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1、(10)申请公布号 CN 104198433 A (43)申请公布日 2014.12.10 CN 104198433 A (21)申请号 201410466448.2 (22)申请日 2014.09.14 G01N 21/39(2006.01) (71)申请人 中国科学院合肥物质科学研究院 地址 230031 安徽省合肥市蜀山湖路 350 号 (72)发明人 张志荣 董凤忠 夏滑 韩荦 孙鹏帅 崔小娟 吴边 庞涛 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 杨学明 顾炜 (54) 发明名称 一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标 识性气体浓度的装置及方法 (57。
2、) 摘要 本发明公开了一种激光吸收光谱技术在线检 测人体呼吸标识性气体浓度的装置及方法， 激光 器温度控制板和激光器电流控制板控制 DFB 激光 器， 信号发生板产生锯齿波和正弦波， 使激光器输 出特定吸收波长的激光经光纤准直器准直后进入 光声气体池， 经两片高反射率凹面镜多次反射与 待测气体发生作用， 由微型麦克风探测到的光声 信号送入前置放大器后进入锁相放大器， 最终由 电脑和数据采集卡采集和处理。测试人通过呼吸 气嘴吹气进入水汽干燥瓶去除水汽后进入光声气 体池， 且气压控制泵， 温度检测计和压力检测计控 制池内压力， 并进行温度和压力的采集用于反演 浓度校准。本发明设计独特、 结构新颖，。
3、 原位在线 检测， 避免了其他检测技术的复杂性， 提高了检测 精度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104198433 A CN 104198433 A 1/2 页 2 1. 一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置， 其特征在于， 该 装置分为以下三个部分 ： 一是光学系统， 二是信号监测与收集处理系统， 三是气路系统， 其 中， 光学系统包括 ： 激光器温度控制板 (1)， 激光器电流控制板 (2)， DFB。
4、 激光器 (3)， 信号发 生板 (4)， FC/APC 的尾纤 (5)， 光纤准直器 (6)， 平面高反射镜片 (7)， 光声气体池 (8)， 石英 窗片 (9)， 激光光束 (10) 和两片高反射率凹面镜 (11) ； 信号监测与收集处理系统包括 ： 微 型麦克风 (13)， 前置放大器 (14)， 锁相放大器 (15)， 电脑 (16) 和数据采集卡 (17) ； 气路系 统包括 ： 呼吸气嘴 (18)， 气管 (19)， 水汽干燥瓶 (20)， 进气嘴 (21)， 出气嘴 (22)， 气压控制 泵 (23)， 温度检测计 (24) 和压力检测计 (25) ； 激光器温度控制板 (1)，。
5、 激光器电流控制板 (2) 控制 DFB 激光器 (3) 输出特定波长的激光， 信号发生板 (4) 产生低频锯齿波和高频正 弦波的调制信号， 调制信号进行叠加加在DFB激光器(3)的引脚上， 对激光器的输出波长产 生调制， 调制以后的激光光束通过 FC/APC 的尾纤 (5) 与光纤准直器 (6) 连接， 准直以后的 激光光束通过平面高反射镜片 (7) 反射后透过光声气体池 (8) 的石英窗片 (9) 进入光声气 体池 (8)， 进入光声气体池 (8) 的激光光束 (10) 经两边的两片高反射率凹面镜 (11) 多次 反射， 在光声气体池 (8) 中对待测气体 (12) 形成多次作用， 光声信。
6、号经过安装在光声气体 池 (8) 中部的微型麦克风 (13) 获得， 微型麦克风 (13) 获得的吸收光声信号送入前置放大 器 (14) 进行信号的放大， 放大以后的信号由锁相放大器 (15) 完成信号的解调获得待测气 体的二次谐波信号， 二次谐波信号由安装在电脑 (16) 内部的数据采集卡 (17) 采集进行后 续的处理和气体浓度的反演， 光声气体池(8)中安装有温度检测计(24)和压力检测计(25) 用于实时检测光声气体池内部的温度和压力用于对所检测气体浓度进行实时修正 ； 待测气 体(12)为人类呼吸气体通过呼吸气嘴(18)收集以后， 经过气管(19)进入水汽干燥瓶(20) 中的浓硫酸溶。
7、液去除水汽后通过进气嘴(21)进入光声气体池(8)形成待测气体， 气体通过 出气嘴 (22)， 压力泵 (23) 和压力检测计 (25) 控制排出光声气体池 (8)。 2. 根据权利要求 1 所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装 置， 其特征在于 ： 所述的光声气体池 (8) 其主材料为不锈钢材料， 其长度及镜片安装位置根 据光声方程式计算得到。 3. 根据权利要求 2 所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装 置， 其特征在于 ： 所述的光声气体池 (8)， 所述的平面高反射镜片 (7) 与两片高反射率凹面 镜 (11) 其表面镀高反射膜， 其反射率在 9。
