[发明专利]一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统及方法

说明书

本发明提供了一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统及方法，所述系统包括气体测量池，为长方体形密闭腔体；飞秒激光脉冲发射器，用于发射飞秒激光脉冲；激光分束器，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲；光电导天线，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波；太赫兹探测器；近红外激光器；光电探测器以及数据采集和处理系统。本系统将近红外光腔衰荡光谱测量系统与太赫兹光谱测量系统有机结合，利用近红外光腔衰荡光谱测量系统精确测量呼出气体中的水分含量，并通过运算去除水汽对待测气体太赫兹吸收谱的影响，实现更高精度的检测。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测系统及方法。

背景技术

气体浓度的快速准确检测是安全生产、环境监测、工业控制等领域内必不可少的关键环节，在工业生产、医疗等诸多行业都有着广泛的应用。在医疗健康领域，人体呼出气体中的挥发性有机化学物质（VOCs）的测量作为目前一种无创检测技术，适合于在健康人群中对先兆病人进行筛查，因此受到了越来越多的重视，相应的气体传感器研究也受到了极大地重视。但是，目前常用的气体检测方法存在响应时间长，检测光谱范围窄、信噪比普遍不高的缺点，限制了气体检测的实际应用领域。

太赫兹时域光谱检测技术可以从样品的时域光谱信号中直接提取样品的吸收系数和折射率等物理信息，具有信噪比高、动态范围大、可以检测的光谱范围宽等优点。与近红外光相比，太赫兹波对于有机气体分子的穿透能力要更强，而且从分子光谱学角度考虑，很多气体分子的转动吸收光谱就在太赫兹波段，因此使用太赫兹时域光谱检测技术对这些气体进行检测时，得到的吸收谱线更尖锐，谱线重叠少，对气体特征吸收峰的辨别也就更加容易，检测精度和灵敏度都具有明显的优势。然而，大气及人体呼出气体中水分含量较大，根据水在太赫兹波段的吸收系数曲线，水分在较宽的太赫兹波段有强的吸收，如何较好的排除水汽的影响是太赫兹时域光谱技术用于人体呼出及环境气体检测急需解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测系统，以解决现有技术难以排除水汽影响的问题。

本发明的目的之二在于提供一种呼出气体中挥发性有机物分子的高灵敏度检测方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，包括：

气体测量池，为长方体形密闭腔体，在腔体相对的两侧壁各自设有太赫兹透镜窗，在腔体的另一相对的两侧壁各自设有平凹高反镜，在腔体上设有进气口、出气口和气压监测口，在进气口和出气口处均设有单向阀，在出气口处设有真空泵，在气压监测口设有气压表；

飞秒激光脉冲发射器，用于发射飞秒激光脉冲；

激光分束器，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲；

光电导天线，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波；

太赫兹探测器，设于气体测量池的另一个太赫兹透镜窗的外侧，用于接收穿过气体测量池的太赫兹波，并在探测激光脉冲作用下将太赫兹电磁场转化为光电流；

近红外激光器，设于气体测量池的一个平凹高反镜的外侧，用于向气体测量池内发射纳秒脉冲激光，该脉冲激光和太赫兹波路径相互垂直；

光电探测器，设于气体测量池的另一个平凹高反镜的外侧，用于检测透过气体测量池的光信号强度变化；

数据采集和处理系统，用于采集脉冲激光和太赫兹波经过气体测量腔后的光电信号，并经处理后得到去除水汽干扰的待测气体太赫兹光谱。