КВАНТОВО-КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ В МЕДИЦИНЕ И БИОЛОГИИ (Обзор)

Рассмотрены вопросы применения квантово-каскадных лазеров (ККЛ) в медико-биологической практике. Проведен сравнительный анализ методов лазерной спектроскопии для неинвазивной диагностики заболеваний по выдыхаемому воздуху, приведены примеры практической реализации этой идеи на базе ККЛ. Обсуждаются вопросы применения ККЛ в традиционной лазерной хирургии и лазерной ангиопластике. Особое внимание уделено рассмотрению терагерцового имиджинга мягких тканей, а также вопросам микроспектроскопии и созданию с ее помощью гиперспектральных изображений биоткани в среднем инфракрасном диапазоне. Сформулирован ряд проблем, связанных с применением ККЛ в медицине, а также указаны возможные направления перспективных исследований, где ККЛ могут сыграть решающую роль.

квантово-каскадные лазеры, мягкая биологическая ткань, инфракрасная спектроскопия поглощения, анализ дыхания, лазерный скальпель, лазерная ангиопластика, терагерцовый имиджинг, микроспектроскопия, инфракрасные гиперспектральные изображения, pump-probe технология, quantum cascade lasers, soft biological tissue, infrared absorption spectroscopy, breath analysis, laser scalpel, laser angioplasty, terahertz imaging, microspectroscopy, infrared hyperspectral images, pump-probe technology

1. Е. В. Степанов. Тр. Ин-та общей физики им. А. М. Прохорова, 61 (2005) 47-53

2. Е. В. Степанов, В. А. Миляев. Квант. электрон., 32, № 11 (2002) 987-992

3. В. Л. Вакс, Е. Г. Домрачева, Е. А. Собакинская, М. Б. Черняева. Успехи физ. наук, 184, № 7 (2014) 739-758

4. V. Vaks. J. Infr. Millim. Terahertz Waves, 33, N 1 (2012) 43-53

5. Л. А. Скворцов. Журн. прикл. спектр., 81, № 5 (2014) 653-678 [L. A. Skvortsov. J. Appl. Spectr., 81 (2014) 725-749]

6. A. Schwaighofer, M. Brandstetter, B. Lendl. Chem. Soc. Rev., 46, N 19 (2017) 5903-5924

7. K. Wörle, F. Seichter, A. Wilk, C. Armacost, T. Day, M. Godejohann, U. Wachter, B. Mizaikoff. Analyt. Chem., 85, N 5 (2013) 2697-2702

8. C. Wang, P. Sahay. Sensors, 9, N 10 (2009) 8230-8262

9. V. Spagnolo, R. Lewicki, L. Dong, F. K. Tittel. Proc. 2011 IEEE International Workshop on Medical Measurements and Applications (MeMeA) (2011) 332-335

10. T. H. Risby, F. K. Tittel. Opt. Eng., 49 (2010) 111123-111137

11. J. H. Shorter, D. D. Nelson, J. B. McManus, M. S. Zahniser, D. K. Milton. IEEE Sens. J., 10, N 1 (2010) 76-84

12. K. Hashimura, K. Ishii, N. Akikusa, T. Edamura, H. Yoshida, K. Awazu. J. Innovat. Opt. Health Sci., 7, N 3 (2014) 1450029-1-9

13. Y. Huang, J. Kang. Proc. SPIE, 8209 (2012) 82091W

14. K. Hashimura, K. Ishii, N. Akikusa, T. Edamura, H. Yoshida, K. Awazu. Adv. Biomed. Engin., 1 (2012) 74-80

15. K. Hashimura, K. Ishii, K. Awazu. Opt. Rev., 23, N 2 (2016) 299-306

16. A. Schwaighofer, M. Montemurro, S. Freitag, C. Kristament, M. Culzoni, B. Lendl. Analyt. Chem., 90, N 11 (2018) 7072-7079

17. S. Kim, F. Hatami, A. Gu, A. Kurian, J. Ford, J. Harris, G. Scalari, J. Faist. In Lasers and Electro-Optics Society, LEOS 2006, 19th Annual Meeting of the IEEE (2006) 231-232

