小編題注

“中紅外 QCL成像有助于光譜學(xué)家分析組織切片和進(jìn)行藥物分析，它還能進(jìn)行呼氣分析實(shí)現(xiàn)早期疾病診斷，并支持實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)。"

昕虹光電為山西大學(xué)研究組呼氣氨氣檢測(cè)項(xiàng)目，提供了來(lái)自瑞士Alpes Lasers的QCL光源以及配套的專用激光發(fā)射頭、溫控+電流驅(qū)動(dòng)器。我們的應(yīng)用科學(xué)家在QCL應(yīng)用于醫(yī)療呼氣檢測(cè)方面，有豐富的學(xué)術(shù)研究經(jīng)驗(yàn)。若您有相關(guān)需求，歡迎與我們聯(lián)系！

原文標(biāo)題：Quantum Cascade Lasers Boost Life Science Research

作者：PANAGIOTIS GEORGIADIS, OLIVIER LANDRY, ALEX KENIC, and MILTIADIS VASILEIADIS (Alpes Lasers)

編譯：昕虹光電

1971 年 10 月，Rudolf F. Kazarinov和Robert A. Suris 提出了“在具有超晶格的半導(dǎo)體中放大電磁波的可能性"[1]?？茖W(xué)界花了20多年的時(shí)間來(lái)構(gòu)建利用這一原理的器件。1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Jér?me Faist及其同事發(fā)表了基于子帶間躍遷（量子阱之間導(dǎo)帶中的激發(fā)態(tài)）的激光源第一個(gè)工作原型和相關(guān)研究結(jié)果[2]。Faist后來(lái)與同事在瑞士共同創(chuàng)立了Alpes Lasers。

圖一 量子級(jí)聯(lián)激光器 (QCL) 的典型光束輪廓（來(lái)源：Alpes Lasers）

自第一個(gè)量子級(jí)聯(lián)激光（QCL）光源商業(yè)化以來(lái)，已經(jīng)過(guò)去了20 多年。使用熱電冷卻在室溫下運(yùn)行的QCL現(xiàn)在已無(wú)處不在。這些激光器開創(chuàng)了中遠(yuǎn)紅外光譜的新時(shí)代。近年來(lái)，QCL在穩(wěn)定性、功率、光譜范圍、可調(diào)性和整體性能方面取得了許多進(jìn)步，其成本也逐漸被工業(yè)界所接受。此外，帶間級(jí)聯(lián)激光器（ICL）是另一種中紅外激光器，與QCL一樣，ICL中的每個(gè)注入載流子都會(huì)產(chǎn)生多個(gè)光子。ICL 的工作原理是基于II型異質(zhì)結(jié)和級(jí)聯(lián)帶間躍遷（電子帶之間的轉(zhuǎn)移），不同于QCL的子帶間躍遷。ICL在較短波長(zhǎng)上是QCL的有效補(bǔ)充，通常在<3.5 µm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，ICL的性能優(yōu)于QCL。

中遠(yuǎn)紅外光譜的發(fā)展為光譜學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)造了各種各樣的應(yīng)用場(chǎng)景，一些利用相干中紅外光源的新應(yīng)用得以在醫(yī)學(xué)和工業(yè)中開展，并獲得許多革命性的研究成果。就像1970年代初期傅里葉變換紅外（FTIR）光譜設(shè)備取代色散光譜儀一樣，QCL可以預(yù)見地正在逐漸取代笨重的FTIR設(shè)備。

在QCL的相關(guān)研究中受益匪淺的幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，包括生命科學(xué)中的生物學(xué)、病理學(xué)和毒理學(xué)，以及醫(yī)療保健和制藥行業(yè)。隨著其激光功率的增加（允許穿透更厚的樣品）、穩(wěn)定性和緊湊性（允許它們部署在臨床環(huán)境中），基于QCL的光譜分析，正迅速成為醫(yī)學(xué)研究的先進(jìn)技術(shù)。

中遠(yuǎn)紅外激光用于生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的幾個(gè)例子，像是薄組織切片的中紅外成像、基于激光光譜學(xué)的液體或氣體樣品分析、生物標(biāo)志物監(jiān)測(cè)、病原體檢測(cè)、藥物開發(fā)分析等應(yīng)用。QCL 使各種各樣的醫(yī)療應(yīng)用得到了改進(jìn)，從樣本的實(shí)驗(yàn)室分析到改變游戲規(guī)則的常規(guī)醫(yī)療程序，例如無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)。盡管取得了很大進(jìn)展，目前生物醫(yī)學(xué)界尚未充分發(fā)揮QCL技術(shù)的潛力。

