一篇文章带你抄底QCL在医疗领域中的应用

量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，简称QCL）自1994年被发明以来，已经历了28年的发展历程，因其极好的稳定性、单色性、窄线宽、高输出功率、波长覆盖范围宽等特点成为了中红外领域的潜力光源，广泛应用于科研、工业、环保、医疗、安防等领域。

本文将以案例的形式带大家梳理QCL在医疗领域中的众多用途，主要包含呼吸气检测、血糖无创检测、液态生物标志物分析等。

案例一：呼吸气检测

背景介绍：人体呼吸中含有约500种不同的化学物质，通常处于超低浓度水平，通过测定人体生理或病理状态时呼出气中特定成分的含量多少可以实现对特定疾病的诊断。比如以吹气的方式检测幽门螺旋杆菌，当人体摄入13C标记的尿素后，呼出13CO2浓度增加，与此种菌类的存在有一定的关系，此外呼气中13C值还可能是与内毒素血症的急性期反应相关的实时生物标记物，在医学诊断中，通常要求快速实现精度为0.5~1%的13C测定。

案例分享：英国曼彻斯特大学采用滨松TE制冷连续型DFB QCL（工作波长2308 cm-1）用于13CO2/12CO2气体检测，测量精度达到了0.12‰（120 ppmv），详见下图。除了CO2外，监测呼气中NH3的浓度水平，则是一种快速、无创的肝肾疾病诊断方式。美国莱斯大学采用滨松QCL搭建的NH3测试系统（工作波长10.34  μm）最小检出限（1σ）为6 ppbv，详见下图。其他的呼吸气及对应吸收谱线如下：NO（5.26 μm）、CO（4.6 μm）、OCS（3.3~5.5 μm）、CH4（3.3~3.5 μm）等。

▲左：碳同位素比值测量    右： 氨呼吸传感器

参考文献：

Real time detection of exhaled human breath using quantum cascade laser based sensor technology.

案例二：血糖无创检测

背景介绍：目前糖尿病已经影响了全世界8.8%的人口，成为世界最大的流行性疾病之一。最让糖尿病人烦恼的一大痛点，就是日复一日的有创检测。目前产业公司诸如雅培、美敦力和德康的血糖监测产品通过将传感器植入皮下来进行连续血糖监测。血糖无创检测的最大优势在于检测过程中无需针刺采血，没有任何创伤，可避免刺破手指带来的感染风险，极大地减轻了患者痛苦。
案例分享：2020年日本东北大学搭建了一套基于滨松宽调谐范围EC QCL （L14890-09）的中红外光谱系统检测0.1%葡萄糖水溶液的吸收光谱，并对人的嘴唇血糖的吸收光谱进行了分析，使用模型方程估计血糖水平有望实现血糖无创检测。

▲基于ATR光谱的血糖无创检测系统

此外普林斯顿大学和杜克大学等科研人员利用外腔EC QCL搭建中红外葡萄糖传感器，这些光谱与葡萄糖的吸收峰非常匹配，主成分被用作线性回归算法中的回归器，以进行葡萄糖浓度预测，其中75%以上的预测具有临床准确性。

▲无创中红外葡萄糖传感器示意图
除了科研机构外，国外初创公司采用滨松QCL基于光热探测的原理，皮肤中的葡萄糖将红外激光转化为热量，根据微小的温度变化检测血糖水平。

▲基于光热原理的血糖检测示意图

参考文献：

A Compact Mid-Infrared Spectroscopy System for Healthcare Applications Based on a Wavelength-Swept Pulsed Quantum Cascade Laser.

Implementation of an integrating sphere for the enhancement of noninvasive glucose detection using quantum cascade laser spectroscopy.

案例三：液态生物标志物分析

背景介绍：QCL除了气体传感应用，也是分析液体的重要光源，由于拥有较高的输出功率，QCL可以分析更厚的样品和更复杂的基质。QuantaRed Technologies最新推出的基于QCL的尿液分析仪能够根据中红外光谱检测尿液中的主要成分，如尿素和肌酐，还可以检测酮类、葡萄糖和蛋白质，这些生物标志物的浓度升高可以作为各种疾病的早期指标。

▲QuantaRed Technologies尿液分析仪

其他潜力应用：医院空气质量监测、制药工艺质量控制