基于光腔衰荡光谱技术的呼吸丙酮分析仪设计

摘要

随着现代医学科技的发展和多学科的交叉融合，作为医学研究前沿的重大疾病早期诊断技术也在不断突破和创新。尤其是用于重大疾病诊断的呼吸生物标记物(Biomaker)技术得到了快速发展。医学研究表明，呼吸气体中的化学标识物含量可以反映人体的代谢状况及健康状况，当人体的脏器或组织损伤病变之后，其功能变化会引起相应代谢产物的改变。这些代谢产物能够通过气血屏障进入肺部，从而引起呼出气组分的改变，最终表征为排出体外的某些特定气体浓度升高，因而这些特定气体可以作为一些疾病的生物标志物。
　　 传统用于呼吸检测的气相色谱-质谱(GC-MS)的分析方法可以将呼吸气体标志物的测量精度达到ppb乃至ppt量级，但是该方法耗费时间长，仪器体积庞大，成本较高，目前只适宜于实验室研究，无法进入实质的临床阶段，很难实现仪器的便携化而走入社区及家庭。光腔衰荡光谱(CavityRing-downSpectroscopy,CRDS)技术作为一种高精度、超灵敏的光谱吸收测量方法，具有测量结果不受入射光强起伏影响、有效光程长及测量准确度高、灵敏度高等优点，有望成为未来呼吸气体分析领域的首选技术。
　　 本文以糖尿病的呼吸标志物丙酮为测量对象，针对丙酮吸收光谱的特异性，选择合适的激光光谱波段作为系统的入射光源，设计并搭建基于CRDS技术的丙酮分析系统硬件平台，详细分析了各模块的选择依据，完成原理验证;经测定，该系统的空腔稳定性达0.4％，测量人体呼吸状态下的系统稳定性达1.4％，重复性高;在该系统下测量了实验室空气的衰荡信号，计算在空气中的吸收率为5.95±0.25×10-4;初步测量健康人体呼吸丙酮含量，为实现糖尿病的无创检测奠定基础。
　　 全文一共分为五章:
　　 第一章较为详细地介绍了呼吸气体分析的医学背景、课题研究意义及国内外发展现状;
　　 第二章主要介绍了CRDS技术的工作原理及自行设计搭建的基于CRDS技术呼吸丙酮分析系统，对系统的光源、衰荡腔、信号探测及数据处理等各方面进行了详细地分析;
　　 第三章中测量空腔下的衰荡时间信号，计算反射镜的反射率，空腔稳定性达0.4％，重复性高;进行了丙酮气体的初步测量;在该系统下测量了实验室空气的衰荡信号，空气的吸收率为5.95±0.25×10-4;测量了健康人体呼吸气体，测量人体呼吸状态下的系统稳定性达1.4％，初步分析了健康人呼吸丙酮含量，实验结果表明本文所设计的仪器运行良好，可实现人体呼吸丙酮的测量，为糖尿病的无创检测奠定基础。
　　 第四章里主要从光学干扰、检测电路干扰和信号噪声这三个角度对系统误差进行分析。
　　 第五章对基于CRDS技术的呼吸丙酮气体分析系统进行总结与讨论，并对下一步的工作进行了规划。

目录

声明

摘要

缩略语

一、前言

1．1 研究背景

1．1．1 研究意义

1．1．2 国内外研究现状

1．2 研究目的及方法

1．3 研究的主要内容

二、基于CRDS技术的呼吸丙酮气体分析仪

2．1 腔衰荡光谱技术概述

2．1．1 腔衰荡光谱技术原理

2．1．2 腔衰荡光谱的特点

2．2 呼吸丙酮的CRDS仪器设计

2．2．1 激光光源

2．2．2 衰荡腔

2．2．3 探测器

2．2．4 信号处理系统

三、实验结果

3．1 空腔

3．1．1 衰荡时间

3．1．2 反射率

3．1．3 稳定性

3．2 丙酮气体的测量

3．3 人体呼吸气体分析

3．3．1 空气吸收率的测量

3．3．2 健康人的呼吸丙酮测量

四、系统误差分析

4．1 光学干扰

4．1．1 光斑噪声

4．1．2 干涉效应

4．1．3 衍射与散射损耗

4．2 检测电路噪声

4．3 信号噪声

五、结论与讨论

5．1 结论

5．2 讨论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述 光腔衰荡光谱技术及其研究进展

致谢