前言

慢性肾脏疾病（CKD）已成为全球公共卫生的重大挑战。早期肾功能损伤通常缺乏明显症状，当患者察觉异常时，病情往往已进展至中晚期。呼气氨作为肾脏代谢功能的敏感生物标志物——当肾脏无法正常排泄尿素时，唾液脲酶将其分解为氨并经呼气排出——使其成为肾病早期筛查的理想候选指标。然而，人体呼气中氨浓度极低（通常处于亚ppm甚至ppb量级），且呼气基质复杂（含水蒸气、CO₂、挥发性有机物等），对检测系统的选择性和灵敏度提出了极高要求。

一项发表于“IEEE”期刊的研究构建了一套基于波长调制光谱（WMS）的高分辨率激光光谱传感系统，其核心优势体现在光源、气室和探测三个层面的协同优化。

系统架构

（1）EC-QCL光源：高光谱功率密度锁定ppb级检测目标

系统采用中红外外腔量子级联激光器（EC-QCL），*锁定氨分子位于1046.4 cm⁻¹处的强吸收线。EC-QCL的光谱功率密度较传统热辐射光源高出数个数量级，配合波长调制光谱（WMS）技术，将吸收信号从激光强度噪声基底中提取出来，从根本上突破了直接吸收光谱的灵敏度天花板。这一”高功率+高分辨”的光源特性，是实现后续1.30 ppb极限检测限的技术基础。

（2）柔性空心波导：无镜设计解决传统气室的固有矛盾

本研究选用无镜（mirrorless）柔性空心波导作为气体吸收池，其8.8 mL的样品体积有效解决了传统气室面临的根本性矛盾：长光程需要大体积，大体积导致响应慢、样品耗量大——而这对于呼气分析是不可接受的。

空心波导的工作原理是在其内壁镀有金属/介质反射层，使入射光在波导内部以多次反射方式传播，气体在波导中空腔通过。柔性设计允许波导弯曲排布，在紧凑空间内实现等效长光程，且无镜设计避免了光学对准的苛刻要求和镜面污染问题，为便携式设备的小型化奠定了光学结构基础。

（3）极限性能：1.30 ppb检测限，响应时间<1.5秒

系统在*平均时间79 s的条件下，实现了1.30 ppb的检测限（LOD）；同时，气体检测的平均响应时间小于1.5 s。这两个指标的兼得体现了系统在灵敏度与速度之间的优异平衡——低检测限保障了痕量氨的可靠检出，快速响应则适配了临床呼气检测的实时性需求。

系统优势

临床验证

研究将系统应用于肾病患者呼气样本的实际检测。结果表明，该系统能够有效识别肾病患者呼气中的氨浓度异常，展示了从技术指标到临床诊断工具的可靠跨越。这一临床验证环节证实了EC-QCL激光光谱系统在真实呼气基质中的选择性和抗干扰能力——即使在含水蒸气和其他共存气体的复杂背景下， 锁定1046.4 cm⁻¹吸收线的EC-QCL仍能以极高的分子特异性识别氨分子。

技术展望

EC-QCL与柔性空心波导的技术组合，为呼气诊断开辟了新的可能性：

• 灵敏度层面：1.30 ppb的检测限已覆盖肾病早期患者呼气氨浓度变化范围，使“窗口期”筛查成为可能；

• 速度层面：<1.5 s的响应时间适配临床即时检测（POCT）场景；

• 体积层面：8.8 mL的气室体积和柔性波导的紧凑排布，为开发便携式呼气分析仪提供了明确的工程路径。

EC-QCL的高光谱功率密度不仅是检测灵敏度的基石，更通过与柔性空心波导的结构创新相结合，将激光光谱技术从实验室仪器推向了临床诊断工具的发展轨道。

海尔欣QSweep系列

海尔欣的QSweep宽扫红外激光源为客户提供覆盖更广、性能更强、稳定可靠的激光解决方案。

• 窄光谱输出：提供非常窄的光谱输出，满足高光谱分辨率的应用需要。
• 快速波长调谐：在QC芯片的整个增益带宽上（数百cm^-1），实现10ms的快速波长调谐。
• 低损耗元件：使用低损耗元件，使设备可以在便携式电池供电的条件下高效运作，适合便携式应用。
• 高输出功率：相较于DFB-QCL，可提供更高的输出功率，同时保持较窄的光谱宽度。
• 波长可调谐性：覆盖4-12µm的宽光谱范围，为固体和液体样品分析提供可能。
• 高可靠性：能够提供高可靠性的激光输出，适用于需要稳定光源的应用。
• 室温工作能力：在室温下运行，无需额外的冷却系统，实现了设备的小型化和便携化。

文献来源：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. DOI: 10.1109/TIM.2025.3571079