CN116297200A - 幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统以及检测方法 - Google Patents

幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统以及检测方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统以及检测方法；幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统包括红外光源、气体吸收腔、碳13二氧化碳浓度检测模块、碳12二氧化碳浓度检测模块以及信号处理单元；气体吸收腔内设置有红外折返传播器件，红外折返传播器件能够对红外光进行多次折射以使至少部分进过红外折返传播器件折射的红外光能够进入至碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及至少另一部分进过红外折返传播器件折射的红外光能够进入至碳13二氧化碳浓度检测红外探测器。本申请优化了折叠光路设计，使系统在较小的体积范围内实现了较大的吸收光程实现了较小体积的高灵敏度检测。

Description

幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统以及检测方法
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统以及检测方法。
背景技术
幽门螺杆菌是一种幽门螺杆菌生存于人体胃幽门部位，是最常见的细菌病原体之一，世界范围内人群感染率超过50％。据报道，67％～80％的胃溃疡和95％的十二指肠溃疡的发病与幽门螺旋杆菌感染相关，严重的患者可能会最终导致胃癌的发病，世卫组织已经将幽门螺杆菌(感染)归于一类致癌物清单中，因此幽门螺旋杆菌的检测与防止具有重要的社会价值。
碳13尿素呼气试验目前已成为幽门螺旋杆菌检测的“金”标准，具有检测速度快、无污染、患者接受度高、检测结果可靠性高等众多优点。
碳13同位素标记的尿素进入人体胃中，被幽门螺旋杆菌分解为氨和碳13二氧化碳，并通过扩散进入血液中，并通过肺排出体外，通过检测人体呼出的二氧化碳中碳13同位素的丰度变化是否超出阈值要求，即可判断是否感染幽门螺旋杆菌。
目前，多数采用碳13同位素红外气体分析仪进行检测，碳13同位素红外气体分析仪的组成及原理如下：
红外线是波长在0.75～400μm范围内的电磁波；红外线按其波长长度划分：25～400μm为远红外线；2.5～25μm为中红外线；0.75～2.5μm为近红外线。
二氧化碳气体能吸收红外线不能区段的能量，吸收峰的波长分别在：2.66μm、2.77μm、4.26μm、14.99μm，其吸收率对应分别为0.54％、0.31％、23.2％、3.1％。峰值为4.26μm的吸收率最高，在二氧化碳浓度较低时，在特性波长(4.26μm)下，被二氧化碳气体吸收的红外线辐射能量与二氧化碳的浓度呈线性关系。
结合图1和图2所示，红外线气体分析仪主要由红外光源1’、测量室2’、红外检测器3’组成。对特定波长的红外光具有选择性吸收的性质实现对气体浓度的检测。碳13和碳12的分子量不同，其红外吸收峰存在一定的差异，Hitran数据库气体吸收光谱数据表明，碳12在4.26um附近存在较强吸收，碳13在4.37um附近存在吸收峰。当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，光的强度的降低与分子的数量成比例，光强度的变化和分子数量的关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律，气体的浓度就可以确定。
具体原理是红外线气体分析仪利用红外线进行气体分析；它基于待分析组分的浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能使得红外检测器的检测室里的温度升高不同，动片薄膜5’两边所受的压力不同，从而产生一个电容红外检测器的电信号，从而间接测量出待分析组分的浓度。红外线气体分析仪由两个独立的光源分别产生两束红外线该射线束分别经过调制器，成为5Hz的射线。根据碳13检测需要，射线通过一滤光镜8’减少背景气体中碳13组分的干扰。红外线通过分别通过一个测量室(具有进气口6’和出气口7’)和一个参比室4’，进一步地为：一个是充满服用碳13胶囊之后的呼出气体的测量室，另一个是充满服用C13胶囊之前的呼出气体的参比室。工作时，当测量室内被测气体浓度变化时，吸收的红外线光量发生相应的变化，测量的结果就会与参比室发生差异。从二室出来的光量差通过电容红外检测器，使红外检测器产生压力差，并变成电容红外检测器的电信号。此信号经信号调节电路放大处理后，送往显示器以及总控的液晶显示器显示。该输出信号的大小与碳12浓度成比例。红外检测器是薄膜微音器(金属材料或者聚偏二氟乙烯(pvdf；polyvinylidene fluoride)的薄膜形态的聚合材料的微音器)。