18. S. Kim, F. Hatami, G. Harris, A. Kurian, J. Ford, D. King, G. Scalari, M. Giovanny, M. Hoyler, J. Faist. Appl. Phys. Lett., 88, N 15 (2006) 153903-1-153903-3

19. C. Kuepper, A. Kallenbach-Thieltges, H. Juette, A. Tannapfel, F. Großerueschkamp, K. Gerwert. Sci. Rep. (Nature Publisher Group), 8, N 1 (2018) 1-10

20. D. Zhang, C. Li, C. Zhang, M. Slipchenko, G. Eakins, J. Cheng. Sci. Adv., 2, N 9 (2016) e1600521-1-7

21. M. Vitiello, G. Scalari, B. Williams, P. Natale. Opt. Express, 23, N 4 (2015) 5167-5182

22. M. Razeghi, Q. Lu, N. Bandyopadhyay, W. Zhou, D. Heydari, Y. Bai, S. Slivken. Opt. Express, 23, N 7 (2015) 8462-8475

23. R. Curl, F. Capasso, C. Gmachl, A. Kosterev, B. McManus, R. Lewicki, M. Pusharsky, G. Wysocki, F. Tittel. Chem. Phys. Lett., 487 (2010) 1-18

24. A. Lyakh, R. Maulini, A. Tsekoun, R. Go, C. Pflugl, L. Diehl, Q. Wang, F. Capasso, C. Kumar, N. Patel. Appl. Phys. Lett., 95, N 14 (2009) 14113-1-14113-9

25. И. И. Засавицкий. XII Всеросс. молодежная конкурс-конференция по оптике и лазерной физике, 12-16 ноября 2014 г., Самара (2014); http://www.myshared.ru/slide/968796

26. J. Faist, D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, M. Rochat, S. Blaser. IEEE J. Quantum Electron., 38, N 6 (2002) 533-546

27. A. Tredicucci, F. Capasso, C. Gmachl, D. Sivco, A. Hutchinson, A. Cho. Appl. Phys. Lett., 73, N 15 (1998) 2101-2103

28. J. Faist, M. Beck, T. Aellen, E. Gini. Appl. Phys. Lett., 78, N 2 (2001) 147-149

29. M. Belkin, F. Capasso. Phys. Scripta, 90, N 1 (2015) 118002-13

30. B. Williams, S. Kumar, Q. Hu, J. Reno. Electron. Lett., 42, N 2 (2006) 89-91

31. A. Lee, B. Williams, S. Kumar, Q. Hu, J. Reno. Opt. Lett., 7, N 35 (2010) 910-912

32. B. Williams. Nature Photon., 1, N 9 (2007) 517

33. Л. Скворцов. Квант. электрон., 41, № 12 (2011) 1051-1060

34. Л. Скворцов. Лазерные методы дистанционного обнаружения химических соединений на поверхности тел, Москва, Техносфера (2014)

35. Л. Скворцов. Квант. электрон., 42, № 1 (2012) 1-11

36. H. Preier. Semicond. Sci. Technol., 5 (1990) S12-S20

37. Ю. Курицын. Инфракрасная спектроскопия с инжекционными лазерами. Лазерная аналитическая спектроскопия, под ред. В. С. Летохова, Москва, Наука (1986) 120-173

38. Л. Скворцов. Основы фототермической радиометрии и лазерной термографии, Москва, Техносфера (2017)

39. D. Caffey, M. Radunsky, V. Cook, M. Weida, P. Buerki, S. Crivello, T. Day. Proc. SPIE, 7953 (2011) 79531K

40. R. Mihalcea, D. Baer, R. Hanson. Appl. Opt., 35 (1996) 4059-4064

41. D. Baer, R. Hanson, M. Newfield, N. Gopaul. Opt. Lett., 19 (1994) 1900-1902

42. П. Елисеев. Введение в физику инжекционных лазеров, Москва, Наука (1983)

43. I. Gordon, L. Rothman, C. Hill, R. Kochanov, Y. Tan, P. Bernath, B. Drouin. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 203 (2017) 3-69

