Высокодобротный ЯКР сенсор для медицинских приложений

АКТУАЛЬНОСТЬ. Проектирование и разработка радиочастотных (РЧ) датчиков катушек является важной инженерно-технической и, одновременно, фундаментальной задачей для тех радиоспектроскопических приборов, в которых требуется увеличение чувствительности, измеряемое как отношение сигнал/шум (SNR). Радиоспектроскопия ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР), особенно в соединениях азота, в которых резонансная частота очень низка и составляет от единицы мегагерц или ниже - до сотен килогерц, требует применения специальных решений для увеличения чувствительности. ЦЕЛЬ. Теоретическое обоснование и поиск технического решения, которое позволяет добиться высокой чувствительности на стандартном оборудовании за счет применения высокодобротного датчика. МЕТОДЫ. Рассмотрены методы оптимизации конструкции датчиков для ЯКР/ЯМР спектрометров. Рассчитана, спроектирована конструкция сенсора для спектрометра ЯКР, содержащая катушку индуктивности, намотанную проводом типа литцендрат. РЕЗУЛЬТАТЫ. Изготовлена высокодобротная катушка для датчика спектрометра, дающая увеличение добротности примерно в 1,5 раза. Использование спектрометра с данной катушкой позволило уверенно регистрировать, слабые зашумленные сигналы парацетамола при низком коэффициенте заполнения. Чувствительность датчика позволило различить по спектральным характеристикам препараты разных производителей. ВЫВОДЫ. Разработан, смоделирован и изготовлен соленоидный датчик, обладающий высокой добротностью и позволяющий регистрировать сигналы квадрупольного резонанса лекарственных средств (парацетамол) неразрушающим методом непосредственно через упаковку. Показана возможность использования такого датчика для контроля качества лекарственных средств, выявления фальсифицированных и поддельных лекарств.

1. World Health Organization (WHO). Substandard and falsified medical products. [Abstract]. Available at: https://www.who.int/health-topics/substandard-and-falsified-medical-products#tab=tab_1. Accessed: 25 May 2023.

2. Bagozzi D. WHO-led anti-counterfeiting coalition examines technologies to prevent fake drugs. In: World Health Organization (WHO); 13 March 2007. Prague; 2007. Available at: https://www.who.int/news/item/13-03-2007-who-led-anti-counterfeiting-coalition-examines-technologies-to-prevent-fake-drugs. Accessed: 25 May 2023.

3. The European Commission (EC). Pharmaceutical Products—information and safety measures proposed by the EU.[Abstract]. Available at: http://ec.europa.eu/news/business/081210_1_en.htm. Accessed: 25 May 2023.

4. The European Commission (EC). European Commission—Counterfeit Medicines.[Abstract].Available at: http://ec.europa.eu/enterprise/pharmaceuticals/counterf_par_trade/counterfeit_en.htm. Accessed: 25 May 2023.

5. The European Commission (EC). Millions of counterfeit drugs seized in the EU.[Abstract].Available at: http://www.neurope.eu/articles/91132.php. Accessed: 25 May 2023.

6. Chen H., Lin Z., Tan C. Application of near-infrared spectroscopy and class-modeling to antibiotic authentication. Anal Biochem.2020;590:113514. doi: 10.1016/j.ab.2019.113514.

7. Assi S., Khan I., Edwards A., et al. On-spot quantification of modafinil in generic medicines purchased from the Internet using handheld Fourier transform-infrared, near-infrared and Raman spectroscopy. J Anal Sci Technol. 2020:113514. doi: 10.1186/s40543-020-00229-3.

8. Dégardin K., Guillemain A., Klespe P., et al. Packaging analysis of counterfeit medicines. Forensic Sci Int.2018; 291:144-157. doi:10.1016/j.forsciint.2018.08.023.

9. Eliasson C., Matousek P. Noninvasive authentication of pharmaceutical products through packaging using spatially offset Raman spectroscopy. Anal Chem. 2007;79(4):1696-1701. doi: 10.1021/ac062223z.

10. SwarupBhunia, Soumyajit Mandal.Detecting fake pills with nuclear quadrupole resonance.IEEE Spectrum.Available at: https://spectrum.ieee.org/detecting-fake-pills-with-nuclear-quadrupole-resonance/. Accessed: 25 May 2023.

11. Barras J., Althoefer K., Rowe M.D., et al. The Emerging Field of Medicines Authentication by Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy. Applied Magnetic Resonance. 2012;43(4). doi: 10.1007/s00723-012-0320-2.

