基于諧振型SAW傳感器的呼吸檢測系統設計*

王 樂，王 鏑，於 錦，王 平*，胡燕婕，應可凈

(1．浙江大學生儀學院生物傳感器國家專業實驗室，杭州310027;2．浙江大學附屬邵逸夫醫院，杭州310027)

呼吸診斷通過檢測人呼吸氣體成分的改變，反映相應組織細胞代謝的變化，進而表征出人身體的健康狀況。相比較傳統的診斷方法，呼吸診斷更為快捷、方便[1]，因此它已逐漸得到世界各國的重視，并有希望成為一種新興的診斷手段[2]。目前，呼吸診斷在胃幽門螺旋桿菌的檢測中已得到廣泛的應用，人呼出氣體中的氮氧化物含量也被作為臨床診斷哮喘的重要指標。呼吸診斷在其他疾病中的應用也一直是國內外學者的研究熱點，如呼吸診斷用于糖尿病檢測[3]以及肺癌的早期診斷[4]等，呼吸檢測是呼吸診斷的基礎，其作用在于準確測定人呼出氣體中的成分及含量，并以此為依據確定與病理改變相關的特征性氣體成分，再通過統計、模式識別等方法建立疾病診斷模型。目前呼吸診斷的研究主要集中在對可揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)[5]的研究上。但是現有的VOCs檢測儀器，如GC、GC－MS等，存在成本高、操作復雜的缺點，而且由于現有產品均以環境、食品等為檢測目標物，因而存在針對性不強的問題。因此研制一種新型的針對呼吸中VOCs檢測的儀器具有重要意義。

本文提出了一種以諧振型SAW(表面聲波)傳感器為核心傳感器，結合氣體富集與分離技術的呼吸氣體檢測系統，該系統實現了對VOCs的痕量檢測，并在人呼吸氣體樣本檢測中體現出良好的性能。

1 系統設計

1．1 氣體預富集與分離

由于人呼吸氣體中的VOCs含量極低，系統采用Tenax－TA[6]對樣本進行預富集，結合熱解析系統作為樣本前處理裝置。人呼吸中的VOCs成分復雜[5]，為實現對各組分的準確測定，系統采用氣象色譜與SAW傳感器聯用的技術[7－8]。對于一個確定的毛細管分離系統，可認為某種物質的保留時間僅與毛細管柱的溫度有關;通過控制毛細管柱在檢測過程中的溫度變化，即可建立物質種類與保留時間的對應關系。

1．2 諧振型SAW傳感器

本系統中傳感器的工作過程為:高溫氣化后的VOCs到達溫度較低的傳感器表面時，VOCs迅速液化并粘附在傳感器表面，從而導致傳感器振蕩頻率發生變化，通過檢測并記錄這一變化過程，實現對VOCs的檢測。

依靠冷凝原理的SAW傳感器具有以下優點:首先，VOSs的冷凝是一個物理過程，只要有效控制物理條件，這個過程就會表現出較好的重現性和穩定性;檢測結束后可通過加熱實現對傳感器的清洗，過程簡單，傳感器使用壽命較長。其次，依靠冷凝原理工作的SAW傳感器，可以通過調節其基底溫度調整傳感器的靈敏度，當檢測不同濃度和沸點的VOCs時，傳感器的靈活性更強。

與延遲線型SAW傳感器相比，諧振型SAW傳感器具有Q值高、插損小和更加靈敏的優點[9]。本系統的傳感器以石英為基底材料，制備采用傳統光刻工藝，沿36°Y切割X晶向;叉指電極包括輸入、輸出換能器各50．5對，傳感器諧振頻率250 MHz，輸入輸出換能器周期12．55 μm，輸入、輸出換能器間間距為1．25個波長，電極厚度為200 nm，換能器孔徑800 μm;反射器兩側各350根，反射器周期12.55 μm，反射器和換能器的間距為1個波長;芯片面積為6．3 mm×1．7 mm。圖1為本系統傳感器的實物圖。

圖1 傳感器實物圖

系統選用兩個諧振頻率有一定差異(一般為幾百kHz到1 MHz左右)的傳感器，頻率較低的一個作為檢測器件，另一個作為參考器件，采用差動的方式得到有效信號。這樣設計既減小了環境中共模噪聲(如溫度、濕度等)對檢測結果的影響，又降低有效信號的頻率，減小了信號檢測的難度。由于該差動信號直接反應了被測物質的信息，在本研究中稱其為質量信號。質量信號在經過濾波、整形后以方波的形式進入信號檢測電路。