44. P. Kluczynski, J. Gustafsson, A. Lindberg, O. Axner. Spectrochim. Acta B, 56 (2001) 1277-1354

45. B. Brumfield, M. M. Taubman, M. Phillips. Photonics, 3, N 2 (2016) 33

46. J. Haus. Optical Sensors: Basics and Applications, John Wiley & Sons (2010)

47. P. Zalicki, R. Zare. J. Chem. Phys., 102, N 7 (1995) 2708-2717

48. J. Wojtas, J. Mikolajczyk, Z. Bielecki. Sensors, 13, N 6 (2013) 7570-7598

49. J. Scherer, J. Paul, H. Jiao, A. O'Keefe. Appl. Opt., 40 (2001) 6725-6732

50. D. Baer, J. Paul, J. Gupta, A. O'Keefe. Appl. Phys. B: Las. Opt., 75 (2002) 261-265

51. Y. Bakhirkin, A. Kosterev, C. Roller, R. Curl, F. Tittel. Appl. Opt., 43 (2004) 2257-2266

52. Y. Bakhirkin, A. Kosterev, R. Curl, F. Tittel, D. Yarekha, L. Hvozdara, M. Giovannini, J. Faist. Appl. Phys. B: Las. Opt., 82 (2006) 149-154

53. R. Peeters, G. Berden, A. Apituley, G. Meijer. Appl. Phys. B: Las. Opt., 71 (2000) 231-236

54. H. Dahnke, D. Kleine, P. Hering, M. Mürtz. Appl. Phys. B: Las. Opt., 72 (2001) 971-975

55. H. Dahnke, D. Kleine, C. Urban, P. Hering, M. Murtz. Appl. Phys. B: Las. Opt., 72 (2001) 121-125

56. G. von Basum, D. Halmer, P. Hering, M. Murtz, S. Schiller, F. Mueller, A. Popp, F. Kuehnemann. Opt. Lett., 29 (2004) 797-799

57. D. Halmer, S. Thelen, P. Hering, M. Mürtz. Appl. Phys. B: Las. Opt., 85 (2006) 437-443

58. D. Halmer, G. von Basum, P. Hering, M. Murtz. Opt. Lett., 30 (2005) 2314-2316

59. П. Короленко, И. Николаев, В. Очкин, С. Цхай. Квант. электрон., 44, № 4 (2014) 353-361

60. A. O'Keefe, J. Scherer, J. Paul. Chem. Phys. Lett., 307, N 5-6 (1999) 343-349

61. J. Paul, L. Lapson, J. Anderson. Appl. Opt., 40, N 27 (2001) 4904-4910

62. G. Engel, W. Drisdell, F. Keutsch, E. Moyer, J. Anderson. Appl. Opt., 45, N 36 (2006) 9221-9229

63. I. Nikolaev, V. Ochkin, M. Spiridonov, S. Tskhai. Laser Phys., 21 (2011) 2088

64. I. Nikolaev, V. Ochkin, S. Tskhai. Laser Phys. Lett., 10 (2013) 115701

65. L. Kreuzer. J. Appl. Phys., 42 (1971) 2934

66. A. Rosencwaig, A. Gersho. J. Appl. Phys., 47 (1976) 64

67. Л. Скворцов. Квант. электрон., 43, № 1 (2013) 1-13

68. L. Skvortsov. Recent Patent. Eng., 3, N 2 (2009) 129-145

69. B. Paldus, T. Spence, R. Zare, J. Oomens, F. Harren, D. Parker, A. Hutchinson. Opt. Lett., 24, N 3 (1999) 178-180

70. F. Harren, G. Cotti, J. Oomens, S. Hekkert. Encycloped. Analyt. Chem., 3 (2000) 2203-2226

71. M. Haisch, P. Hering, P. Schadewaldt, H. Brosicke, B. Braden, S. Koletzko, C. Steffen. Isotop. Environ. Health Stud., 30, N 2-3 (1994) 253-257

72. F. Harren, J. Reuss. Progress in Photothermal and Photoacoustic Science and Technology, Life and Earth Science, Eds. A. Mandelis, P. Hess, SPIE, Bellingham, WA, 3 (1997) 83-127

