【成果】李国林副教授在激光气体传感与生物智能感知结合领域取得新进展

 近日，我院李国林副教授在光学气体传感领域取得重要突破，相关研究成果A Ppb-level MIR-PAS for ¹²CO₂/¹³CO₂ Isotope Analysis toward On-line Breath-Based H. pylori Sensing和TDM-OA-ICOS optical sensor for ppb-level C₂H₄ and CH₄ simultaneous detection in postharvest fruit分别发表在在中国科学院一区TOP期刊《Photoacoustics》（SCI，IF=6.8）和《Sensors and Actuators B: Chemical》（SCI，IF=7.7）。上述期刊均为激光与精密仪器领域的国际知名期刊。两篇论文的第一作者均为太阳集团tyc234cc控制科学与工程专业2025级博士研究生杨玉冰，通讯作者为李国林副教授，太阳集团tyc234cc为第一署名单位和通讯单位。该研究得到国家自然科学基金和山东省自然科学基金项目的联合资助。

图1 论文首页

工作一：

幽门螺杆菌感染与慢性胃炎、消化性溃疡以及胃癌密切相关，因此快速且无创的诊断技术在临床上显得尤为重要。目前的呼气检测方法，例如¹³C-尿素呼气试验（¹³C-UBT），通常依赖于呼气收集袋并随后进行离线分析，这限制了实时监测能力。为了克服这一限制，我们提出了一种用于实时检测二氧化碳同位素和评估¹³C-UBT反应的中红外光声光谱（MIR-PAS）系统。设计了一种具有最小10.3mL样本体积的双通道差分共振光声池（DPAC），以增强声学信号收集，其共振频率为3775.7Hz，Q因子为27。在强ν3带内的¹²CO₂（2299.64 cm⁻¹）和¹³CO₂（2299.80 cm⁻¹）的目标吸收线被选中，以使用4.35 μm量子级联激光器进行高分辨率同位素鉴别。该传感器在500 - 2500 ppm范围内表现出出色的线性响应（R² > 0.994），在最优平均条件下，¹²CO₂和¹³CO₂的检测限分别达到8.98 ppb和2.81 ppb。δ¹³C测量在76 s的平均时间内精度为0.066 ‰。呼吸采样测试进一步揭示了呼气过程中二氧化碳同位素的明显时间释放模式。这些结果证实，所开发的MIR-PAS系统为二氧化碳同位素分析提供了一个紧凑、灵敏且可靠的平台，并展示了在便携式幽门螺杆菌诊断方面具有强大的潜力。

图2 基于PAS的二氧化碳同位素检测系统的原理图

论文全文链接：Y. Yang, X. Yin, X. Yang, W. Dong, J. Gu, J. Yang, W. Zhao, K. Liu, G. Li*, A Ppb-level MIR-PAS for ¹²CO₂/¹³CO₂ isotope analysis toward on-line breath-based H. pylori sensing, Photoacoustics 48 (2026) 100805. https://doi.org/10.1016/j.pacs.2026.100805.

工作二：

       挥发性气体的高精度实时监测对于理解水果成熟过程、优化储藏条件以及保障采后贮藏期间的食品质量具有重要意义。其中，乙烯（C₂H₄）作为调控果实成熟的关键植物激素，而甲烷（CH₄）则可作为微生物活动及腐败相关生化过程的指示气体。本研究开发了一种基于时分复用离轴积分腔输出光谱（Time-Division Multiplexed Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy, TDM-OA-ICOS）的高灵敏气体传感器，用于同时检测C₂H₄和CH₄。为提高复杂储藏环境下的信号质量，采用改进的自适应噪声完全集合经验模态分解（Improved Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise, ICEEMDAN）算法对解调后的二次谐波（2f）信号进行处理，从而有效抑制噪声并减少模态混叠。此外，构建了结合秘书鸟优化算法（Secretary Bird Optimization Algorithm, SBOA）与最小二乘支持向量机（Least Squares Support Vector Machine, LSSVM）的优化浓度反演模型，以提升气体浓度反演的准确性。该传感器在C₂H₄浓度范围1–50 ppm和CH₄浓度范围0.2–20 ppm 内均表现出优异的线性响应。同时，通过Allan方差分析获得的检测限分别为C₂H₄的4.43 ppb和CH₄的1.19 ppb。结果表明，所提出的TDM-OA-ICOS传感器在采后品质评估、气调贮藏、发酵过程监测以及食品腐败诊断等方面具有良好的应用潜力。

图3 C₂H₄和CH₄传感器的框图包括气体系统、光学系统和信号处理系统

论文全文链接：Y. Yang, Y. Zhao, G. Li*, L. Li, G. Cui, J. Yang, J. Gu, W. Dong, K. Liu, TDM-OA-ICOS optical sensor for ppb-level C₂H₄ and CH₄ simultaneous detection in postharvest fruit, Sensors and Actuators B: Chemical 462 (2026) 140064. https://doi.org/10.1016/j.snb.2026.140064.