與血液分析相比，人體呼氣分析通過量化呼出的生物標(biāo)志物，提供了一種非侵入式的實(shí)時(shí)無創(chuàng)診斷方式。山西大學(xué)董磊教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一款無需校準(zhǔn)的中紅外（MIR）呼氣傳感器，采用 10.359µm 中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）瞄準(zhǔn)氨的強(qiáng)吸收譜線，并采用拍頻石英增強(qiáng)光聲技術(shù)（beat-frequency quartz-enhanced photoacoustic technique, BF-QEPAS），消除了傳統(tǒng)石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS）校準(zhǔn)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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了9.5 ppb的檢測(cè)限。研究組的實(shí)驗(yàn)記錄了八名健康志愿者呼出的氨氣含量，并對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。與傳統(tǒng)的 QEPAS 傳感器相比，該項(xiàng)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(shí)間。

這項(xiàng)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(zhǔn)、ppb級(jí)、實(shí)時(shí)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(dāng)肝臟和腎臟發(fā)生疾病時(shí)，代謝紊亂會(huì)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(cè)量仍依賴于血液分析，這是一種具有感染風(fēng)險(xiǎn)的侵入性診斷方法。盡管近年來有一些新的方法實(shí)現(xiàn)氨氣監(jiān)測(cè)，然而面對(duì)臨床診斷的呼吸分析存在分辨率*、樣品量小、響應(yīng)時(shí)間快、校準(zhǔn)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(cè)。

近年來，隨著光聲技術(shù)的發(fā)展，基于石英增強(qiáng)光聲光譜（QEPAS）的痕量氣體傳感器具有更佳的抗噪性和更強(qiáng)的分析能力。隨后興起的拍頻石英增強(qiáng)光聲光譜（BF-QEPAS）技術(shù)在響應(yīng)時(shí)間和校準(zhǔn)間隔方面比傳統(tǒng)的 QEPAS 更具優(yōu)勢(shì)。BF-QEPAS 要求激光調(diào)制頻率與石英音叉（QTF）諧振頻率失諧，當(dāng)激光波長快速掃描通過目標(biāo)吸收線時(shí)，可以得到兩個(gè)頻率之間的拍頻信號(hào)，快速獲取及反演痕量氣體濃度。因此，BF-QEPAS 避免了校準(zhǔn)過程和波長鎖定要求，并允許對(duì)目標(biāo)痕量氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

山西大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(jí)聯(lián)激光器（DFB-QCL）作為光源。項(xiàng)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(qiáng)吸收譜線。昕虹光電為項(xiàng)目組提供了QC-Qube 全功能迷你量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)射頭，集成了高質(zhì)量進(jìn)口激光芯片、珀耳帖冷卻器、低噪聲風(fēng)扇和輸出光束準(zhǔn)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(cè)提供合適的測(cè)量環(huán)境。光聲傳感單元?jiǎng)t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(dòng)器，為激光器提供工作電流并控制其溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該傳感器原型機(jī)能夠達(dá)到9.5ppb的檢測(cè)極限。

圖二 基于BF-QEPAS的人體呼出氣氨傳感器原型照片

項(xiàng)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(shí)時(shí)氨測(cè)量。圖三為一個(gè)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(cè)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(shí)驗(yàn)表明，即使是健康的受試者也存在較大的個(gè)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(shí)時(shí)測(cè)量濃度曲線

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參考文獻(xiàn)：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,