【摘 要】
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呼气中内源性气体与生理状态密切相关,其中很多可作为生物标志物用于疾病的无创诊断,如:呼气中的CO2和NO气体的检测与分析能够实现肺部疾病的初步诊断。可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）作为一种常见的痕量气体检测技术,具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点。本文基于TDLAS技术对呼气的CO2和NO气体进行了检测分析,主要工作及成果如下:第一,设计和搭建了呼气检测的通用平台。根据呼气动态过程的高
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呼气中内源性气体与生理状态密切相关,其中很多可作为生物标志物用于疾病的无创诊断,如:呼气中的CO2和NO气体的检测与分析能够实现肺部疾病的初步诊断。可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）作为一种常见的痕量气体检测技术,具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点。本文基于TDLAS技术对呼气的CO2和NO气体进行了检测分析,主要工作及成果如下:第一,设计和搭建了呼气检测的通用平台。根据呼气动态过程的高灵敏和快速时间响应的需求,梳理总结了针对激光吸收光谱呼气检测的谱线优选方法,确定了被测气体CO2和NO的目标波段分别为2.004μm和5.26μm,以容积38m L光程3.49m的环形气体样品池为核心对系统的光机电气进行了设计,集成了适用于呼气检测的通用平台。该平台能够实现对呼气的干燥过滤、实时采样等功能,测量时间分辨率为80ms,通过更换激光光源可以实现对呼气中不同标志物的高灵敏动态过程测量。第二,实现了在人体呼气CO2图的监测与分析。使用搭建的呼气检测平台结合2004nm半导体激光器,基于直接吸收光谱技术,编写了光谱数据在线处理程序,包括波数动态标定、波峰扣除、基线校正以及Voigt函数拟合等。通过4.5%CO2标气测量实验对系统进行评价,检测精度为±0.3%,检测限175.45ppm。监测分析了气胸患者和健康受试者的CO2浓度变化图,结果显示在浓度饱和阶段两者的CO2图呈现出明显不同的变化趋势。对健康受试者在正常呼吸、运动后和饮食后的CO2浓度变化图进行分析和计算,得到可用于肺部诊断的部分生理指标例如呼气频率、潮气末CO2分压、单次呼出CO2量等,体现了本系统在肺部疾病诊断和代谢功能检测方面的潜力。第三,实现了人体呼气中NO的检测分析。使用5.26μm中红外量子级联激光器,基于波长调制激光光谱技术,综合考虑二次谐波信号幅度和谱线重叠,仿真得到最优调制电压为100m V并进行了实验验证。使用不同浓度的NO标气对系统进行性能评价,结果表明该系统线性度为0.99663,测量误差±3.2%,检测限12.8ppb。测量了长期吸烟者和不吸烟者的呼气NO浓度曲线,结果表明前者呼气的NO峰值浓度比后者低～25%,过量外源性NO的吸入可能会抑制细胞内一氧化氮合酶的生成导致呼气NO浓度的下降,从而增加呼吸道感染的风险。
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