用于无创血糖检测的光声池设计与研究

　　引言

　　糖尿病是一种常见病和多发病，预计到2025年，全球将有3.8亿人受到糖尿病的困扰。目前，我国已成为仅次于印度的糖尿病第二大国[1]。血糖无创检测是国际医学检测领域界尚未攻克的前沿课题之一，全球一百多个公司和研究机构在该领域展开了激烈的竞争，但迄今为止还没有任何一款无创血糖测量仪能满足临床检测的要求[2]。在人体组织中，血糖含量比较微弱，仅为0.1%，因此血糖变化导致的信号及其微弱[2]，所以对于核心部件光声池的研究愈来愈引起人们的关注。

　　不同的检测对象对光声池有不同的要求，而且光声池又直接影响其检测灵敏度[3]。光声池从功能上可以分为气体光声池，固体光声池和液体光声池。从结构上可以分为单腔和多腔。多腔中双腔较多见，其优势以使用差原理和利用亥姆霍兹共振理论来增强光声信号，但亥姆霍兹共振频率由两个腔体的体积和连接腔体决定，即腔一旦确定，共振频率也就确定，即亥姆霍兹共振适用于单一调制频率。当调制频率变化时其共振效果也就无意义了。另外低频时共振腔必须足够大，而且连接两个共振腔的气体管道直径非常小，在加工工艺上不易实现。现在技术比较成熟的有MTEC100型光声池，是一种气体光声池(灵敏度50mV/Pa)。主要的设计特点包括：通过气体控制(用氦气)提高灵敏度和减小二氧化碳等红外吸收气体的干扰;配有适用于红外光谱范围的溴化钾光窗和紫外可见光的石英光窗[4]。但是此光声池仅用于气体的检测。另外一种是差动式光声池，其差动式光声检测技术已用于国产WFJ-S型激光光声光谱仪上[3]。

　　文中介绍两种用于血糖无创检测的光声池：一种是非共振双腔差分光声池，用于固体葡萄糖粉末检测，差动原理就是采用两个性能基本一致的光声池放在同一池体和光路上进行检测，为了消除光声池的噪声信号，利用样品池信号减去参考池信号，通过调节电路的差动式方法，使两池信号差趋于零[5]。另一种是非共振单腔光声池，用于葡萄糖溶液检测。

　　1　光声信号基本原理

　　早在1880年，Bell首先在固体中观察到光声转换现象，继Bell的发现后，以Rosencwaig，Patel，Krewzer和英国Kirkbright为代表的科学家做了许多开拓性工作，其中Rosencwaig等建立了一维固体光声理论，简称为RG理论[6]。RG理论简单概括为信号依赖于样品-气体界面上声压扰动的产生和扰动通过气体到传声器的传输，表面压力扰动的产生又依赖于样品-气体界面上温度的周期性变化[7]。

　　下面根据热力学和光声光热原理对声信号的产生机理做以下简单介绍：