醫(yī)學(xué)影像

紅外成像已經(jīng)為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)重大進(jìn)步。多光譜和高光譜成像技術(shù)已被證明對(duì)生物分子研究和組織病理學(xué)非常有效，并且在測(cè)試時(shí)間和準(zhǔn)確性方面，使用成像來(lái)促進(jìn)醫(yī)療干預(yù)變得越來(lái)越重要。

目前，我們已經(jīng)有了成熟的無(wú)創(chuàng)紅外成像技術(shù)，利用紅外光譜分析組織和細(xì)胞。這些技術(shù)當(dāng)中的一部分使用背反射光（主動(dòng)）構(gòu)建圖像，其他的方法依賴檢測(cè)組織由于其溫度而發(fā)射的紅外輻射（被動(dòng)），由紅外探測(cè)器感測(cè)熱發(fā)射并產(chǎn)生組織中發(fā)射分布的熱圖。此外，在紅外中使用標(biāo)記成像（labeled imaging）[3]已經(jīng)被視為一種成熟的常規(guī)技術(shù)存在[4]。

電磁頻譜中紅外波段的使用在臨床診斷中的應(yīng)用范圍廣泛，從高分辨率和深度分辨的組織可視化，到溫度變化（熱成像）評(píng)估。此外，中紅外光譜體外映射在組織和細(xì)胞分類的應(yīng)用取得了顯著進(jìn)展——例如，用于識(shí)別癌細(xì)胞[5]。然而，在使用中紅外光子學(xué)進(jìn)行此類分析，尤其是無(wú)標(biāo)記細(xì)胞和組織分類方面，還存在巨大的潛力[6]。

大多數(shù)商用中紅外成像設(shè)備通常受限于有限的波長(zhǎng)能力（使用單模激光源），或是低功率導(dǎo)致較低的信噪比（如FTIR顯微鏡）。每種設(shè)備通常都是為特定的醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用量身定制的，因此只針對(duì)某特定光譜范圍做開發(fā)。相較之下，來(lái)自維也納工業(yè)大學(xué)的Andreas Schwaighofer及團(tuán)隊(duì)在2017的一篇論文《Quantum cascade lasers (QCLs) in biomedical spectroscopy》證明QCL具有明顯的優(yōu)勢(shì)：QCL可以針對(duì)特定目的進(jìn)行定制，或者同時(shí)滿足多種需求。

最近的研究計(jì)劃旨在通過(guò)進(jìn)一步擴(kuò)展QCL的能力，以開發(fā)功能更全面的中紅外成像設(shè)備。研發(fā)人員希望同時(shí)達(dá)到FTIR設(shè)備的光譜可調(diào)性和基于多激光器外腔（External-Cavity）配置的更強(qiáng)信號(hào)激光源，在外腔配置中,組合使用了多達(dá)六個(gè)寬增益激光器。這些器件在可調(diào)諧性、精度和功率方面為中紅外激光源提供了能力。

呼氣分析

分析呼出空氣的科學(xué)，也稱為呼吸組學(xué)（breathomics）或呼氣組學(xué)（exhalomics），正在迅速成為醫(yī)生和研究人員的主流應(yīng)用。中紅外激光特別適合這一新興領(lǐng)域，因?yàn)槿撕粑写嬖诘拇蠖鄶?shù)揮發(fā)性有機(jī)分子在中紅外光譜中具有明顯的吸收指紋。

針對(duì)呼氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）以及特定氣體（例如甲烷、丙酮、CO2 和其他受關(guān)注的化合物），可以使用激光光譜分析技術(shù)對(duì)其進(jìn)行濃度檢測(cè)。這些物質(zhì)是生物標(biāo)志物，可以向醫(yī)生傳達(dá)有關(guān)個(gè)人健康的大量信息。例如：VOC成分可以揭示炎癥，丙酮水平可以提供關(guān)于一個(gè)人的代謝活動(dòng)的信息（常用于肥胖研究和監(jiān)測(cè)代謝紊亂），高水平的一氧化氮可能表明哮喘，而一氧化碳水平可以作為一種氧化應(yīng)激或呼吸系統(tǒng)疾病的生物標(biāo)志物。

在過(guò)去的10年中，幾個(gè)研究小組一直在探索呼吸組學(xué)，某些醫(yī)療初創(chuàng)公司正在利用QCL和 ICL分布式反饋（DFB）激光源，對(duì)人或動(dòng)物呼吸進(jìn)行氣體傳感。新的激光源例如QCL陣列和光束合并的DFB QCL等技術(shù)，將使多組分的呼吸分析成為可能，為醫(yī)生提供更強(qiáng)大的診療工具。

