马国盛 1,2刘英 1,2邓昊 1许振宇 1[ ... ]阚瑞峰 1,*
作者单位
摘要
1 中国科学院 合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所,安徽合肥23003
2 中国科学技术大学,安徽合肥3006
针对温室气体CH4的高灵敏探测需求,提出了高精细度光学反馈腔衰荡光谱技术,研究了光学反馈对腔模信号的影响、系统的灵敏度以及光谱扫描法。在精细度大于100 000的V型谐振腔上实现了光学反馈腔衰荡光谱技术,对比了有/无光反馈时腔模信号的差别,验证了光反馈效应可以提高激光到腔的耦合效率。发展了固定腔长的光反馈检测技术,将腔的自由光谱范围FSR用作光谱相对频率标尺,基于HITRAN数据库中两条吸收谱线的绝对波长和测量到的相对位置进行对比分析,得到腔的FSR为0.004 2 cm-1。然后,运用allan方差分析了系统的检测能力,测得系统的噪声等效吸收系数为1.1×10-10 cm-1 Hz-1/2,当积分时间为4.7 s时,系统灵敏度为8×10-11 cm-1。最后,提出了连续电压扫描的激光器频率控制扫描方法,用1.5×10-6的标气对该方法进行了验证,得到测量精度为6.8×10-9。该方法在仪器工程化方面极具潜力。
激光光谱 光学反馈 腔衰荡光谱 CH4高灵敏探测 laser spectroscopy optical feedback cavity ringdown spectroscopy CH4 highly sensitive detection 
光学 精密工程
2022, 30(19): 2305
Author Affiliations
Abstract
Institute of Biomedical Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Tianjin, P. R. China
Background: Lung cancer is one of the most common malignant tumors worldwide. Currently, effective screening methods for early lung cancer are still scarce. Breath analysis provides a promising method for the pre-screening or early screening of lung cancer. Isoprene is a potential and important breath biomarker of lung cancer. Material and Methods: To investigate the clinical value of isoprene for diagnosing lung cancer patients, a cavity ringdown spectroscopy (CRDS) based near-real time, sensitive analysis method of breath isoprene is developed in our lab. In this paper, 92 breath samples from lung cancer patients, 17 breath samples from patients with benign lesions, and 107 breath samples from healthy people were collected. Results: Research indicates that breath isoprene concentration is significantly higher in healthy individuals (221.3±122.2ppbv) than in patients with lung cancer (112.0±36.6ppbv) and benign lung lesions (127.9±41.2ppbv). The result of Receiver Operating Characteristic (ROC) curve suggests that the concentration of isoprene is meaningful for the diagnosis of lung cancer (AUC=0.822, sensitivity=63.6%, specificity=90.2%, P<0.01). Conclusion: This study demonstrates that the CRDS breath isoprene analysis system can effectively analyze a large sample of human breath isoprene, and preliminarily confirms the use of breath isoprene as a biomarker for lung diseases.Background: Lung cancer is one of the most common malignant tumors worldwide. Currently, effective screening methods for early lung cancer are still scarce. Breath analysis provides a promising method for the pre-screening or early screening of lung cancer. Isoprene is a potential and important breath biomarker of lung cancer. Material and Methods: To investigate the clinical value of isoprene for diagnosing lung cancer patients, a cavity ringdown spectroscopy (CRDS) based near-real time, sensitive analysis method of breath isoprene is developed in our lab. In this paper, 92 breath samples from lung cancer patients, 17 breath samples from patients with benign lesions, and 107 breath samples from healthy people were collected. Results: Research indicates that breath isoprene concentration is significantly higher in healthy individuals (221.3±122.2ppbv) than in patients with lung cancer (112.0±36.6ppbv) and benign lung lesions (127.9±41.2ppbv). The result of Receiver Operating Characteristic (ROC) curve suggests that the concentration of isoprene is meaningful for the diagnosis of lung cancer (AUC=0.822, sensitivity=63.6%, specificity=90.2%, P<0.01). Conclusion: This study demonstrates that the CRDS breath isoprene analysis system can effectively analyze a large sample of human breath isoprene, and preliminarily confirms the use of breath isoprene as a biomarker for lung diseases.