73. A. Miklos, P. Hess, Z. Bozoki. Rev. Sci. Instrum., 72 (2001) 1937-1955

74. A. Elia, P. Lugarà M, C. Di Franco, V. Spagnolo. Sensors, 9 (2009) 9616

75. A. Kosterev, Y. Bakhirkin, R. Curl, F. Tittel. Opt. Lett., 27, N 21 (2002) 1902-1904

76. S. Ohira, K. Toda. Analyt. Chim. Acta, 619, N 2 (2008) 143-156

77. P. Pellegrino, R. Polcawich. Chem. Biol. Sensing IV, 5085 (2003) 52-64

78. M. Bain, N. Mitchell, B. Armstrong, J. Uotila, I. Kauppinen, E. Terray, B. Ward. Miniaturisation and Integration of a Cantilever Based Photoacoustic Sensor into Micro Micromachined Device, Abst., N 45 (2011) 2579

79. A. Slutsky. Am. J. Respir. Crit. Care Med., 160 (1999) 2104-2117

80. Am. J. Respir. Crit. Care Med., 171, N 8 (2005) 912-930

81. P. Mazzone, X. Wang, Y. Xu, T. Mekhail, M. Beukemann, J. Na, M. Sasidhar. J. Thoracic Oncol., 7, N 1 (2012) 137-142

82. J. Shorter, D. Nelson, J. McManus, M. Zahniser, D. Milton. IEEE Sensors J., 10, N 1 (2010) 76-84

83. A. Reyes-Reyes, Z. Hou, E. van Mastrigt, R. Horsten, J. De Jongste, M. Pijnenburg, N. Bhattacharya. Opt. Express, 22, N 15 (2014) 18299-18309

84. A. Reyes-Reyes, R. Horsten, H. Urbach, N. Bhattacharya. Analyt. Chem., 87, N 1 (2014) 507-512

85. Toshiba Develops Breath Analyzer for Medical Applications, Toshiba, Press Release (18 Mart, 2014)

86. Aerodyne Research Inc., Single Laser Quantum Cascade LaserTrace Gas Monitors: The Mini Monitor (2016)

87. Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха; http://www.amedgrup.ru/vozduh.html

88. M. Thorpe, K. Moll, J. Jones, B. Safdi, J. Ye. Science, 311 (2006) 1595-1599

89. M. Thorpe, D. Balslev-Clausen, M. Kirchner, J. Ye. Opt. Express, 16 (2008) 2387-2397

90. M. Bader, D. Tilki, G. Gratzke, R. Sroka, C. Stief, O. Reich. World J. Urol., 28 (2010) 169-172

91. N. Kelbauskiene, K. Baseviciene, A. Goharkhay, V. Moritz, V. Machiulskeiene. Laser. Med. Sci., 26 (2011) 445-452

92. S. Renvert, C. Lindahl, A. Jansåker, G. Persson. J. Clin. Periodontol., 38 (2011) 65-73

93. A. Chapas, L. Brightman, S. Sukal, E. Hale, D. Daniel, L. Bernstein, R. Geronemus. Lasers Surg. Med., 40 (2008) 381-386

94. Н. Калинцева, В. Серебряков. Волоконные системы доставки излучения для медицинских лазеров среднего ИК диапазона: требования и параметры; book.sarov.ru/wp-content/uploads/lazer-X-2017-15.pdf

95. Б. Тарасевич. ИК спектры основных классов органических соединений, cправ. матер., МГУ им. М. В. Ломоносова (2012)

96. Y. Andreev, A. Ionin, I. Kinyaevsky, Y. Klimachev, A. Kozlov, A. Kotkov, A. Shaiduko. Quantum Electron., 43, N 2 (2013) 139

97. G. Edwards, R. Logan, M. Copeland, L. Reinisch, J. Davidson, B. Johnson, R. Maciunas, M. Mendenhall, R. Osso, J. Tribble, J. Werkhaven, D. O'Day. Nature, 371 (2004) 416-419