两个检测室中间用一个薄的动片薄膜隔开，在两测压力不同时动片薄膜可以变形产生位移，动片薄膜的一侧放一个固定的圆盘型电极12’。动片薄膜与固定电极构成了一个电容变进器的两极。整个结构保持严格的密封，两接收气室内的气体为动片薄膜隔开，但在结构上安置一个大小为百分之几毫米的小孔，以使两边的气体静态平衡。辐射光束通过参比室、测量室后，进入红外检测器的检测室13’。被检测室里的气体吸收，气体温度升高，气体分子的热运动加强，产生的热膨胀形成的压力增大。当测量室内通入零点气(N2)时，来自两气室的光能平衡，两边的压力相等，动片薄膜维持在平衡位置，红外检测器输出为零。当测量室内通入样气时，测量边进入检测室的光能低于参比边的，使测量边的压力减小，于是动片薄膜发生位移，故改变了两极板间的距离，也改变了电容量C。
结合图3所示，对于气体的分析采用的是红外传感器9’的分析方法，并通过信号处理器10’将分析结果显示在显示屏11’上。
采用上述两种结构形式的红外线气体分析仪的分析方法，分别测得碳12和碳13的浓度分别为12C，13C，计算同位素比例为R＝C2/C1。因为同位素的比例通常较低，碳13标准品美国南卡罗莱纳州箭石化石(PDB)标准值Rst1为：
Rst1＝13C/12C＝(11237.2±90)×10-6，
该值比较小，约为1％，为了表征同位素的变化值，业内采用同位素千分度δ表示，满足如下公式，其中，Rsq为测量值同位素含量，Rst2为标准品同位素含量；
δ‰＝(Rsq/Rst2-1)×1000‰
在幽门螺旋杆菌碳13检测中，阳性门限设定为4‰，即服药后，碳13进入肺循环代谢导致同位素丰度比服用碳13药剂前检测的碳13同位素丰度如果增加超过4‰，即判断为幽门螺旋杆菌阳性。
然而，上述结构存在以下缺点：(1)红外传感器预热时间长达4个小时以上才能达到稳定状态，受环境影响较大，需要专职人员校准，使用较为繁琐。(2)碳13和碳12的红外探测器，为独立的检测单元，光源的波动会导致检测结果出现偏差；(3)由于碳13浓度较低，常常会为了提高检测的精度，而增大测量室的长度，然而增加测量室的长度会使得整体体积增大。(4)所用红外光源，为中红外波段，光束的准直、会聚、系统调试困难，信号微弱。
因此，亟需一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，在一定程度上以解决现有技术中存在的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统以及检测方法，以在一定程度至少克服上述提到的问题之一。
本申请提供了一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，包括红外光源、气体吸收腔、碳13二氧化碳浓度检测模块、碳12二氧化碳浓度检测模块以及信号处理单元；
所述碳13二氧化碳浓度检测模块以及所述碳12二氧化碳浓度检测模块输出的信号能够传递至所述信号处理单元，所述信号处理单元根据检测的信号进行数据采集以及数据运算；
所述碳13二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳13二氧化碳浓度的且具有4.37um±0.09um范围内光谱分辨的碳13二氧化碳浓度检测红外探测器；所述碳12二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳12二氧化碳浓度的且具有4.26um±0.09um范围内光谱分辨的碳12二氧化碳浓度检测红外探测器；
所述红外光源能够向所述气体吸收腔内辐射的红外光且所述红外光至少同时包含4.26um±0.09um范围内和4.37um±0.09um范围内的光谱分量；
所述气体吸收腔内设置有红外折返传播器件，所述红外折返传播器件能够对所述红外光进行多次折射以使至少部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及至少另一部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器。
在上述技术方案中，进一步地，所述红外折返传播器件包括平面反射镜；
所述平面反射镜至少为多个，且多个所述平面反射镜相互平行排布。
在上述技术方案中，进一步地，相邻的所述平面反射镜中的其中一个为入设镜，另一个为反射镜；
所述红外光与所述入设镜之间的入射角设置在6°～15°；
所述平面反射镜在所述红外光在子午面方向上的反射区域长度在40mm～100mm之间。
在上述技术方案中，进一步地，所述气体吸收腔对应所述红外光入设的位置、所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器的位置以及所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的位置均设置有开孔；
所述开孔的位置由包含氟化钙或硒化锌的中红外透过率高的材料密封。
在上述技术方案中，进一步地，所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器的位置以及所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器与所述气体吸收腔之间设置有绝缘基座；
