doar energia absorbită de probă. Semnalul acustic este
detectat de microfon. Microfonul, în majoritatea cazurilor, se află în interiorul celulei.
Semnalul electric este transmis electronicii, unde este amplificat, filtrat, redresat, afişat şi
înregistrat. Powermetrul are rolul de a indica valoarea instantanee a puterii laser, pentru a
putea norma valorile semnalului la puterea laser efectivă.
Aceasta schemă generală suferă unele modificari de la un montaj la altul, în funcţie de
starea de agregare a probei, modul de detecţie sau scopul urmărit.
Laserul cu CO2
Datorită numărului mare de gaze de interes care prezintă absorbţie în domeniul
spectral 9 – 11 µm, laserul cu CO2 reprezintă sursa de excitare cea mai indicată pentru
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 15 -
experienţele de detecţie fotoacustică.
În laboratorul nostru (Optică şi Laseri în Ştiinţele Vieţii, Mediu şi Tehnologie) sunt
utilizate două surse de radiaţie cu aplicaţie în detecţie PA: a) un laser de putere mare-laserul
comercial cu CO2 (GEM SELECT 50TM, Coherent, SUA); b) un laser de putere mică-laserul
construit în laborator, închis cu CO2 (LIR 25 SF).
Laserul de putere mare: Laserul GEM SELECT 50TM este un laser cu CO2 cu ghid de
undă excitat în radiofrecvenţă (RF). Este acordabil pe 73 linii de vibraţie-rotaţie (în domeniul
de lungimi de undă 9,2-10,8 µm) stabilizat în frecvenţă, cu o putere maximă de iesire până la
56 W, în funcţie de linia laser selectată (fereastra de ieşire din ZnSe).
Configuraţia optică a laserului permite operarea în modul transversal de oscilaţie
TEM00 (> 98 %) cu dimensiunea fasciculului la 1/e2 = 1,7 ± 0,2 mm şi factorul de calitate M2
< 1,1 [16].
Cu ajutorul unui monocromator, s-a verificat acordabilitatea laserului, fiecare linie
laser fiind obţinută prin reglarea corespunzătoare a reţelei de difracţie internă, cu ajutorul unui
şurub micrometric (fig.3-2).
9.2 9.4 9.6 9.8 10.0 10.2 10.4 10.6 10.8 11.0
0
10
20
30
40
50
COHERENT
Wavelength (µm)
10R(24)
10R(28)
10R(30)
10R(34)
10R(36)
10R(18)
10R(16)
10R(12)
10R(10)
10R(8)
10R(6)
10P(6)
10P(8)10P(10)
10P(12)
10P(14)
10P(16)
10P(18)
10P(22)
10P(26)
10P(28)
10P(30)
10P(32)
10P(34)
10P(36)
10P(38)
10P(40)
9P(22)
9P(26)
9P(28)
9P(34)
9P(36)
9P(38)
9P(40)
9P(42)
9P(44)
9P(46)
9P(16)
9P(12)
9P(10)
9P(6)
9P(4)9R(12)
9R(10)
9R(8)
9R(14)
9R(18)
9R(20)9R(24)
9R(30)
9R(32)
9R(36)
9R(40)
Power (W)
Fig. 3-2. Acordabilitatea spectrală a laserului cu CO2 GEM SELECT 50TM
Laserul de putere mică: Laserul cu CO2, construit în laborator, este acordabil şi
stabilizat în frecvenţă. A fost proiectat şi executat ca un dispozitiv compact, fără circulaţie a
gazelor, care permite funcţionarea monomod, cu o putere de emisie de maximum 6,5 W, în
undă continuă [17].
Laserul, utilizat în elaborarea acestei lucrări, este de tip închis (fără circulație a
gazelor), cu descărcare longitudinală.
Acordabilitatea laserului cu CO2 a fost măsurată reglând înclinarea reţelei de difracţie
cu ajutorul şurubului micrometric. Laserul este acordabil pe 63 de linii de vibraţie-rotaţie, în
ramurile de 9 şi 10 µm (fig. 3-3).
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 16 -
Fig. 3-3. Acordabilitatea spectrală a laserului de putere mică, stabilizat în frecvenţă
Celula fotoacustică: parametrii reprezentativi şi caracteristici
Frecvenţa de rezonanţă a celulei PA depinde de factori importanţi cum ar fi: geometria
celulei şi amestecul de gaz din celulă.
Pentru a obţine valoarea experimentală a frecvenţei de rezonanţă, fres, şi respectiv, a
factorului de calitate, Q, s-a utilizat un amestec de 1 ppmV etilenă în azot, la o presiune totală
de 1 atm. Amestecurile cu etilenă sunt deosebit de convenabil de utilizat pentru astfel de
determinări, datorită absorbţiei cunoscute a acestui gaz la lungimile de undă ale liniilor
laserului cu CO2.
Curba de rezonanţă a celulei PA, care permite determinarea frecvenţei de rezonanţă şi
factorul de calitate, este prezentată în fig. 3-4.
Fig. 3-4. Curba de rezonanţă a celulei PA ce arată FWHM- lărgimea totală la jumatate de
maxim (full width at half maximum)
Măsuratorile efectuate pe linia 10P(14) a laserului cu CO2, au permis determinarea
frecvenţei de rezonanţă, fres = 564 Hz, a celulei PA şi a factorului de calitate (gradul de
amplificare a semnalului care apare atunci când laserul este modulat la o frecvenţă de
rezonanţă), Q = 16,11 calculat ca raportul dintre frecvenţa de rezonanţă şi banda de frecvenţă,
la 1/ 2 , din amplitudinea maximă de semnal:
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 17 -
2/1
exp f
fQ res
∆= (1)
Q este, de obicei, cuprins între 10 şi 50 pentru rezonatori longitudinali, dar poate fi
1000 pentru cavităţi sferice.
Folosind aranjamentul experimental optimizat am obţinut următorii parametri ai celulei
PA (Tabel 3.1):
Tabel 3.1. Parametrii celulei PA
Frecvenţa de rezonanţă, f0 (Hz) 564
Factorul de calitatea, Q 16,1
Responsivitatea celuleib, R (cmV/W) 280
Sensibilitatea microfoanelorc, SM(V/Pa) 80×10-2
Constanta celuleid, C (Pa cm/W) 3,5×103
Răspunsul în amplitudine a presiuniie, p/PL (Pa/W) 10-1
Limita de sensibilitate a celuleif, Scell (Wcm-1) 2,6×10-8
Limita de sensibilitate a sistemuluig, Ssys (cm-1) 5,9×10-9
Concentraţia de etilenă minim detectabilăh, clim
(ppbV) 0,2
Semnalul minim detectabil în azoti, Vmin (µV) 12
Amplitudinea presiunii minim detectabilăj, pmin (Pa) 4,2×10-4
Concentraţia minim detectabilăk, cmin (ppbV) 0,9
Absorbţia minim detectabilăl, αmin , (cm-1) 2,7×10-8
Modulatorul
Sistemul nostru de detecţie conţine un modulator mecanic produs de firma DigiRad
(C-980 sau C-995), care se compune dintr-un disc, prevăzut cu două rânduri de fante radiale şi
este învârtit de un motoraş cu o turaţie controlată (chopper) şi funcţionează la frevenţa de
rezonanţă optimă a celulei PA (564 Hz). Fasciculul laser trece prin zona cu fante şi este blocat
periodic de zonele opace dintre fante.
Radiometrul
Radiometrele folosite sunt de tipul “Coherent model 850” (analogic) și “Laser Probe
model Rk-5700” (digital), produse în Statele Unite. Cele două părţi componente ale
radiometrului analogic sunt capul de măsurare şi electronica de amplificare-afişare. Aparatul
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 18 -
funcţionează de la reţeaua de 220 V sau de la un acumulator.
Radiometrul Rk-5700 (cap de măsura RkT-30) de la Laser Probe Inc., este un
instrument versatil și prezintă o gamă largă de măsurare a puterii optice. Acesta funcționează cu
o varietate de probe interschimbabile, măsurând nivelul de putere medie de la pW la kW, la
lungimi de undă de la UV la IR.
Amplificatorul “ lock-in”
Amplificatorul lock-in, modelul SR830 (Stanford Research Systems) poate detecta şi
măsura semnale AC de frecvenţe foarte joase însoţite, de obicei, de un semnal de zgomot.
Folosind tehnica detecţiei sensibile la fază, în combinaţie cu filtrul trece-jos, semnalele de
zgomot de frecvenţe diferite de frecvenţa de referinţă (de exemplu, zgomote aleatoare,
tranzitorii, armonici ale frecvenţei de măsură etc.) sunt suprimate şi nu mai afectează
măsurătorile.
Sistemul de achiziţie a datelor
Pentru înregistrarea şi prelucrarea datelor obţinute în montajul experimental PA,
semnalele de la ieşirile amplificatorului lock-in şi radiometrului sunt achiziţionate, în timp
real, cu ajutorul unei interfeţe specializate (placa de achiziţie AD – DA tip KPCI 3102,
produsă de firma Keithley), controlată de un program dezvoltat sub software-ul Test Point
specific, ce deserveşte placa de achiziţie.
