本发明专利技术公开了一种基于QCL的现场快速毒品检测系统。在检测时，该系统首先将毛根固定，将毛发顶端插入光声谐振腔中，然后将激光照射在毛发上，通过改变注入电流来调节QCL输出波长，当毛发中毒品对激光特定波段有吸收时，光声效应产生的声波会作用在双T型石英音叉上产生微弱的电流信号，通过阻抗放大器转变为电信号，最后由锁相放大器和解调算法计算出毒品的浓度和种类，通过不断移动毛发位置，重复上述检测步骤，直到毛根被插入到光声谐振腔中。相较于现有的毛发检测方法，该方法检测速度快，可实现现场大批量检测，对毒品种类和浓度的检测，并且根据毛发中毒品的检出位置可以计算出违法摄入者吸食的时间。违法摄入者吸食的时间。违法摄入者吸食的时间。
【技术实现步骤摘要】
一种基于QCL的现场快速毒品检测系统
[0001]本专利技术属于毒品检测
，具体涉及基于QCL的现场快速毒品检测系统。
技术介绍
[0002]毒品对人的身心健康有着巨大的危害。违法服用者毒瘾发作时容易出现狂躁情绪，甚至做出自残、伤人等过激行为，因此需要对违法服用者做出严厉打击。毒品及其代谢物会通过血液循环扩散进入头发根部区域，与黑色素等结合存在于毛发髓质层内，固化在毛发的变性蛋白中。进入毛发的毒品受到毛发机制的保护，而不受外部环境清除或改变；因为毛发是以相对不变的速度生长，所以可推测违法服用者摄入的时间和计量的历史情况。
[0003]与传统的采用血液、尿液的检测方法相比，毛发分析检测有以下优势：采样简单头发检测毒品只需要从人体取少量毛发即可，采集简单方便，而且现场可监控，不易作假，可满足现场大批量快速检测的需求；样本保存方便，毛发样本可以长期保存，且对保存环境要求低；避免暂时性药物切断影响，并且毒品在毛发中代谢较慢可长期存在，可以根据头发样本的长度，检测其违法服用的时间范围和种类。
[0004]目前，通过各种技术手段检测毛发中违禁药品含量，需要对毛发样品进行预处理，检测步骤比较复杂。如专利CN111189954A，该方法需要对毛发进行水解处理，得到只含有毒品成分的提取液，后续还要进行一系列处理。该检测方法步骤繁琐、检测时间长、且不能反映出违法服用的时长，不适合在公共场所做大批量检测。采用光谱技术对毛发进行检测，如专利CN111398249A，一种采用表面增强拉曼光谱技术检测毒品的方法，该方法需要制备活性增强基底，然后将样品分散在活性增强基底，最后采用拉曼光谱仪进行检测。该检测方法步骤繁琐，耗时长，并且不能违法服用者摄入时间等信息。又如专利CN106404708A，一种基于红外光谱的毒品滥用传感器。该方法虽然可以准确快速检测出毒品的成分和浓度，但是需要对样品进行溶液化处理。同样不能反映出违法服用的时长。因此，在现有的毛发毒品检测方法中，普遍存在着步骤繁琐、检测时间长、不能反映出违法服用者的违法服用时长，不适合在公共场所做大批量检测等问题。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于QCL的现场快速大批量多毒品检测系统。该检测系统首先将毛根固定，将毛发顶端插入光声谐振腔中。然后将激光照射在毛发上，通过改变注入电流来调节QCL输出波长。当毛发中毒品对特定波段有吸收时，光声效应产生的声波会作用在双T型石英音叉上产生微弱的电流信号，通过阻抗放大器转变为电信号，最后锁相放大器和解调算法计算出毒品的浓度和种类。通过不断移动毛发位置，重复上述检测步骤，直到毛根被插入到光声谐振腔中。相较于现有的毛发检测方法，采用QCL的检测方法无需样品制备，检测速度快，可满足现场大批量检测，凭借QCL波长可调谐的特点，该检测方法可实现对毒品种类和浓度的检测，并且根据毛发中毒品的检出位置可以计算出违法摄入者吸食的时间。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术一种基于QCL的现场快速毒品检测系统包括：信号发生器模块1、信号发生器模块2、激光驱动模块3、温度控制模块4、QCL模块5、发丝固定模块6、石英增强光声模块7、跨阻抗放大器模块8、跨阻抗放大器模块9、倍频器模块10、锁相放大器模块11、ADC模块12、上位机模块13，其中：
[0007]信号发生器模块1产生低频锯齿波信号并传输给激光驱动模块，频率为f1，周期T1＝1/f1。由于QCL的输出波长随着驱动电流大小线性变化，信号发生器模块通过输出低频锯齿波改变QCL输出波长，使得输出波长可以涵盖待检测毒品的吸收峰。信号发生器模块1将该信号传输到激光驱动模块3。
[0008]信号发生器模块2产生高频正弦信号并传输给激光驱动模块3和倍频模块10，频率记为f2。高频正弦信号可以实现对QCL输出波长和光强的调制。信号发生器模块2将该信号传输到激光驱动模块3和倍频器模块10中。
[0009]激光驱动模块3将信号发生器模块1产生的低频锯齿波信号与信号发生器模块2产生的高频正弦波信号叠加到一起，并将电压信号转化为电流信号，输入到QCL模块5中。