8、9.8以上， 且根据不同待测气体的吸收波长选择 镀不同的反射膜。 4. 一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方法， 利用权利要求 1 所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置， 其特征在于 ： 该方法 当光声气体池(8)内的待测气体(12)被光照射后， 气体分子吸收特定波长的光辐射后被激 发到高能态， 在气体分子从高能态向低能态的无辐射跃迁过程中， 引起了气体的温度和压 强变化， 如果对入射光进行强度调制或波长调制， 光声池内气体温度便会呈现出与调制频 率相同的温度变化， 进而导致压强的变化， 当调制频率在声频范围内时， 便产生声音信号， 声音信号的变化反映了。
9、吸收物浓度的变化， 通过光声信号的测量， 就可以对待测气体浓度 和组分进行光谱分析 ； 其中 ： 所述的 DFB 激光器 (3) 为尾纤输出的 FC/APC 法兰盘的可调谐半导体激光器 ； 所述的激光器温度控制板 (1) 其控制 DFB 激光器 (3) 范围在 20-75， 精度 0.005 ； 权 利 要 求 书 CN 104198433 A 2 2/2 页 3 所述的激光器电流控制板 (2) 其控制 DFB 激光器 (3) 范围在 0-250mA， 转移函数 50mA/ V ； 所述的微型麦克风 (13) 为电容式驻极微音器可以保证其稳定性和灵敏度 ； 所述的前置放大器 (14) 为采用放。
10、大器芯片设计完成的电路信号放大模块 ； 所述的锁相放大器 (15) 为采用 AD630 积分器设计完成的信号解调电路模块 ； 所述的水汽干燥瓶 (20) 其去除水汽的溶液为浓硫酸溶液。 5. 根据权利要求 4 所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方 法， 其特征在于 ： 所述的光声气体池 (8) 两边的窗片 (9) 安装角度为严格的布儒斯特角为 35 度， 其材质为 2mm 厚度的 CaF2平面镜片。 6. 根据权利要求 4 所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方 法， 其特征在于 ： 所述的光声气体池(8)中安装有温度检测计(24)和压力检测计(25)用于。
11、 实时检测光声气体池内部的温度和压力用于对所检测气体浓度进行实时修正。 7. 根据权利要求 4 所述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方 法， 其特征在于 ： 所述的信号发生板 (4) 可以同时产生高频正弦波信号和低频锯齿波信号， 锯齿波信号实现吸收谱线的扫描， 正弦波信号实现信号的调制和为锁相放大器提供参考信 号。 权 利 要 求 书 CN 104198433 A 3 1/4 页 4 一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度 的装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的装置及 方法， 更具体的说是一种基于光声光谱技。
12、术和波长调制吸收光谱技术的应用于人体呼吸标 识性气体浓度的在线检测的装置及方法。 背景技术 0002 随着现代医学科技的发展和多学科的交叉融合， 作为医学研究前言的重大疾 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 技术得到了快速发展。医学研究表明， 人类呼出气体中除氮气 (N2)、 氧气 (O2)、 二氧化 碳 (CO2)、 水汽 (H2O) 和惰性气体外还含有许多 ppm(parts-per-million， 10-6) 甚至是 ppb(parts-per-billion， 10-9)浓度量级的其它气体， 这些气体的浓度不仅与血液中的相应 气体分子的含量有定量。
13、的关系， 还与血液中其它分子的浓度有关系。实际上人类呼出的气 体中含有数百种分子， 这些分子足以提供有关疾病的多种信息。 例如 ： 呼出气体中的微量的 氨气 (NH3)、 氮氧化物、 酸和酮类已被确定与肾脏、 肝脏功能障碍、 肝性脑病、 哮喘、 糖尿病、 癌症和溃疡有关， 呼出气体中的二硫化碳， 乙炔、 丁烷和戊烷与神经系统疾病有关， 甚至有 人发现肺癌和早期乳腺癌患者呼出的气体中含有较高浓度的乙烷。 因而通过对呼吸气体成 分及浓度的测量实现某些疾病的诊断具有科学依据并可能对医学诊断、 处置技术产生重大 的影响。 0003 目前呼出气检测主要有三个方向， 基于质谱技术的检测， 基于电传感器的检。