1．3 質量信號的檢測

頻率檢測電路的實時性、穩定性和準確性是聲表面波傳感器高精度、高靈敏度得以保證的必要條件。

在比較幾種頻率測量方法[10－12]后，綜合考慮系統對實時性、準確性的要求，選用多周期同步測頻法。它通過在系統中加入一個同步信號，消除了直接計數中±1的誤差。

同步電路如圖2所示，圖中f0為基準時鐘信號，f為質量信號。該電路可保證計數器的開始和停止均發生在質量信號的上升沿，實現了對質量信號周期數的準確測定。由于單片機的采樣延時是固定的，從而保證了采樣率的相對穩定。

圖2 同步信號電路

利用100 MHz高精度、低溫漂的有源晶振產生基準時鐘信號。對該有源晶振使用Agilent生產的高精度信號分析儀N9000A進行了頻率標定，標定結果為99．999 195 MHz;使用標準信號源Tektronix AFG3021B對整個頻率測量電路進行了測試:使信號源產生200 kHz的方波信號，并將信號輸出接入到頻率測量電路的輸入端，測試時間40 min。測試過程中，電路輸出始終在200 KHz±0．1 Hz以內，表現出很好的穩定性和準確性。

1．4 傳感器溫度控制

使用表貼式Pt100作為測溫元件，其具有精度高、穩定性好的特點。在0℃到600℃范圍內，Pt100的阻值R和溫度t之間有如下關系:

式中:A=3．90802 ×10－3/℃，B= －5．802 ×10－7/℃

采用恒流激勵法實現對鉑電阻阻值的測量。選用西安立宇電子有限公司生產的高精度恒流源DH952(C級)作為激勵源，通過調節外部電阻的阻值，該恒流源能夠提供1 mA～10 mA的恒定電流，溫度系數小于20×10－6。前端信號調理采用精密運放AD8609，運用三線制接線法消去鉑電阻導線產生的誤差[13];以0℃時Pt100的阻值為基線，在電路中加入一只 100Ω 的精密電阻(0．1%，15 ×10－6)消去Pt100的電壓基線，再對去基線后的信號進行放大、濾波;最后使用24位Σ－Δ型ADC芯片AD7791實現對溫度信號的采集，該芯片在采樣率為20Hz時的噪聲僅為1．6μV。該部分電路如圖3所示。

圖3 溫度測量電路

對溫度測量電路進行標定。使用HP公司生產萬用表24401A作為測量工具;調節DH952的外部電阻使其輸出電流為2．5mA;將鉑電阻置換為可變電阻器，以模擬鉑電阻阻值的變化，改變范圍相當于鉑電阻5℃～25℃時的阻值。測量變阻器兩端的電壓，并同時記錄ADC的采樣數值，實驗結果如圖4所示。

圖4 溫度電路標定

擬合方程為

其中 A1= －3354．681，B1=13．31355。

由公式(1)可推知，在5℃到25℃范圍內，溫度每變0．01 ℃，Pt100 的阻值將變化0．004 Ω;在恒流激勵為2．5 mA時，Pt100兩端電壓變化為10 μV;測溫電路ADC的采樣值可穩定測量100 μV的電壓變化，結合式(2)可推知，目前測溫電路的測量精度優于0．01℃。

在過程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的PID控制器是一種運用廣泛的自動控制器。本文采用這種算法對傳感器溫度進行控制。為能夠達到更低的溫度并且保持較高的穩定性，系統采取兩片半導體制冷片級聯的方式。圖5是系統對傳感器在20℃時的控溫情況，控溫電路長時程控溫精度維持在±0．01℃以內。

圖5 傳感器的溫度控制(20℃)

圖6是系統對多目標溫度的連續控溫情況，控溫電路實現了對多目標溫度的控制，且具有較高的穩定性。針對不同性質和濃度的檢測物，可以通過調節傳感器的溫度來調節傳感器的敏感性，以獲得更好的檢測效果。

圖6 傳感器的溫度控制(多溫度)

對制冷片反向通電，并結合高溫載氣的吹掃，即可實現對傳感器的清洗。

2 實驗

選用長15cm、內徑4mm的不銹鋼管，內部填充150mg Tenax－TA作為吸附材料;選用Agilent生產的DB－5毛細管柱，柱長30m，內徑0．25mm，涂覆相厚度0．25μm;使用MF－3B液態有機氣體配氣儀作為預配氣裝置，該儀器配氣不確定度小于2%，配氣濃度最小1×10－6，最大40 000×10－6;使用 SKC公司生產的容量為3L的氣袋作為待測氣體容器;使用QC－2型大氣采樣儀將氣袋中的氣體補集到吸附管中，大氣采樣儀流速設定為50mL/min。

