中红外波长可调谐激光器及其在葡萄糖检测中的应用

中红外波段(7～2O )是振动光谱的基频区，被称为指纹谱”，因此中红外光谱法具有很高的辨识度，可以在复杂样品构成中对 目标成分进行选择性检测，特别是在生物样品L1 ]检测和食品安全L3 中具有重要应用。

早期研究多以傅里叶变换光谱仪为基础研究工具，但这类光谱仪所采用的中红外光源多采用碳化硅炽热棒(siliconcarbide rod，globar)等热辐射光源，该光源具有 2～40 1的光谱宽度，缺点在于光源功率较校由于水在中红外波段具有强吸收，使得傅里叶变换光谱仪的应用受到-些限制。在- 些微量样品检测 中，需要增加光程长以增加检测信号强度，低功率光源则无法满足要求。同时，由于探测器本身存在噪声，使得该类设备对探测器的要求很高，限制了光谱仪的测量灵敏度。此外，傅里叶光谱仪所采用的迈克尔逊干涉仪结构使得系统较为庞大，移动较为不便。激光光源因具有较大的光谱功率和较高的光谱分辨率，在红外光谱测量系统中可以采用透射测量方式，相关报道所采用的光程长甚至达到150 ttm左右[5 ]，提高了以中红外激光器为光源的光谱测量系统的分辨率和灵敏度。另外，激光光源具有很高的单色性，不需要干涉仪等器件使得仪器体积趋于紧凑。MeinkeES3曾利用单波长C02激光器，结合 ATR(attenuated total re-flection，ATR)技术对葡萄糖浓度进行了检测。依据光谱分析理论，对于波长分立谱仪，测量-种分析物至少需要 3～5个波长。特别是在血液或组织液等复杂成分中，由于尿酸、尿素、肌酸酐和磷酸盐等物质与葡萄糖吸收光谱存在-定重叠区域lg]，单波长光谱检测系统无法实现葡萄糖浓度的检测。采用横向激励大气压的c2激光器理论上可以输出渡长范围为 9.2～10.7 m的准连续光谱，但由于波长调谐输出和功率稳定性控制较难实现，目前商用的C0 激光器多为单波长输出。Gotshal[13也曾提出使用波长可调谐 C02激光器测量葡萄糖浓度，但由于激光器的输出波长控制和功率稳定性存在问题，实验结果不理想。本研究提出-种利用步进电机和压电陶瓷控制激光器波长输出和反镭制的功率稳定性的方法，研制出输出波长范围为 9.19～9.77肿 准连续脉冲C02激光器，其功率稳定性处于较高水平。根据葡萄糖溶液在中红外指纹谱”(9501 200 cm )的吸收光谱特性，调谐出激光器在 9.19～9.77 izm波段范围内 36个发射波长中的1 081，l 076，1 051，1 041和 1 037 em 五个工作波长，研究以该激光器为光源构建了用于葡萄糖浓度检测的激光光谱实验系统。首先对激光器进行了波长标定，并进-步研究了激光器的功率稳定性和发射光谱特性，最后结合基于衰减全反射(attenuated total reflection，ATR)原理 的传感 器，对收稿日期：2012-11-13，修订日期：2013-01-21基金项目：国家 自然科学基金项目(611761O7，11204210，30800239)，国家公益性行业科研专项重点项目(GYHY2009060371)，天津市科技重点支撑项目(11ZCKFSY01500)M家高技术研究发展计划(863)项 目(2012AA022602) 作者简介：余松林，1982年生，天津大学精密仪器与光电子工程学院博士研究生 e-mail：yulinever###tju.edu.cn通讯联系人 e-ma il：dchli###tju.edu.an第4期 光谱学与光谱分析 973PBS溶液中的葡萄糖浓度进行了测量，并与传统的傅里叶变换红外光谱仪进行了分析对比，验证了该波长可调谐激光器用于葡萄糖浓度测量的可行性。

1 实验部分1.1 波长可调谐脉冲C02激光器系统采用 CO2激光器(Access Laser Co.，USA)为光源，其发射的准连续光谱范围为9.19～9.77 1，工作在 TEMoo模式。激光光束偏振态为垂直水平面，束腰直径小于2 mrfl，发散角约为5 mrad。系统采用风冷却，图 1为激光器的系统控制框图。如图 1中所示，激光器 由匹配射频驱动器激励 ，工作频率为 750 Hz。激光器的出射光束被置于前端的分束器分为两束，反射光束 占全部光束能量的 5 ，并被红外探测器检测，由匹配电路放大后作为反馈信号输入微处理器控制拈，用以对激光器波长和输出功率分别进行切换和控制。