[0010]温度控制模块4用于稳定QCL工作温度，使得QCL在检测过程中工作在设定温度下，保证激光器输出波长随注入电流线性变化。
[0011]QCL模块5为量子级联激光器模块，其输出波长随着激光驱动模块3注入电流发生改变。QCL可调谐波长可以涵盖待检测毒品的吸收峰，其发射的激光进入石英增强光声模块7中。
[0012]发丝固定模块6用于将毛发送入石英增强光声模块7，完成QCL对毛发的检测。毛发长度设为L，固定模块6首先将毛发根部固定，将毛发顶端插入过孔201中。当QCL完成一个锯齿波周期T1扫描后，发丝固定模块将毛发插入长度增大ΔX，并将已经插入的整体长度N发送给上位机模块13。当毛发完全被插入石英增强光声模块7中的谐振腔后，即L＝N时，对该毛发样品的检测完成。
[0013]石英增强光声模块7是毒品吸收信号的产生位置，且能将光声信号转化为电信号。其结构为一个双T型石英增强光声探测器(结构图见附图2)。在光声谐振腔101两侧嫁接两个对称的金属短管301和金属短管302，金属短管301和金属短管302嫁接于光声谐振腔101的凹槽处，过孔201用于插入待检测毛发。由QCL模块5发射的激光进入石英增强光声模块的谐振腔中，并垂直照射在毛发上。当毛发中的毒品分子吸收了对相应波长的激光能量，产生的声波可等效为“推动”石英音叉401和石英音叉402的叉臂向相反方向摆动，压电效应产生两个微弱的电流信号I1、I2，该电流信号分别输入到跨阻抗放大器模块8和跨阻抗放大器模块9中。相较于T型石英增强光声探测器，本专利技术设计的双T型石英增强光声探测器可以输出两路光声信号，信号强度增加一倍。
[0014]跨阻抗放大器模块8和跨阻抗放大器模块9接收石英增强光声模块6的电流信号I1和I2，并将电流转化成相应电压信号U1、U2输出到锁相放大器模块11中。
[0015]倍频器模块10用于将信号发生器模块2输出的高频正弦波信号进行倍频，然后将频率为2f的正弦信号输入到锁相放大器模块11中。
[0016]锁相放大器模块11接收倍频器模块10输出的频率为2f的正弦信号和来自跨阻抗放大器模块8和跨阻抗放大器模块9的电压信号U1、U2。锁相放大器首先将两个电压信号求和，得到U＝U1+U2。然后以频率为2f的正弦信号作为参考信号，对电压信号U解调出二次谐
波信号。二次谐波信号与毒品种类和含量有关。锁相放大器模块11将二次谐波信号输入到ADC模块12中。
[0017]ADC模块12用于采集锁相放大器模块11传出的二次谐波信号，并将该信号传送至上位机。
[0018]上位机模块13用于对系统中各个模块的控制，保证整个系统的顺利运行。上位机模块13接收ADC模块12输入的二次谐波信号，当信号中出现毒品的吸收峰后，根绝吸收峰的位置和高度来判断毒品的种类和浓度。根据公式D＝(L
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于QCL的现场快速毒品检测系统，其特征在于包括信号发生器模块1，信号发生器模块2，激光驱动模块3，温度控制模块4，QCL模块5，发丝固定模块6，石英增强光声模块7，跨阻抗放大器模块8，跨阻抗放大器模块9，锁相放大器模块11，ADC模块12，上位机模块13；其中：信号发生器模块1产生低频锯齿波信号并传输给激光驱动模块，频率为f1，周期T1＝1/f1；由于QCL的输出波长随着驱动电流大小线性变化，信号发生器模块通过输出低频锯齿波改变QCL输出波长，使得输出波长可以涵盖待检测毒品的吸收峰；信号发生器模块2产生高频正弦信号并传输给激光驱动模块3和倍频器模块10，频率为f2；高频正弦信号可以实现对QCL输出波长和光强的调制；激光驱动模块3将信号发生器模块1产生的低频锯齿波信号与信号发生器模块2产生的高频正弦波信号叠加到一起，并将电压信号转化为电流信号，输入到QCL模块5中；温度控制模块4用于稳定QCL工作温度，使得QCL在检测过程中工作在设定温度下；QCL模块5为量子级联激光器模块，其输出波长随着激光驱动模块3注入电流发生改变；QCL可调谐波长可以涵盖待检测毒品的吸收峰，其发射的激光进入石英增强光声模块7中；发丝固定模块6用于将毛发送入石英增强光声模块7，完成QCL对毛发的检测；毛发长度设为L，固定模块6首先将毛发根部固定，将毛发顶端插入过孔201中；当QCL完成一个锯齿波周期T1扫描后，发丝固定模块将毛发插入长度增大ΔX，并将已经插入的整体长度N发送给上位机模块13；当毛发完全被插入谐振腔后，即L＝N时，对该毛发样品的检测完成；石英增强光声模块7是毒品吸收信号的产生位置，且能将光声信号转化为电信号；其结构为一个双T型石英增强光声探测器；在光声谐振腔101两侧嫁接两个...
【专利技术属性】
技术研发人员：李奇峰，杨云鹏，汪文达，张润泽，马翔云，郜峰，李志鹏，刘新楠，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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