98. J. Youn, G. Peavy, V. Venugopalan. Lasers Surg. Med., 36 (2005) 202-209

99. M. Heya, Y. Fukami, H. Nagats, Y. Nishida, K. Awazu. Nucl. Instrum. Method. Phys. Res., A 507, (2003) 564-568

100. M. Mackanos, J. Kozub, D. Hachey, K. Joos, D. Ellis, E. Jansen. Phys. Med. Biol., 50 (2005) 1885-1899

101. Y. Nakajima, K. Iwatsuki, K. Ishii, S. Suzuki, T. Fujinaka, T. Yoshimine, K. Awazu. J. Neurosurg., 104 (2006) 426-428

102. H. Hazama, Y. Takatani, K. Awazu. Proc. SPIE, 6455 (2007) 645507

103. M. Mackanos, D. Simanovskii, K. Joos, H. Schwettman, E. Jansen. Lasers Surg. Med., 39 (2007) 230-236

104. J. Kozub, B. Ivanov, A. Jayasinghe, R. Prasad, J. Shen, M. Klosner, D. Heller, M. Mendenhall, D. Piston, K. Joos, M. Hutson. Biomed. Opt. Express, 2 (2011) 1275-1281

105. G. Edwards, R. Pearlstein, M. Copeland, M. Hutson, K. Latone, A. Spiro, G. Pasmanik. Opt. Lett., 32 (2007) 1426-1428

106. H. Rong, S. Xu, O. Cohen, O. Raday, M. Lee, V. Sih, M. Paniccia. Nature Photon., 2, N 3 (2008) 170

107. F. Koenz, M. Frenz, H. Prastisto, H. Weber, A. Silenok, V. Konov. Proc. SPIE, 2624 (1996) 67

108. A. Oraevsky, S. Jacques, R. Esenaliev, F. Tittel. Laser. Surg. Med., 18, N 3 (1996) 231

109. Г. Желтов, О. Романов, В. Бурко, Э. Соболь. Лазер. мед., 20, № 3 (2016) 96

110. G. Zheltov, V. Lisinetskii, A. Grabtchikov, V. Orlovich. Appl. Opt., 47, N 3 (2008) 3549

111. T. Hutchens, A. Darafsheh, A. Fardad, A. Antoszyk, H. Ying, V. Astratov, N. Fried. J. Biomed. Opt., 19, N 1 (2014) 018003-1-018003-8

112. Y. Fukami, K. Awazu. Jpn. J. Appl. Phys., 42, N 6 (2015) 3716-3721

113. S. Suzuki-Yoshihashi, S. Yamada, I. Sato, K. Awazu. Proc. SPIE, 6083 (2006) 60830I-1

114. В. Серебряков, Э. Бойко, Н. Петрищев, А. Ян. Опт. журн., 77, № 1 (2010) 9-23

115. В. Тучин. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях, Москва, Физматлит (2010)

116. K. Hashimura, I. Katsunori, A. Kunio. Jpn. J. Appl. Phys., 54, N 11 (2015) 112701

117. K. Hashimura, K. Ishii, N. Akikusa, T. Edamura, H. Yoshida, K. Awazu. Transact. Jpn. Soc. Med. Biol. Eng., 51(Supplement) (2013) R-178

118. N. Masaki, S. Okazaki. Biomed. Opt. Express, 9, N 5 (2018) 2095-2103

119. S. Smye, J. Chamberlain, A. Fitzgerald, E. Berry. Phys. Med. Biol., 46, N 9 (2001) R101-R112

120. R. Huber, F. Tauser, A. Brodschelm, M. Bichler, G. Abstreiter, A. Leitenstorfer. Nature, 414 (2001) 286-289

121. D. Bennett, Z. Taylor, P. Tewari, R. Singh, M. Culjat, W. Grundfest, E. Brown. J. Biomed. Opt., 16, N 5 (2011) 057003

122. D. Mittleman, M. Gupta, R. Neelamani, R. Baraniuk, J. Rudd, M. Koch. Appl. Phys. B, 68, N 6 (1999) 1085-1094

123. D. Crawley, C. Longbottom, V. Wallace, B. Cole, D. Arnone, M. Pepper. J. Biomed. Opt., 8, N 2 (2003) 303-308

124. R. Woodward, P. Wallace, R. Pye, B. Cole, D. Arnone, E. Linfield, M. Pepper. J. Investigat. Dermatol., 120, N 1 (2003) 72-78

