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                          2022-05

                          【無創呼氣診斷】山西大學實現免校準、ppb級的實時氨測量

                          Author:admin

                          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診斷方式。山西大學董磊教授團隊實現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、優化傳感器系統的調制深度和調制頻率,在3 ms的積分時間內實現了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,并對實時測量結果進行分析。與傳統的 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 level20222月發表于《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 

                          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,當肝臟和腎臟發生疾病時,代謝紊亂會導致體內氨水平升高。然而,目前關于人體氨水平的醫學測量依賴于血液分析,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氨氣監測,然而面對臨床診斷的呼吸分析存在分辨率極高、樣品量小、響應時間快、校準間隔長等要求,迫切需要開發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的 QEPAS 更具優勢。BF-QEPAS 要求激光調制頻率與石英音叉(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 的連續波(CW)分布式反饋量子級聯激光器(DFB-QCL)作為光源。項目組采用的激光波長調諧范圍涵蓋從 964.955 cm-1  966.873 cm-1,其中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激光器發射頭,集成了高質量進口激光芯片、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的激光發射光源。


                          如圖二所示,傳感器系統由呼吸采樣系統、光聲傳感單元、控制與數據處理單元三部分組成。呼吸采樣系統旨在收集呼出氣并調節氣體壓力和流量,為光聲檢測提供合適的測量環境。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,控制和數據處理單元中采用了來自昕虹光電的QC750-touch屏顯激光驅動器,為激光器提供工作電流并控制其溫度。實驗結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

                          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果濃度分布在150-640ppb范圍內,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 傳感器系統的志愿者呼出氣實時測量濃度曲線 

                          圖三 基于 BF-QEPAS 傳感器系統的志愿者呼出氣實時測量濃度曲線


                          (更多產品信息看這里: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, https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131510.


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