所述绝缘基座用于绝缘所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器与所述气体吸收腔以及用于绝缘所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器与所述气体吸收腔。
在上述技术方案中，进一步地，所述红外光源还能够发射光谱范围在400nm～750nm区域内的可见光。
在上述技术方案中，进一步地，还包括第一凹面反射镜；
所述第一凹面反射镜的焦距设置在15mm～60mm之间；
4.37um±0.09um范围内的光谱分量经过所述第一凹面反射镜能够汇聚于所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器。
在上述技术方案中，进一步地，进入用于检测所述碳12二氧化碳浓度红外探测器的红外光在所述气体吸收腔中通过样本气体的光程长度设置在15mm～100mm之间；
进入用于检测所述碳13二氧化碳浓度红外探测器的红外光在所述气体吸收腔中通过所述样本气体的光程长度设置在为200mm～600mm之间。
在上述技术方案中，进一步地，所述信号处理单元包括控制模块；
所述控制模块能够在测试开启前，发出脉冲开启信号，以控制所述红外光源打开；且所述控制模块能够在测试结束后，发出脉冲关闭信号，以控制所述红外光源关闭。
本申请还提供一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测方法，包括以下步骤：
步骤100：传感器的特征参数拟合，采用同一来源的待测气体体积浓度比例0～5％的多种浓度的标准气体进行传感器的标定，至少标定6个点，采用多项式拟合分别拟合碳12二氧化碳检测模块和碳13二氧化碳检测模块的参数,并写入传感器非易失性存储单元中；
步骤200：样本气体浓度测试，样本气体充满气体吸收腔后，打开红外光源，分别检测碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的输出信号，并通过步骤100拟合的特征参数，反向计算气体浓度，并将碳12和碳13的浓度分别记为12C，13C；
步骤300：通过步骤100，步骤200所得到的数据，根据如下公式计算碳13同位素的比例R以及碳13同位素的丰度千分度δ：
R＝13C/12C；
δ‰＝(Rsq/Rst-1)×1000‰
其中，Rsq为测量品同位素含量，Rst为标准品同位素含量。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，包括红外光源、气体吸收腔、碳13二氧化碳浓度检测模块、碳12二氧化碳浓度检测模块以及信号处理单元；
所述碳13二氧化碳浓度检测模块以及所述碳12二氧化碳浓度检测模块输出的信号能够传递至所述信号处理单元，所述信号处理单元根据检测的信号进行数据采集以及数据运算；
所述碳13二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳13二氧化碳浓度的且具有4.37um±0.09um范围内光谱分辨的碳13二氧化碳浓度检测红外探测器；所述碳12二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳12二氧化碳浓度的且具有4.26um±0.09um范围内光谱分辨的碳12二氧化碳浓度检测红外探测器；
所述红外光源能够向所述气体吸收腔内辐射的红外光且所述红外光至少同时包含4.26um±0.09um范围内和4.37um±0.09um范围内的光谱分量；
所述气体吸收腔内设置有红外折返传播器件，所述红外折返传播器件能够对所述红外光进行多次折射以使至少部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及至少另一部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器。
具体地，本申请提供的一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，采用半导体光源和半导体探测器，并优化了折叠光路设计，使系统在较小的体积范围内实现了较大的吸收光程。采用共光源及共气体吸收腔设计，降低了红外光源扰动差异性对结果的影响，相对于现有技术具有以下优点：(1)采用准直聚焦式的折光腔结构，实现了较小体积的高灵敏度检测；(2)碳12二氧化碳和碳13二氧化碳气体浓度检测模块共用红外光源，和气体谐振腔，消除了光源扰动差异性对检测结果的影响。
本申请还提供一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测方法，包括以下步骤：
步骤100：传感器的特征参数拟合，采用同一来源的待测气体体积浓度比例0～5％的多种浓度的标准气体进行传感器的标定，至少标定6个点，采用多项式拟合分别拟合碳12二氧化碳检测模块和碳13二氧化碳检测模块的参数,并写入传感器非易失性存储单元中；