Programul este conceput să ruleze, fără limite de timp, pe toată durata efectuării
măsurătorilor fotoacustice, acesta asigurând în interfaţa grafică configurabilă de utilizator atât
reprezentarea funcţie de timp a concentraţiei gazului şi a puterii laser, cât şi medierea acestor
parametri din lotul de eşantioane achiziţionat (300-1000 de achiziţii periodice).
Instalaţia de manipulare a gazelor în celula de măsură
Instalaţia de alimentare a celulei de măsură cu amestecuri gazoase, în regim static şi
dinamic, la concentraţii prestabilite (fig. 3-5), este proiectată şi executată în laboratorul Secţiei
Laseri, INFLPR. A fost concepută pentru a asigura, în mod reproductibil, următoarele funcţii
[18]:
� introducerea şi evacuarea de componente gazoase în şi din celula de măsură;
� controlul presiunii parţiale şi totale a gazelor;
� controlul debitului de curgere şi a gradientului de presiune, pentru diferite componente
gazoase;
� evacuarea, în afara spaţiului de lucru, a gazelor introduse în regim static sau dinamic,
în celula de măsură;
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 19 -
� eliminarea controlată a unor componente reziduale, prezente în gazul eşantion (de
exemplu, CO2, O2, etanol etc.).
� evacuarea unor componente reziduale, ce pot fi aderente la pereţii cuvei de măsură sau
ai celulei PA;
� accesul unor probe biologice, într-o incintă racordată la celula de măsură sau a unor
pungi speciale, ce conţin aer exalat de pacienţi;
� posibilitatea utilizării unor pungi etanşe, pentru măsurarea de eşantioane gazoase
prelevate la distanţă.
realizate din sticlă şi prevăzute cu o intrare şi o ieşire pentru gaz.
Controlul, în timp real, al presiunii în instalaţia de măsură, se realizează cu ajutorul
unui manometru capacitiv, model 122 A Baratron (produs al firmei MKS INSTRUMENTS
Inc.).
Fig. 3-5. Schema instalaţiei de alimentare a celulei PA de măsură
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 20 -
3.4. Zgomote şi factori limitativi în spectroscopia fotoacustică
Zgomotul joacă un rol important în determinările fotoacustice şi prezintă o importanţă
deosebită în detectarea concentraţiilor de gaz foarte scăzute, deoarece nivelul de zgomot poate
limita sensibilitatea finală.
Factorii limitativi, care apar în LPAS, pot fi clasificaţi în trei categorii [15, 19]:
a) Zgomotul electric (datorat aparaturii electronice, determină sensibilitatea detectorului),
prin care ne referim la orice fluctuaţie aleatoare, electronică sau acustică, care nu are o
relaţie de fază fixă cu modularea intensităţii laser; s-a determinat la frecvenţa de
rezonanţă de 564 Hz, în condiţiile în care în celula PA nu se afla nici-un gaz
absorbant, la lungimile de undă ale laserului cu CO2 . Valoarea măsurată a fost de 0,15
µV/√Hz;
b) Zgomotul datorat procesului de modulaţie - zgomot acustic, este semnalul cauzat de
procesul de modulare dar care nu este atribuit fasciculului laser în celula PA; în
această direcţie s-au utilizat următoarele caracteristici ale amplificatorului lock-in:
constantă de timp T = 0,3s, pantă de filtru 6 dB/octavă şi zgomotul echivalent de
bandă ENB = 1/4T = 0,83 Hz. Valoarea măsurată a fost de 2,6 µV sau 9,2x10-5 Pa,
echivalentul unei absorbţii de 2,6x10-8 W cm-1. Pentru a se obţine coeficientul
echivalent de absorbţie, se împarte ultimul număr la PL (5,9x10-9 cm-1).
c) Zgomotul de fond, datorat absorbţiei şi împrăştierii radiaţiei pe ferestrele şi pereţii
celulei (semnalul fotoacustic coerent de fond); este întotdeauna prezent în detectorul
PA şi depinde de regimul de curgere a gazului. Astfel, în azot pur, la presiune
atmosferică de 1,011 bar şi la o temperatură de 22 °C, zgomotul de fond măsurat a fost
de 12 µV, la o putere laser de 4,4 W (2,7 µV/W, sau 9,2x10-5 Pa/W, echivalentul unei
absorbţii de 2,7x10-8 cm-1 sau cu o concentraţie de etilenă de 0.9 ppbV) pe linia
10P(14) a laserului cu CO2; acest semnal a fost echivalent atât în regim static, cât şi în
regim de curgere continuă a azotului prin celulă, la debitul constant de 50 ccmV
(centimetri cubi per minut în Volum).
3.5. Putere laser mică sau putere laser mare?
Un semnal PA poate fi saturat, fie din cauza unei concentraţii mari a gazului măsurat,
fie din cauza unui nivel mare de putere laser.
Saturarea este definită ca situaţia în care fiecare atom sau moleculă, prezente în
fascicululul laser, sunt excitate sau ionizate.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 21 -
Prin creşterea intensităţii laser, rata de pompare a moleculelor creşte şi o moleculă are
probabilitatea mai mare de a absorbi un foton din apropiere, înainte de a se relaxa pe nivelul
fundamental. Deci, moleculele în starea excitată cresc în număr, iar numărul moleculelor ce
pot absorbi radiaţia laser este redus. Gazul devine mai transparent pentru radiaţiile laser, iar
coeficientul efectiv de absorbţie, pe unitatea de putere laser, este redus; aceasta poartă numele
de saturaţie laser. Saturaţia datorată absorbţiei neliniare de putere laser apare numai în
fasciculul laser de putere mare sau când celula PA este montată intracavitate într-un laser.
Rata de pompare, la un nivel vibraţional-rotaţional mai ridicat, este proporţională cu
intensitatea radiaţiei laser; în cazul saturaţiei aceasta depăşind ratele colizionale de
dezexcitare [19].
În cazul laserului de putere mică nu au fost evidenţiate efecte de saturaţie (variind
puterea laser în interiorul celulei în domeniul 0,5-2,2 W).
În cazul laserului de putere mare efectele de saturaţie au fost investigate folosind
metoda de trunchiere a fasciculului laser Gaussian (fasciculul laser este apropiat de un
fascicul Gaussian: M2 < 1,1). Metoda constă în trecerea fasciculului printr-o apertură cu
diametru cunoscut. Pentru a evita deformări, din cauza încălzirii, am folosit metoda răcirii cu
apă, în cazul diafragmelor metalice cu diametre cuprinse între 1,42 mm şi 5,03 mm. Toate
diafragmele au fost plasate la o distanţă de 450 mm de talia fasiculului laser (Fig. 3-6a).
Fig. 3-6. a) Atenuarea fasciculului laser cu o diafragmă; b) Trunchierea unui fascicul laser
Gaussian
Când un fascicul Gaussian de rază, w, este trunchiat de o apertură cu raza, a (fig. 3-
6b), puterea transmisă prin apertură este T = P (a) / P = 1 - exp (-2a2/w2).
Dacă 2a = 2w, T ≅ 86 % (reprezintă 86% din puterea laserului transmisă prin
intermediul aperturii; este cunoscut sub numele de criteriul 86%). Dacă 2a = πw, T ≅ 99 %
(criteriul 99%). Această formulă oferă posibilitatea de a se măsura, cu precizie, diametrul
fasciculului laser, la poziţia diafragmei. Cunoscând raza, a, aperturii şi măsurând puterea
laser înainte şi după apertură (P şi P(a)), putem determina raza, w, a fasciculului. După cum
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 22 -
se observă în figura 3-7a, prin utilizarea a cinci diafragme diferite, diametrul mediu r este 2w
= (7,09 ± 0,2 ) mm, cu o eroare mai mică de 3%.
Fig. 3-7. a) Măsurarea diametrului fasciculului laser prin metoda trunchierii; b) Variaţia puterii laser în
funcţie de dimensiunea diafragmei.
Fig. 3-7b prezintă atenuarea fasciculului laser, când au fost plasate diferite diafragme,
iar linia continuă (solidă) reprezintă curba teoretică dată de ecuaţia de mai sus. Prin
introducerea acestor cinci diafragme, puterea laser a variat între 2W şi 10W. Astfel, am reuşit
să investigăm nivelul de putere, pentru laserul de mică putere şi am găsit că efectele de
saturaţie nu au nici-o influenţă, până la putere laser mare, unde efectele de saturaţie se
manifestată puternic.
Am investigat influenţa efectului de saturaţie, măsurând dependenţa responsivităţii
celulei PA, în funcţie de puterea laser (fig. 3-8a). De la regimul de putere laser mică (sub
2W), unde efectele de saturaţie nu sunt importante, până la regimul de putere laser mare (14,5
W, fără diafragmă), responsivitatea celulei PA scade (cu un factor de 6) de la 312 cm V/W la
52 cm V/W. Putem observa că efectele de saturaţie se manifestă imediat, când puterea laser
creşte peste 2W. Concluzia noastră este că sursele laser de putere mare pot fi utilizate în
sistemele de PAS, dar efectele de saturaţie trebuie să fie luate în considerare (se recomandă
corelarea responsivităţii celulei PA cu puterea de lucru a laserului, ca în fig. 3-8a).