12. Barras J., Murnane D., Althoefer K., et al. Nitrogen-14 nuclear quadrupole resonance spectroscopy: a promising analytical methodology for medicines authentication and counterfeit antimalarial analysis. Anal Chem. 2013;85(5):2746-2753. doi: 10.1021/ac303267v.

13. Miller Joel B. and Geoffrey A. Barrall. Explosives detection with nuclear quadrupole resonance. American Scientist, 93. 2005: 50-57.

14. Garroway A.N., Buess M.N., Miller J.B., et al. Remote Sensing by Nuclear Quadrupole Resonance.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001;39(6): 1108-1118. doi: 10.1109/36.927420.

15. Apih T., Rameev B.Z., Mozzhukhin G.V., et al. Explosives Detection using Magnetic and Nuclear Resonance Techniques, NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics. Dordrecht, Netherlands: Springer, 168 p.

16. Trontelj Z., Pirnat J., Jazbinšek V., et al. Nuclear Quadrupole Resonance (NQR)— A Useful Spectroscopic Tool in Pharmacy for the Study of Polymorphism. Crystals. 2020; 10(6): 450. doi: 10.3390/cryst10060450.

17. Pannetier-Lecoeur M., Fermon C., Dyvorne H., et al. 14N NQR Detection of Explosives with Hybrid Sensors, In: Explosives Detection using Magnetic and Nuclear Resonance Techniques.2009. Springer, Pp. 31-40. doi: 10.1007/978-90-481-3062-7_2.

18. Seliger J., Zagar V. Double resonance experiments in low magnetic field: dynamic polarization of protons by (14)N and measurement of low NQR frequencies. J. MagnReson. 2009; 199(2): 199-207. doi: 10.1016/j.jmr.2009.05.001.

19. He D.F., Tchiki M., Itozaki H. Detecting the 14N NQR signal using a high –Tc SQUID.IEEE Transactions on applied superconductivity. 2007;17(2): 843-845. doi: 10.1109/TASC.2007.898204.

20. Mozzhukkin G.V., Rameev B.Z., Khusnutdinov R.R., et al. Three-frequency composite multipulse nuclear quadrupole resonance (NQR) technique for explosive detection. Applied Magnetic resonance. 2012; 43(4): 547-556. doi: 10.1117/12.923625.

21. Hemnani P., Rajarajan A.K., Joshi G., et al. (2020) Design of probe for NQR/NMR detection.International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE). 2020;10(4): 3468-3475. doi: 10.11591/ijece.v10i4. pp. 3468-3475.

22. Majewski A., Walker M. Design of Impedance Matching Networks for NMR and NQR Studies in the HF Band.Department Of Physics, University of Florida, 2016. Available at: http://www.phys.ufl.edu/~majewski/letters/match.pdf. Accessed: 25 May 2023.

23. Butterworth S. Effective Resistance of inductance Coils at Radio Frequencies.Experimental Wireless and the Wireless Engineer.1926; 3: 203,267,417,483.

24. Medhurst RG.H.F. Resistance and Self-Capacitance of Single-Layer Solenoids. Wireless Engineer, Feb 1947 pp. 35-43, Mar 1947 pp.80-92.

25. Knight D.W. An introduction to the art of Solenoid Inductance Calculation. With emphasis on radio-frequencyapplications.Available at: https://www.g3ynh.info/zdocs/magnetics/Solenoids.pdf. Accessed: 25 May 2023.

26. Knight D.W. Practical continuous functions for the internal impedance of solid cylindrical conductors. doi: 10.13140/RG.2.1.3865.1284. Available at: https://www.g3ynh.info/zdocs/comps/Zint.pdf. Accessed: 25 May 2023.

27. Knight D.W. Solenoid Impedance and Q. Available at: https://www.g3ynh.info/zdocs/magnetics/SolenoidZ.pdf. Accessed: 25 May 2023.

28. Khusnutdinov R.R. Hardware and program system for determination of authenticity of medicines by nuclear quadrupole resonance method. Power engineering: research, equipment, technology. 2022;24(2):119-131. doi: 10.30724/1998-9903-2022-24-2-119-131.

29. Khusnutdinov R.R., Mukhamedshin I.R. Vozmozhnost' yadernogo kvadrupol'nogo rezonansa dlya razlicheniya paratsetamola raznykh proizvoditelei i raznykh form (partii) otodnogo i togo zhe proizvoditelya po spektral'nym kharakteristikam. In: Sbornik tezisov 15-i mezhdunarodnoishkoly-konferentsii «Magnitnyirezonansi ego prilozheniya»; 1–6 Apr 2018; St.Petersburg, Russia. pp. 187-189.