125. M. Lazebnik, D. Popovic, L. McCartney, C. Watkins, M. Lindstrom, J. Harter, W. Temple. Phys. Med. Biol., 52, N 20 (2007) 6093

126. E. Pickwell, B. Cole, A. Fitzgerald, M. Pepper, V. Wallace. Phys. Med. Biol., 49, N 9 (2004) 1595

127. R. Weissleder, M. Pittet. Nature, 452, N 7187 (2008) 580

128. D. Mittleman, R. Jacobsen, M. Nuss. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 2 (1996) 679

129. R. Woodward, B. Cole, V. Wallace, R. Pye, D. Arnone, E. Linfield, M. Pepper. Phys. Med. Biol., 47, N 21 (2002) 3853-3863

130. P. Bolivar, M. Brucherseifer, M. Nagel, H. Kurz, A. Bosserhoff, R. Büttner. Phys. Med. Biol., 47 (2002) 3815

131. T. Chan, J. Bjarnason, A. Lee, M. Celis, E. Brown. Appl. Phys. Lett., 85 (2004) 2523

132. R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. Beere, E. Linfield, A. Davies, F. Rossi. Nature, 417, N 6885 (2002) 156

133. C. Worrall, J. Alton, M. Houghton, S. Barbieri, H. Beere, D. Ritchie, C. Sirtori. Opt. Express, 14, N 1 (2006) 171-181

134. G. Bellisola, C. Sorio. Am. J. Cancer Res., 2, N 1 (2012) 1

135. M. Kole, R. Reddy, M. Schulmerich, M. Gelber, R. Bhargava. Analyt. Chem., 84 (2012) 10366-10372

136. N. Kröger-Lui, N. Gretz, K. Haase, B. Kränzlin, S. Neudecker, A. Pucci, W. Petrich. Analyst, 140, N 7 (2015) 2086-2092

137. K. Haase, N. Kröger-Lui, A. Pucci, A. Schönhals, W. Petrich. Faraday Discus., 187 (2016) 119-134

138. P. Bassan, M. Weida, J. Rowlette, P. Gardne. Analyst, 139 (2014) 3856-3859

139. M. Pilling, A. Henderson, P. Gardner. Analyt. Chem., 89 (2017) 7348-7355

140. M. Pilling, A. Henderson, B. Bird, M. Brown, N. Clarke, P. Gardner. Faraday Discus., 187 (2016) 135-154

141. D. Lasne, G. Blab, F. De Giorgi, F. Ichas, B. Lounis, L. Cognet. Opt. Express, 15 (2007) 14184-14193

142. A. Gaiduk, M. Yorulmaz, P. V. Ruijgrok, M. Orrit. Science, 330 (2010) 353-356

143. R. Furstenberg, C. A. Kendziora, M. R. Papantonakis, V. Nguyen, R. McGill. Proc. SPIE Defense, Security, and Sensing, Baltimore, MD, 9455 (2012) 945501

144. A. Mërtiri, A. Totachawattana, H. Liu, M. K. Hong, T. Gardner, M. Y. Sander, S. Erramilli. Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO’14), San Jose, CA, 8-13 June 2014 (2014)

145. M. Y. Sander. Mid-infrared Photothermal Imaging, in Frontiers in Optics 2015, San Jose, CA, 18-22 October 2015 (2015)

146. G. Chebotareva. Laser Phys., 8 (1998) 941

147. B. Wong, T. Milner, B. Anvari, A. Sviridov, A. Omel'chenko, V. Bagratashvili, E. Sobol, J. Nelson. Laser. Med. Sci., 13, N 1 (1998) 66-72

148. Л. Скворцов, В. Кириллов. Квант. электрон., 33, N 12 (2003) 1113-1117

149. В. Кириллов, Л. Скворцов. Квант. электрон., 36, N 8 (2006) 797-799