Cavity ringdown spectroscopy breath isoprene early diagnosis of lung cancer 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2022, 15(5): 2250029
作者单位
摘要
中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所激光医学实验室, 天津 300192
呼气异戊二烯是一种内源性代谢产物, 其含量与人体血液中的胆固醇水平存在关联。 但人体呼气影响因素众多, 寻找其与胆固醇水平诊断参数的定量相关性, 需要对选取的特定人群进行有效的呼吸气体分析(实时、 在线、 高灵敏度、 高选择性、 高精度的大量呼气数据获取)。 光腔衰荡光谱(CRDS)是一种具有极高灵敏度、 稳定性和选择性的光谱技术。 采用目前市场在售的单波长紧凑型半导体紫外激光器, 搭建了一套基于CRDS的呼气异戊二烯分析仪, 该分析仪主要由激光系统、 真空腔体、 光电探测模块以及数据采集模块构成。 线性拟合的结果显示所获得的衰荡信号接近单指数衰减(R2=0.998 39), 符合朗伯-比尔定律。 探究了不同信号平均次数对衰荡信号稳定性的影响, 综合考虑衰荡信号的稳定性和分析仪的响应时间, 采用128次作为实验过程中的信号平均次数。 对呼气异戊二烯分析仪的性能进行了测试, 为了表征分析仪的稳定性, 持续测量了分析仪16 min的真空衰荡时间。 使用氮气、 空气和呼吸样本, 测量了呼气异戊二烯分析仪的重复性和响应速度。 为了测试分析仪的线性度, 测量了不同粒子数密度的异戊二烯标准气体(10×10-9, 30×10-9, 50×10-9, 100×10-9, 200×10-9)的衰荡时间。 最后分析了在224 nm测量异戊二烯存在的光谱干扰问题(NO, N2O和丙酮)。 实验表明: 分析仪具有高的灵敏度(检测极限为0.49×10-9)、 良好的重复性、 稳定性(0.48%)、 近实时的响应速度(1秒测量一个数据)和良好的线性度(R2=0.993 13), 将检测极限提高至现有水平的1/1 000。 研究证明基于CRDS的便携式呼气异戊二烯分析仪可实现对人体呼气异戊二烯的有效分析。
光谱学 光腔衰荡光谱 呼气异戊二烯 痕量分析 Spectroscopy Cavity ringdown spectroscopy Breath isoprene Trace analysis 
光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2415
袁峰 1,2高晶 3姚路 1陈兵 1[ ... ]阚瑞峰 4
作者单位
摘要
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院 青藏高原研究所, 北京 100101
4 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了分析青藏高原地区甲烷浓度的垂直分布, 本文采用腔衰荡光谱技术(CRDS)设计了一套高灵敏度的球载甲烷浓度实时测量系统, 该测量系统在基于DSP的单板电路上实现腔模锁定、衰荡信号采集、光谱扫描、数据存储等功能并在DSP上实时处理衰荡信号、光谱信号和浓度等数据。本文首先介绍了CRDS测量原理与采用的光谱处理算法, 通过固定高斯线宽的方式改进光谱拟合算法, 使得浓度计算结果得到明显提升。然后, 分析了电路系统采集的衰荡信号与光谱信号, 采集的衰荡信号信噪比达62 dB, 并在实验室使用标准气体进行了标定试验, 标准气体的测量值标准差σ最大为2.2×10-9, 测量值的均方值RMS和标准气体标称值之间的校正可决系数为0.998 7。最后, 系统进行了实际试验, 在西藏鲁朗地区成功实现了从海拔3 340 m到海拔6 000 m的上升和下降过程中甲烷浓度的测量。该系统可以通过改变激光波长与光腔反射镜测量其他大气痕量气体, 进一步改进与优化的系统可以应用到大气同位素丰度的测量中。
光谱学 腔衰荡光谱技术 痕量气体 实时测量 spectroscopy cavity ringdown spectroscopy isotopes aburdance highly sensitivity real time detection 
光学 精密工程
2020, 28(9): 1881
作者单位
摘要
1 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
3 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300192
4 美国密西西比州立大学, 美国 密西西比 MS 39762
呼吸气体分析技术在疾病诊断和代谢监测方面无创性、实时性的优势使其成为一个颇具前途的研究领域,也是未来新型诊断仪器的发展方向。目前大多呼吸生物标志物的检测和定量分析均采用气相色谱-质谱联用技术。近几年来,激光光谱技术和激光光源的发展加速推进了呼吸气体分析研究的进展。与质谱技术相比,激光光谱技术不但具有高灵敏度、高选择性的优点,而且具有低成本、实时性及即时检测(POCT)的功能特点。目前,在已确定的35种呼吸生物标记物中,研究人员采用可调谐半导体激光吸收光谱、光腔衰荡光谱以及光声光谱技术进行了多种呼吸生物标记物人体呼吸气体实验,其相应生物标记物的光谱“指纹”涵盖了从紫外到中红外的光谱范围。
医用光学 呼吸气体分析 生物标记物 可调谐半导体激光吸收光谱 光腔衰荡光谱 光声光谱 
中国激光
2018, 45(2): 0207015
作者单位
摘要
华东理工大学理学院, 上海 200237
理论分析了腔内电磁诱导透明效应(EIT)对腔衰荡光谱(CRDS)的影响,提出了利用V型三能级EIT中的光泵效应提高探测光透过率从而改善CRDS性能的方案。实验中采用铷87原子的D2线构建了V型三能级EIT,在适当的控制光强度下实现了CRDS衰荡时间及其灵敏度的改善,使灵敏度增强至原有灵敏度的1.45倍。
量子光学 电磁诱导透明效应 腔衰荡光谱 衰荡时间 光泵效应 
光学学报
2016, 36(11): 1127001
作者单位
摘要
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
搭建了基于近红外连续激光器的高灵敏度快速扫描光腔衰荡光谱仪(SC-CRDS)。通过压电陶瓷(PZT)快速扫描腔长,并用跟踪电路使腔长自动跟踪激光波长变化,实现衰荡光谱的快速测量。利用CH4在1653.73 nm (6046.95 cm-1)附近的光谱吸收峰,用该装置对CH4气体含量进行测量。通过测量多个光谱点确定吸收线中心吸收峰值和激光波长,并反馈补偿激光中心波长使其稳定在吸收线,成功解决了由于激光器波长/频率严重漂移导致的不能持续准确测量问题。利用标准浓度的CH4样品校准其1653.73 nm 吸收峰谱线强度。该光腔衰荡光谱仪装置结构简单,性能稳定,CH4浓度检测限达到1.0×10-9,可用于长时间监测室外空气中的CH4浓度。
光谱学 高灵敏度光学探测 光腔衰荡光谱 空气污染监测 激光传感器 甲烷 
光学学报
2015, 35(9): 0930002

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