26
2022-05

【无创呼气诊断】山西大学实现免校准、ppb级的实时氨测量

Author:admin

与血液分析相比,人体呼气分析通过量化呼出的生物标志物,提供了一种非侵入式的实时无创诊断方式。山西大学董磊教授团队实现了一款无需校准的中红外(MIR)呼气传感器,采用 10.359µm 中红外量子级联激光器(QCL瞄准氨的强吸收谱线,并采用拍频石英增强光声技术(beat-frequency quartz-enhanced photoacoustic technique, BF-QEPAS),消除了传统石英增强光声光谱技术(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS校准过程和波长锁定的要求。通过研究吸附解吸效应、优化传感器系统的调制深度和调制频率,在3 ms的积分时间内实现了9.5 ppb的检测限。研究组的实验记录了八名健康志愿者呼出的氨气含量,并对实时测量结果进行分析。与传统的 QEPAS 传感器相比,该项目所提出的基于 BF-QEPAS 的传感器具有更高的灵敏度、更快的响应时间。


这项研究成果《Calibration-free mid-infrared exhaled breath sensor based on BF-QEPAS for real-time ammonia measurements at ppb level20222月发表于《Sensors and Actuators: B. Chemical》。


图一 基于BF-QEPAS的免校准、ppb级、实时中红外人体呼出氨传感器论文封面 

图一 基于BF-QEPAS的免校准、ppb级、实时中红外人体呼出氨传感器论文封面



氨主要通过肝脏和肾脏的代谢过程从人体排出,因此人体氨(NH3)水平的变化与肝脏和肾脏的功能障碍有关当肝脏和肾脏发生疾病时,代谢紊乱会导致体内氨水平升高然而,目前关于人体氨水平的医学测量依赖于血液分析,这是一种具有感染风险的侵入性诊断方法。尽管近年来有一些新的方法实现氨气监测,然而面对临床诊断的呼吸分析存在分辨率极高、样品量小、响应时间快、校准间隔长等要求,迫切需要开发新的方法来完成人体呼吸氨气的检测。


近年来,随着光声技术的发展,基于石英增强光声光谱(QEPAS)的痕量气体传感器具有更佳的抗噪性和更强的分析能力。随后兴起的拍频石英增强光声光谱(BF-QEPAS)技术在响应时间和校准间隔方面比传统的 QEPAS 更具优势。BF-QEPAS 要求激光调制频率与石英音叉(QTF)谐振频率失谐,当激光波长快速扫描通过目标吸收线时,可以得到两个频率之间的拍频信号,快速获取及反演痕量气体浓度。因此,BF-QEPAS 避免了校准过程和波长锁定要求,并允许对目标痕量气体进行实时监测。


山西大学团队针对选定的氨吸收线,采用中心波长为 10.359 µm 的连续波(CW)分布式反馈量子级联激光器(DFB-QCL)作为光源。项目组采用的激光波长调谐范围涵盖从 964.955 cm-1  966.873 cm-1,其中965.35 cm-1是一条几乎不受水和二氧化碳干扰的强吸收谱线。昕虹光电为项目组提供了QC-Qube 全功能迷你量子级联激光器发射头,集成了高质量进口激光芯片、珀耳帖冷却器、低噪声风扇和输出光束准直透镜组,便于科研人员快速搭建一套基于 QCL的激光发射光源。


如图二所示,传感器系统由呼吸采样系统、光声传感单元、控制与数据处理单元三部分组成。呼吸采样系统旨在收集呼出气并调节气体压力和流量,为光声检测提供合适的测量环境。光声传感单元则是采用了BF-QEPAS技术的传感器核心部分。其中,控制和数据处理单元中采用了来自昕虹光电的QC750-touch屏显激光驱动器,为激光器提供工作电流并控制其温度。实验结果显示该传感器原型机能够达到9.5ppb的检测极限。


图二 基于BF-QEPAS的人体呼出气氨传感器原型照片

图二 基于BF-QEPAS的人体呼出气氨传感器原型照片


项目组并演示了八名健康志愿者基于 BF-QEPAS 传感器系统呼出气实时氨测量。图三为一个典型呼气过程中氨和二氧化碳的浓度变化曲线。八名健康受试者的测量结果浓度分布在150-640ppb范围内,低于1500ppb的安全阈值。实验表明,即使是健康的受试者也存在较大的个体浓度差异。


图三 基于 BF-QEPAS 传感器系统的志愿者呼出气实时测量浓度曲线 

图三 基于 BF-QEPAS 传感器系统的志愿者呼出气实时测量浓度曲线


(更多产品信息看这里:昕虹光电一站式红外激光传感组件系列


参考文献: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.


相关链接:

1、虎年新干货:高速红外光电探测器为什么这么火?

2、又双叒叕升级啦!新版气体吸收池支持光纤耦合输入、输出

3、外部参考信号、全新屏显界面,您期待的锁相放大器来啦!

4、你看过激光跳舞吗?昕虹光电长光程气体池祝您红红火火迎新




上海昕虹光电科技有限公司 版权所有 备案号:沪ICP备14038530号 sitemap