量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser，簡稱QCL）自1994年被發(fā)明以來，已經(jīng)歷了28年的發(fā)展歷程，因其極好的穩(wěn)定性、單色性、窄線寬、高輸出功率、波長覆蓋范圍寬等特點(diǎn)成為了中紅外領(lǐng)域的潛力光源，廣泛應(yīng)用于科研、工業(yè)、環(huán)保、醫(yī)療、安防等領(lǐng)域。

本文將以案例的形式帶大家梳理QCL在醫(yī)療領(lǐng)域中的眾多用途，主要包含呼吸氣檢測、血糖無創(chuàng)檢測、液態(tài)生物標(biāo)志物分析等。

案例一：呼吸氣檢測

背景介紹：人體呼吸中含有約500種不同的化學(xué)物質(zhì)，通常處于超低濃度水平，通過測定人體生理或病理狀態(tài)時(shí)呼出氣中特定成分的含量多少可以實(shí)現(xiàn)對特定疾病的診斷。比如以吹氣的方式檢測幽門螺旋桿菌，當(dāng)人體攝入13C標(biāo)記的尿素后，呼出13CO2濃度增加，與此種菌類的存在有一定的關(guān)系，此外呼氣中13C值還可能是與內(nèi)毒素血癥的急性期反應(yīng)相關(guān)的實(shí)時(shí)生物標(biāo)記物，在醫(yī)學(xué)診斷中，通常要求快速實(shí)現(xiàn)精度為0.5~1%的13C測定。

案例分享：英國曼徹斯特大學(xué)采用濱松TE制冷連續(xù)型DFB QCL（工作波長2308 cm-1）用于13CO2/12CO2氣體檢測，測量精度達(dá)到了0.12‰（120 ppmv），詳見下圖。除了CO2外，監(jiān)測呼氣中NH3的濃度水平，則是一種快速、無創(chuàng)的肝腎疾病診斷方式。美國萊斯大學(xué)采用濱松QCL搭建的NH3測試系統(tǒng)（工作波長10.34  μm）最小檢出限（1σ）為6 ppbv，詳見下圖。其他的呼吸氣及對應(yīng)吸收譜線如下：NO（5.26 μm）、CO（4.6 μm）、OCS（3.3~5.5 μm）、CH4（3.3~3.5 μm）等。

▲左：碳同位素比值測量    右： 氨呼吸傳感器

參考文獻(xiàn)：

Real time detection of exhaled human breath using quantum cascade laser based sensor technology.

案例二：血糖無創(chuàng)檢測

背景介紹：目前糖尿病已經(jīng)影響了全世界8.8%的人口，成為世界最大的流行性疾病之一。最讓糖尿病人煩惱的一大痛點(diǎn)，就是日復(fù)一日的有創(chuàng)檢測。目前產(chǎn)業(yè)公司諸如雅培、美敦力和德康的血糖監(jiān)測產(chǎn)品通過將傳感器植入皮下來進(jìn)行連續(xù)血糖監(jiān)測。血糖無創(chuàng)檢測的最大優(yōu)勢在于檢測過程中無需針刺采血，沒有任何創(chuàng)傷，可避免刺破手指帶來的感染風(fēng)險(xiǎn)，極大地減輕了患者痛苦。
案例分享：2020年日本東北大學(xué)搭建了一套基于濱松寬調(diào)諧范圍EC QCL （L14890-09）的中紅外光譜系統(tǒng)檢測0.1%葡萄糖水溶液的吸收光譜，并對人的嘴唇血糖的吸收光譜進(jìn)行了分析，使用模型方程估計(jì)血糖水平有望實(shí)現(xiàn)血糖無創(chuàng)檢測。

▲基于ATR光譜的血糖無創(chuàng)檢測系統(tǒng)

此外普林斯頓大學(xué)和杜克大學(xué)等科研人員利用外腔EC QCL搭建中紅外葡萄糖傳感器，這些光譜與葡萄糖的吸收峰非常匹配，主成分被用作線性回歸算法中的回歸器，以進(jìn)行葡萄糖濃度預(yù)測，其中75%以上的預(yù)測具有臨床準(zhǔn)確性。

▲無創(chuàng)中紅外葡萄糖傳感器示意圖
除了科研機(jī)構(gòu)外，國外初創(chuàng)公司采用濱松QCL基于光熱探測的原理，皮膚中的葡萄糖將紅外激光轉(zhuǎn)化為熱量，根據(jù)微小的溫度變化檢測血糖水平。

▲基于光熱原理的血糖檢測示意圖

參考文獻(xiàn)：

A Compact Mid-Infrared Spectroscopy System for Healthcare Applications Based on a Wavelength-Swept Pulsed Quantum Cascade Laser.

Implementation of an integrating sphere for the enhancement of noninvasive glucose detection using quantum cascade laser spectroscopy.

案例三：液態(tài)生物標(biāo)志物分析

背景介紹：QCL除了氣體傳感應(yīng)用，也是分析液體的重要光源，由于擁有較高的輸出功率，QCL可以分析更厚的樣品和更復(fù)雜的基質(zhì)。QuantaRed Technologies最新推出的基于QCL的尿液分析儀能夠根據(jù)中紅外光譜檢測尿液中的主要成分，如尿素和肌酐，還可以檢測酮類、葡萄糖和蛋白質(zhì)，這些生物標(biāo)志物的濃度升高可以作為各種疾病的早期指標(biāo)。

▲QuantaRed Technologies尿液分析儀

其他潛力應(yīng)用：醫(yī)院空氣質(zhì)量監(jiān)測、制藥工藝質(zhì)量控制

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