光纖光聲光譜儀可實現(xiàn)連續(xù)的血管內(nèi)氣體監(jiān)測

采用微化設計的一體式光纖光譜儀，其性能可與傳統(tǒng)的實驗室系統(tǒng)媲美。

能夠檢測十億分之一(ppb)水平痕量濃度的小型化光譜系統(tǒng)對于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制和生物醫(yī)學診斷等應用至關重要。

然而，傳統(tǒng)的臺式光譜系統(tǒng)通常太大、太復雜，而且不適合在密閉空間中使用。傳統(tǒng)的激光光譜學技術依賴于體積龐大的組件 —— 包括光源、反射鏡、探測器和氣細胞 —— 來測量光的吸收或散射。這使得它們不適合微創(chuàng)應用，如血管內(nèi)診斷，其中緊湊性和精度是必不可少的。

發(fā)表在《先進光子學》(Advanced Photonics)雜志上的一項研究中，來自中國的研究人員展示了一種突破性的小型化全光纖光聲光譜儀(FPAS)。這種創(chuàng)新的設備可以檢測ppb級的微量氣體，并在毫秒級的響應時間內(nèi)分析納升級的樣品，使其特別適合于連續(xù)的血管內(nèi)氣體分析。

該文章的通訊作者，暨南大學的Bai-Ou Guan教授解釋說：“我們試圖解決將當前光聲光譜儀縮小到微尺度尺寸的重大挑戰(zhàn)，同時保持其高傳感性能，特別是對于需要最小侵入性的血管內(nèi)診斷和鋰電池健康監(jiān)測。”

小型化全光纖光聲光譜儀 (FPAS) 由單根光纖、二氧化硅毛細管和彈性膜組成。纖維的端面和膜形成法布里-珀羅腔。當氣體分子吸收泵浦光時，它們會產(chǎn)生聲波，從而導致膜振動。這種振動會改變反射探針光的強度，然后對其進行分析以檢測痕量氣體濃度。

利用光聲光譜學

目前的激光光譜系統(tǒng)大多采用開放路徑配置，其固有的靈敏度隨器件尺寸的減小而減小，而所提出的FPAS使用光聲光譜(PAS)進行操作，該系統(tǒng)可以檢測由調(diào)制光激發(fā)的氣體分子產(chǎn)生的聲波。

與傳統(tǒng)PAS系統(tǒng)使用體積龐大的諧振氣池進行聲放大，或使用大尺寸麥克風來提高聲靈敏度不同，全光纖光聲光譜儀將激光圖案彈性膜集成到單個光纖尖端和一段二氧化硅毛細管中，以構建微尺度法布里-珀羅(F-P)腔。二氧化硅腔充當一個堅固的邊界，有效地將氣體分子產(chǎn)生的聲波限制和積聚在柔性膜上。這種局部聲放大補償了由膜直徑減小引起的靈敏度損失，并產(chǎn)生了與尺寸無關的光聲響應。

此外，泵浦和探頭光束都直接通過同一根光纖傳輸，用于光聲信號的激發(fā)和檢測，避免了光傳輸中笨重的自由空間光學器件。

緊湊而強大的設計

由于F-P腔的長度僅為60微米(1μm= 10-6m)，直徑為125μm，因此該系統(tǒng)非常緊湊。盡管它的體積很小，但它對乙炔氣體的檢測極限低至9 ppb，幾乎與大型傳統(tǒng)實驗室光譜儀一樣靈敏。短腔長度也使超快測量成為可能，響應時間快至18毫秒，比傳統(tǒng)的光聲光譜系統(tǒng)快2~3個數(shù)量級。

研究人員成功地實時監(jiān)測了流動氣體中的二氧化碳(CO2)濃度，檢測了樣品體積小至100納升的酵母溶液中的發(fā)酵，并通過注射器將FPAS插入尾靜脈，跟蹤了體內(nèi)大鼠血管中溶解的CO2水平。暨南大學副教授Jun Ma解釋說：“光譜儀在缺氧(低氧)和高碳酸(高二氧化碳)條件下有效地測量了二氧化碳水平，突出了它在不需要采集血液樣本的情況下實時監(jiān)測血管內(nèi)血氣的潛力。”

此外，光纖可以很容易地連接到低成本的分布式反饋激光源，并與現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡集成，使該系統(tǒng)成為一種經(jīng)濟、緊湊和靈活的光譜學解決方案。

該微型化光譜儀具有體積小、靈敏度高、樣本量要求低的特點，能夠以微探針的形式提供實驗室級別的精度，具有連續(xù)血管內(nèi)血氣監(jiān)測、鋰離子電池的微創(chuàng)健康評估以及極窄空間內(nèi)爆炸性氣體泄漏的遠程檢測等應用潛力。

審核編輯 黃宇