液體生物標(biāo)志物分析

盡管QCL光譜通常與氣體傳感有關(guān)，但QCL也是分析液體的重要工具。由于擁有更高的激光功率，QCL允許分析更厚的樣品和更復(fù)雜的基質(zhì)，使其適用于生命科學(xué)中的許多應(yīng)用。

此類應(yīng)用之一是基于激光的血液分析，它最近受到了很多媒體的關(guān)注，特別是在實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)血糖水平方面。這種開創(chuàng)性的方法使用中紅外激光源，可以實(shí)時(shí)經(jīng)過(guò)皮膚透過(guò)光譜來(lái)監(jiān)測(cè)葡萄糖。這種方法可以減輕糖尿病患者因使用針頭定期檢查血糖水平而帶來(lái)的壓力。此外，中紅外集成光子學(xué)進(jìn)一步改進(jìn)了現(xiàn)有的小型化、可穿戴設(shè)備，能夠執(zhí)行連續(xù)測(cè)量，為醫(yī)生提供可用于個(gè)性化治療的數(shù)據(jù)。

中紅外激光在血液分析中的一項(xiàng)新用途是檢測(cè)神經(jīng)退行性疾病，例如阿爾茨海默氏癥和帕金森氏癥。通過(guò)專注于可在中紅外光譜中檢測(cè)到的一些特定生物標(biāo)志物[8]，醫(yī)生可以使用 QCL光譜分析技術(shù)，遠(yuǎn)在可識(shí)別的癥狀出現(xiàn)之前，提前8年預(yù)測(cè)疾病的未來(lái)發(fā)作。起始于疾病早期的藥物治療會(huì)更有效，因此這些信息很有價(jià)值，甚至可能促進(jìn)疾病的預(yù)防。

尿液是另一種可以分析生物標(biāo)志物的液體生物樣本（圖二）。因?yàn)闃颖疽子讷@取且相關(guān)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)豐富，尿液分析被廣泛使用，最重要的是，尿液中存在的細(xì)胞成分、蛋白質(zhì)和各種分泌物反映了一個(gè)人的代謝和病理生理狀態(tài)（圖三）。醫(yī)生要求進(jìn)行尿液分析的原因有很多，包括進(jìn)行常規(guī)醫(yī)學(xué)評(píng)估、評(píng)估特定癥狀、診斷醫(yī)療狀況（例如尿路感染和未控制的糖尿病）以及監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展和對(duì)治療的反應(yīng)（例如腎臟疾病和糖尿?。?/span>

圖二QuantaRed Technologies基于QCL的尿液分析儀，具有兩個(gè)由Alpes Lasers開發(fā)的組合DFB QCL。該分析儀是在NUTRISHIELD項(xiàng)目中開發(fā)的，獲得了歐盟地平線2020研究和創(chuàng)新計(jì)劃的資助（來(lái)源：QuantaRed Technologies GmbH）

圖三 Alpes Lasers開發(fā)的DFB QCL合路器。該組件已成功集成到尿液分析儀和基于光子學(xué)的檢測(cè)模塊中，用于分析水質(zhì)，特別是用于檢測(cè)細(xì)菌。該模塊是在WaterSpy項(xiàng)目中開發(fā)，獲得了歐盟地平線2020研究和創(chuàng)新計(jì)劃的資助（來(lái)源：Alpes Lasers）

使用QCL的分析設(shè)備能夠根據(jù)中紅外光譜分析結(jié)果直接量化尿液中的主要成分，如尿素和肌酐。QCL技術(shù)還可以檢測(cè)酮類、葡萄糖和蛋白質(zhì)。這些生物標(biāo)志物的濃度升高可以作為各種疾病和病癥的早期指標(biāo)（圖四）。

圖四 多激光系統(tǒng)中光束組合器的各種元件，包括高熱負(fù)荷外殼中的 QCL(L和R)、反射鏡 (M)、窗口 (W)、二向色分束器 (P) 和調(diào)節(jié)螺釘(x) 和 (y)（來(lái)源：Alpes Lasers）

結(jié)語(yǔ)

隨著QCL領(lǐng)域的高速發(fā)展，包括多激光器外腔、超寬譜可調(diào)設(shè)備，或者在不久的將來(lái)，新開發(fā)的QCL頻率梳的應(yīng)用，可以期待的是，QCL將為生命科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)更大規(guī)模的進(jìn)展。