Fig. 3-8. a) Efectele de saturaţie determinate în urma corelării dintre responsivitatea celulei PA şi
puterea laser; b) Dependenţa semnalului PA coerent de fond de puterea laser (cu şi fără diafragmă)
O problemă majoră este dată de sistemul de zgomote atunci când diafragma este
introdusă în calea fasciculului laser. Pentru aceasta, am înregistrat semnalul PA coerent de
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 23 -
fond, în funcţie de puterea laser (cu şi fără diafragmă), iar rezultatele sunt prezentate în fig. 3-
8b. Semnalul de fond este foarte mare, când se introduce o diafragmă în sistem, acesta fiind
mai mare de 50 de ori decât în cazul în care nu avem diafragmă care să limiteze fasciculul
laser. Trunchierea denaturează intensitatea fasciculului transmis atât în regiunea de câmp
apropiat (Fresnel), cât şi în regiunea de câmp îndepărtat (Fraunhofer).
În concluzie, metoda diafragmelor utilizate pentru determinarea efectelor de saturaţie
este aplicabilă, dar într-un sistem PA utilizat în practică, apertura nu trebuie introdusă
niciodată.
Tabel. 3.2 Laser putere mică vs. laser putere mare (linia 10P(14) în azot şi etilenă)
Parametru Putere mică Putere mare Factor
Putere laser de ieşire (W) 5,5 33 > 6,0
Putere laser mediată - la ieşirea din celula PA (W) 2,2 14.5 > 6,6
Semnalul PA coerent de fond (µV/W) 2,7 0.7 < 4,0
Responsivitatea celulei (Vcm/W) 280 312 >1,1
Saturaţia semnalului mică foarte mare > 6,0
Concentraţia minim detectabilă cmin (ppbV) 0,9 0,21 < 4,3
Tabelul 3.2 prezintă o comparaţie a unui sistem PA cu un laser de putere mică şi o
configuraţie cu un laser de putere mare.
Este evident că laserul de putere mare ar putea fi folosit în sistemul PA, cu condiţia ca
saturaţia să fie luată în considerare şi compensată, în timp ce, pentru laserul de putere mică,
saturaţia poate fi neglijată.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 24 -
CAPITOLUL 4. STUDIUL STRESULUI OXIDATIV PRIN MĂSURAREA
BIOMARKERILOR LA PACIENŢII DIALIZAŢI: DETERMINĂRI
EXPERIMENTALE
4.1. Datele obiective la momentul prelevării de aer expirat
Cercetarea a fost un studiu observaţional, realizat pe pacienţii cu insuficienţă renală,
trataţi prin hemodializă (HD), în cadrul Centrului Medical de Nefrologie şi Dializă IHS
(International Healthcare Systems) Fundeni din Bucureşti. Studiul a inclus un lot alcătuit din
pacienţi cu insuficienţă renală hemodializaţi iterativ, după un program care a constat în trei
şedinţe pe săptămână a câte 4 ore fiecare. Pacienţii au fost instruiţi:
� să nu mănânce înainte cu 12 ore de prelevarea probelor de aer exalat;
� să cureţe suprafaţa dinţilor cu periuţa şi pastă de dinţi, după care să se clătească cu
apă de gură antiseptică, pentru eliminarea bacteriilor (peste 700 de specii de bacterii
trăiesc în cavitatea bucală şi pot interacţiona cu moleculele de interes).
Probele de sânge au fost recoltate à jeun, înaintea conectării în sesiunea de HD şi după
sesiunea de HD şi investigate în laboratorul de analize medicale MedCenter (Bucureşti) cu
aparatul VITROS51. Lotul investigat a fost alcătuit din bărbaţi, cu vârste cuprinse în
intervalul, 22 - 80 de ani, nefumători, cu o condiţie clinică stabilă, în momentul studiului (fără
evenimente clinice sau transfuzii de sânge în ultima lună dinaintea studiului) şi o vechime
minimă în HD de 16 luni. Eficacitatea şedinţei de HD a fost evaluată prin calcularea de uree
predialitică şi uree postdialitică (cu limita normală în intervalul, 19-43 mg/dL).
Caracteristicile sedinţei de HD au fost următoarele:
� calea de abord a fost fistula arteriovenoasă;
� sedinţa de HD standard s-a realizat cu aparatul BAXTER ;
� s-au utilizat dializoare de permeabilitate înaltă, cu rata de filtrate in vivo mai mare
de 8.0 mL/h/mmHg, prevăzute cu membrană de diacetat de celuloză-DICEA
170G (grosime membrană de 15 µm, diametrul interior de 200 µm, suprafaţa de
1,7 m2, sterilizare prin radiaţii gamma, rata de ultrafiltrare: 12,5 mL/h/mmHg, iar
soluţia de dializă nu trebuie să depăşească 42° C, pentru evitarea lizei hematiilor);
� pompa de sânge s-a pornit la o viteză mică şi a fost ajustată la, cel puţin, 80
mL/min;
� pentru păstrarea integrităţii fibrelor, nu a fost depăşită valoarea de 500 mmHg (66
kPa) pentru presiunea transmembranară;
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 25 -
� pacientul a fost cântărit atât înainte, cât şi după tratamentul prin HD, pentru a
verifica ultrafiltrarea.
Probele de aer exalat au fost luate, înainte de HD, în timpul HD (la aproximativ 1 h) şi
imediat după procedura de HD.
4.2. Protocolul utilizat pentru recoltarea biomarkerilor din aerul exalat
Aerul este o masă de gaze eterogenă. Pentru o persoană adultă, prima partea din aerul
expirat (aproximativ 150 mL) este alcătuită din „spaţiul-mort”, deoarece provine din căile
respiratorii superioare (cum ar fi gura şi traheea) şi nu din schimburile alveolare. Următoarea
parte a expiraţiei (aproximativ 350 mL), este alcătuită din respiraţia alveolară, care provine
din plămâni, unde s-a produs schimbul alveolar. Spaţiul de aer „mort” poate fi interpretat ca
fiind esenţial sau inutilizabil în determinare, în funcţie de tipul de molecula detectată în aerul
expirat. De exemplu, spaţiul de aer „mort” în cazul oxidului de azot este utilizat în
cuantificarea numărului de molecule. În cazul unui pacient astmatic (inflamare a căile
respiratorii) este eliberat oxidul de azot cu valori crescute în respiraţie şi, automat, în spaţiul
de aer „mort”. Dar pentru COV (compuși organici volatili), acest spaţiu de aer este unul
„contaminant” provocând diluarea concentraţiilor de COV, când aerul expirat este colectat. În
ceea ce priveşte originea gazelor din aerul expirat colectat, există trei abordări de bază [135]:
1. Colectarea de aer din căile respiratorii superioare, ceea ce înseamnă că doar „spatiul-
mort” de gaz este colectat (adecvat doar în cazul testelor de NO);
2. Colectarea de aer alveolar, ceea ce înseamnă că doar gazul pur alveolar se colectează
(adecvată în cazul testelor de COV şi a altor gaze anorganice);
3. Colectarea de aer mixtă, ceea ce înseamnă că se colectează respiraţia totală, incluzând
volumul de „spatiu-mort” de aer şi gazul alveolar (adecvată în cazul testelor de gaze
speciale şi teste de COV).
Deoarece metoda de colectare mixtă a aerului expirat este uşor de efectuat în respiraţia
spontană a subiecţilor, aceasta este, cel mai frecvent utilizată, în aplicaţiile practice. Cu toate
acestea, concentraţiile de gaze endogene din aerul alveolar este de 2-3 ori mai mare
comparativ cu gazele endogene, găsite în probele expiratorii mixte, deoarece nu există nici-o
diluţie provocată de „spatiul-mort” de aer. Aerul expirat, în cazul unui subiect, poate fi
colectat o singură dată sau de mai multe ori, în anumite perioade de timp. În cazul în care
proba este colectată prin intermediul unei singure respiraţii, trebuie să se asigure că aceasta
este reprezentativă.
Pentru obţinerea, în mod eficient, a unui eşantion de aer, am folosit pungi aluminizate
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 26 -
multi-pacient cu volumul 0,75 L (produse de firma Quintron Instrument Company,
Milwaukee, SUA), concepute special pentru prelevarea de probe de aer exalat (fig. 4-1).
Colectarea multi-pacient este concepută special pentru prelevarea mai multor probe de la
diferiţi pacienţi, iar depunerea aluminizată din interior asigură conservarea cantitativă şi
calitativă a aerului exalat introdus în pungă (timp de 6 ore).
Fig. 4-1. Sistemul de colectare a aerului exalat
Pungile sunt prevăzute cu o supapă care etanşează proba, după umplerea ei şi cu un
robinet care permite deschiderea ulterioară, în circuitul de conectare al pungii, la sistemul de
detecţie, pentru transferarea conţinutului în celula PA. De asemenea, sunt prevăzute cu un
accesoriu de suflat de unică folosinţă şi o piesă în formă de T. În acest accesoriu de suflat, în
formă de T, există o supapă foarte fexibilă care permite evacuarea acestui volum inactiv
(„spatiu-mort”) printr-o metodă foarte simplă: se ţine cont de faptul că acest aer ajunge să fie
expirat primul şi cu presiune foarte mare, astfel că supapa nu face faţă presiunii, se deschide,
iar spaţiul de aer mort este direcţionat către o pungă neutilizabilă de 400 mL. Pungă
neutilizabilă (fig. 4-1) are rolul de a separa spaţiul de aer „mort” de volumul de gaz alveolar,
fiind ataşată la punga aluminizată, prin accesoriul în formă de T (la supapa foarte flexibilă).