14、测以 及基于光谱的检测。传统用于呼吸检测的气相色谱 - 质谱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。 在这众多检测手段中， 光声光谱检测技术是一种没有背景噪声的检测技术， 具有极高 的极限灵敏度， 同时由于分子或原子光谱的独一无二性和激光技术的迅猛发展， 光声光谱 检测技术又具有选择性好， 响应速度快， 体积小， 成本低， 同时可以监测多种特征气体的优 势， 在呼出气检测中具有广大的应用前景， 有望成为未来呼吸气体分析领。
15、域的首选技术。 发明内容 0004 本发明的技术解决问题 ： 克服现有技术的不足， 提供一种基于光声光谱技术和波 长调制吸收光谱技术的应用于人体呼吸标识性气体浓度检测的装置及方法， 以满足医学检 测领域对呼吸气体标识性气体的快速、 准确在线监测。 0005 本发明的技术方案如下 ： 一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓 度的装置， 该装置分为以下三个部分 ： 一是光学系统， 二是信号监测与收集处理系统， 三是 气路系统， 其中， 光学系统包括 ： 激光器温度控制板， 激光器电流控制板， DFB 激光器， 信号 发生板， FC/APC 的尾纤， 光纤准直器， 平面高反射镜片， 光声气。
16、体池， 石英窗片， 激光光束和 说 明 书 CN 104198433 A 4 2/4 页 5 两片高反射率凹面镜 ； 信号监测与收集处理系统包括 ： 微型麦克风， 前置放大器， 锁相放大 器， 电脑和数据采集卡 ； 气路系统包括 ： 呼吸气嘴， 气管， 水汽干燥瓶， 进气嘴， 出气嘴， 气压 控制泵， 温度检测计和压力检测计 ； 激光器温度控制板， 激光器电流控制板控制 DFB 激光器 输出特定波长的激光， 信号发生板产生低频锯齿波和高频正弦波的调制信号， 调制信号进 行叠加加在 DFB 激光器的引脚上， 对激光器的输出波长产生调制， 调制以后的激光光束通 过 FC/APC 的尾纤与光纤准直器。
17、连接， 准直以后的激光光束通过平面高反射镜片反射后透 过光声气体池的石英窗片进入光声气体池， 进入光声气体池的激光光束经两边的两片高反 射率凹面镜多次反射， 在光声气体池中对待测气体形成多次作用， 光声信号经过安装在光 声气体池中部的微型麦克风获得， 微型麦克风获得的吸收光声信号送入前置放大器进行信 号的放大， 放大以后的信号由锁相放大器完成信号的解调获得待测气体的二次谐波信号， 二次谐波信号由安装在电脑内部的数据采集卡采集进行后续的处理和气体浓度的反演， 光 声气体池中安装有温度检测计和压力检测计用于实时检测光声气体池内部的温度和压力 用于对所检测气体浓度进行实时修正 ； 待测气体为人类呼吸。
18、气体通过呼吸气嘴收集以后， 经过气管进入水汽干燥瓶中的浓硫酸溶液去除水汽后通过进气嘴进入光声气体池形成待 测气体， 气体通过出气嘴， 压力泵和压力检测计控制排出光声气体池。 0006 进一步的， 所述的光声气体池其主材料为不锈钢材料， 其长度及镜片安装位置根 据光声方程式计算得到。 0007 进一步的， 所述的光声气体池， 所述的平面高反射镜片与两片高反射率凹面镜其 表面镀高反射膜， 其反射率在 99.8以上， 且根据不同待测气体的吸收波长选择镀不同的 反射膜。 0008 本发明另外提供一种激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识性气体浓度的方 法， 利用上述的激光吸收光谱技术在线检测人体呼吸标识。
19、性气体浓度的装置， 该方法当光 声气体池内的待测气体被光照射后， 气体分子吸收特定波长的光辐射后被激发到高能态， 在气体分子从高能态向低能态的无辐射跃迁过程中， 引起了气体的温度和压强变化， 如果 对入射光进行强度调制或波长调制， 光声池内气体温度便会呈现出与调制频率相同的温度 变化， 进而导致压强的变化， 当调制频率在声频范围内时， 便产生声音信号， 声音信号的变 化反映了吸收物浓度的变化， 通过光声信号的测量， 就可以对待测气体浓度和组分进行光 谱分析 ； 其中 ： 0009 所述的 DFB 激光器为尾纤输出的 FC/APC 法兰盘的可调谐半导体激光器 ； 0010 所述的激光器温度控制板。
20、其控制 DFB 激光器范围在 20-75， 精度 0.005 ； 0011 所述的激光器电流控制板其控制 DFB 激光器范围在 0-250mA， 转移函数 50mA/V ； 0012 所述的微型麦克风为电容式驻极微音器可以保证其稳定性和灵敏度 ； 0013 所述的前置放大器为采用放大器芯片设计完成的电路信号放大模块 ； 0014 所述的锁相放大器为采用 AD630 积分器设计完成的信号解调电路模块 ； 0015 所述的水汽干燥瓶其去除水汽的溶液为浓硫酸溶液。 0016 进一步的， 所述的光声气体池两边的窗片安装角度为严格的布儒斯特角为 35 度， 其材质为 2mm 厚度的 CaF2平面镜片。 。