步骤200：样本气体浓度测试，样本气体充满气体吸收腔后，打开红外光源，分别检测碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的输出信号，并通过步骤100拟合的特征参数，反向计算气体浓度，并将碳12和碳13的浓度分别记为12C，13C；
步骤300：通过步骤100，步骤200所得到的数据，根据如下公式计算碳13同位素的比例R以及碳13同位素的丰度千分度δ：
R＝13C/12C；
δ‰＝(Rsq/Rst-1)×1000‰
其中，Rsq为测量品同位素含量，Rst为标准品同位素含量。
具体地，一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测方法基于幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，因此具有幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统的所有有益效果，在此不做过多阐述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中第一种红外线气体分析仪的结构简图；
图2为现有技术中第一种红外线气体分析仪的结构框图；
图3为现有技术中第二种红外线气体分析仪的结构简图；
图4为本申请实施例一提供的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统的结构示意图；
图5为本申请实施例一提供的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统中气体吸收腔的结构框图；
图6为本申请实施例一提供的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统中绝缘基座的结构框图；
图7为本申请实施例一提供的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统中的红外光源与碳12二氧化碳红外探测器开孔位置的结构示意图；
图8为本申请实施例一提供的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统中的第一凹面反射镜与碳12二氧化碳红外探测器开孔位置的结构示意图；
图9为本申请实施例一提供的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统中的碳13二氧化碳浓度检测模块的结构示意图；
图10为本申请实施例一提供的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统中的气体吸收腔的立体结构示意图；
图11为本申请实施例二提供的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测方法中的特征参数拟合的参数图。
附图标记：
1’-红外光源；2’-测量室；3’-红外检测器；4’-参比室；5’-动片薄膜；6’-进气口；7’-出气口；8’-滤光镜；9’-红外传感器；10’-信号处理器；11’-显示屏；12’-电极；13’-检测室；1-碳12二氧化碳浓度检测红外探测器；2-碳13二氧化碳浓度检测红外探测器；3-信号处理单元；4-红外光源；5-气体吸收腔；6-平面反射镜；7-绝缘基座；8-红外光源的光斑；9-开孔的中心位置；10-第一凹面反射镜；11-滤光片；12-第二凹面反射镜；13-光源安装孔；14-碳12二氧化碳红外探测器的安装位；15-碳13二氧化碳红外探测器的安装位；16-进气口；17-出气口；18-螺纹孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例一
为了方便说明，结合图4所示，一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，由如附图所示的碳12二氧化碳浓度检测红外探测器1、红外光源4、气体吸收腔5组成的碳12二氧化碳检测模块，碳13二氧化碳浓度检测红外探测器2、红外光源4、气体吸收腔5组成的碳13二氧化碳检测模块，及信号处理单元3构成；
碳13二氧化碳浓度检测模块及碳12二氧化碳浓度检测模块，共用红外光源4，气体吸收腔5，红外光源4辐射的红外光进入气体吸收腔5中的红外折返传播器件上，光线穿过气体后，部分红外光进入用于检测碳12二氧化碳浓度检测红外探测器1中，经过更多次的折返后，部分红外光进入用于检测碳13二氧化碳浓度检测红外探测器2中，碳12二氧化碳浓度检测红外探测器1和碳13二氧化碳浓度检测红外探测器2分别检测后所产生的电信号传输至信号处理单元3中，并按照以下步骤进行处理，最终得到碳13同位素的千分度。
步骤100：传感器(信号处理单元中包括有传感器)的特征参数拟合，采用同一来源的待测气体体积浓度比例0～5％的多种浓度的标准气体进行传感器的标定，至少标定6个点，采用多项式拟合分别拟合碳12二氧化碳检测模块和碳13二氧化碳检测模块的参数,并写入传感器的非易失性存储单元中；