Către sfârşitul suflului expirator, atunci când apare aerul alveolar, presiunea este atât de
scăzută, încât supapa din piesă în formă de T nu se mai deschide, permiţând aerului să treacă
mai departe, în pungă.
Prelevarea de aer exalat
După o inspiraţie normală (evitând umplerea plămânilor la maxim), pacientul
etanşează perfect, cu ajutorul buzelor, piesa de unică folosinţă prin care se expiră normal, în
scopul de a goli plămânii de volumul mare de gaz. Prima fracţiune din aerul exalat este
direcţionată în punga neutilizabilă (după ce supapa se deschide), restul aerului expirat fiind
direcţionat în punga de colectare aluminizată. Când s-a colectat un eşantion de aer adecvat,
pacientul se opreşte din expirat şi îndepărtează piesa bucală de unică folosinţă. Este
recomandabil ca, după umplerea probei, aceasta să fie sigilată cu un capac, cu rol în evitarea
pierderilor de gaz.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 27 -
Capcana pentru CO2 şi H2O
Printre numeroasele gaze, care se află în amestecul de măsurat, întâlnim într-o
proporţie destul de ridicată, CO2 şi H2O, care influenţează negativ determinările, deoarece
aceste gaze absoarb la lungimea de undă la care absoarbe atât etilena (10,53 µm), cât şi
amoniacul (9,22 µm), ducând la rezultate eronate. Înainte de a fi introdus în celula
fotoacustică, eşantionul de aer exalat trebuie filtrat, pentru a nu exista şi un alt gaz, în afara
celui investigat.
Pentru a se înlătura influenţa dăunătoare a bioxidului de carbon şi a apei sunt utilizate
două capcane:
� capcana cu peleţi de hidroxid de potasiu (KOH) sau potasa caustică, potasa
leşie, hidrat de potasiu;
� capcana cu peleţi de sulfat de calciu anhidru (CaSO4).
Am investigat eficienţa capcanei cu KOH, folosind trei recipiente cu volume diferite
(13 cm3, 90 cm3 și 213 cm3) şi am aflat ce tip de capcană (scrubber) poate fi utilizată, în mod
eficient, pentru a reduce cantitatea de dioxid de carbon din eşantionul de gaz [20].
Măsurătorile au fost făcute, de fiecare dată, pe aceeaşi persoană cu o nouă alimentare a
capcanei cu peleţi de KOH, pe linia 10P(14) a laserului cu CO2.
În fig. 4-2 sunt reprezentate valorile obţinute în toate cele 4 cazuri:
� Măsurători fără scruber cu KOH;
� Măsurători cu scruber KOH volum de 13 cm3;
� Măsurători cu scruber KOH volum de 90 cm3;
� Măsurători cu scruber KOH volum de 213 cm3.
Fig. 4-2. Concentraţia de etilenă din aerul exalat al unui subiect: fără scruber, scruber de 13
cm3, 90 cm3 şi 213 cm3
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 28 -
Rezultatele experimentale fără scruber au arătat o concentraţie de etilenă de 1,8 ppmV
reprezentând contribuţia, în principal de etilenă, dioxid de carbon, vapori de apă etanol şi
amoniac pe linia 10P(14) a laserului cu CO2.
Rezultatele experimentale, cu scruber de 13 cm3, au arătat o concentraţie de etilenă de
aproximativ 0,3 ppmV, indicând faptul că dioxidul de carbon a fost redus cu un factor de 6.
Un scruber cu KOH, de volum mai mare, s-a dovedit a fi mai eficient în îndepărtarea
dioxidului de carbon din aerul exalat al subiectului. În cazul capcanei de 90 cm3, concentraţia
de etilenă a scăzut la 0,05 ppmV indicând faptul că, cea mai mare parte de dioxid de carbon, a
fost eliminată. Aceleaşi rezultate au fost obţinute cu o capcană chiar mai mare, cu un volum
de 213 cm3.
Prin urmare, capcana este eficientă doar în cazul unei cantităţi mari de peleţi de KOH, având
în vedere că un scruber de 100 cm3 asigură, deja, eficienţa necesară în determinările
experimentale.
4.3. Măsurarea coeficienţilor de absorbţie ai amoniacului şi etilenei
O problemă esenţială, în măsurătorile de obţinere a coeficienţilor de absorbţie a
gazelor cu ajutorul spectroscopiei fotoacustice, este calibrarea absolută a celulei PA.
Pentru măsurarea coeficienţilor de absorbţie ai etilenei şi amoniacului, s-a urmat o
procedură specială [15, 21, 22]:
� Se curăţă celula PA, prin vidare şi introducere de flux de azot la presiune
atmosferică, timp de câteva minute;
� Celula se închide şi se efectuează o înregistrare de fond;
� Pentru fiecare umplere cu 0,96 ppmV, etilenă în azot pur a fost determinată
responsivitatea celulei, presupunând un coeficient de absorbţie de 30,4 cm-1atm-1,
corespunzător liniei laser 10P(14);
� Pentru fiecare umplere cu 10 ppmV, amoniac în azot pur, a fost determinată
responsivitatea celulei presupunând un coeficient de absorbţie de 57.1 cm-1atm-1,
corespunzător liniei laser 9R(30);
� După determinări, pe toate liniile laser, responsivitatea celulei PA a fost verificată
din nou, pentru a elimina posibilitatea desorbţiei gazului în timpul măsurării;
� Presiunea parţială a gazului a fost suficient de mare, pentru a obţine semnale PA
semnificative, la toate liniile laser şi suficient de scăzută, pentru a nu atinge
regimul de saturaţie.
Coeficienţii de absorbţie ai gazului s-au calculat după formula (utilizând semnalul PA măsurat
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 29 -
şi puterea laser, iar responsivitatea şi concentraţia de gaz se cunosc):
α = √2 Veff / PLRc (2)
unde:
α [cm-1 atm-1] – coeficientul de absorbţie al gazului la lungimea de undă dată;
Vef [V] – răspunsul în tensiune al amplificatorului lock-in;
c [atm] – concentraţia gazului;
PL [W] – puterea laser după chopper;
R [V cm W-1] – responsivitatea celulei.
Pentru a îmbunătăţi acurateţea rezultatelor obţinute, s-a făcut o mediere a mai multor
măsurători, pentru fiecare linie laser.
Rezultatele măsuratorilor, în cazul coeficienţilor de absorbţie ai etilenei, sunt date în fig. 4-3a.
După cum se observă în reprezentarea grafică a coeficienţilor de absorbţie ai etilenei,
în funcţie de lungimea de undă a laserului cu CO2 pe cele două ramuri de emisie, avem o
absorbţie puternică pentru linia 10P(14) cu 30,4 cm-1 atm-1, coeficient de absorbţie la 949,48
cm-1. Un coeficient de absorbţie mai slab s-a înregistrat pe liniile 10P(12) şi 10P(16) ale
laserului cu CO2 (4,36 cm-1atm-1, la 951,192 cm-1 şi 5,10 cm-1atm-1 la 947,742 cm-1). De
asemenea, se observă că etilena prezintă un profil slab de absorbţie în banda de 9,4 µm.
Fig. 4-3. a) Coeficienţii de absorbţie ai etilenei la lungimile de undă ale laserului cu CO2. Graficul din
interior prezintă o vederea mărită a măsurătorilor din banda de 9 µm; b) Coeficienţii de absorbţie ai
amoniacului, la lungimile de undă ale laserului cu CO2
După cum se observă din fig. 4-3b s-a obţinut o absorbţie puternică a amoniacului
pentru linia 9R(30) cu α = 57,12 cm-1atm-1 (eroare ± 1,2%). Alte valori semnificative au fost
găsite pentru liniile: 9R(16) - α = 11.29 cm-1atm-1 (eroare ± 1,4%), 9P(20) - α = 2.10 cm-1atm
1, (eroare ± 2%) şi 9P(34) - α = 3,99 cm-1atm-1 (eroare ± 0,62%). În banda 10R, apar
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 30 -
coeficienți de absorbție semnificativi la: 10R(14) - α = 6,17 cm-1atm-1 (eroare ± 1,5%),
10R(8) - α = 20,08 cm-1atm-1 (eroare ± 1,3%), 10R(6) - α = 26,2 cm-1atm-1 (eroare ± 1,7%),
iar pentru banda 10P: 10P(32) - α = 12,45 cm-1atm-1 (eroare ± 2,9%), 10P(34) - α = 14,07 cm-
1atm-1 (eroare ± 0,48%) şi 10P(36) - α = 7,39 cm-1atm-1 (eroare ± 0,83%).
În urma măsurătorilor, efectuate în laborator, s-au obţinut rezultatele prezentate mai sus
pentru cele două benzi de emisie ale laserului cu CO2, atât pentru etilenă, cât şi pentru
amoniac. Aceste rezultate au fost comparate cu rezultatele obţinute în literatură şi s-a observat
o bună corelare cu acestea. Se poate spune că, laserul utilizat la aceste măsurători este stabil,
iar instalaţia de spectroscopie fotoacustică poate fi utilizată în măsurători pentru detecţia
concentraţiilor foarte mici de gaz.