2．1 系統敏感性實驗

選用癸烷[14]作為實驗對象。利用配氣儀配置×10－6(ppm)的標準癸烷氣體，繼續以一定比例將其稀釋，待其充分混勻后，得到×10－9(ppb)級的癸烷氣體備用。

對3L的待測癸烷氣體進行預富集;恒溫解析3 min后進樣;毛細管初始溫度30℃，進樣后以10℃/min的速度升溫，終點溫度150℃;毛細管進樣口恒溫150℃，毛細管出口恒溫150℃，傳感器基底溫度25℃。在系統工作過程中，質量信號的基線噪聲約為10 Hz，取信噪比為5∶1，則可認為50 Hz以上的信號均為可識別信號;毛細管的柱流失會導致傳感器基線的緩慢漂移，但漂移速度相對固定，可通過差分方式得到去除。

分別對濃度為 10 ×10－9、30 ×10－9、60 ×10－9、100 ×10－9、150 ×10－9的癸烷氣體進行檢測，并以質量信號的峰峰值作為傳感器響應值。在當前實驗條件下，以進樣時間為零點，癸烷的保留時間為450 s±2 s。圖7是對不同濃度癸烷氣體的檢測結果。

圖7 系統敏感性實驗(癸烷)

如圖7所示，系統對濃度為10×10－9的癸烷的響應為100 Hz。若繼續降低傳感器的溫度，對癸烷的檢測下限可進一步降低。

2．2 毛細管分離柱性能測試實驗

以甲醇作為溶劑，以100 ng/μL的濃度配制癸烷、十一烷、十二烷、十三烷、十四烷的混合液。實驗條件為:進樣口恒溫200℃，毛細管出口恒溫200℃，毛細管初始溫度40℃，傳感器恒溫20℃;待系統穩定后，在毛細管進樣口直接進樣0．2 μL，并以10℃/min的速度對柱箱進行程序升溫;程序升溫終點溫度220℃。在該條件下，連續進行三次試驗。

圖8 毛細管分離柱性能測試實驗結果

圖8為實驗數據去基線后的結果。圖中標號1—5分別為癸烷、十一烷、十二烷、十三烷、十四烷。本實驗反映出系統所用的毛細管柱具有良好的分離特性，可以將混合物進行有效的分離;但手動進樣過程中對進樣時間的記錄存在人為誤差，所以同種物質的保留時間存在一定的差別，進樣的自動化將使這種差別得到改善。

2．3 實際呼吸氣體測試

使用Tedlar氣袋采集3名健康受試者的呼出氣體3 L作為實驗對象;毛細管進樣口恒溫200℃，出口恒溫200℃，毛細管柱箱初始溫度40℃，傳感器溫度恒溫20℃;富集管恒溫解析3 min;毛細管升溫速度10℃/min，升溫終點溫度220℃。

圖9是對三次實驗數據去基線后的對比。三次實驗在880 s(如圖所示A)及950 s(如圖所示B)附近均有明顯的出峰，這兩種物質可能源于環境中的有機物;同時，三次實驗均有不同于其他兩次的出峰現象，體現出了三名受試者各自呼吸氣體組分的差異。實驗中檢測到的物質種類可進一步通過系統標定或GC－MS得到確定。另外，為達到更為理想的實驗效果，可以考慮采取傳感器程序升溫的方式[15]，使傳感器的溫度隨著檢測的進行逐漸升高，這樣既能保證傳感器對低沸點VOCs的檢出，又能使高沸點的VOCs在檢測過程中更容易從傳感器表面脫附。

圖9 人呼吸氣體測試結果

3 結論

本研究設計了一套基于諧振型SAW傳感器的人呼吸氣體檢測系統，并對系統的檢測、控制電路進行了測試，測試結果表明本系統電路具有較高的檢測及控制精度，滿足系統需求。在此基礎上，使用測試樣本對系統進行了實驗，實驗結果表明系統對VOCs具有很高的靈敏度，可達×10－9(ppb)級，并且分離性能良好;通過對實際呼吸樣本的測試，表明本系統能夠很好的反應出不同呼吸樣本中的差異，為進一步將本系統應用與呼吸診斷奠定了良好的基礎。

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