近日，中國科學院合肥物質院安光所張志榮研究員團隊在基于新型空芯光波導激光吸收光譜氣體穩定同位素測量研究方面取得新進展。相關研究成果以《用于氣體同位素比值測量的新型中紅外增強型空芯光波導的設計與性能分析》為題發表在國際TOP期刊Analytical Chemistry上。

近年來，空芯光波導（Hollow Waveguide，HWG）作為一種新型的氣體吸收池，具有光程體積比大、光路布置靈活穩定、成本較低等優勢，廣泛應用于光譜測量領域，在多個方面相較于傳統多次反射型光程池具有明顯優勢。但是常規空芯光波導一般采用直通單路式測量，其光程取決于所使用的空芯光波導長度，極大的限制了其靈敏度和檢測極限的提升。

本研究借鑒積分腔、腔衰蕩的高反射鏡光程提升設計思想，實現了基于高反射率鏡片的增強型空芯光波導（EHWG）的新型氣體吸收池部件，有效提高了光波導的光程利用率，極大的提高了光程體積比。同時，以幽門螺桿菌感染的“金標準” ¹³C-尿素呼氣試驗（¹³C-UBT）為依據，測量了呼氣成分中的CO₂三種穩定同位素比值。結果表明：EHWG傳感器對于三種同位素的測量精度（δ¹³C~0.36‰，δ¹⁸O~0.46‰，δ¹⁷O~0.88‰）優于前期的研究工作。此外，通過將EHWG傳感器真實呼氣測量結果與醫院體檢中¹³C-UBT的結果相驗證，證明了該傳感器具有安全性、非侵入性以及快速方便等優勢，為下一步的臨床測試奠定了基礎。同時，EHWG在制造小型化、廣譜和輕量化氣體傳感器方面具有巨大潛力，有望成為微量樣本氣體測量的首選。

中國科學技術大學博士研究生黃文彪與夏滑副研究員為共同第一作者，張志榮研究員為論文通訊作者。本研究得到了國家重點研發計劃、安徽省杰青項目、安徽省重點研發計劃、中國科學院合肥物質院“火花”基金等項目支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c06763

圖1：增強型空芯光波導氣體同位素傳感器示意圖

圖2：EHWG傳感器R¹³C、R¹⁸O和R¹⁷O的測量精度