[論文レビュー] Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy as a platform for non-invasive trace gas analyser targeting breath analysis

Jan C. Petersen, Laurent Lamard+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2017

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、非侵襲的呼気ガス分析を目的として、音響的に結合されたマイクロレゾネータと20 kHzの石英ターンフォーク（QTF）を備えた新規な強化光音響分光法（QEPAS）センサーを提案する。ナノ秒パルス中赤外線OPOを用いてメタンを32 ppbv@190sで検出可能であり、背景ノイズはQTFの熱雑音に起因するのみで、ppb未満の感度を実現している。これにより、高精度で低コストかつポータブルな医療診断が、呼気バイオマーカーの検出によって可能となる。

ABSTRACT

An innovative and novel quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) sensor for highly sensitive and selective breath gas analysis is introduced. The QEPAS sensor consists of two acoustically coupled micro-resonators (mR) with an off-axis 20 kHz quartz tuning fork (QTF). The complete acoustically coupled mR system is optimized based on finite element simulations and experimentally verified. Due to the very low fabrication costs the QEPAS sensor presents a clear breakthrough in the field of photoacoustic spectroscopy by introducing novel disposable gas chambers in order to avoid cleaning after each test. The QEPAS sensor is pumped resonantly by a nanosecond pulsed single-mode mid-infrared optical parametric oscillator (MIR OPO). Spectroscopic measurements of methane and methanol in the 3.1 $μ$m to 3.7 $μ$m wavelength region is conducted. Demonstrating a resolution bandwidth of 1 cm$^{-1}$. An Allan deviation analysis shows that the detection limit at optimum integration time for the QEPAS sensor is 32 ppbv@190s for methane and that the background noise is solely due to the thermal noise of the QTF. Spectra of both individual molecules as well as mixtures of molecules were measured and analyzed. The molecules are representative of exhaled breath gasses that are bio-markers for medical diagnostics.

研究の動機と目的

• 呼気分析を用いた医療診断のための低コスト・ポータブルで高感度な非侵襲的微量ガス分析器の開発。
• 従来のガスクロマトグラフィーおよび質量分析法の限界を克服し、高感度・高選択性を備えたリアルタイム・現地でのスクリーニングを可能にする。
• 使用後清掃を不要とする使い捨てガスセルの導入により、汚染リスクを低減する。
• コンactで丈夫なQEPASプラットフォームを用いて、呼気中のバイオマーカー（メタンやメタノールなど）のppb未満検出限界を達成する。
• ナノ秒パルス中赤外線OPOを用いたQEPASの臨床応用可能性を実証する。

提案手法

• QEPASセンサーは、オフアームの20 kHz石英ターンフォーク（QTF）を介して音響的に結合された2つのマイクロレゾネータ（mR）を用い、光音響信号検出を強化する。
• システムは、メタン検出のため3.314 µmにチューニングされたナノ秒パルス単モード中赤外線光学的パラメトリックオシレータ（MIR OPO）により共鳴励起される。
• 有限要素シミュレーションを用いてmRの幾何形状を最適化し、実験的妥当性評価によって設計性能が確認された。
• QTFの高Qファクター（真空中で最大100,000）により、小さなガス体積内での微弱な光音響信号の検出が可能である。
• 信号処理には300 msの時間定数を有するロックインアンプを用い、アラン分散解析により最適な積分時間を特定した。
• スペクトルはOPO波長を0.5 nmステップで走査し、メタノールなどの混合ガスの定量的検出のため、既知のメタン濃度でキャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オフアームの音響的に結合されたマイクロレゾネータを備えたQEPASセンサーは、呼気中の微量ガスに対してppb未満の検出限界を達成できるか？
• RQ2 システムのバックグラウンドノイズがQTFの熱雑音に支配的であるか、これは不要光やセル吸収による干渉が最小限であることを示唆するか？
• RQ3 ナノ秒パルスMIR OPOを用いたQEPASシステムにおいて、感度を最大化する最適な積分時間は何か？
• RQ4 QEPASプラットフォームは、1回の呼気サンプルでメタンやメタノールといった複数のバイオマーカーを解離して定量できるか？
• RQ5 低コストで使い捨て可能な特性を維持しつつ、十分な感度と選択性を有するセンサーは、臨床的呼気分析に十分な性能を発揮できるか？

主な発見

• QEPASセンサーは、メタンの検出限界を32 ppbv@190sで達成した。この積分時間ではホワイトノイズが主なノイズ源であった。
• バックグラウンドノイズはQTFの熱雑音に起因しており、不要光やセル吸収による顕著な寄与は認められなかった。
• 装置の分解能帯域幅は約1 cm⁻¹と測定され、メタンスペクトルのQ-、R-、P-分岐を明確に解離可能であった。
• 個々のガスおよび混合ガス（メタンとメタノール）のスペクトルが正常に測定され、区別可能であった。2つの試験ケースでメタノール濃度はそれぞれ35±5 ppmおよび15±5 ppmと推定された。
• ナノ秒パルスMIR OPOを用いたQEPASは、微量ガスセンシング分野において新規な組み合わせであり、高い感度と選択性を示した。
• 使い捨てガスセルの使用により、汚染を伴わず、迅速かつ低コストな運用が可能となり、臨床現場への実用的応用性が向上した。