【技术实现步骤摘要】
本申请涉及气体检测，特别是涉及一种面向呼气分析的多组分气体检测系统。
技术介绍
1、传统的临床检测技术主要是通过对人体的血液或者组织进行采样分析，对患者有实质性的伤害。因此，从“有创”到“无创”是人类医学发展的必然趋势和永恒追求。其中，无创气体检测技术能够无损、原位地探测人体呼出气体中的生物标志物，反映人体特定的生理状况，为重症疾病的早期诊断提供极为便捷的工具。对于人体呼出气体的检测，常规的多组分气体分析主要依赖于气相色谱-质谱仪。然而，这类检测仪器体积庞大，操作复杂，使用和维护成本高。傅里叶变换红外光谱气体分析仪虽然能够实现现场检测，但是一方面其检测精度较低(ppm量级，10-6)，难以达到对早期疾病的检测灵敏度要求(ppb量级，10-9)；另一方面，其只能实现单一疾病标志物的检测，难以提升检测的特异性。
2、光纤光谱气体检测技术是以光纤作为光传输媒介，该技术凭借光纤波导结构小巧、本质安全、灵敏度高、可复用等突出优势，能够满足医学检测领域对微型化、高性能的气体传感器的迫切需求。现有的多组分光纤气体检测系统大多采用直接吸收光谱技术(das)，可调谐激光吸收光谱技术(tdlas)，以及光声光谱技术(pas)，通过利用各种光源、探测器，结合时分复用的方法来检测多种不同的气体。然而，这些系统通常涉及复杂的光学系统，并且由于弱吸收或者有限吸收长度，检测精度通常处于ppm水平。尽管采用多次反射的光学元件能够延长吸收长度，但也增加了光路损耗和系统的复杂度，无法发挥其在疾病早期筛查中的优势。
技术实现思
1、本申请的目的是提供一种面向呼气分析的多组分气体检测系统，可实现对人体呼出生物标志物气体的快速现场检测，显著提高检测的便捷性和时效性。
2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
3、一种面向呼气分析的多组分气体检测系统，所述面向呼气分析的多组分气体检测系统包括：探测光源、泵浦激光组件、气体收集室和数据采集组件；所述气体收集室包括采用类d型纤芯光波导的马赫-曾德干涉仪；所述类d型纤芯光波导的纤芯位于光波导边界并与至少两种待测人体呼出气体直接接触；
4、所述探测光源用于产生探测激光；所述探测激光的中心波长为所述马赫-曾德干涉仪的干涉谱设定范围内的正交点处的波长；所述设定范围为远离所述待测人体呼出气体的吸收线波长，且距离干涉谱最大值光强下降为一半的线性波长范围；
5、所述泵浦激光组件用于产生至少两束不同波长的泵浦激光；
6、所述探测激光与所述泵浦激光同时输入所述马赫-曾德干涉仪中；所述泵浦激光在所述类d型纤芯光波导的纤芯表面激发倏逝波，所述待测人体呼出气体吸收所述倏逝波后温度升高，折射率被调制；所述探测激光在所述马赫-曾德干涉仪中激发所述类d型纤芯光波导的纤芯的第一传输模式和第二传输模式；所述待测人体呼出气体的折射率被调制时，周期性改变所述第一传输模式和所述第二传输模式在所述类d型纤芯光波导中传输时的相位，并由所述马赫-曾德干涉仪解调出探测激光的强度变化信息；
7、所述数据采集组件用于检测所述探测激光的强度变化信息，计算得到所述待测人体呼出气体的浓度信息。
8、可选地，所述泵浦激光组件包括：光纤耦合器以及至少两组激光控制器和泵浦光源；
9、所述激光控制器用于驱动所述泵浦光源产生至少两束不同波长的泵浦激光；所述泵浦光源的中心波长基于所述待测人体呼出气体的吸收线波长确定；所述激光控制器的调制频率基于光热信号产生的弛豫时间确定；
10、所述光纤耦合器用于对所述泵浦激光进行合束。
11、可选地，所述数据采集组件包括：滤波器、光电探测器、锁相放大器和数据采集卡；
12、所述滤波器用于滤除所述泵浦激光，保留所述探测激光；
13、所述光电探测器用于接收所述探测激光，检测所述探测激光的强度变化信息，得到光热信号；
14、所述锁相放大器用于根据所述激光控制器的调制频率对所述光热信号进行解调，得到至少两组不同调制频率的谐波信号；
15、所述数据采集卡用于采集所述谐波信号并计算对应的所述待测人体呼出气体的浓度信息。
16、可选地，所述面向呼气分析的多组分气体检测系统还包括：第一波分复用器；
17、所述第一波分复用器的输入端分别与所述探测光源的输出端和所述光纤耦合器的输出端连接，所述第一波分复用器的输出端与所述马赫-曾德干涉仪的输入端连接；所述第一波分复用器用于将所述探测激光与所述泵浦激光同时输入所述马赫-曾德干涉仪中。
18、可选地，所述面向呼气分析的多组分气体检测系统还包括：第二波分复用器；
19、所述第二波分复用器的输入端与所述马赫-曾德干涉仪的输出端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述滤波器的输入端连接；所述第二波分复用器用于分离所述泵浦激光和所述探测激光。
20、可选地，所述面向呼气分析的多组分气体检测系统还包括：光纤隔离器；
21、所述光纤隔离器的输入端与所述探测光源的输出端连接，所述光纤隔离器的输出端与所述第一波分复用器的输入端连接；所述光纤隔离器用于使所述探测激光单向传输。
22、可选地，所述面向呼气分析的多组分气体检测系统还包括：气体混合系统；
23、所述气体混合系统与所述气体收集室的进气口连接，用于将至少两种待测人体呼出气体与缓冲气体混合，输入所述气体收集室中。
