您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
6
【無創(chuàng)呼氣診斷】山西大學實現(xiàn)免校準,、ppb級的實時氨測量
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（beat-frequency quartz-enhanced photoacoustic technique, BF-QEPAS）,，消除了傳統(tǒng)石英增強光聲光譜技術（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、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，當肝臟和腎臟發(fā)生疾病時,，代謝紊亂會導致體內(nèi)氨水平升高,。然而，目前關于人體氨水平的醫(yī)學測量仍依賴于血液分析,，這是一種具有感染風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*、樣品量小,、響應時間快,、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）技術在響應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
（更多產(chǎn)品信息看這里：昕虹光電一站式紅外激光傳感組件系列）
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,