4.4. Determinări experimentale ale biomarkerilor din aerul exalat în cazul pacienţilor hemodializaţi
În această teză, s-a urmărit detecţia unor biomarkeri (etilenă şi amoniac) din aerul
exalat al pacienţilor HD şi a subiecţilor sănătoşi, cu ajutorul metodei de LPAS [23-25].
Etilena este un biomarker al stresului oxidativ, iar amoniacul poate fi un indicator al
IR, fiind corelat cu nivelul de azot în ureea din sânge (BUN – blood urea nitrogen –
[CO(NH2)]).
Măsurarea precisă, atât a concentraţiei de amoniac, cât şi a concentraţiei de etilenă din
aerul exalat al pacienţilor, se face neinvaziv, în timp real şi în prezenţa altor gaze care
interferează, inclusiv dioxidul de carbon (> 4%) şi vaporii de apă (> 10%), pe baza metodelor
PAS.
Probele de aer exalat au fost colectate la intervale de timp regulate:
- Înainte de începerea HD (dar nu înainte de curăţarea cavităţii bucale cu pastă
de dinţi şi apă de gură antiseptică);
- În timpul tratamentului de HD (la o oră după începerea tratamentului);
- Imediat după terminarea HD (după ce cavitatea bucală a fost curăţată).
Pentru acest studiu, subiecţii au fost rugaţi să expire în punga aluminizată, la o rată
normală a fluxului de expiraţie.
Pentru a analiza conţinutul probelor, mai întâi, am vidat celula PA (prin care are loc
evacuarea gazelor suplimentare) şi apoi, am spălat şi curăţat sistemul cu azot pur (99,999 %)
la presiune atmosferică (aproximativ 10-15 minute). Luând în considerare faptul că presiunea
iniţială în pungile de probă cu aerul exalat al subiecţilor sănătoşi şi al pacienţilor cu diferite
afecţiuni diferă de la un caz la altul, este necesar să se cunoască dependenţa responsivităţii
celulei PA de presiune (fig.4-4).
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 31 -
Fig. 4-4. Responsivitatea celulei PA, în funcţie de presiune (10 ppm etilenă în azot)
Probele de aer expirat au fost transferate în celula PA, la un debit controlat de 600
sccm (centimetri cubi standard per minut), iar presiunea totală a gazului, în celula PA, a fost
măsurată, aplicându-se factorul de corecţie pentru responsivitate, în conformitate cu
etalonarea din Fig. 4-4.
Pe durata transferului de aer exalat, din eşantionul de colectare la celula PA,
eşantionul de gaz a trecut printr-o capcană umplută cu peleţi de KOH, pentru eliminarea CO2.
Semnalul PA (răspunsul la toate speciile absorbante, la o lungime de undă laser dată) scade
considerabil când această capcană (cu un volum mai mare de 100 cm3) este introdusă în
sistem. Pentru un subiect sănătos, contribuţia de CO2 în semnalul PA a scăzut de 36 de ori, iar
acest raport rămâne constant chiar dacă se introduc capcane cu volum mai mare, dovedind că,
cea mai mare parte de CO2, a fost eliminată din eşantionul de gaz.
Măsurătorile experimentale pentru concentraţiile de etilenă şi amoniac din respiraţie
au fost efectuate în cazul pacienţilor (P1-P13) cu disfuncţie renală şi a subiectului sănătos
(P0), iar rezultatele sunt prezentate în fig. 4-5 şi fig. 4-6.
Valorile de control P0 sunt: 0,006 ppm etilenă şi 0,25 ppm amoniac. Toate
măsurătorile au fost făcute pentru linia 10P (14) a laserului cu CO2 (10,53 µ m), unde
coeficientul de absorbţie al etilenei are valoarea cea mai mare (30,4 cm-1atm-1), şi pentru linia
9R (30) a laserului cu CO2 (9,22 µ m), unde coeficientul de absorbţie al amoniacului are
valoarea maximă de 57 cm-1atm-1.
În cazul măsurătorilor de amoniac exalat, trebuie făcută o menţiune specială: NH3 este
un compus foarte adsorbant, iar rezultatele unor măsurători succesive pot fi modificate de
către moleculele ce au fost adsorbite anterior, pe pereţii celulei PA. Pentru a asigura calitatea
fiecărei măsurători, a fost efectuat un ciclu intensiv de vidare (< 10-3 torr) şi spălare-curăţare
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 32 -
cu azot pur, între eşantionele de aer exalat, pentru a avea o creştere maximă de 10% a
semnalului de fond acustic.
În fig. 4-5 observăm o reducere a concentraţiei de amoniac din aerul exalat, pentru
pacienţii sub tratament cu HD, ceea ce înseamnă că amoniacul detectat în respiraţia umană,
folosind sistemul LPAS, poate fi folosit în determinarea duratei exacte de începere a HD.
Fig.4-5. Concentraţia de amoniac exalat, măsurată pentru 13 pacienţi cu disfuncţie renală
(înainte, în timpul şi după tratamentul cu HD) şi pentru un subiect sănătos
Fig.4-6. Concentraţia de etilenă exalată, măsurată pentru 13 pacienţi cu disfuncţie renală
(înainte, în timpul şi după tratamentul cu HD) şi pentru un subiect sănătos
În fig. 4-6 se observă că, imediat după iniţierea HD, concentraţia de etilenă creşte,
dovedind prezenţa PL şi existenţa unui stres oxidativ crescut, care se exacerbează în timp.
Stresul oxidativ reprezintă o manifestare puternică la pacienţii cu DR, arătând că sistemele
antioxidante sunt scăzute la pacienţii HD. El apare atunci când există un dezechilibru între
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 33 -
nivelul produşilor de peroxidare şi mecanismele antioxidante de apărare. În condiţii normale,
ambele procese se găsesc în echilibru, astfel încât o creştere a nivelului produşilor de oxidare
este urmată de o creştere a nivelelor sistemelor antioxidante. La pacienţii cu IR şi în special,
la cei HD, s-a evidenţiat (Fig. 4-6) existenţa unui stres oxidativ crescut. Există o serie de
factori care explică exacerbarea stresului oxidativ: formarea, în cantitate crescută, a unor
produşi de oxidare rezultaţi din activarea leucocitelor, prezenţa toxinelor uremice şi a unor
compuşi metalici, biocompatibilitatea membranelor de dializă şi a soluţiilor de dializă,
invazivitatea metodei etc. După cum se observă fig. 4-6, markerul stresului oxidativ este mai
crescut la pacienţii HD în comparaţie cu subiecţii clinic sănătoşi.
Cea mai importantă problemă este corelaţia datelor de uree şi concentraţia de amoniac
respectiv, etilenă din respiraţia pacienţilor. Figurile 4-7 şi 4-8 indică o bună corelare între
nivelul de amoniac (nivelul de etilenă) şi nivelul de uree, pentru pacienţii P1-P13.
Fig. 4-7. Amoniacul exalat versus nivelul de uree, pentru pacienţii P1-P13
Fig. 4-8. Etilena exalată versus nivelul de uree, pentru pacienţii P1-P13
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 34 -
Prin stabilirea concentrațiilor amoniacului şi a etilenei din aerul expirat este posibilă
implementarea unei metode de diagnosticare medicală neinvazivă, cu afişarea rezultatelor
absolute, în timp real. Această metodă poate fi extinsă pentru determinări medicale on-line
prin reducerea mărimii sistemului de măsură (utilizarea unor diode laser) pentru obținerea
unei versiuni complexe și miniaturizate a sistemului de LPAS.
Dimensiunile reduse, costul de fabricație scăzut, manipularea ușoară și cerințele
minime de întreținere au făcut ca diodele laser să devină niște dispozitive fiabile, foarte
utilizate și cercetate. Utilizarea acestui nou sistem de LPAS va permite determinarea duratei
exacte de dializă, în fiecare sesiune şi va furniza informaţii cruciale despre momentul în care
tratamentul poate fi întrerupt. Pe termen lung, măsurarea concentraţiei amoniacului, în aerul
exalat de om, poate servi ca indicator incipient de disfuncţie renală, precum şi pentru
înregistrarea funcţiilor renale, la populaţia cu risc, respectiv la cea de diabetici şi hipertensivi.
CONCLUZII
Concluzii generale: În cadrul acestei lucrări s-au prezentat elementele clinice şi
evolutive ale DR, efectul PL asupra membranei celulare şi protecţia împotriva oxidării. S-a
făcut o prezentare cantitativă a biomarkerilor specifici organismului uman utilizând PAS
urmată de descrierea biomarkerilor specifici DR la om. Totodată s-au pus în evidenţă
elementele teoretice fundamentale privind LPAS şi s-a studiat caracterizarea celulelor PA
rezonante pe baza modelelor descrise. Au fost detaliate montajele experimentale utilizate în
detecţia PA, prin prezentarea componentelor principale: laserul cu CO2 ca sursă de excitare,
celula PA, sistemul de circulaţie a gazelor, echipamentul de achiziţie şi prelucrarea datelor.
