【仪表网 研发快讯】近日，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所张志荣研究员团队在基于新型空芯光波导激光吸收光谱气体稳定同位素测量研究方面取得新进展。相关研究成果以《用于气体同位素比值测量的新型中红外增强型空芯光波导的设计与性能分析》为题发表在国际TOP期刊Analytical Chemistry(一区)上。
近年来，空芯光波导(Hollow Waveguide，HWG)作为一种新型的气体吸收池，具有光程体积比大、光路布置灵活稳定、成本较低等优势，广泛应用于光谱测量领域，在多个方面相较于传统多次反射型光程池具有明显优势。但是常规空芯光波导一般采用直通单路式测量，其光程取决于所使用的空芯光波导长度，极大的限制了其灵敏度和检测极限的提升。
本研究借鉴积分腔、腔衰荡的高反射镜光程提升设计思想，实现了基于高反射率镜片的增强型空芯光波导(EHWG)的新型气体吸收池部件，有效提高了光波导的光程利用率，极大的提高了光程体积比。同时，以幽门螺杆菌感染的“金标准” 13C-尿素呼气试验(13C-UBT)为依据，测量了呼气成分中的CO三种稳定同位素比值。结果表明：EHWG传感器对于三种同位素的测量精度(δ13C~0.36‰，δ18O~0.46‰，δ17O~0.88‰)优于前期的研究工作(Wenbiao Huang, Zhirong Zhang, Hua Xia, et al, Simultaneous measurement of 13C-, 18O-, and 17O- isotopes of CO2 using a compact mid-infrared hollow waveguide gas sensor, Sensors and Actuators B: Chemical, 2024, 417: 136119.)。此外，通过将EHWG传感器真实呼气测量结果与医院体检中13C-UBT的结果相验证，证明了该传感器具有安全性、非侵入性以及快速方便等优势，为下一步的临床测试奠定了基础。同时，EHWG在制造小型化、广谱和轻量化气体传感器方面具有巨大潜力，有望成为微量样本气体测量的首选。
中国科学技术大学博士研究生黄文彪与夏滑副研究员为共同第一作者，张志荣研究员为论文通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划(2022YFB3207601)、安徽省杰青项目(2408085J001)、安徽省重点研发计划(201904c03020005)、中国科学院合肥物质院“火花”基金(YZJJ20220N02)等项目支持。
增强型空芯光波导气体同位素传感器示意图
EHWG传感器R13C、R18O和R17O的测量精度
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