步骤200：样本气体浓度测试,样本气体充满气体吸收腔后，打开红外光源，分别检测碳12二氧化碳浓度检测红外探测器1和碳13二氧化碳浓度检测红外探测器2输出信号，并通过步骤100拟合的特征参数，反向计算气体浓度，将碳12和碳13的浓度分别记作为12C，13C；
步骤300：通过步骤100，步骤200所得到的数据，计算同位素的比例R如下公式：
R＝13C/12C，
同位素的丰度千分度δ如下公式：
δ‰＝(Rsq/Rst-1)×1000‰
其中，Rsq为测量值同位素含量，Rst为标准品同位素含量；
在该实施例中，红外光源4，辐射红外光并至少同时包含4.26um±0.09um范围内和4.37um±0.09um范围内的光谱分量，分别用于碳12二氧化碳和碳13二氧化碳的红外吸收检测；优选地，红外光源4还包含部分可见光光谱，方便系统的装调。
除此之外，所述红外光源还能够发射光谱范围在400nm～750nm区域内的可见光。
在该实施例中，结合图5所示，气体吸收腔5，为一包含气体出口和入口的气体密封腔，气体密封腔内设置有红外折返传播器件，红外折返传播器件至少包括两个相互平行的镀银或者镀金的平面反射镜；具体地，红外光源以6°到15°的入射角α，入射到其中一个平面反射镜上，进入用于检测碳12二氧化碳浓度的红外探测器的红外光源在气体吸收腔中通过样本气体的光程长度设置在15mm～100mm之间，进入用于检测碳13二氧化碳浓度的红外探测器的红外光在气体吸收腔中通过样本气体的光程长度设置在200mm～600mm之间；具体地，平面反射镜6的长度大于等于40mm，使得红外光源在气体中的光程满足要求，确保系统气体检测灵敏度满足要求。
进一步地，气体吸收腔，在红外光源的光线的入射位置、碳12二氧化碳浓度检测红外探测器的位置以及碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的位置各包含一个开孔，开孔位置由含氟化钙或硒化锌等中红外透过率较高的材料进行密封，避免采用探测器和红外光源作为密封器件，引入噪声干扰。
进一步地，结合图6所示，为了进一步降低噪声干扰，优选地，碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的金属外壳下设置有绝缘基座7，采用绝缘基座的保护方式，从而保证了其不与气体吸收腔的腔体之间有电气接触，防止引入噪声和电磁干扰。
进一步地，结合图7所示，为了确保碳12二氧化碳红外探测器开孔漏光不会导致碳13二氧化碳红外探测器的信号过小，采用光束直径大于5mm的红外光源，碳12二氧化碳红外探测器开孔位置偏离红外光源传播路径的边缘位置开孔，开孔直径小于5mm，开孔的中心位置9在红外光源的光斑8的边缘，尽量降低对碳13二氧化碳红外探测器的信号的影响。
在该实施例中，结合图8所示，为了提高信号的强度，以碳12二氧化碳浓度检测红外探测器为例，在碳12二氧化碳浓度检测红外探测器1的前方(红外光源的入射路径)放置一个第一凹面反射镜10，将红外光源会聚于碳12二氧化碳浓度检测红外探测器上，提高收集信号的强度。
进一步地，结合图9所示，提供了一种带凹面反射镜的准直红外光源的碳13二氧化碳浓度检测模块；红外光源4经过第二凹面反射镜12，将光线准直成近似的平行光，经过平面反射镜6进行光路折叠反射，使光线通过平面反射镜6之间充满待测样本的气体，并经过第一凹面反射镜10，经过滤光片11，进入碳13二氧化碳浓度检测红外探测器，进行光强检测。
上述红外光源4位于第二凹面反射镜12的焦面上，并与第二凹面反射镜12的光轴夹角为10°左右；上的两个平行的平面反射镜6分别位于第二凹面反射镜12的光轴的异侧。
上述的第一凹面反射镜10及第二凹面反射镜12的中心均位于平面反射镜6的端面连线的中点上。
上述的滤光片11，针对碳12二氧化碳，中心波长为4.26um左右，针对碳13二氧化碳，中心波长4.38um左右。
上述的碳13二氧化碳浓度检测红外探测器位于第一凹面反射镜10的焦面上，碳13二氧化碳浓度检测红外探测器位于红外光源4经过第一凹面反射镜10形成的焦点位置。
上述的红外光源4，选用中红外LED光源，包含4.0～4.5um波长的红外光线，10度发散角范围内包含总发射光能的50％以上。
上述的第二凹面反射镜12，优选地，选用曲率半径为40mm，焦距为20mm的镀金第二凹面反射镜。
上述的平面反射镜6，优选地，选用尺寸为50mm×12.5mm的镀金平面反射镜；两个平面反射镜6之间的距离为36mm。
上述的第一凹面反射镜10，优选地，选用曲率半径为50mm，焦距为25mm的镀金第一凹面反射镜。
上述的碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及碳13二氧化碳浓度检测红外探测器，优选为红外光电二极管，光敏面直径≥0.3mm。
