由于呼吸分析的非侵入性以及其可重复性，它在临床和科学研究中受到了广泛关注。迄今为止，研究人员已在呼出气体中识别出超过1000种挥发性有机化合物（VOCs），其浓度范围从百万分之一（ppmv）到万亿分之一（pptv）不等[1]。呼出气体中的VOCs有可能作为特定疾病和代谢紊乱的生物标志物[2]。研究表明，呼出的CO已被认为是氧化应激、炎症、糖尿病、哮喘以及呼吸系统和溶血性疾病等疾病的潜在生物标志物[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。非吸烟者的呼出CO浓度范围为0至6 ppm，平均值为1.26 ppm；而吸烟者的浓度范围为1至68 ppm，平均值为16.4 ppm[3]。CO2被评估为肝脏功能障碍、幽门螺杆菌感染以及体内细菌过度增殖的潜在指标[2]。呼出CO2的浓度约为3.5%。通过测量呼出气体中的D/H同位素比率，可以确定人体内葡萄糖和胆固醇的合成速率[2]。健康个体的N2O最高浓度记录为827 ppb，而部分胃切除术和萎缩性胃炎患者的浓度分别为1655 ppb和1350 ppb。患者中观察到的N2O浓度升高归因于胃内细菌的增殖，这是由于胃酸水平下降所致[10]、[11]。
呼吸分析可以通过多种基于激光的方法进行，包括腔体衰减光谱法（CRDS）、集成腔体输出光谱法（ICOS）、腔体增强吸收光谱法（CEAS）、光声光谱法（PAS）和石英增强光声光谱法[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。为了利用激光光谱技术分析目标分子，揭示其吸收线至关重要。为此，可以使用可调波长的激光器，如外腔（EC）[17]或分布式反馈（DFB）[18] QCL。在EC-QCL系统中，通过电机驱动的衍射光栅旋转，可以完全扫描所使用的QCL芯片的发射光谱范围。根据QCL芯片的增益曲线，可以实现高达100 cm− 1的粗调波长范围[17]；通过调节安装在衍射光栅上的压电元件，可以在电机平台保持静止的情况下实现约5 cm− 1的微调范围[19]。通过调节EC-或DFB-QCL芯片的电流或温度，也可以实现类似的光谱调节范围[18]。因此，使用DFB QCL有助于分析两种或三种分子。由于其宽调谐能力，使用EC-QCL在一个激光系统中分析超过五种分子是有利的。这种方法既有助于节能，又可以降低成本。
尽管经过了长时间的研究，呼出气体分析尚未被正式认可为临床实践中的标准诊断方法。在呼吸分析能够常规应用于临床实践之前，仍需解决许多挑战[1]。一个主要挑战是缺乏经济可行且紧凑的传感器，以及能够同时分析多种分子的方法。为了分析多种分子，可以使用多个激光源[20]、[21]或可调双模激光器[22]、[23]。然而，使用多个激光源会导致能耗增加、传感器尺寸增大和成本上升。
鉴于在各个领域同时测量多种气体的重要性，最近的一些技术突破在开发多功能气体传感器方面发挥了重要作用。例如，基于QCL的双光谱技术结合了无需校准的直接吸收和波长调制，用于同时检测大气中的CO、N2O和H2O[24]。同样，通过二向色镜结合MIR和NIR激光的多路复用波长调制光谱法[25]、使用多频率同步调制策略的石英晶体音叉（QCTF）增强激光光谱法[26]，以及使用球形谐振器的多共振光声光谱法（M-PAS）[27]，也成功实现了在单个传感器系统中同时检测三种或更多气体。虽然这些先进技术提供了极高的灵敏度，但它们通常需要复杂的多个独立激光源、定制的声学/球形细胞或复杂的波束复用架构。与这些技术相比，本工作中开发的基于TDLAS的分析方法提供了更为简洁的方法。通过使用单个宽调谐范围的EC-QCL与标准Herriott型多通吸收池和新的基于梯度的自适应控制算法相结合，我们的系统显著简化了光学布局，并降低了整体系统成本和体积。尽管由于光栅的机械调谐，测量是顺序进行的而不是同时进行的，但所开发的传感器实现了高度稳健的近乎同时的多分子检测，无需集成多个激光器或复杂的声学换能器，使其非常适合临床呼吸分析。
在这项研究中，我们设计并开发了一种新的传感器系统，以应对上述挑战。在所建立的配置中，通过旋转衍射光栅，实现了260 nm的宽粗调范围，覆盖了4350 nm至4610 nm的光谱区域，功率超过300 mW。同时，通过调节压电元件的位置，实现了0.42 cm− 1的微调范围。该激光系统被集成到Herriott吸收池中，以验证其分析这些分子的能力。为了精确控制EC-QCL的发射波长，我们开发并实现了一个定制的自动化反馈环路，从而实现了激光发射特性的高稳定性和长期维持。我们的方法使用了一种基于梯度的自适应控制算法，该算法持续跟踪光学反馈误差。通过动态调整电机步进分辨率并使用抗噪声逻辑，系统能够快速收敛到目标波长，同时最小化信号噪声和机械反冲。使用N2O分子对传感器系统进行了表征，并证明了其呼吸分析能力。对于N2O分子，检测限低至68 ppb。此外，首次在全球范围内对60名个体的血糖水平和呼吸N2O浓度值进行了比较分析。本研究的结果表明该传感器在糖尿病监测方面具有潜在应用。然而，所开发传感器的适用性不仅限于本研究中考察的特定疾病。所使用的激光系统能够覆盖图3所示的光谱范围，如图2中的测量结果所示。因此，该系统具备检测多种气体分子（CO、CO2、H2O、N2O和pH3）的能力。然而，在这项探索性研究中，我们有意优先对N2O分子进行了表征，以建立明确的基准并管理数据复杂性。由于对所有呼出气体的系统研究需要对每种分子进行单独的临床验证，我们将顺序多气体分析留待后续研究。由于外腔量子级联激光器（EC-QCL）依赖于衍射光栅的机械旋转来扫描其260 nm的宽调谐范围，不同气体组分的检测本质上是顺序的，而不是真正的同时检测。尽管如此，该传感器在近乎同时诊断一系列疾病方面显示出巨大潜力，包括氧化应激、炎症、糖尿病、哮喘、呼吸系统疾病、溶血性异常、肝脏功能障碍、幽门螺杆菌引起的感染、体内细菌过度增殖、高胆固醇血症和胃部疾病。因此，可以实现能耗、时间消耗和成本的显著降低。
