量子級聯激光器（Quantum Cascade Laser，簡稱QCL）自1994年被發明以來，已經歷了28年的發展歷程，因其極好的穩定性、單色性、窄線寬、高輸出功率、波長覆蓋范圍寬等特點成為了中紅外領域的潛力光源，廣泛應用于科研、工業、環保、醫療、安防等領域。

本文將以案例的形式帶大家梳理QCL在醫療領域中的眾多用途，主要包含呼吸氣檢測、血糖無創檢測、液態生物標志物分析等。

案例一：呼吸氣檢測

背景介紹：人體呼吸中含有約500種不同的化學物質，通常處于超低濃度水平，通過測定人體生理或病理狀態時呼出氣中特定成分的含量多少可以實現對特定疾病的診斷。比如以吹氣的方式檢測幽門螺旋桿菌，當人體攝入13C標記的尿素后，呼出13CO2濃度增加，與此種菌類的存在有一定的關系，此外呼氣中13C值還可能是與內毒素血癥的急性期反應相關的實時生物標記物，在醫學診斷中，通常要求快速實現精度為0.5~1%的13C測定。

案例分享：英國曼徹斯特大學采用濱松TE制冷連續型DFB QCL（工作波長2308 cm-1）用于13CO2/12CO2氣體檢測，測量精度達到了0.12‰（120 ppmv），詳見下圖。除了CO2外，監測呼氣中NH3的濃度水平，則是一種快速、無創的肝腎疾病診斷方式。美國萊斯大學采用濱松QCL搭建的NH3測試系統（工作波長10.34  μm）最小檢出限（1σ）為6 ppbv，詳見下圖。其他的呼吸氣及對應吸收譜線如下：NO（5.26 μm）、CO（4.6 μm）、OCS（3.3~5.5 μm）、CH4（3.3~3.5 μm）等。

▲左：碳同位素比值測量    右： 氨呼吸傳感器

參考文獻：

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

案例二：血糖無創檢測

背景介紹：目前糖尿病已經影響了全世界8.8%的人口，成為世界最大的流行性疾病之一。最讓糖尿病人煩惱的一大痛點，就是日復一日的有創檢測。目前產業公司諸如雅培、美敦力和德康的血糖監測產品通過將傳感器植入皮下來進行連續血糖監測。血糖無創檢測的最大優勢在于檢測過程中無需針刺采血，沒有任何創傷，可避免刺破手指帶來的感染風險，極大地減輕了患者痛苦。
案例分享：2020年日本東北大學搭建了一套基于濱松寬調諧范圍EC QCL （L14890-09）的中紅外光譜系統檢測0.1%葡萄糖水溶液的吸收光譜，并對人的嘴唇血糖的吸收光譜進行了分析，使用模型方程估計血糖水平有望實現血糖無創檢測。

▲基于ATR光譜的血糖無創檢測系統

此外普林斯頓大學和杜克大學等科研人員利用外腔EC QCL搭建中紅外葡萄糖傳感器，這些光譜與葡萄糖的吸收峰非常匹配，主成分被用作線性回歸算法中的回歸器，以進行葡萄糖濃度預測，其中75%以上的預測具有臨床準確性。

▲無創中紅外葡萄糖傳感器示意圖
除了科研機構外，國外初創公司采用濱松QCL基于光熱探測的原理，皮膚中的葡萄糖將紅外激光轉化為熱量，根據微小的溫度變化檢測血糖水平。

▲基于光熱原理的血糖檢測示意圖

參考文獻：

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：液態生物標志物分析

背景介紹：QCL除了氣體傳感應用，也是分析液體的重要光源，由于擁有較高的輸出功率，QCL可以分析更厚的樣品和更復雜的基質。QuantaRed Technologies最新推出的基于QCL的尿液分析儀能夠根據中紅外光譜檢測尿液中的主要成分，如尿素和肌酐，還可以檢測酮類、葡萄糖和蛋白質，這些生物標志物的濃度升高可以作為各種疾病的早期指標。

▲QuantaRed Technologies尿液分析儀

其他潛力應用：醫院空氣質量監測、制藥工藝質量控制

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