值得注意的是：由于中红外光学系统不能采用传统的玻璃透镜进行红外光源的汇聚与准直，因此很少采用感光面积较小的半导体光电探测器进行气体浓度的检测。传统方案采用的气体传感器，或者热电传感器，感光面积较大2mm以上，需要对红外光源进行调制，测量得是红外光信号的交变信号。本申请通过反射式光学系统设计，对红外光源进行了准直与汇聚设计，使光敏面较小的半导体光电器件能用于碳13二氧化碳浓度的检测，且单个脉冲即可完成浓度检测，无需进行多个周期的交变信号测量，降低了系统噪声的干扰。
在该实施例中，结合图10所示，气体吸收腔5由壳体围设而成，气体吸收腔5的腔体长度优选地为78mm，气体吸收腔5的腔体宽度优选为44mm，红外光源4安装于光源安装孔13；光源安装孔13为倾斜孔，其轴线与气体吸收腔5之间的夹角设置为8°，光源安装孔13的端面的中心距离壳体左侧的边沿的距离设置在10mm±2mm之间；碳12二氧化碳红外探测器的安装位14在下侧距离壳体左侧的边沿的距离设置在10mm±2mm之间；碳13二氧化碳红外探测器的安装位15在右上侧，距离壳体右侧的边沿的距离设置在10mm±2mm之间；光源安装孔以及平面反射镜6的长度均设置在50mm±2mm之间；进气口16和出气口17，垂直于光学系统子午面，便于气体充分混匀，气体吸收腔盖板(在图中未示出)通过螺纹孔18固定。
具体地，光源安装孔13、碳12二氧化碳红外探测器的安装位以及碳13二氧化碳红外探测器的安装位均由氟化钙或者硒化锌红外窗口，进行气体密封。
具体地，碳12二氧化碳红外探测器的安装位的红外光源通过红外窗口后，还存在一个中红外带通滤光片，滤中心波长4.26um±0.05nm，带宽小于300nm，红外光源通过该滤光片后，进入碳12二氧化碳浓度检测红外探测器。
具体地，碳13二氧化碳红外探测器的安装位，红外光源通过红外窗口后，还存在一个中红外带通滤光片，在400nm～4.3um区域，透过率小于10％，在4.35～4.4区域透过率大于60％，红外光源通过该滤光片后，进入碳13二氧化碳浓度检测红外探测器，该滤光片可以降低碳13二氧化碳吸收峰以外的光信号的透过率，提高碳13二氧化碳浓度检测的信噪比。
综上，本申请提供的一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，采用半导体光源和半导体探测器，并优化了折叠光路设计，使系统在较小的体积范围内实现了较大的吸收光程。采用共光源及共气体吸收腔设计，降低了红外光源扰动差异性对结果的影响，相对于现有技术具有以下优点：(1)采用准直聚焦式的折光腔结构，实现了较小体积的高灵敏度检测；(2)采用半导体光电传感器及红外光源，克服了传统的碳13检测装置需要预热4小时以上，并长期开机的缺陷。(3)碳12二氧化碳和碳13二氧化碳气体浓度检测模块共用红外光源，和气体谐振腔，消除了光源扰动差异性对检测结果的影响。(4)采用的红外光源包含可见光部分，方便系统的调试。
实施例二
结合图11所示，本申请还提供一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统的测量方法，传感器的特征参数拟合具体包括如下步骤：
步骤a：采用浓度5％的标准气体，并进行不同倍数的稀释，分别测量探测器输出值记为x1，x2…，采用不含待测气体的“零”气，测量探测器输出X0，并根据输出值计算吸收系数yi＝1-xi/X0；其中一个实例，测试结果如下表格：
Figure BDA0004144924200000171
步骤b：根据上述的特征，采用γ、a、b三个特征值，并采用下式拟合传感器的特征参数。
y＝γ*(1-exp(-a*Cb))
采用规划求解的方法，以拟合结果减测量值之间的方差和最小为目标，拟合出传感器的特征值，通过计算可得出下面表格中的数据，特征拟合参数图如图11所示。其中一个实例的结果如下：γ＝0.622103，a＝0.94741,b＝0.566212,方差和0.001645，拟合结果较为理想。
Figure BDA0004144924200000172
Figure BDA0004144924200000181
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，其特征在于，包括红外光源、气体吸收腔、碳13二氧化碳浓度检测模块、碳12二氧化碳浓度检测模块以及信号处理单元；
所述碳13二氧化碳浓度检测模块以及所述碳12二氧化碳浓度检测模块输出的信号能够传递至所述信号处理单元，所述信号处理单元根据检测的信号进行数据采集以及数据运算；
所述碳13二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳13二氧化碳浓度的且具有4.37um±0.09um范围内光谱分辨的碳13二氧化碳浓度检测红外探测器；所述碳12二氧化碳浓度检测模块包括用于检测碳12二氧化碳浓度的且具有4.26um±0.09um范围内光谱分辨的碳12二氧化碳浓度检测红外探测器；
所述红外光源能够向所述气体吸收腔内辐射的红外光且所述红外光至少同时包含4.26um±0.09um范围内和4.37um±0.09um范围内的光谱分量；
