Download - Rezumat Teza Dializa

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



- 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



- 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



- 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.



- 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



- 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.



- 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.



- 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



- 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



- 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



- 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.



- 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.



- 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



- 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



- 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).



- 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:



- 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



- 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;



- 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



- 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.



- 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



- 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



- 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.



- 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;



- 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



- 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.



- 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



- 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



- 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



- 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).



- 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



- 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



- 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



- 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.



- 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



- 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.



- 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.



- 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



- 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).



- 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).



- 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



- 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).



- 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).



- 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.



- 45 -

Download - Rezumat Teza Dializa

Top Related