基于QEPAS检测氨气痕量气体的研究

痕量氨气(NH_3)检测在大气质量监测和人类疾病预防等方面具有重要意义,然而现有氨气检测方法难以满足当前需求。针对石英增强型光声光谱技术(quartz enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS)具有灵敏度高、监测实时性好、环境噪声免疫性高等优点,该文在阐述检测原理的基础上,选用中心波长为1531.65 nm的分布反馈式激光器(distributed feedback laser,DFB)作为光源,室温下氨气标准气体作为被测对象,搭建了基于QEPAS的NH_3气体检测系统。该系统确定了谐振管的尺寸和位置,优化了激光滤波准直光路,并结合波长调制与谐波检测技术,实现了氨气浓度的检测。检测结果表明,QEPAS系统的二次谐波信号与NH_3浓度具有良好的线性关系。该系统的检测极限精确度为146 ppb,稳定响应时间约为40 s,4小时连续检测相对误差为2.34%。

多重耐药大肠埃希菌喹诺酮类外排基因qepA的研究

目的对临床分离的多重耐药大肠埃希菌(E.coli)喹诺酮外排泵基因qepA的携带率、接合传递、基因功能等进行研究。方法临床分离的多重耐药E.coli 136株,经PCR筛选qepA基因,阳性菌株作16S rRNA甲基化酶基因rmtB的检测,PCR产物均经测序确认;阳性菌株进行质粒接合实验;扩增qepA基因全长,与pET-12a质粒连接,构建重组质粒,以研究qepA功能。结果 136株多重耐药E.coli qepA基因的检出率为14.0%(19/136),其中16株携带rmtB基因,二者的共存率高达84.2%(16/19)。接合实验的耐药质粒传递率为63.2%(12/19),9株接合子中检出rmtB基因,占75.0%(9/12)。与E.coli BL21(pET-12a)相比,诺氟沙星、环丙沙星和左氧氟沙星对E.coli BL21(pET-12a-qepA)的MIC分别升高64倍、32倍和4倍;而与羰基氰氯苯腙(CCCP)联合应用时三种药物的MIC值则至少降低为原值的1/4。进一步检测菌体内环丙沙星含量,在不含CCCP时,E.coli BL21(pET-12a-qepA)菌体中环丙沙星低于E.coli BL21(pET-12a)或E.coli BL21(P<0.01);加入CCCP后,菌体内环丙沙星含量明显升高(P<0.01)。结论本组多重耐药E.coli的qepA基因检出率较高(14.0%)。qepA基因和rmtB基因具有较密切的相关性和共存率,且容易在菌际间传播。QepA为质子依赖的外排蛋白,可降低某些喹诺酮类药物在细菌体内的含量,使得对药物的敏感性下降。

大肠埃希菌的qepA基因检测及菌株同源性分析

目的检测质粒介导的喹诺酮类外排基因qepA在临床分离的产超广谱β-内酰胺酶(ESBLs)的大肠埃希菌中的分布情况,并对阳性菌株进行同源性分析。方法用Vitek2 Compact系统对57株大肠埃希菌进行鉴定和药敏实验,用PCR法检测qepA基因并进行基因测序及序列比对。用细菌基因组重复序列PCR技术(rep-PCR)和芯片分析技术对qepA阳性菌株进行基因分型及同源性分析。结果 57株大肠埃希菌对环丙沙星、左氧氟沙星、庆大霉素、妥布霉素及阿米卡星的耐药率分别为86.0%(49/57)、82.5%(47/57)、70.2%(40/57)、26.3%(15/57)和8.8%(5/57)。6株大肠埃希菌检测到qepA基因,检出率为10.5%。Diversilab分析结果表明,含qepA的大肠埃希菌相似性为70.4%～97.2%,未发现高度同源的菌株。结论临床分离大肠埃希菌菌株可检出质粒介导的喹诺酮类外排基因qepA。

1株携带质粒介导喹诺酮耐药基因qnrS1和qepA1的多耐药沙门菌的基因特点分析

目的分析一株多重耐药沙门菌SM846的遗传背景,研究其对喹诺酮耐药的机制。方法测定SM846对14种药物的最小抑菌浓度(minimal inhibitoryconcentration,MIC)。用三代测序技术对菌株进行全基因组测序,根据耐药数据库注释SM846序列中的耐药基因。使用NCBI的BLAST工具搜索与耐药质粒相似的序列,并进行生物信息学分析。结果SM846对14种测试抗生素中的12种表现出耐药,包括喹诺酮类抗生素萘啶酸和环丙沙星。SM846包含1条染色体和1条质粒。染色体序列不含可导致耐药的基因和突变,质粒携带13个耐药基因,包括喹诺酮类耐药基因qepA1和qnrS1。qepA1和qnrS1位于质粒内部的可移动原件I类整合子上。13条相似质粒的分析表明中国分离的此型别的质粒耐药性强于美国和加拿大分离的。结论QnrS1和qepA1基因通过IS6和可移动元件整合到质粒的I类整合子上,说明SM846可能迫于抗生素压力通过获得耐药基因来快速适应环境。中国分离菌株的耐药性强,地区间的耐药情况差异,尤其是与不发达国家之间的差异提示我们应当继续监测各地区的耐药表现型,以制定本地的耐药控制策略。

