近日,中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所張志榮研究員團(tuán)隊(duì)在基于空芯光纖激光吸收光譜二氧化碳?xì)怏w穩(wěn)定同位素測(cè)量研究方面取得新進(jìn)展,相關(guān)研究成果以《基于緊湊型中紅外中空波導(dǎo)氣體傳感器同時(shí)測(cè)量CO2的13C、18O和17O同位素》為題發(fā)表在國(guó)際知名TOP期刊Sensors and Actuators B: Chemical上。
呼氣分析(EBA)以其無創(chuàng)、安全、無損、方便、快速、無條件的獨(dú)立采樣而聞名,在監(jiān)測(cè)人體代謝狀態(tài)和疾病早期診斷方面具有廣闊的應(yīng)用前景,是臨床醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的重要研究領(lǐng)域。其中呼出CO2中的13C同位素豐度已被用作幽門螺桿菌陽(yáng)性臨床診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”, 18O與17O同位素豐度也是相關(guān)的生物標(biāo)志物。因此,高精度同時(shí)測(cè)量呼出二氧化碳中的同位素豐度變化具有相當(dāng)大的臨床價(jià)值。
團(tuán)隊(duì)張志榮研究員、夏滑副研究員、黃文彪博士生(第一作者)等人,采用量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)結(jié)合長(zhǎng)度為1m的中空波導(dǎo),開發(fā)了一種緊湊型氣體傳感器。該傳感器可以同時(shí)測(cè)量CO2氣體中四種同位素分子(16O12C16O、18O12C16O、16O13C16O和17O12C16O)的濃度,從而獲得δ13C、δ18O和δ17O的相對(duì)同位素比值。傳感器集成了一個(gè)緊湊的反饋函數(shù)發(fā)生器,以確保對(duì)激光輸出波長(zhǎng)的控制,消除波長(zhǎng)波動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量精度損失。結(jié)果表明,在波長(zhǎng)可控的條件下,四種同位素分子濃度的測(cè)量精度至少提高了1.8倍,濾波后的測(cè)量精度可以進(jìn)一步提高。根據(jù)Allan方差分析,在98秒的積分時(shí)間下,δ13C、δ18O和δ17O的檢測(cè)精度分別為0.7‰、0.62‰和1.58‰。本工作開發(fā)的氣體傳感器在無創(chuàng)臨床呼吸診斷中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,并且可以非常方便的擴(kuò)展到大氣環(huán)境、煤礦安全、新能源等氣體同位素測(cè)量的其他應(yīng)用場(chǎng)合。
該研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院“火花”基金等項(xiàng)目、合肥市“揭榜掛帥”項(xiàng)目支持。
論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.136119
二氧化碳?xì)怏w同位素傳感器裝置圖
在波長(zhǎng)控制條件下同時(shí)測(cè)量δ13C、δ18O和δ17O的檢測(cè)精度