華沙大學的研究團隊開發了一種光學條紋猝滅技術

2020-12-12 電子發燒友

華沙大學的研究團隊開發了一種光學條紋猝滅技術

MEMS 發表於 2020-12-01 17:05:11

波蘭華沙大學（University of Warsaw）的多光程光譜學研究項目有望實現早期癌症診斷的呼吸檢測臨床平臺。

多光程光譜法使樣本相互作用長度擴展了幾十倍甚至幾百倍，大幅提高了甲醛的檢測能力


近年來，生物光子學研究人員一直致力於通過識別人體呼出氣體中的化學物質來檢測常見的疾病。

就癌症而言，理論上可以在尿液和汗液等體液中發現惡性腫瘤細胞發展中副產物所產生的特定揮發性有機物，它們在呼吸中的存在被認為是檢測疾病「指紋」特徵的簡便途徑。

不過，直到目前，檢測上述複雜混合物中超低濃度的潛在特定化合物仍存在困難，並且還需要把這些光譜平臺開發成實際可應用的臨床設備。

據麥姆斯諮詢報導，華沙大學在最近的一項研究中開發了一款概念驗證光譜平臺，可以檢測患者呼出氣體中百萬分之一或更低水平的甲醛含量，而甲醛被認為是肺癌和乳腺癌的潛在化學標誌物。這項研究成果已經發表於Biomedical Optics Express。

該研究的主要作者華沙大學的Mateusz Winkowski表示：「通過呼氣測量生物標誌物無創、無痛且快速，有望用來篩查早期癌症，早期診斷對於癌症治療至關重要。我們開發的多光程光譜學方案可以使這類檢測更經濟更實用。」

華沙大學這項設計的關鍵是利用了多光程光譜學，通過大幅延長檢測單元中的光路來提高靈敏度。
 

華沙大學實驗系統的設計示意圖


論文顯示，其實驗系統包括一個檢測分析單元，其兩端有兩個相距65釐米的凹面鏡，用於來回反射3596~3598納米雷射，從而使光路延長至17.5米。

該團隊的另一個重要突破是解決信號噪聲問題，這是多光程光譜技術的一個固有難題。在多光程光譜學中，光束會通過反射鏡表面的缺陷散射或在分析單元中衍射而擴散。據華沙大學研究小組稱，多束雷射束之間的這種條紋幹涉會降低靈敏度，阻礙生物標誌物的檢測。

對此，華沙大學的研究團隊開發了一種光學條紋猝滅技術，該技術不僅對這一特定的臨床應用具有潛在價值，而且，甲醛作為一種工業和家庭環境的常見有害氣體，增強的多光程檢測還具有更廣泛的應用價值。

有利於癌症篩查的普及

Winkowski表示：「我們開發的光學條紋猝滅技術可以用於所有採用多光程檢測單元的光學系統，它還可以用於測量從家居或工業環境釋放的甲醛氣體，從而更好地了解其對人體健康的影響。」

華沙大學開發的光學條紋猝滅技術通過應用頻率為10 kHz的正弦信號，在一定波長範圍內調製雷射器的發射，然後對樣本在這些波長下發射的光進行平均。為了減少呼吸樣本中其它化學物質的幹擾，還調整了樣本壓力。

研究團隊在對模型氣體混合物的試驗中證明，其調製技術結合0.01標準大氣壓的樣本壓力展示了最優的甲醛檢測性能，對水蒸氣、二氧化碳和甲烷等其它化學物質的幹擾表現出最好的免疫性能。

論文顯示，這套方案最終能夠實現6.6 ppb的甲醛檢測極限，這足以檢測出人體呼吸中作為生物標誌物的疾病狀態。

華沙大學未來的研究將把同樣的方案擴展到其它化學物質，特別是乙烷，它被認為是另一個候選的癌症生物標誌物。

Winkowski說：「我們的目標是製造出一種經濟型桌面檢測設備，可以普及到所有診室進行癌症篩查。在基本的醫療檢查過程中，患者可以對該設備進行吹氣檢測，醫生就可以在一分鐘內判斷患者是否需要額外的深入檢查。」

責任編輯：lq

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