多通道雷射光譜技術使得僅測量呼吸氣體進行癌症的檢測成為可能

2020-12-05 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：來自華沙大學的研究人員發展了一種多通道雷射光譜技術，僅僅測量人們呼吸中甲醛（福馬林）氣體，就可以作為是否疾患癌症判斷的生物標記。

甲醛（福馬林）的光學探測設計用於人體的肺中的濁氣的感知癌症生物標誌物在自由大氣中進行應用的可能進行了介紹。其測量的波長範圍在3595.77–3596.20 nm之間進行。結果發現在壓力為.01 atm 時吸收譜對典型幹擾源呈現出最佳免疫，也許可以在人的呼吸的時候發生在高濃度的時候。多通道吸收光譜技術得到應用。採用通過波長調製的光學條紋淬火和信號平均化的幹擾周期法均給予了展示。這些技術的應用使得可以達到探測一個ppb的極限範圍。

這一光學傳感探測技術是華沙大學的一個團隊所發展的，依靠高度靈敏的光譜學測量技術來探測人體呼吸時是否存在甲醛（ 又叫福馬林）。這一呼吸測試是基於多通道光譜學進行的，可以探測出1個million空氣粒子中的一個單個的分子，甚至是在存在氣體會干擾光學精密測量的時候也能實現測量。的時候

研究發展的極端靈敏且簡單的光學技術來探測甲醛（ 福馬林）

圖解：這一技術建立在多通道的光譜學測量的技術之上，該裝置引入了一個雷射，該雷射穿過鏡子中的一個小孔。雷射就會在鏡子之間來回彈跳。從而製造出在樣品的整個長度之間的相互作用，在這個實驗裝置中的長度範圍內會發生上百次這樣的來回彈跳

甲醛（ 又叫福馬林）在當前是肺和乳房中是否有癌症的生物學標記。快速和非創傷的探測甲醛（ 又叫福馬林）的能力支撐著發展一個價格便宜和快速掃描測試的發展路徑。

多通道光譜學增加了光同樣品的相互作用，使得測量低濃度的氣體分子的探測成為可能。在華沙大學的研究團隊中，科學家們採用雷射來照射，通過一個鏡子中的小孔，該鏡子位於實驗裝置的一端。在實驗裝置的另外一端放置著另外一個鏡子，光被來回彈跳。這樣，光的相互作用就會在這一裝置中的整個長度範圍內發生上百次。

由於多道雷射束可以導致條紋幹涉，於是，實際上，就會降低靈敏度和阻礙科學家使用多通道光譜學系統來精確的探測生物標記的濃度，研究人員同時也發展了一個稱之為光學條紋淬火的技術，來克服測試裝置中噪音的影響。

通過輕微的調製雷射的發射，該雷射的波長是預先設置好的，並且對從樣品中發射出來的光依據波長進行平均計算，研究人員成功的排除了光學幹涉的影響並獲得甲醛（ 又叫福馬林）的精確的測量。為了進一步的減少呼吸樣品中的其他常見物質的幹擾，研究人員選擇了一個優化的光譜範圍和樣品的壓力來實現。

甲醛（ 福馬林） 的吸收光譜和人體中典型的幹擾物的代表

圖解： a) 在正常大氣壓下的結果；b) 在大氣壓減少到0.01 atm 的測量結果

研究團隊的Mateusz Winkowski 和 Tadeusz Stacewicz使用一個校準的人造的，在空氣中混合甲醛（ 福馬林）的辦法來使用他們的技術進行了測量。團隊報導的結果顯示，該技術更容易探測甲醛（ 福馬林），其探測的層級可以顯示是否存在疾病。而且，本工作中的光學條紋淬火部件，Winkowski 說到，可以通過多道系統裝置來提高任何光學系統。 Winkowski找到的特別的應用包括測量甲醛（ 福馬林）氣體從一個房間中的材料所釋放出來的氣體，和/或工業中的來源，來理解對人體呼吸的影響。

研究人員說，下一步的計劃就是利用這一技術來測量呼吸中的乙烷。目前正在研究乙烷作為癌症和其他疾病中是否可以作為生物標記。

該研究成果發表在期刊《Biomedical Optics Express》上。

文章來源：Biomedical Optics Express Vol. 11, Issue 12, pp. 7019-7031 (2020) https://doi.org/10.1364/BOE.405384，Optical detection of formaldehyde in air in the 3.6 m range以及華沙大學(University of Warsaw)

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