[논문 리뷰] Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy as a platform for non-invasive trace gas analyser targeting breath analysis

Jan C. Petersen, Laurent Lamard외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 24.

Spectroscopy and Laser Applications참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비침습적 호기 가스 분석을 위한 음향 결합된 마이크로 공진기와 20 kHz 퀀츠 튜닝 포크(QTF)를 갖춘 신규한 퀀츠 강화 광음향 스펙트로스코피(QEPAS) 센서를 제시한다. 나노초 펄스 중적외선 OPO를 사용하여 메탄의 검출 한계를 32 ppbv@190s로 달성하였으며, 배경 노이즈는 QTF의 열 노이즈에 의해 결정되어 하위 ppb 감도를 실현함으로써 고정밀, 저비용, 휴대용 의료 진단을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 호기 분석을 통해 의료 진단을 위한 저비용, 휴대용, 고감도 비침습적 미량 기체 분석기를 개발하기 위해.
• 기존의 기체 크로마토그래피 및 질량 분석 기술의 한계를 극복하여 실시간, 현장에서의 선별 검사가 가능하며 고감도 및 고선택성을 확보하기 위해.
• 사용 후 세척이 필요 없고 오염 위험을 줄이기 위해 소모성 기체 챔버를 도입하기 위해.
• 작고 견고한 QEPAS 플랫폼을 통해 메탄 및 메탄올과 같은 생체 표지물질의 하위 ppb 검출 한계를 달성하기 위해.
• 고출력, 넓은 파장 조절 범위를 갖춘 나노초 펄스 중적외선 OPO를 활용한 QEPAS의 임상 적용 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• QEPAS 센서는 오프애크스(off-axis) 20 kHz 퀀츠 튜닝 포크(QTF)를 사용하여 음향적으로 결합된 두 개의 마이크로 공진기(mR)를 활용하여 광음향 신호 탐지 성능을 향상시킨다.
• 시스템은 메탄 탐지를 위해 3.314 µm 파장으로 조정된 나노초 펄스 단일 모드 중적외선 광학 파라메트릭 오실레이터(MIR OPO)에 의해 공진적으로 펌프된다.
• 유한요소 시뮬레이션을 통해 mR의 기하구조를 최적화하였으며, 실험적 검증을 통해 설계 성능을 확인하였다.
• QTF의 고 품질 인자(Q-factor, 진공 상태에서 최대 100,000) 덕분에 작은 기체 부피에서 약한 광음향 신호도 탐지할 수 있다.
• 신호 처리에는 300 ms 시간 상수를 갖는 락인 앰프리피어를 사용하며, 올런 분석(Allan deviation analysis)을 통해 최적의 통합 시간을 결정하였다.
• 스펙트럼은 OPO 파장을 0.5 nm 간격으로 스캔하여 확보하며, 메탄 농도가 알려진 기준 시료를 대비하여 혼합 기체(예: 메탄 및 메탄올)의 정량적 탐지를 위해 校정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오프애크스 음향 결합 마이크로 공진기를 갖춘 QEPAS 센서가 호기 내 미량 기체에 대해 하위 ppb 검출 한계를 달성할 수 있는가?
• RQ2 시스템의 배경 노이즈가 QTF의 열 노이즈에 의해 지배되는가? 이는 잔류 빛이나 셀 흠수 흡수의 영향이 미미한지를 의미한다.
• RQ3 나노초 펄스 MIR OPO를 사용하는 QEPAS 시스템에서 감도를 극대화하기 위한 최적의 통합 시간은 무엇인가?
• RQ4 QEPAS 플랫폼이 메탄 및 메탄올과 같은 다수의 생체 표지물을 한 번의 호기 샘플에서 구분하고 정량화할 수 있는가?
• RQ5 저비용 제작 및 소모성 설계를 유지하면서도 임상용 호기 분석에 필요한 충분한 감도와 선택성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 메탄에 대해 QEPAS 센서는 32 ppbv@190s의 검출 한계를 확보하였으며, 이 통합 시간에서 화이트 노이즈가 주요 노이즈 원천으로 나타났다.
• 배경 노이즈는 QTF의 열 노이즈로만 기인하였으며, 잔류 빛이나 셀 흡수의 기여는 유의미하지 않았다.
• 기기의 해상도 대역폭은 약 1 cm⁻¹로 측정되어 메탄 스펙트럼의 Q-, R-, P-지점들을 명확히 분리할 수 있었다.
• 개별 기체 및 혼합 기체(메탄 및 메탄올)의 스펙트럼을 성공적으로 측정하고 구분하였으며, 두 테스트 케이스에서 메탄올 농도는 각각 35±5 ppm 및 15±5 ppm로 추정되었다.
• 고출력, 넓은 파장 조절 범위의 나노초 펄스 MIR OPO를 활용한 QEPAS 시스템은 추적적 기술 조합으로서의 신규성과 함께 고감도 기록을 확보하였다.
• 소모성 기체 챔버의 사용은 오염 없이 신속하고 저비용으로 운영 가능하게 하여 임상 현장 적용의 실용성을 향상시켰다.