安光所在中空波导气体同位素光谱测量研究方面取得进展

呼气分析（EBA）以其无创、安全、无损、方便、快速、无条件的独立采样而闻名，在监测人体代谢状态和疾病早期诊断方面具有广阔的应用前景，是临床医学和生物医学的重要研究领域。其中呼出CO₂中的¹³C同位素丰度已被用作幽门螺杆菌阳性临床诊断的“金标准”， ¹⁸O与¹⁷O同位素丰度也是相关的生物标志物。因此，高精度同时测量呼出二氧化碳中的同位素丰度变化具有相当大的临床价值。

团队张志荣研究员、夏滑副研究员、黄文彪博士生（第一作者）等人，采用量子级联激光器（QCL）结合长度为1m的中空波导，开发了一种紧凑型气体传感器。该传感器可以同时测量CO₂气体中四种同位素分子（¹⁶O¹²C¹⁶O、¹⁸O¹²C¹⁶O、¹⁶O¹³C¹⁶O和¹⁷O¹²C¹⁶O）的浓度，从而获得δ¹³C、δ¹⁸O和δ¹⁷O的相对同位素比值。传感器集成了一个紧凑的反馈函数发生器，以确保对激光输出波长的控制，消除波长波动导致的测量精度损失。结果表明，在波长可控的条件下，四种同位素分子浓度的测量精度至少提高了1.8倍，滤波后的测量精度可以进一步提高。根据Allan方差分析，在98秒的积分时间下，δ¹³C、δ¹⁸O和δ¹⁷O的检测精度分别为0.7‰、0.62‰和1.58‰。本工作开发的气体传感器在无创临床呼吸诊断中具有潜在的应用价值，并且可以非常方便的扩展到大气环境、煤矿安全、新能源等气体同位素测量的其他应用场合。

该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、中国科学院合肥物质院“火花”基金等项目、合肥市“揭榜挂帅”项目支持。 

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.136119

二氧化碳气体同位素传感器装置图

在波长控制条件下同时测量δ¹³C、δ¹⁸O和δ¹⁷O的检测精度