21、0017 进一步的， 所述的光声气体池中安装有气室温度检测计和气室压力检测计用于实 时检测光声气体池内部的温度和压力用于对所检测气体浓度进行实时修正。 说 明 书 CN 104198433 A 5 3/4 页 6 0018 进一步的， 所述的信号发生板可以同时产生高频正弦波信号和低频锯齿波信号， 锯齿波信号实现吸收谱线的扫描， 正弦波信号实现信号的调制和为锁相放大器提供参考信 号。 0019 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0020 (1) 呼出气检测属于非侵入式的， 安全无痛， 不会带来血液和尿液检测的不便和尴 尬 ； 0021 (2) 呼出气与体液和尿液相比是一种相对简单的混合物， 易。
22、于完成分析检测， 与尿 液和血液检查相比更简单 ； 0022 (3) 呼出气分析还可以动态的实时连续地监测人体内某种物质成分的变化过程 ； 0023 (4) 呼出气分析提供了其他分析手段得不到的呼吸作用的直接相关信息 ； 0024 (5) 该系统结构简单， 易于操作， 价格低廉， 响应快速， 可以非常方便的对呼吸气体 标示物进行在线监测。 附图说明 0025 图 1 为本发明整体系统示意图。 具体实施方式 0026 下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。 0027 如图 1 所示， 本发明包括的系统部件可分为以下三个部分 ： 一是光学系统， 二是信 号监测与收集处理系统， 三是气路系统。。
23、其中， 光学系统包括 ： 激光器温度控制板 1， 激光器 电流控制板 2， DFB 激光器 3， 信号发生板 4， FC/APC 的尾纤 5， 光纤准直器 6， 平面高反射镜 片7， 光声气体池8， 石英窗片9， 激光光束10和两片高反射率凹面镜11。 信号监测与收集处 理系统包括 ： 微型麦克风 13， 前置放大器 14， 锁相放大器 15， 电脑 16 和数据采集卡 17。气 路系统包括 ： 呼吸气嘴18， 气管19， 水汽干燥瓶20， 进气嘴21， 出气嘴22， 气压控制泵23， 温 度检测计 24 和压力检测计 25。 0028 本发明实施的具体过程为 ： 首先， 激光器温度控制板 1。
24、， 激光器电流控制板 2 设置 在合适的控制数值使 DFB 激光器 3 输出针对某种气体的特定吸收波长的激光， 信号发生板 4 产生低频锯齿波和高频正弦波的调制信号， 调制信号进行叠加加在 DFB 激光器 3 的 Laser Diode 引脚和 Ground 引脚上， 对激光器的输出波长产生调制作用。调制以后的激光光束通 过 FC/APC 的尾纤 5 与光纤准直器 6 连接， 准直以后的激光光束通过平面高反射镜片 7 反射 后透过光声气体池 8 的石英窗片 9 进入光声气体池 8， 进入光声气体池 8 的激光光束 10 经 两边的两片高反射率凹面镜 11 多次反射， 在光声气体池 8 中对待测。
25、气体 12( 呼吸气体通过 呼吸气嘴 18 收集以后， 经过气管 19 进入水汽干燥瓶 20 中的浓硫酸溶液去除水汽后通过进 气嘴 21 进入光声气体池 8 形成待测气体， 气体通过出气嘴 22， 气室压力泵 23 和压力检测 计 25 控制排出光声气体池 8) 形成多次反射作用， 作用形成的光声信号经过安装在光声气 体池 8 中部的微型麦克风 13 获得。微型麦克风 13 获得的吸收光声信号送入前置放大器 14 进行信号的放大。放大以后的信号由锁相放大器 15 完成信号的解调获得待测气体的二次 谐波信号。二次谐波信号由安装在电脑 16 内部的数据采集卡 17 采集进行后续的处理和气 体浓度的反演。光声气体池 8 中安装有温度检测计 24 和压力检测计 25 用于实时检测光声 说 明 书 CN 104198433 A 6 4/4 页 7 气体池内部的温度和压力用于对所检测气体浓度进行实时修正。 0029 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。 0030 需要理解到的是 ： 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 对于本技术领域的普通 技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润 饰也应视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 104198433 A 7 1/1 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 104198433 A 8 。