此外，由步进电机及其驱动构成的波长选定拈用于波长扫描和选定激光器的工作谱线。由压电陶瓷及其驱动构成波长和功率稳定拈用于控制激光器的谐振腔长，实现对激光器发射波长和功率稳定性的控制。首先步进电机对波长进行粗调，再通过压电陶瓷的电压进行细调。所有操作均通过计算机中的 Labview程序控制微处理器完成。如图 2所示 ，采用SpectrLⅡ1 GX 1 system 傅里 叶变 换 光谱 仪 (FTIR，PerkinElmer，USA)对研制的激光器发射光谱进行测量，激光光束从傅里叶光谱仪的外接光源窗口入射，设定激光器的某个发射波长，FTIR光谱仪进行同步光谱扫描(设置扫描光谱分辨率为 0.1 cm- )，DTGS探测器记录检测到的数据 ，Fig.1 Control schematic oftheaDz laser并由数据采集系统采集。

1.2 激光光谱实验系统系统以波长可调谐 C(]2激光器作为光源 ，并采用双光路结构以提高系统稳定性。激光经分束器分束后，测量光聚焦于 HATR(horizontal attenuated total reflection，HATR)传感器上，出射光由型号为 LME-353的热释电探测器(InfraTec，德国)检测。参考光直接由相同型号的检测器进行探测，两个探测器匹配相同的锁相电路(锁相参考频率为 750 Hz，为激光器射频电路的工作频率)。数据采集卡对两光路的锁相信号同步采集，实验数据按朗伯-比尔定律处理。棱镜型HATR传感器是 Spectrum GX 1傅里叶光谱仪的附件，根据倏逝波理论，穿透深度由下式决定口 - o[2n(sin20-- 2/”1)]- / /27c 1 (1)式中 0为实际人射角度 ； 为真空中的入射波长；抛 和分别为待测溶液和棱镜的折射率。由式(1)可知，在满足全反射的情况下，适当增大入射角度可增大单次穿透深度，但光在传感区域的反射次数也会减少。HATR附件为人射角为 45。的 ZnSe晶体，长度为 48 mln，厚度为 2 mitt，其在1 081 ClTI的折射率为 2.412。根据入射光的几何关系，计算可得 HATR附件在 1 081 cm- 处的有效光程长为 0.0492 结果与讨论2.1 激光器发射波长标定激光器的发射光谱包括9R和9P带，为建立步进电机的位置与输出波长的准确对应，以 9R06(9.433 tan，对应步进电机位置为1520)为参考谱线，从而可以准确的定义其他谱线的相对位置。激光器发射光谱9R和9P带与步进电机位置的对应关系如图 3所示，共有 36条发射波长，受步进电机的精度限制每次定义最多输出五个波长，这里以9R24，9R16，9P16，9P26和 9P30为例，每个定义的波长输 出时间为 6 S(波长切换的稳定时问

8oo l ooo l 200 l 400 1 600 l 800 20oo 2 200. Line motor positionn晷3 Laser emission spectrum .1inear motor position利用图2所示的测量激光光谱实验系统，研究了9R和咖 姗 枷 伽 瑚 0多莒r ≈6974 光谱学与光谱分析 第 33卷9P带的五个发射波长与步进电机位置的对应关系。首先定义激光器输出波长，同时用 FTIR光谱仪记录所检测到的波长，再次调节步进电机的位置(步长为 1)和压电陶瓷的电压，直至FFIR光谱仪检测不到发射光谱，重复进行多次实验。

如表 I所示的步进电机的位置和激光器发射波长的对应关系，在步进电机位置某个确定的范围内，激光器输出波长被唯-确定。

Table 1 The five tunable wavelengtFs. 1inearmotorposition2.2 激光器功率稳定性光源的功率稳定性对于光谱测量至关重要，稳定性用功率标准偏差与均值的比值表示。激光器输出功率可通过反馈信号、调制射频电路的占空比或调节发射光谱的幅度来实现，最高功率约为 800 mW。激光器五个发射波长 1 081，1 076，1 051，1 041和 1 037 crn 的功率稳定性如图4所示，激光器五个辐射波长的功率在近两个周期内的波动均低于0.8 ，高于文献中的相关报道[1 。

0 300 600 9O0 l 200 l 500DatapointsFig.4 Power stability ofthefivelaser emissionwavelengths2.3 激光器发射光谱如图 5所示，FI'IR采集的激光器在 1 081 cm 发射光谱，半高宽度为 4 cm～，光谱分辨率( / (HwFM))为 2.7×1O ，高于文献报道的其他中红外激光器[5 3，激光器在其它发射波长也处 于相 同水平。调谐 出的 1 081，1 076，1 051，1 041和 1 037 cm1五个激光器的发射波长均在葡萄糖指纹谱”吸收波段(9501 200 cm- )。如图 6所示的归-化葡萄糖溶液吸收光谱和激光器的五个波长发射光谱，五个激光器的发射波长均在葡萄糖指纹谱”区的两个强吸收峰1 080和 1 035 cm 附近。图 6中的葡萄糖溶液的吸收光谱由FTIR光谱仪结合HATR传感器测定，以PBS溶液为光谱背景溶液，扫描次数为 3次 ，FTIR光谱仪的分辨率为 4 cn1～。