Au fost studiate zgomotele și factorii limitativi în PAS, după care s-au descris modalităţile
practice de proiectare optimă a unei celule de detecţie şi de obţinere a unei sensibilităţi
ridicate în detecţie. De asemenea au fost studiate efectele de saturație în cazul unui laser de
putere mică și în cazul unui laser de putere mare, în final ajungând la concluzia că laserul de
putere mare ar putea fi folosit în sistemul fotoacustic, cu condiţia ca saturaţia să fie luată în
considerare şi compensată, în timp ce pentru laserul de putere mică saturaţia poate fi neglijată.
Aplicaţiile metodei de detecţie PA în diferite domenii demonstrează avantajele oferite
de această metodă:
• Sensibilitatea ridicată la detecţie face posibilă măsurarea coeficienţilor de
absorbţie de ordinul 10-8 cm-1, corespunzând la densităţi de µg/m3 sau
concentraţii de ordinul ppb pentru majoritatea substanţelor.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 35 -
• Responsivitatea celulei PA este independentă de lungimea de undă a radiaţiei.
• Detectarea mai multor gaze şi vapori cu un singur sistem PA (dotat cu un laser
acordabil).
• Selectivitate mare, ceea ce înseamnă că prezintă capacitatea de a separa şi
distinge în mod clar compuşi diferiţi.
• Dispozitiv de măsură simplu, imun la interferenţă şi care oferă posibilitatea
efectuării măsurătorilor la temperatura camerei.
• Simplitate operaţională şi analiza datelor în timp real (timp de răspuns foarte
scurt).
• Calibrare uşoară cu gaze certificate.
• Domeniul dinamic larg de cel puţin 7 ordine de mărime (de la 100 ppt- părţi
per trilion la 100 ppm- părţi per milion) pentru măsurarea cu acelaşi instrument
a unor concentraţii extrem de reduse şi a unor concentraţii mari.
• Celula PA este special concepută pentru realizarea unor măsurători continue în
regim dinamic a gazelor de interes.
• Rezoluţie temporală bună.
• Versatilitate, fiabilitate, robusteţe şi un cost relativ scăzut per unitate.
Caracteristicile remarcabile ale celulei PA nu pot fi utilizate în întregime decât dacă
sunt combinate cu o sursă laser adecvată. Sursele cele mai utilizate pe scară largă sunt laserele
cu CO şi CO2, dioda laser, laserul cuantic în cascadă (QCL) şi dispozitivele optice neliniare.
Datorită numărului mare de gaze de interes care prezintă absorbţie în domeniul spectral 9 – 11
µm, laserul cu CO2 reprezintă sursa de excitare cea mai indicată pentru experienţele de
detecţie PA.
În această teză de doctorat au fost utilizate două surse de radiaţie cu aplicaţie în
detecţie PA:
a) un laser de putere mare - laserul comercial cu CO2 (GEM SELECT 50TM ,
Coherent, SUA);
b) un laser de putere mică-laserul cu CO2 (LIR 25 SF) fără circulație de gaz și
stabilizat în frecvență, construit in laborator.
Aplicaţiile metodei de LPAS includ măsurători de concentraţii şi analiză a urmelor de
gaze, determinări exacte ale proprietăţilor termofizice, detectarea de procese dinamice, cum ar
fi amestecul de gaze sau de reacţii chimice, procesele de relaxare, experimentele
spectroscopice, măsurători de aerosoli. Tehnica de detectare a gazelor este importantă pentru
aplicaţii cum ar fi: diagnosticare prin testarea respiraţiei, supraveghere şi securitatea la locul
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 36 -
de muncă, măsurători de calitate a aerului, monitorizare atmosferică. Montajul bazat pe sursa
laser poate fi de asemenea utilizat în detectarea unei mari varietăți de gaze industriale, a unei
game largi de agenţi chimici de război, vezicanţi (agenţi chimici puternici ce provoacă arderi
chimice) şi gaze otrăvitoare sau explozive.
Tehnicile de analiză a respiraţiei oferă un potenţial revoluţionar în diagnosticarea
anumitor afecţiuni. În principiu, fiecare respiraţie conţine informaţii cu privire la starea
internă a unui pacient. Provocarea tehnică cu care se confruntă atât clinicienii cât şi furnizorii
de sisteme de măsurare este de a extrage din respiraţie datele semnificative, care pot fi
corelate cu sănătatea pacientului. Prelevarea de probe şi analiza respiraţiei este preferată în
locul analizelor şi prelevării de probe de sânge, deoarece colectarea respiraţiei este
neinvazivă, contaminarea este uşor evitată, iar măsurătorile sunt mult mai simple în faza de
gaz decât într-un complex biologic, cum este sângele.
Obiectivul principal al acestei lucrări a fost de a monitoriza concentraţiile de amoniac
și etilenă la pacienții HD cu ajutorul metodei de LPAS. Fără îndoială, această aplicaţie
reprezintă una dintre cele mai noi şi interesante direcţii de cercetare, în care detecţia PA
dovedeşte rezultate promiţătoare. Investigaţiile prezentate aici reprezintă testele preliminare
efectuate în acest domeniu, urmând ca în continuare aceste studii să se extindă în sfera
cercetării medicale (Centre de Dializă, Clinici de Medicină Preventivă, Laboratoare Medicale
de Analiză), având la bază colaborarea eficientă cu personalul de specialitate.
Probele de aer exalat ale subiecţilor au fost colectate folosind pungi aluminizate multi-
pacient, concepute special pentru prelevarea de probe de aer exalat. Acest tip de colectare este
conceput special pentru prelevarea mai multor probe de la diferiţi pacienţi, iar depunerea
aluminizată din interior asigură prezervarea cantitativă şi calitativă a aerului exalat introdus în
pungă.
Probele de aer exalat au fost colectate la intervale de timp regulate: înainte de
începerea hemodializei, în timpul tratamentului de hemodializă şi imediat după terminarea
hemodializei.
Am efectuat măsurători pentru a determina dacă IR şi HD pot fi asociate cu creşterea
stresului oxidativ şi pentru a se afla dacă măsurarea amoniacului din aerul exalat poate fi
folosită pentru selectarea duratei optime de HD pentru stadiul dorit.
Pe baza acestui studiu de stabilire a concentrațiilor de amoniac şi etilenă din aerul
expirat este posibilă implementarea unei metode de diagnosticare medicală neinvazivă, cu
afişarea rezultatelor absolute în timp real.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 37 -
Contribuții proprii: Această lucrare cuprinde cercetări, atât teoretice cât şi
experimentale, într-un domeniu de noutate absolută în România şi anume LPAS pentru
investigarea biomarkerilor gazoşi din respiraţia pacienţilor HD.
In cadrul acestei teze pot sumariza următoarele contribuții personale:
• Investigarea, pentru prima oară, a concentrației de etilenă din aerul exalat și
corelarea cu creșterea stresului oxidativ, la pacienții HD;
• Investigarea concentrației de amoniac din aerul exalat și corelarea cu
nivelul de uree din sânge la pacienții HD;
• Îmbunătăţirea sistemului de PAS pentru monitorizarea în timp real a
biomarkerilor din aerul exalat;
• Investigarea zgomotelor și factorilor limitativi în PAS și prezentarea unui
“rețetar” pentru optimizarea sistemului de detecție PA;
• Cercetarea efectelor de saturație în cazul a două surse (de putere mare și
putere mică) prin metoda de trunchiere a fasciculului laser Gaussian;
• Investigarea eficienței capcanei cu KOH pentru reducerea de gaze
reziduale din proba de aer exalat de la pacienții HD;
• Adoptarea unei metode de analiză neinvazivă (testul de respirație) care se
poate repeta ușor fără a provoca disconfort în comparație cu metoda
invazivă (testul de sânge).
Rezultatele prezentate demonstrează faptul că potenţialul metodei de LPAS este
departe de a fi considerat încheiat, urmărindu-se în continuare perfecţionarea sistemelor
existente şi dezvoltarea de noi sisteme de detecţie bazate pe utilizarea diodelor laser sau a
laserului cuantic în cascadă.
Perspective de dezvoltare ulterioară: Perspectivele de dezvoltare ulterioare pe care
le am în vedere sunt:
• Îmbunătăţirea sistemului prin încorporarea unui spectrometru de masă portabil.
• Reducerea mărimii sistemului de măsură prin utilizarea unor diode QCL pentru
obţinerea unei versiuni mai complexe şi miniaturizate a sistemului de
spectroscopie.
• Automatizarea software-ului de prelucrare a datelor pentru întregul sistem în
vederea obţinerii unui dispozitiv foarte compact care poate intra în dotarea
unităţilor regionale de tratament.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 38 -
Bibliografie
1. P. D. Vize, A. S. Woolf, J. B. L. Bard, “The kidney: from normal development to congenital
disease”, Boston: Academic Press., 154, 2009.
2. "Chronic kidney disease in adults: UK guidelines for identification, management and referral",
Edited by the Royal College of Physicians and the Renal Association, 2006.
3. J. Dirks, G. Remuzzi, S. Horton, A. Schieppati, S. A. H. Rizvi, “ Diseases of the kidney and
the urinary system”, Disease control priorities in developing countries, 2nd edition,
Washington, Chapter. 36, 695-706, 2006.
