[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种新型石英增强光声光谱（QEPAS）传感器，采用声耦合微共振腔与20 kHz石英音叉（QTF），用于无创呼气气体分析。该传感器利用纳米脉冲中红外光学参量振荡器（MIR OPO），在190秒内实现甲烷检测限为32 ppbv，展现出亚ppb灵敏度，背景噪声仅受QTF热噪声限制，从而实现高精度、低成本、便携式医疗诊断，通过呼气生物标志物检测实现。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、便携且高灵敏度的无创痕量气体分析仪，用于医学诊断，通过呼气分析实现。
• 通过实现实时、原位筛查，克服传统气相色谱与质谱法的局限，实现高灵敏度与高选择性。
• 引入可弃用气体腔室，消除测试后清洁需求，降低污染风险。
• 利用紧凑、坚固的QEPAS平台，实现甲烷和甲醇等生物标志物在呼气中亚ppb检测限。
• 展示采用高功率、宽波段可调谐纳米脉冲中红外OPO的QEPAS在临床应用中的可行性。

提出的方法

• QEPAS传感器采用两个声耦合的微共振腔（mR）与偏轴20 kHz石英音叉（QTF），以增强光声信号检测。
• 系统由波长锁定至3.314 µm的纳米脉冲单模中红外光学参量振荡器（MIR OPO）共振泵浦，用于甲烷检测。
• 采用有限元仿真优化mR结构几何形状，实验验证确认了设计性能。
• QTF的高Q因子（真空中最高达100,000）使弱光声信号在小体积气体中得以检测。
• 信号处理采用时间常数为300 ms的同步解调放大器，通过阿伦方差分析确定最优积分时间。
• 通过以0.5 nm步长扫描OPO波长获取光谱，并利用已知甲烷浓度进行校准，实现对甲醇等混合气体的定量检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用偏轴声耦合微共振腔的QEPAS传感器能否实现呼气中痕量气体的亚ppb检测限？
• RQ2 系统背景噪声是否主要由QTF热噪声主导，表明无显著杂散光或池腔吸收干扰？
• RQ3 在采用纳米脉冲中红外OPO的QEPAS系统中，最大化灵敏度的最优积分时间为何？
• RQ4 QEPAS平台能否在单次呼气样本中分辨并定量多种生物标志物（如甲烷和甲醇）？
• RQ5 该传感器能否在保持低制造成本与可弃用性的同时，实现临床呼气分析所需的足够灵敏度与选择性？

主要发现

• 该QEPAS传感器在190秒积分时间内对甲烷的检测限为32 ppbv，此时白噪声为最主要的噪声源。
• 背景噪声被证实仅来源于QTF热噪声，杂散光或池腔吸收无显著贡献。
• 仪器的分辨率带宽测量值约为1 cm⁻¹，可清晰分辨甲烷光谱中的Q、R和P支。
• 成功测量并区分了单一气体及混合气体（甲烷与甲醇）的光谱，两组测试中甲醇浓度分别估算为35±5 ppm和15±5 ppm。
• 系统通过采用纳米脉冲中红外OPO，展现出高灵敏度与选择性，该组合在QEPAS痕量气体检测中为首次应用。
• 使用可弃用气体腔室可实现无污染、快速且低成本运行，显著提升临床部署的实用性。