所述气体吸收腔内设置有红外折返传播器件，所述红外折返传播器件能够对所述红外光进行多次折射以使至少部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及至少另一部分进过所述红外折返传播器件折射的所述红外光能够进入至所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器。
2.根据权利要求1所述的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，其特征在于，所述红外折返传播器件包括平面反射镜；
所述平面反射镜至少为多个，且多个所述平面反射镜相互平行排布。
3.根据权利要求2所述的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，其特征在于，相邻的所述平面反射镜中的其中一个为入设镜，另一个为反射镜；
所述红外光与所述入设镜之间的入射角设置在6°～15°；
所述平面反射镜在所述红外光在子午面方向上的反射区域长度在40mm～100mm之间。
4.根据权利要求1所述的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，其特征在于，所述气体吸收腔对应所述红外光入设的位置、所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器的位置以及所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的位置均设置有开孔；
所述开孔的位置由包含氟化钙或硒化锌的中红外透过率高的材料密封。
5.根据权利要求1所述的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，其特征在于，所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器的位置以及所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器与所述气体吸收腔之间设置有绝缘基座；
所述绝缘基座用于绝缘所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器与所述气体吸收腔以及用于绝缘所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器与所述气体吸收腔。
6.根据权利要求1所述的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，其特征在于，所述红外光源还能够发射光谱范围在400nm～750nm区域内的可见光。
7.根据权利要求1所述的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，其特征在于，还包括第一凹面反射镜；
所述第一凹面反射镜的焦距设置在15mm～60mm之间；4.37um±0.09um范围内的光谱分量经过所述第一凹面反射镜能够汇聚于所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器。
8.根据权利要求1所述的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，其特征在于，进入用于检测所述碳12二氧化碳浓度检测红外探测器的红外光在所述气体吸收腔中通过样本气体的光程长度设置在15mm～100mm之间；
进入用于检测所述碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的红外光在所述气体吸收腔中通过所述样本气体的光程长度设置在为200mm～600mm之间。
9.根据权利要求1所述的幽门螺杆菌碳13同位素光学检测系统，其特征在于，所述信号处理单元包括控制模块；
所述控制模块能够在测试开启前，发出脉冲开启信号，以控制所述红外光源打开；且所述控制模块能够在测试结束后，发出脉冲关闭信号，以控制所述红外光源关闭。
10.一种幽门螺杆菌碳13同位素光学检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤100：传感器的特征参数拟合，采用同一来源的待测气体体积浓度比例0～5％的多种浓度的标准气体进行传感器的标定，至少标定6个点，采用多项式拟合分别拟合碳12二氧化碳检测模块和碳13二氧化碳检测模块的参数,并写入传感器非易失性存储单元中；
步骤200：样本气体浓度测试，样本气体充满气体吸收腔后，打开红外光源，分别检测碳12二氧化碳浓度检测红外探测器以及碳13二氧化碳浓度检测红外探测器的输出信号，并通过步骤100拟合的特征参数，反向计算气体浓度，并将碳12和碳13的浓度分别记为12C，13C；
步骤300：通过步骤100，步骤200所得到的数据，根据如下公式计算碳13同位素的比例R以及碳13同位素的丰度千分度δ：
R＝13C/12C；
δ‰＝(Rsq/Rst-1)×1000‰
其中，Rsq为测量品同位素含量，Rst为标准品同位素含量。
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