4. I. Peride, I. A. Checherita, D. Radulescu, C. David, G. Lupusoru, A. Niculae, M. Lupusoru, I.
Vacaroiu, A. Ciocalteu “Influenta tulburarilor gastrointestinale asupra progresiei bolii renale
cronice de cauza prerenala” Practica Medicala V, Nr. 3, 19, 2010.
5. B. Dursun, C. L. Edelstein, “Acute renal failure”, American Journal of Kidney Diseases,
45:614-618; 2005.
6. A. Popescu, “Fundamentele Biofizicii Medicale” , Vol. I, Editura ALL, Bucuresti, 1994.
7. D. M. Gazdaru, “Termodinamica de neechilibru. Aplicatii in energetica celulara”, Ed.
CREDIS, Bucuresti, 2003.
8. R. P. Patel, T. Cornwell, V.M. Darley-Usmar, “The biochemistry of nitric oxide and
peroxynitrite: implications for mitochondrial function”, Understanding the process of ageing:
The roles of mitochondria, free radicals, and antioxidants, Editors: E. Cadenas, L. Packer,
Marcel Dekker, Inc. NY. Basel 39-40, 1999.
9. D. Harman, “Free Radicals and Aging”, I. Emerit, B. Chance, Editors: Birkhauser-Verlag,
Basel, 1-10, 1992.
10. D.C. Dumitras, D.C. Dutu, C. Matei, A.M. Magureanu, M. Petrus, C. Popa, M. Patachia,
“Measurements of ethylene concentration by laser photoacoustic techniques with applications
at breath analysis” Romanian Reports in Physics, 60:593-602, 2008.
11. J. P. Cristol, “Hemodialysis Causes Antioxidant Loss Leading To Long-Term
Complications”, Science Daily, 2005.
12. C. Popa, A. M. Bratu, R. Cernat, D. C. A. Dutu, S. Banita, D. C. Dumitras, “Spectroscopic
studies of ethylene and ammonia as biomarkers at patients with different medical disorders”,
U. P. B. Sci. Bull. A, 73: 167-174, 2011.
13. M. Jakubovski, M. Trzcinka-Ochocka, “Biological monitoring of exposure: trends and key
developments”, J. Ocupp. Health, 47:22-48, 2005.
14. L. Pauling, A. B. Robinson, R. Teranishi, P. Cary, “Quantitative analysis of urine vapor and
breath by gas-liquid partition chromatography”, Proc. Natl. Acad. Sci. 68:2374-2376, 1971.
15. D. C. Dumitras, D. C. Dutu, C. Matei, A. M. Magureanu, M. Petrus, C. Popa “Laser
photoacoustic spectroscopy: principles, instrumentation, and characterization”, Journal of
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 39 -
Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 9, No. 12, pp. 3655-3701 (2007).
16. D. C. Dumitras, D. C. Dutu, C. Matei, A. M. Magureanu, M. Petrus, and C. Popa,
’’Improvement of a laser photoacoustic instrument for trace gas detection”, U. P. B. Sci. Bull.,
Series A, Vol. 69, No. 3, pp. 45-56 (2007).
17. D. C. Dumitras, A. M. Bratu, C. Popa „ CO2 laser photoacoustic spectroscopy for biomarker
measurements”, Chapter in „CO2 Laser-Optimisation and Application”, Intech, Croatia (2012)
ISBN 979-953-307-712-2, Ed. D. C. Dumitras.
18. D.C. Dumitras, D. C. Dutu, C. Matei, A.M. Magureanu, M. Petrus, C. Popa, M. Patachia,
“Measurements of ethylene concentration by laser photoacoustic techniques with applications
at breath analysis”, Romanian Reports in Physics, Vol. 60, No. 3, pp. 593-602 (2008).
19. D.C. Dumitras, S. Banita, A.M. Bratu, R. Cernat, D.C.A. Dutu, C. Matei, M. Patachia, M.
Petrus, and C. Popa “Ultrasensitive CO2 laser photoacoustic system”, Infrared Physics &
Technology Journal, Vol. 53, pp. 308-314 (2010).
20. M. Bratu, C. Popa, C. Matei, S. Banita, D. C. A. Dutu, and D. C. Dumitras “Removal of
interfering gases in breath biomarker measurements”, accepted to be published in Journal of
Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 13 (2011).
21. C. Popa, R. Cernat, D. C. A. Dutu and D. C. Dumitras, “Spectroscopic studies of ethylene and
ammonia as biomarkers at patients with different medical disorders”, U. P. B. Sci. Bull., Series
A, Vol. 73, No.2, pp. 167-174 (2011).
22. D.C. Dumitras, D.C. Dutu, C. Matei, R. Cernat, S. Banita, M. Patachia, A. M. Bratu, M.
Petrus and C. Popa, ”Evaluation of ammonia absorption coefficients by photoacoustic
spectroscopy for detection of ammonia levels in human breath”, Laser Physics, Vol. 21, No. 4,
pp. 796-800 (2011).
23. R. Cernat, C. Matei, A .M. Bratu, C. Popa, D.C.A. Dutu, M. Patachia, M. Petrus, S. Banita,
and D.C. Dumitras, “Laser photoacoustic spectroscopy method for measurements of trace
gas concentration from human breath”, Romanian Reports in Physics, Vol. 62, No. 3, pp.
617-623 (2010).
24. C. Popa, A. M. Bratu, C. Matei, R. Cernat, A. Popescu and D. C. Dumitras, “Qualitative and
quantitative determination of human biomarkers by laser photoacoustic spectroscopy
methods”, Laser Physics, Vol. 21, No. 7, pp. 1336–1342 (2011).
25. C. Popa, D. C. A. Dutu, R. Cernat, C. Matei, A. M. Bratu, S. Banita, and D. C. Dumitras,
“Ethylene and ammonia traces measurements from the patients breath with renal failure via
LPAS method”, Applied Physics B – Lasers and Optics, Vol. 103 (accepted 2011).
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 40 -
Articole publicate în reviste cotate ISI
[1]. D. C. Dumitras, D. C. Dutu, C. Matei, A. M. Magureanu, M. Petrus, C. Popa “Laser
photoacoustic spectroscopy: principles, instrumentation, and characterization”,
Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 9, No. 12, pp. 3655-3701
(2007).
[2]. D. C. Dumitras, D. C. Dutu, C. Matei, A. M. Magureanu, M. Petrus, and C. Popa,
’’Improvement of a laser photoacoustic instrument for trace gas detection”, U. P. B.
Sci. Bull., Series A, Vol. 69, No. 3, pp. 45-56 (2007).
[3]. D.C. Dumitras, D. C. Dutu, C. Matei, A.M. Magureanu, M. Petrus, C. Popa, M.
Patachia, “Measurements of ethylene concentration by laser photoacoustic techniques
with applications at breath analysis”, Romanian Reports in Physics, Vol. 60, No. 3, pp.
593-602 (2008).
[4]. D.C. Dumitras, S. Banita, A.M. Bratu, R. Cernat, D.C.A. Dutu, C. Matei, M. Patachia,
M. Petrus, and C. Popa “Ultrasensitive CO2 laser photoacoustic system”, Infrared
Physics & Technology Journal, Vol. 53, pp. 308-314 (2010).
[5]. R. Cernat, C. Matei, A .M. Bratu, C. Popa, D.C.A. Dutu, M. Patachia, M. Petrus, S.
Banita, and D.C. Dumitras, “Laser photoacoustic spectroscopy method for
measurements of trace gas concentration from human breath”, Romanian Reports in
Physics, Vol. 62, No. 3, pp. 617-623 (2010).
[6]. C. Popa, R. Cernat, D. C. A. Dutu and D. C. Dumitras, “Spectroscopic studies of
ethylene and ammonia as biomarkers at patients with different medical disorders”, U.
P. B. Sci. Bull., Series A, Vol. 73, No.2, pp. 167-174 (2011).
[7]. C. Popa, A. M. Bratu, C. Matei, R. Cernat, A. Popescu and D. C. Dumitras,
“Qualitative and quantitative determination of human biomarkers by laser
photoacoustic spectroscopy methods”, Laser Physics, Vol. 21, No. 7, pp. 1336–1342
(2011).
[8]. D.C. Dumitras, D.C. Dutu, C. Matei, R. Cernat, S. Banita, M. Patachia, A. M. Bratu,
M. Petrus and C. Popa, ”Evaluation of ammonia absorption coefficients by
photoacoustic spectroscopy for detection of ammonia levels in human breath”, Laser
Physics, Vol. 21, No. 4, pp. 796-800 (2011).
[9]. C. Popa, D. C. A. Dutu, R. Cernat, C. Matei, A. M. Bratu, S. Banita, and D. C.
Dumitras, “Ethylene and ammonia traces measurements from the patients breath with
renal failure via LPAS method”, Applied Physics B – Lasers and Optics, Vol. 103,
DOI: 10.1007/s00340-011-4716-8, (2011).
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 41 -
[10]. M. Bratu, C. Popa, C. Matei, S. Banita, D. C. A. Dutu, and D. C. Dumitras “Removal
of interfering gases in breath biomarker measurements”, accepted to be published in
Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 13 (2011).
