前言

慢性腎臟疾?。–KD）已成為公共衛(wèi)生的重大挑戰(zhàn)。早期腎功能損傷通常缺乏明顯癥狀，當(dāng)患者察覺異常時，病情往往已進(jìn)展至中晚期。呼氣氨作為腎臟代謝功能的敏感生物標(biāo)志物——當(dāng)腎臟無法正常排泄尿素時，唾液脲酶將其分解為氨并經(jīng)呼氣排出——使其成為腎病早期篩查的理想候選指標(biāo)。然而，人體呼氣中氨濃度極低（通常處于亞ppm甚至ppb量級），且呼氣基質(zhì)復(fù)雜（含水蒸氣、CO?、揮發(fā)性有機物等），對檢測系統(tǒng)的選擇性和靈敏度提出了高要求。

一項發(fā)表于“IEEE”期刊的研究構(gòu)建了一套基于波長調(diào)制光譜（WMS）的高分辨率激光光譜傳感系統(tǒng)，其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在光源、氣室和探測三個層面的協(xié)同優(yōu)化。

系統(tǒng)架構(gòu)

（1）EC-QCL光源：高光譜功率密度鎖定ppb級檢測目標(biāo)

系統(tǒng)采用中紅外外腔量子級聯(lián)激光器（EC-QCL），精準(zhǔn)鎖定氨分子位于1046.4 cm?1處的強吸收線。EC-QCL的光譜功率密度較傳統(tǒng)熱輻射光源高出數(shù)個數(shù)量級，配合波長調(diào)制光譜（WMS）技術(shù)，將吸收信號從激光強度噪聲基底中提取出來，從根本上突破了直接吸收光譜的靈敏度天花板。這一”高功率+高分辨”的光源特性，是實現(xiàn)后續(xù)1.30 ppb極限檢測限的首要技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）柔性空心波導(dǎo)：無鏡設(shè)計解決傳統(tǒng)氣室的固有矛盾

本研究選用無鏡（mirrorless）柔性空心波導(dǎo)作為氣體吸收池，其8.8 mL的樣品體積有效解決了傳統(tǒng)氣室面臨的根本性矛盾：長光程需要大體積，大體積導(dǎo)致響應(yīng)慢、樣品耗量大——而這對于呼氣分析是不可接受的。

空心波導(dǎo)的工作原理是在其內(nèi)壁鍍有金屬/介質(zhì)反射層，使入射光在波導(dǎo)內(nèi)部以多次反射方式傳播，氣體在波導(dǎo)中空腔通過。柔性設(shè)計允許波導(dǎo)彎曲排布，在緊湊空間內(nèi)實現(xiàn)等效長光程，且無鏡設(shè)計避免了光學(xué)對準(zhǔn)的苛刻要求和鏡面污染問題，為便攜式設(shè)備的小型化奠定了光學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

（3）極限性能：1.30 ppb檢測限，響應(yīng)時間<1.5秒

系統(tǒng)在平均時間79 s的條件下，實現(xiàn)了1.30 ppb的檢測限（LOD）；同時，氣體檢測的平均響應(yīng)時間小于1.5 s。這兩個指標(biāo)的兼得體現(xiàn)了系統(tǒng)在靈敏度與速度之間的優(yōu)異平衡——低檢測限保障了痕量氨的可靠檢出，快速響應(yīng)則適配了臨床呼氣檢測的實時性需求。

系統(tǒng)優(yōu)勢

臨床驗證

研究將系統(tǒng)應(yīng)用于腎病患者呼氣樣本的實際檢測。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效識別腎病患者呼氣中的氨濃度異常，展示了從技術(shù)指標(biāo)到臨床診斷工具的可靠跨越。這一臨床驗證環(huán)節(jié)證實了EC-QCL激光光譜系統(tǒng)在真實呼氣基質(zhì)中的選擇性和抗干擾能力——即使在含水蒸氣和其他共存氣體的復(fù)雜背景下， 鎖定1046.4 cm?1吸收線的EC-QCL仍能以高分子特異性識別氨分子。

技術(shù)展望

EC-QCL與柔性空心波導(dǎo)的技術(shù)組合，為呼氣診斷開辟了新的可能性：

• 靈敏度層面：1.30 ppb的檢測限已覆蓋腎病早期患者呼氣氨濃度變化范圍，使“窗口期”篩查成為可能；

• 速度層面：<1.5 s的響應(yīng)時間適配臨床即時檢測（POCT）場景；

• 體積層面：8.8 mL的氣室體積和柔性波導(dǎo)的緊湊排布，為開發(fā)便攜式呼氣分析儀提供了明確的工程路徑。

EC-QCL的高光譜功率密度不僅是檢測靈敏度的基石，更通過與柔性空心波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新相結(jié)合，將激光光譜技術(shù)從實驗室儀器推向了臨床診斷工具的發(fā)展軌道。

文獻(xiàn)來源：Song Y., Yang M., Luo X., Zhang X., Zhou S. Measurement of Exhaled Ammonia Based on Mid-Infrared EC-QCL and Flexible Hollow Waveguide: A New Idea for Early Diagnosis of Nephropathy. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2025, 74: 9521807.