[发明专利]利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法。属于激光光谱利用技术领域。

背景技术

2006-2010年北京、上海、广州、西安和沈阳5个城市的PM2.5年平均浓度从55μg/m³至182μg/m³不等，是世界卫生组织(WHO)《全球空气质量指南》年平均指导值(10μg/m³)的5～18倍，也是美国环境保护署(EPA)PM2.5年平均标准值(15μg/m³)的4～12倍。2013年1月12日以来，位于北京南三环、奥体中心等监测点的PM2.5实时浓度突破了900μg/m³，西直门污染监测点的监测值更是最高可达993μg/m³。因此，近期由于PM2.5升高导致呼吸疾病门诊及住院患者迅猛增加，严重影响我国居民的身体健康和生活质量。PM2.5与支气管哮喘（简称哮喘）、慢性咳嗽、慢性阻塞性肺疾病、间质性肺炎、矽肺以及肺癌等呼吸疾病的发生密切相关，其中PM2.5毒理作用诱发的支气管炎症及肺泡炎症是呼吸疾病发病的重要病因，是当前临床呼吸内科医师面临的严峻挑战和亟需研究的重点课题。有研究表明，当PM2.5年均质量浓度达到35μg/m³时，人群死亡风险比10μg/m³情况时约增加15%，大气中PM2.5每升高10μg/m³，人群呼吸系统疾病的死亡率则从2.1%增加到3.75%。

人体内的生理反应通常由许多相互作用的生化反应链组成的，并且互相之间由酶和激素来调节。在生化反应链上会产生一些对人体组织有用的物质，同时会产生许多分子终产物和一些过剩的中间产物，这些产物一部分蓄积在血液中，其它可通过肺的呼吸功能和肺的上皮细胞排出。因此，对于人体内特殊的生理反应能够从散布于肺中的痕量气体体现出来。由于每种成分都有其分子特征谱线，呼出气中的一氧化氮（NO）、一氧化碳、水蒸气、氨气等气体分子，通过分析它们的分子光谱，能得出各种组分的浓度，可研究呼吸中随时间变化的标志性的特殊物质，获得相应的病理生理过程情况。

检测呼出气体中的生物分子的痕量可作为气道炎症的标志物，可以为呼吸疾病的诊断和治疗提供科学依据。呼出气一氧化氮(fractional exhaled nitric oxide，FeNO)测定技术是一种无创、定量、安全、简单、方便，快速，具有可重复性，敏感性及特异性优于传统的支气管镜检查。2011年美国胸科学会推荐的FeNO临床指南指出：FeNO与血液中的炎症细胞计数呈高度正相关；在哮喘患者FeNO含量与气道炎症的严重程度呈高度正相关；FeNO与支气管镜下黏膜活检及气道激发试验有良好的相关性；FeNO能够预测个体患者对糖皮质激素的治疗反应性。美国胸科学会的FeNO临床指南推荐：使用FeNO可监测哮喘患者的气道炎症，FeNO可用于哮喘诊断、慢性咳嗽的诊断及监测，还可以预测气道高反应性，以及FeNO可作为呼吸系统疾病糖皮质激素治疗的指证及其治疗效果评估的指标。

而现有用于气体分析的常规光学检测方法有化学光谱法、中子活化分析法、质谱法、分光光度法、极谱法，以及分子吸收光谱法，其中以分子吸收光谱法的灵敏度和精密度最高，广泛应用于测定高纯材料中的痕量分析。但是，分子吸收光谱分析中由于化学组分干扰产生系统误差，同时，由于光散射产生较强的背景干扰信号。此外，基于色散型谱仪的吸收光谱技术大都是在高色散元件后用大面积探测器阵列记录光谱，光谱探测精度和谱宽范围相互牵制，扫描时间大都过长、扫描精度难控制、仪器过于庞大笨重、造价偏高。

目前，采用高分辨光学技术针对PM2.5与呼吸疾病发病的研究极少，在临床中尚无非创伤性、直接检测气道炎症的有效方法。

光学频率梳，即“光梳”，在精密测量领域大显身手，其光谱范围宽、脉宽窄、重复频率稳定性高等优良的时频域特性给精密光谱测量、时间频率测量和绝对距离测量提供了新的技术手段。高功率光梳及光梳光谱技术相比医用连续激光优势尽显，皮秒甚至飞秒量级的脉冲宽度、极宽的光谱范围、数十瓦的平均功率、稳定的载波包络相位，使光梳具有非凡的检测能力和测量灵敏度。飞秒光梳技术大大提高了光学频率测量的精确度，可使频率测量误差控制在10^-15量级。这种超快时间的瞬态特性可作为时间探针来研究或测量其他技术手段无法得到的瞬态事件和信息。藉此特点，高功率光梳可以用于精确地测定物质化学成分，如人体呼出气体中的多种化学组分。目前，利用光梳激光光谱检测人体呼出气的方法至今未见报道，未有相关成熟技术出现。