F.罾5 TI.e laser emission spectra at 1 081锄 Fig.6 Normalized emission and absorption spectraof the 0 laser anti gl瑚 se solution2.4 葡萄糖浓度检测利用波长可调谐 C0z激光光谱测量系统测量了多个浓度的葡萄糖溶液，实验以PBS为参考溶液，每次测量葡萄糖溶液前，均测量-次PBs溶液作为背景光谱。图7给出了1 081，1 076，1 051，1 041和 1 037 cm- 五个波长下 的 15个葡萄糖溶液样品的浓度(30500 nag·dL1)和吸收度的拟合曲线(误差线由多次实验获得)。实验结果表明，葡萄糖浓度与五个波长下的吸收度均呈现 良好 的相关性 (R。>0.99，SD<0.000 4，P<0.000 1)。作为比较，实验还以0.080.070.06O.050.04O.030.020.01O0 100 200 3oo 4oo 5ooGlucose concentration/mg/dLFig.7 Plotof alsol-bance .gluceconcentrationinPBs solution. 若 IsII 罩 . 言 IB Dazl冒叫 0乙∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞5 4 3 2 l 参量/Ja≥od.I蕊 ，I.等.d 口晷 。 o《 第4期 光谱学与光谱分析 975FTIR结合 HATR传感器对葡萄糖溶液进行了测量，结果如图8所示。定义吸收度与葡萄糖浓度拟合曲线斜率为灵敏度 ，可以看到在葡萄糖吸收峰 1 081 cm 波长下，激光光谱测量系统的灵敏度是 FTIR的 4倍左右，这主要是激光光源较高的光谱功率和光谱分辨率所致。

3 结 论提出-种激光器多波长输出和功率控制与稳定的方法，研制出波长范围为 9.19～9.77 ptm的准连续 C02激光器，并利用 FTIR光谱仪对其发射光谱进行了测量。激光器发射光谱的半高宽度为4 cm- ，光谱分辨率达到2.7×10 ，高于文献中报道的激光器。研究还利用该波长可调谐激光器构建了激光光谱检测系统，根据葡萄糖溶液的吸收光谱特性，选择位于葡萄糖指纹谱”区的 1 081，1 076，1 051，1 041和1 037em 五个发射波长，并结合 HATR传感器 ，对 PBS溶液中的葡萄糖浓度进行了初步测量，结果表明PBS溶液中葡萄糖浓度与五个离散波长下的吸收度呈现 良好的线性关系(R2>0.99，SI：0.0004，P<0.000 1)。与传统的FTIR光谱仪相比，本激光光谱测量灵敏度是前者的 4倍左右，这是激光器较高的光谱功率和光谱分辨率所致。实验初步验证了[1][2]0 100 200 300 400 500Glucose concentration/mg/dL昏8 Contrast ofthe resultsmeasured by[81r system and FFIR spectrometer该激光光谱测量系统在葡萄糖检测方面应用的可能性，且多波长测量方式和较高的测量灵敏度为葡萄糖在复杂成分，如血液或组织液中的检测奠定了临床应用基带-步的研究将采用中红外波段具有较小吸收的卤化银(AgCI/AgBr，sil-ver halide)光纤，制作基于光纤倏逝场分析(fiber-based eva-nescent field analysis，FEFA)[ 体积较小 的光纤 ATR传感器，以满足微量样品检测或其他特殊应用的需求。

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Application of M id·-Infrared W avelength Tunable Laser in GlucoseDeterminationYU Song-lin1，LI Da-chao ，ZHONG Hao ，SUN Chang-yuez，XU Ke-xin'1.State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China2.Tianjin Key Laboratory of Biomedical Detecting Techniques and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，ChinaAbstract The authors proposed a method of control and stabilization for laser emission waveleng ths and power，and presentedthe mid-infrared wavelength tunable laser with broad emission spectrum band of 9.19～ 9.77 m，half wave width of 4锄 ～ ，spectral resolution of 2.7 X 10 and max power of 800 mW with fluctuation<0.8 in the present paper.The tunable laser wasemployed as the light source in combination with ATR sensor for glucose measurement in PBS solution.In our experiments，ab-兮 ∞ 叭 OO O O O O O ]]]]]]]]]] 胡 明明 阳 蜘三1[ [ [ [ [ [ [ [ [ [ 976 光谱学与光谱分析 第 33卷sorbance at the five laser emission wavelengths，including 1 081，1 076，1 051，1 041 and 1 037 cm- in the 9R and 9P band ofthe laser emission spectrum，al correlates well with the glucose concentration(R。>O.99，SD