面向呼吸生物标记物高效检测的光腔衰荡光谱方法

The realization of high-sensitivity, high-precision, real-time, on-line and high-efficiency analysis of respiratory markers is an important prerequisite for the real application of respiratory gas analysis. Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) is an important analytical method in this field. Due to the lack of in-depth study on the "spectral fingerprint" of respiratory markers and its influencing factors, and there is still no breakthrough in efficient analysis of respiratory markers utilizing CRDS. Therefore, the analysis of the factors that affect the efficient detection of CRDS, and find effective ways to achieve efficient detection of respiratory markers is the key to further promote the application of CRDS in the field of respiratory gas analysis, and has important scientific significance. This project intends to use acetone, an important respiratory marker, as the research object. Based on the dual-wavelength CRDS respiratory acetone analysis platform, researches will be conduct on the “spectral fingerprint” of acetone, the superposition and the interference of the absorption spectrum of respiratory gas components, and to reduce the influence factors of high-reflection cavity mirrors . This project will demonstrate the feasibility and applicability of dual-wavelength CRDS for the accurate and rapid analysis of respiratory acetone, provide a new method for the efficient analysis of respiratory acetone by cavity ring-down spectroscopy, provide support for the efficient analysis of other respiratory markers, and promote the development of respiratory gas analysis.

实现呼吸标记物高灵敏、高精准、实时、在线的高效分析，是呼吸气体分析领域真正进入人体疾病诊断应用的重要前提。光腔衰荡光谱作为该领域的重要分析方法，由于缺乏对呼吸标记物“指纹光谱”及其影响因素的深入研究，未将“指纹光谱”与系统优化相结合，在高效检测呼吸标记物方面仍缺乏有效突破。因此，深入分析影响光腔衰荡光谱高效检测的因素，寻找有效方法实现其对呼吸标记物的高效检测，是进一步推动呼吸气体进入疾病诊断应用的关键，具有重要的科学意义。本项目综合领域现状，以该领域重要的呼吸标记物之一丙酮为研究对象，采用双波长激光结合新型压控腔的光腔衰荡光谱方法，通过开展丙酮“光谱指纹”、呼吸气体成分的吸收叠加及光谱干扰、降低高反射腔镜影响因素的研究，研究光腔衰荡光谱实现呼吸丙酮高效检测的新方法，为光腔衰荡光谱高效检测呼吸标记物提供科学依据，进而有力推动呼吸气体分析领域的发展。

实现呼吸标记物高灵敏、高精准、实时、在线的高效分析，是呼吸气体分析领域真正进入人体疾病诊断应用的重要前提。光腔衰荡光谱作为该领域的重要分析方法，由于缺乏对呼吸标记物“指纹光谱”及其影响因素的深入研究，未将“指纹光谱”与系统优化相结合，在高效检测呼吸标记物方面仍缺乏有效突破。因此，深入分析影响光腔衰荡光谱高效检测的因素，寻找有效方法实现其对呼吸标记物的高效检测，是进一步推动呼吸气体进入疾病诊断应用的关键，具有重要的科学意义。本项目综合领域现状，以该领域重要的呼吸标记物之一丙酮为研究对象，搭建了CRDS的呼出气体高效分析系统，论证CRDS实现呼吸生物标记物的精准快速分析的可行性和适用性，开展了相关的应用实验。在自主构建的CRDS呼吸丙酮分析系统中，以YAG泵浦的连续可调谐染料激光器为光源，在296K-311K的温度范围、不同大气压及不同湿度下，开展丙酮的“指纹光谱”研究，分析其精细结构。同时，深入研究呼吸气体其他成分的可能光谱干扰及其产生的吸收叠加，研究其对CRDS高效分析呼吸丙酮的影响，同时分析了水蒸气和进样对腔镜的影响，设计出了专用的前处理系统。在此基础上，完成了来自20例健康志愿者运动前后、1例生酮饮食者和1例I型糖尿病患者的数千个呼出气体样本的临床实验，并分析了在志愿者在不同条件下呼吸丙酮含量的变化；对I型糖尿病注射胰岛素后的呼出丙酮变化，进行了分析。本项目在工程科学研究方面，系统研究了光腔衰荡光谱实现呼吸丙酮高效检测的新方法，为光腔衰荡光谱高效检测呼吸标记物提供科学依据，在应用研究方面，为糖尿病的无创监测提供了一个可探索的方法。项目在工程科学与应用研究的成果，将有力推动呼吸气体分析领域的发展。