【無創呼氣診斷】山西大學實現免校準、ppb級的實時氨測量

與(yu) 血液分析相比，人體(ti) 呼氣分析通過量化呼出的生物標誌物，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(chuan) 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，並采用拍頻石英增強光聲技術（beat-frequency quartz-enhanced photoacoustic technique, BF-QEPAS），消除了傳(chuan) 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(you) 化傳(chuan) 感器係統的調製深度和調製頻率，在3 ms的積分時間內(nei) 實現了9.5 ppb的檢測限。研究組的實驗記錄了八名健康誌願者呼出的氨氣含量，並對實時測量結果進行分析。與(yu) 傳(chuan) 統的 QEPAS 傳(chuan) 感器相比，該項目所提出的基於(yu) BF-QEPAS 的傳(chuan) 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月發表於(yu) 《Sensors and Actuators: B. Chemical》。

圖一 基於(yu) BF-QEPAS的免校準、ppb級、實時中紅外人體(ti) 呼出氨傳(chuan) 感器論文封麵

氨主要通過肝髒和腎髒的代謝過程從(cong) 人體(ti) 排出，因此人體(ti) 氨（NH3）水平的變化與(yu) 肝髒和腎髒的功能障礙有關(guan) ，當肝髒和腎髒發生疾病時，代謝紊亂(luan) 會(hui) 導致體(ti) 內(nei) 氨水平升高。然而，目前關(guan) 於(yu) 人體(ti) 氨水平的醫學測量仍依賴於(yu) 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，然而麵對臨(lin) 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，迫切需要開發新的方法來完成人體(ti) 呼吸氨氣的檢測。

近年來，隨著光聲技術的發展，基於(yu) 石英增強光聲光譜（QEPAS）的痕量氣體(ti) 傳(chuan) 感器具有更佳的抗噪性和更強的分析能力。隨後興(xing) 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麵比傳(chuan) 統的 QEPAS 更具優(you) 勢。BF-QEPAS 要求激光調製頻率與(yu) 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(liang) 個(ge) 頻率之間的拍頻信號，快速獲取及反演痕量氣體(ti) 濃度。因此，BF-QEPAS 避免了校準過程和波長鎖定要求，並允許對目標痕量氣體(ti) 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(wei) 10.359 µm 的連續波（CW）分布式反饋量子級聯激光器（DFB-QCL）作為(wei) 光源。項目組采用的激光波長調諧範圍涵蓋從(cong) 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幹擾的強吸收譜線。昕虹光電為(wei) 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，便於(yu) 科研人員快速搭建一套基於(yu) QCL的激光發射光源。

如圖二所示，傳(chuan) 感器係統由呼吸采樣係統、光聲傳(chuan) 感單元、控製與(yu) 數據處理單元三部分組成。呼吸采樣係統旨在收集呼出氣並調節氣體(ti) 壓力和流量，為(wei) 光聲檢測提供合適的測量環境。光聲傳(chuan) 感單元則是采用了BF-QEPAS技術的傳(chuan) 感器核心部分。其中，控製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(wei) 激光器提供工作電流並控製其溫度。實驗結果顯示該傳(chuan) 感器原型機能夠達到9.5ppb的檢測極限。

圖二 基於(yu) BF-QEPAS的人體(ti) 呼出氣氨傳(chuan) 感器原型照片

項目組並演示了八名健康誌願者基於(yu) BF-QEPAS 傳(chuan) 感器係統的呼出氣實時氨測量。圖三為(wei) 一個(ge) 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氨濃度分布在150-640ppb範圍內(nei) ，均低於(yu) 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(ge) 體(ti) 濃度差異。

圖三 基於(yu) BF-QEPAS 傳(chuan) 感器係統的誌願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,