Capitol carte
[1]. D. C. Dumitras, A. M. Bratu, C. Popa „ CO2 laser photoacoustic spectroscopy for
biomarker measurements”, Chapter in „CO2 Laser-Optimisation and Application”,
Intech, Croatia (2012) ISBN 979-953-307-712-2, Ed. D. C. Dumitras.
Lecții invitate la conferințe internaționale, workshopuri
1. D. C. Dumitras, D. C. Dutu, C. Matei, A. M. Magureanu, M. Petrus, C. Popa, “Laser
photoacoustic spectroscopy: principles, instrumentation and characterization”, 15-th
International Conference ALT’07, Advanced Laser Technologies, Levi, Finland,
September 3-7, 2007 (Invited Lecture).
2. D. C. Dumitraş, D. C. Duţu, A. M. Măgureanu, M. Petruş, C. Matei, C. Popa,
“Performances and limits of laser photoacoustic spectroscopy for trace gas
measurements”, International Conference Advanced Laser Technologies ALT’08,
Siofok, Hungary, September 13-18, 2008 (Invited lecture).
3. D. C. Dumitraş, R. Dabu, D. C. A. Duţu, C. Matei, C. Achim, M. Paţachia, M. Petruş,
A. M. Bratu, Ş. Băniţă, “Extreme Light Infrastructure (ELI) and hadron therapy”,
First International Workshop on Radiotherapy with Neutrons, Protons and Carbon
Ions Beams RNPB ’09, Predeal, România, 27 February-1 March 2009 (Invited
lecture).
4. D. C. Dumitraş, D. C. A. Duţu, M. Patachia, A. M. Bratu, M. Petruş, C. Achim,
‘’Laser photoacoustic spectroscopy for exhaled biomarker measurements’’, II
International Symposium Topical Problems of Biophotonics TPB-2009, Optical
Bioimaging/Workshop, Nizhny Novgorod, Russia, 19- 24 July 2009 (Invited lecture).
5. D. C. Dumitraş, D. C. A. Duţu, A. M. Bratu, M. Paţachia, C. Achim, M. Petruş, C.
Matei, Ş. Băniţă, ”Photoacoustic spectroscopy: low vs. high laser power”,
International Conference Advanced Laser Technologies ALT’09, Antalya, Turcia, 26
September-1 October 2009 (Invited lecture).
6. D.C. Dumitras, C. Achim, D. Dutu, C. Matei, R. Cernat, A. M. Bratu, M. Petrus, M.
Patachia, S. Banita ,‘’Qualitative and quantitative determination of human biomarkers
by laser photoacoustic spectroscopy methods’’, 19th annual International Laser
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 42 -
Physics Workshop (LPHYS'10), Foz do Iguaçu, Brazil, July 5-9, 2010 (Invited
lecture).
7. D. C. Dumitraş, Ş. Băniţă, A. M. Bratu, C. Matei, C. Popa, “Assessment of medical
treatment efficiency based on multiple biomarkers measurement”, 19-th International
Conference on Advanced Laser Technologies - ALT’11, Golden Sands, Bulgaria,
September 3-8, 2011 (Invited lecture).
Prezentări orale și postere susținute la conferințe naționale și
internaționale în țară sau în străinătate
• D. C. Dumitraş, D. Duţu, C. Matei, A. M. Măgureanu, M. Petruş, C. Popa,
“Îmbunătăţirea dispozitivului fotoacustic laser pentru detecţia de gaze”
(Improvement of a laser photoacoustic instrument for trace gas detection), Sesiunea
de Comunicări Ştiinţifice cu ocazia centenarului prof. Agârbiceanu, UPB, 9 martie
2007 (Oral).
• D. C. Dumitraş, D. C. Duţu, C. Matei, A. M. Măgureanu, M. Petruş, C. Popa, M.
Paţachia, “Ethylene monitoring by photoacoustic spectroscopy during radiotherapy in
specific oncological cases”, International Conference - INDLAS - Second Edition
2008 “Modern Laser Applications”, Bran, Romania, May 20-23, 2008 (Poster).
• D. C. Dumitraş, D. C. Duţu, C. Matei, A. M. Măgureanu, M. Petruş, C. Popa, M.
Paţachia, “Ethylene monitoring by photoacoustic spectroscopy during radiotherapy in
specific oncological cases”, Sesiunea Ştiinţifică Anuală a Facultăţii de Fizică,
Universitatea Bucureşti, Măgurele, 6 iunie 2008 (Oral).
• M. Petruş, D. C. Dumitraş, D. C. Duţu, C. Matei, C. Popa, “Laser irradiation effects
on ENT tissues”, International Conference Advanced Laser Technologies ALT’08,
Siofok, Hungary, September 13-18, 2008 (Poster).
• C. Achim, D. C. Dumitraş, C. Matei, R. Cernat, “Photoacoustic spectroscopy devices
for measurements of ammonia absorption coefficients with applications in clinical
diagnosis by breath analysis”, Sesiunea Ştiinţifică Anuală a Facultăţii de Fizică,
Universitatea Bucureşti, Măgurele, 5 iunie 2009 (Oral).
• C. Achim, D. C. Dumitraş, D. C. A. Duţu, R. Cernat, “Evaluation of ammonia
absorption coefficients by photoacoustic spectroscopy for detection of ammonia levels
in human breath”, International Conference Advanced Laser Technologies ALT’09,
Antalya, Turcia, 26 September-1 October 2009 (Poster).
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 43 -
• R. Cernat, D. C .A. Duţu, M. Paţachia, C. Achim, D.C. Dumitraş, ”Noninvasive
detection of breath ammonia levels in renal diseases using laser photoacoustic
spectroscopy”, International Conference Advanced Laser Technologies ALT’09,
Antalya, Turcia, 26 September-1 October 2009 (Poster).
• C. Achim , R. Cernat, A. M. Bratu, S. Banita, D. Dutu, C. Matei, M. Petrus, M.
Patachia and D.C. Dumitras, ”Breath diagnostics using ultrasensitive CO2 laser
photoacoustic spectroscopy system”, International Student Workshop on Laser
Applications ISWLA 2010, Bran, Romania, 25-28 mai 2010 (Poster).
• M. Bratu, C. Achim, R. Cernat, D. Dutu, D. C. Dumitraş, „Laser measurements of
ammonia and ethylene at patients with renal dialysis”, ALT’10 Advanced Laser
Technologies Conference, Egmond aan Zee, The Netherlands, 12-15 September 2010
(Poster).
• C. Popa, R. Cernat, A. M. Bratu, D. C. A. Dutu and D. C. Dumitras, “Ethylene and
ammonia traces measurements from the patients breath with renal failure via LPAS
method”, 18th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'10),
Egmond aan Zee, Netherlands, September 11-16, 2010 (Poster).
• C. Achim, D. Dutu, and D.C. Dumitras,”Noninvasive investigation of human
biomarkers by laser photoacoustic spectroscopy methods”, Laser Bucharest Congress
2010 Meeting, Bucharest, November 11-13, 2010 (Oral).
• C. Popa, A. M. Bratu, D. C. A. Duţu, C. Matei, Ş. Băniţă, D. C. Dumitraş, „Analysis
of ethylene and ammonia as biomarkers for patients with renal failure”, International
Student Workshop on Laser Applications, Bran, Romania, 31 May-4 June, 2011
(Oral).
• Ş. Băniţă, D. C. A. Duţu, C. Matei, A. M. Bratu, M. Petruş, C. Achim, M. Paţachia, D.
C. Dumitraş, „Ethylene concentration measurement at fruits using LPAS”,
International Student Workshop on Laser Applications, Bran, Romania, 31 May-4
June, 2011 (Oral).
• M. Bratu, C. Popa, C. Matei, Ş. Băniţă, D. C. Dumitraş, „Removing of interfering
gases in LPAS breath biomarker concentration measurements”, International Student
Workshop on Laser Applications, Bran, Romania, 31 May-4 June, 2011 (Oral).
• C. Achim, D. C. Dumitras, A. M. Bratu, D. C. A. Dutu , C. Matei, S. Banita, and A.
Popescu, “Detection of biomarkers at haemodialyzed patients” Sesiunea Ştiinţifică
Anuală a Facultăţii de Fizică, Universitatea Bucureşti, Măgurele, 17 iunie 2011 (Oral).
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 44 -
Membru în echipa de organizare a unor Conferințe Internaționale
• Light at Extreme Intensities - LEI2009 - Braşov, România, 15-21 Octombrie 2009,
www.lei2009.inflpr.ro
• International Student Workshop on Laser Applications – ISWLA’11 – Bran, Romania,
31 mai-4 iunie 2011, http://iswla.inflpr.ro/
Număr de citări ale articolelor publicate anterior
- 6 citări: “Laser photoacoustic spectroscopy: principles, instrumentation, and
characterization” Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 2007.
- 2 citări: “Measurements of ethylene concentration by laser photoacoustic techniques
with applications at breath analysis” Romanian Reports in Physics, 2008.
Studiul stresului oxidativ la pacienŃii dializaŃi, prin monitorizarea unor biomarkeri gazoşi, cu
ajutorul spectroscopiei fotoacustice – C. Achim (Popa)
- 45 -