與血液分析相比，人體呼氣分析通過量化呼出的生物標志物，提供了一種非侵入式的實時無創(chuàng)診斷方式。山西大學(xué)董磊教授團隊實現(xiàn)了一款無需校準的中紅外（MIR）呼氣傳感器，采用 10.359μm 中紅外量子級聯(lián)激光器（QCL）瞄準氨的強吸收譜線，并采用拍頻石英增強光聲技術(shù)（beat-frequency quartz-enhanced photoacoustic technique, BF-QEPAS），消除了傳統(tǒng)石英增強光聲光譜技術(shù)（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS）校準過程和波長鎖定的要求。通過研究吸附解吸效應(yīng)、優(yōu)化傳感器系統(tǒng)的調(diào)制深度和調(diào)制頻率，在3 ms的積分時間內(nèi)實現(xiàn)了9.5 ppb的檢測限。研究組的實驗記錄了八名健康志愿者呼出的氨氣含量，并對實時測量結(jié)果進行分析。與傳統(tǒng)的 QEPAS 傳感器相比，該項目所提出的基于 BF-QEPAS 的傳感器具有更高的靈敏度、更快的響應(yīng)時間。
這項研究成果《Calibration-free mid-infrared exhaled breath sensor based on BF-QEPAS for real-time ammonia measurements at ppb level》2022年2月發(fā)表于《Sensors and Actuators: B. Chemical》。
圖一 基于BF-QEPAS的免校準、ppb級、實時中紅外人體呼出氨傳感器論文封面
氨主要通過肝臟和腎臟的代謝過程從人體排出，因此人體氨（NH3）水平的變化與肝臟和腎臟的功能障礙有關(guān)，當肝臟和腎臟發(fā)生疾病時，代謝紊亂會導(dǎo)致體內(nèi)氨水平升高。然而，目前關(guān)于人體氨水平的醫(yī)學(xué)測量仍依賴于血液分析，這是一種具有感染風(fēng)險的侵入性診斷方法。盡管近年來有一些新的方法實現(xiàn)氨氣監(jiān)測，然而面對臨床診斷的呼吸分析存在分辨率極高、樣品量小、響應(yīng)時間快、校準間隔長等要求，迫切需要開發(fā)新的方法來完成人體呼吸氨氣的檢測。
近年來，隨著光聲技術(shù)的發(fā)展，基于石英增強光聲光譜（QEPAS）的痕量氣體傳感器具有更佳的抗噪性和更強的分析能力。隨后興起的拍頻石英增強光聲光譜（BF-QEPAS）技術(shù)在響應(yīng)時間和校準間隔方面比傳統(tǒng)的 QEPAS 更具優(yōu)勢。BF-QEPAS 要求激光調(diào)制頻率與石英音叉（QTF）諧振頻率失諧，當激光波長快速掃描通過目標吸收線時，可以得到兩個頻率之間的拍頻信號，快速獲取及反演痕量氣體濃度。因此，BF-QEPAS 避免了校準過程和波長鎖定要求，并允許對目標痕量氣體進行實時監(jiān)測。
山西大學(xué)團隊針對選定的氨吸收線，采用中心波長為 10.359 μm 的連續(xù)波（CW）分布式反饋量子級聯(lián)激光器（DFB-QCL）作為光源。項目組采用的激光波長調(diào)諧范圍涵蓋從 964.955 cm-1 到 966.873 cm-1，其中在965.35 cm-1是一條幾乎不受水和二氧化碳干擾的強吸收譜線。昕虹光電為項目組提供了QC-Qube 全功能迷你量子級聯(lián)激光器發(fā)射頭，集成了高質(zhì)量進口激光芯片、珀耳帖冷卻器、低噪聲風(fēng)扇和輸出光束準直透鏡組，便于科研人員快速搭建一套基于 QCL的激光發(fā)射光源。
如圖二所示，傳感器系統(tǒng)由呼吸采樣系統(tǒng)、光聲傳感單元、控制與數(shù)據(jù)處理單元三部分組成。呼吸采樣系統(tǒng)旨在收集呼出氣并調(diào)節(jié)氣體壓力和流量，為光聲檢測提供合適的測量環(huán)境。光聲傳感單元則是采用了BF-QEPAS技術(shù)的傳感器核心部分。其中，控制和數(shù)據(jù)處理單元中采用了來自昕虹光電的QC750-touch屏顯激光驅(qū)動器，為激光器提供工作電流并控制其溫度。實驗結(jié)果顯示該傳感器原型機能夠達到9.5ppb的檢測極限。
圖二 基于BF-QEPAS的人體呼出氣氨傳感器原型照片
項目組并演示了八名健康志愿者基于 BF-QEPAS 傳感器系統(tǒng)的呼出氣實時氨測量。圖三為一個典型呼氣過程中氨和二氧化碳的濃度變化曲線。八名健康受試者的測量結(jié)果氨濃度分布在150-640ppb范圍內(nèi)，均低于1500ppb的安全閾值。實驗表明，即使是健康的受試者也存在較大的個體濃度差異。
圖三 基于 BF-QEPAS 傳感器系統(tǒng)的志愿者呼出氣實時測量濃度曲線
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參考文獻：Biao Li, Chaofan Feng, Hongpeng Wu, Suotang Jia, Lei Dong, Calibration-free mid-infrared exhaled breath sensor based on BF-QEPAS for real-time ammonia measurements at ppb level, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 358, 2022, 131510, ISSN 0925-4005, https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131510.
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