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.
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