微型光谱仪可在狭窄空间内提供实时监测

光纤光声光谱仪可实现连续的血管内气体监测

采用微化设计的一体式光纤光谱仪，其性能可与传统的实验室系统媲美。

能够检测十亿分之一(ppb)水平痕量浓度的小型化光谱系统对于环境监测、工业过程控制和生物医学诊断等应用至关重要。

然而，传统的台式光谱系统通常太大、太复杂，而且不适合在密闭空间中使用。传统的激光光谱学技术依赖于体积庞大的组件 —— 包括光源、反射镜、探测器和气细胞 —— 来测量光的吸收或散射。这使得它们不适合微创应用，如血管内诊断，其中紧凑性和精度是必不可少的。

发表在《先进光子学》(Advanced Photonics)杂志上的一项研究中，来自中国的研究人员展示了一种突破性的小型化全光纤光声光谱仪(FPAS)。这种创新的设备可以检测ppb级的微量气体，并在毫秒级的响应时间内分析纳升级的样品，使其特别适合于连续的血管内气体分析。

该文章的通讯作者，暨南大学的Bai-Ou Guan教授解释说：“我们试图解决将当前光声光谱仪缩小到微尺度尺寸的重大挑战，同时保持其高传感性能，特别是对于需要最小侵入性的血管内诊断和锂电池健康监测。”

小型化全光纤光声光谱仪 (FPAS) 由单根光纤、二氧化硅毛细管和弹性膜组成。纤维的端面和膜形成法布里-珀罗腔。当气体分子吸收泵浦光时，它们会产生声波，从而导致膜振动。这种振动会改变反射探针光的强度，然后对其进行分析以检测痕量气体浓度。

利用光声光谱学

目前的激光光谱系统大多采用开放路径配置，其固有的灵敏度随器件尺寸的减小而减小，而所提出的FPAS使用光声光谱(PAS)进行操作，该系统可以检测由调制光激发的气体分子产生的声波。

与传统PAS系统使用体积庞大的谐振气池进行声放大，或使用大尺寸麦克风来提高声灵敏度不同，全光纤光声光谱仪将激光图案弹性膜集成到单个光纤尖端和一段二氧化硅毛细管中，以构建微尺度法布里-珀罗(F-P)腔。二氧化硅腔充当一个坚固的边界，有效地将气体分子产生的声波限制和积聚在柔性膜上。这种局部声放大补偿了由膜直径减小引起的灵敏度损失，并产生了与尺寸无关的光声响应。

此外，泵浦和探头光束都直接通过同一根光纤传输，用于光声信号的激发和检测，避免了光传输中笨重的自由空间光学器件。

紧凑而强大的设计

由于F-P腔的长度仅为60微米(1μm= 10-6m)，直径为125μm，因此该系统非常紧凑。尽管它的体积很小，但它对乙炔气体的检测极限低至9 ppb，几乎与大型传统实验室光谱仪一样灵敏。短腔长度也使超快测量成为可能，响应时间快至18毫秒，比传统的光声光谱系统快2~3个数量级。

研究人员成功地实时监测了流动气体中的二氧化碳(CO2)浓度，检测了样品体积小至100纳升的酵母溶液中的发酵，并通过注射器将FPAS插入尾静脉，跟踪了体内大鼠血管中溶解的CO2水平。暨南大学副教授Jun Ma解释说：“光谱仪在缺氧(低氧)和高碳酸(高二氧化碳)条件下有效地测量了二氧化碳水平，突出了它在不需要采集血液样本的情况下实时监测血管内血气的潜力。”

此外，光纤可以很容易地连接到低成本的分布式反馈激光源，并与现有的光纤网络集成，使该系统成为一种经济、紧凑和灵活的光谱学解决方案。

该微型化光谱仪具有体积小、灵敏度高、样本量要求低的特点，能够以微探针的形式提供实验室级别的精度，具有连续血管内血气监测、锂离子电池的微创健康评估以及极窄空间内爆炸性气体泄漏的远程检测等应用潜力。

审核编辑 黄宇