24、可选地，所述类d型纤芯光波导由表面芯光波导经过腐蚀得到；所述表面芯光波导的直径为91μm，纤芯直径为9-10μm，纤芯位于光波导边界，纤芯中心偏离包层中心的距离为35-42μm；所述类d型纤芯光波导的直径为85μm，纤芯腐蚀深度为2-3μm，腐蚀光波导长度为10-30mm。
25、可选地，所述类d型纤芯光波导的一端切平后与输入端的单模光纤通过光纤熔接机进行侧向错位偏移熔接，所述类d型纤芯光波导的另一端切平后与输出端的单模光纤通过光纤熔接机进行精确对准熔接，形成马赫-曾德干涉仪；
26、所述探测激光输入到所述输入端的单模光纤与所述类d型纤芯光波导的侧向错位熔接处时，激发出所述类d型纤芯光波导的第一传输模式和第二传输模式，所述第一传输模式和所述第二传输模式沿着所述类d型纤芯光波导传输，当到达所述类d型纤芯光波导与所述输出端的单模光纤的熔接处时相遇并发生干涉现象。
27、可选地，所述输入端的单模光纤的纤芯中心与所述类d型纤芯光波导的纤芯中心错位4-5μm，错位方向沿光波导径向外侧方向。
28、根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：
29、本申请提供了一种面向呼气分析的多组分气体检测系统，构建了类d型纤芯光波导马赫-曾德干涉仪，采用具有较强倏逝场特性的类d型纤芯光波导作为传感单元，利用光纤本身独特的模式干涉特性来增强其对外感知的灵敏度；待测人体呼出气体与类d型纤芯光波导的纤芯表面相接触，光热信号响应是瞬时的，能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，包括：探测光源、泵浦激光组件、气体收集室和数据采集组件；所述气体收集室包括采用类D型纤芯光波导的马赫-曾德干涉仪；所述类D型纤芯光波导的纤芯位于光波导边界并与至少两种待测人体呼出气体直接接触；
2.根据权利要求1所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，所述泵浦激光组件包括：光纤耦合器以及至少两组激光控制器和泵浦光源；
3.根据权利要求2所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，所述数据采集组件包括：滤波器、光电探测器、锁相放大器和数据采集卡；
4.根据权利要求3所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，还包括：第一波分复用器；
5.根据权利要求4所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，还包括：第二波分复用器；
6.根据权利要求5所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，还包括：光纤隔离器；
7.根据权利要求6所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，还包括：气体混合系统；
8.根据
9.根据权利要求8所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，所述类D型纤芯光波导的一端切平后与输入端的单模光纤通过光纤熔接机进行侧向错位偏移熔接，所述类D型纤芯光波导的另一端切平后与输出端的单模光纤通过光纤熔接机进行精确对准熔接，形成马赫-曾德干涉仪；
10.根据权利要求9所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，所述输入端的单模光纤的纤芯中心与所述类D型纤芯光波导的纤芯中心错位4-5μm，错位方向沿光波导径向外侧方向。
...【技术特征摘要】
1.一种面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，包括：探测光源、泵浦激光组件、气体收集室和数据采集组件；所述气体收集室包括采用类d型纤芯光波导的马赫-曾德干涉仪；所述类d型纤芯光波导的纤芯位于光波导边界并与至少两种待测人体呼出气体直接接触；
2.根据权利要求1所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，所述泵浦激光组件包括：光纤耦合器以及至少两组激光控制器和泵浦光源；
3.根据权利要求2所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，所述数据采集组件包括：滤波器、光电探测器、锁相放大器和数据采集卡；
4.根据权利要求3所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，还包括：第一波分复用器；
5.根据权利要求4所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，还包括：第二波分复用器；
6.根据权利要求5所述的面向呼气分析的多组分气体检测系统，其特征在于，还包括：光纤隔离器；
7.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭艳珍，刘晔，王红成，初让，张耿，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：
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