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

采用微化設(shè)計(jì)的一體式光纖光譜儀，其性能可與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)媲美。

能夠檢測(cè)十億分之一(ppb)水平痕量濃度的小型化光譜系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制和生物醫(yī)學(xué)診斷等應(yīng)用至關(guān)重要。

然而，傳統(tǒng)的臺(tái)式光譜系統(tǒng)通常太大、太復(fù)雜，而且不適合在密閉空間中使用。傳統(tǒng)的激光光譜學(xué)技術(shù)依賴(lài)于體積龐大的組件 —— 包括光源、反射鏡、探測(cè)器和氣細(xì)胞 —— 來(lái)測(cè)量光的吸收或散射。這使得它們不適合微創(chuàng)應(yīng)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(jìn)光子學(xué)》(Advanced Photonics)雜志上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自中國(guó)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(shè)備可以檢測(cè)ppb級(jí)的微量氣體，并在毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)分析納升級(jí)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(xué)的Bai-Ou Guan教授解釋說(shuō)：“我們?cè)噲D解決將當(dāng)前光聲光譜儀縮小到微尺度尺寸的重大挑戰(zhàn)，同時(shí)保持其高傳感性能，特別是對(duì)于需要最小侵入性的血管內(nèi)診斷和鋰電池健康監(jiān)測(cè)。”

小型化全光纖光聲光譜儀 (FPAS) 由單根光纖、二氧化硅毛細(xì)管和彈性膜組成。纖維的端面和膜形成法布里-珀羅腔。當(dāng)氣體分子吸收泵浦光時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生聲波，從而導(dǎo)致膜振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)改變反射探針光的強(qiáng)度，然后對(duì)其進(jìn)行分析以檢測(cè)痕量氣體濃度。

利用光聲光譜學(xué)

目前的激光光譜系統(tǒng)大多采用開(kāi)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(jìn)行操作，該系統(tǒng)可以檢測(cè)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(jìn)行聲放大，或使用大尺寸麥克風(fēng)來(lái)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(gè)光纖尖端和一段二氧化硅毛細(xì)管中，以構(gòu)建微尺度法布里-珀羅(F-P)腔。二氧化硅腔充當(dāng)一個(gè)堅(jiān)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(bǔ)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(wú)關(guān)的光聲響應(yīng)。

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

緊湊而強(qiáng)大的設(shè)計(jì)

由于F-P腔的長(zhǎng)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(duì)乙炔氣體的檢測(cè)極限低至9 ppb，幾乎與大型傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室光譜儀一樣靈敏。短腔長(zhǎng)度也使超快測(cè)量成為可能，響應(yīng)時(shí)間快至18毫秒，比傳統(tǒng)的光聲光譜系統(tǒng)快2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。

研究人員成功地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了流動(dòng)氣體中的二氧化碳(CO2)濃度，檢測(cè)了樣品體積小至100納升的酵母溶液中的發(fā)酵，并通過(guò)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(xué)副教授Jun Ma解釋說(shuō)：“光譜儀在缺氧(低氧)和高碳酸(高二氧化碳)條件下有效地測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血管內(nèi)血?dú)獾臐摿??！?/p>

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(luò)集成，使該系統(tǒng)成為一種經(jīng)濟(jì)、緊湊和靈活的光譜學(xué)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(diǎn)，能夠以微探針的形式提供實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的精度，具有連續(xù)血管內(nèi)血?dú)獗O(jiān)測(cè)、鋰離子電池的微創(chuàng)健康評(píng)估以及極窄空間內(nèi)爆炸性氣體泄漏的遠(yuǎn)程檢測(cè)等應(yīng)用潛力。

審核編輯 黃宇