基于QEPAS技术的乙炔微量气体高灵敏度检测研究

石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术,具有系统体积小、价格低廉、探测灵敏度高等优点。乙炔(C_2H_2)是一种化学性质活泼的有毒气体,对它进行高灵敏度检测在变压器故障诊断、环境监测等领域有着重要的意义,基于此,采用QEPAS技术对C_2H_2微量气体展开高灵敏度检测研究。采用输出波长为1.53μm的连续波分布反馈半导体激光器作为激发光源。为了提高信噪比和简化数据处理过程,QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。为了提高QEPAS系统信号幅值,相比于常见的共振频率为32.768kHz的石英音叉,采用了共振频率较低的30.72kHz石英音叉作为声波传导器,同时还优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,并添加了声波微共振腔,选择的微共振腔长度为4mm、内径为0.5mm,最终获得了2.7ppm的优异检测极限,归一化噪声等效吸收系数为1.3×10^(-8) cm^(-1)·W·Hz^(-1/2)。

功率增强型的全光式QEPAS痕量气体检测系统研究

石英增强光声光谱技术由于具有灵敏度高、噪声免疫能力强、体积小等优点,成了一种备受关注的痕量气体检测技术.本文设计了一种全光式QEPAS痕量气体检测系统,采用共振频率为32.7 kHz的石英音叉作为声传感器,结合光功率放大技术,实现了系统信号幅值的极大提高;以具有工作点自稳定特性的光纤珐珀干涉仪作为振动解调单元,极大地提高了系统的稳定性.以C2H2作为检测对象,采用波长调制和二次谐波解调技术,优化得到系统的最佳调制深度为0.171 cm^(-1)、最佳激光位置距离音叉底部2.9 mm,最终得到QEPAS信号随C_(2)H_(2)浓度线性变化,其线性度为0.998,系统检测极限为30.3 ppb,由此得到系统的归一化等效噪声系数为2.51×10^(-8)cm^(-1)·W·Hz^(-1/2).最后在相同条件下,通过1小时连续工作测试验证了系统具有极好的稳定性.

基于石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)的实时探测系统研究

利用石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)结合基于Lab-VIEW设计的数字频率锁定技术建立了一套气体实时探测系统,该方案使用3f信号作为误差反馈信号,将激光器锁定在待测气体吸收峰的中心位置,保证了长时间测量的准确度并且提高了探测效率.实验中采用中心波长位于1.396μm的DFB半导体激光器作为光源,选择常压下空气中的水汽作为研究对象,对系统性能进行了测试,并对影响影响系统探测灵敏度的主要因素进行了分析.实验结果表明,该系统可以将激光器稳定在±0.001 cm^(-1)范围内,对激光器长时间工作时的波长漂移起到了很好的抑制作用,系统的检测限约为1 ppm,该方案可以直接应用于工业气监测、痕量污染物实时测量等领域.

肺炎克雷伯菌的喹诺酮外排基因qepA的检测及菌株同源性分析

目的 检测质粒介导的喹诺酮类外排基因qepA在临床分离的产超广谱β-内酰胺酶（ESBLs）的肺炎克雷伯菌中的分布情况,并对阳性菌株进行同源性分析.方法 41株细菌的鉴定和药敏采用Vitek-2 Compact系统;采用PCR法检测qepA并进行序列测定、比对.应用Rep-PCR法采用Diversilab系统对qepA阳性菌株进行同源性分析;同时了解阳性株上的rmtB分布情况.结果 5株肺炎克雷伯菌上检测到qepA基因,检出率为12.2%.Diversilab分析结果表明其中两株的qepA阳性菌同源性超过99%.包含qepA的肺炎克雷伯菌中2株（40%）检出rmtB.结论 在肺炎克雷伯菌临床菌株上检出质粒介导的喹诺酮类外排基因qepA.

Gas Absorption Center-Based Wavelength Calibration Technique in QEPAS System for SNR Improvement

A simple and effective wavelength calibration scheme is proposed in a quartz enhanced photoacoustic spectroscopy （QEPAS） system for trace gas detection. A reference gas cell is connected an InGaAs photodetector for detecting the absorption intensity peak caused by the gas to calibrate the gas absorption center using distributed feedback laser diode （DFB-LD） with sawtooth wave driver current. The gas absorption wavelength calibration and gas sensing operations are conducted at a special internal to eliminate the wavelength shift of DFB-LD caused by the ambient fluctuations. Compared with the conventional wavelength modulation spectroscopy （WMS）, this method uses a lower lock-in amplifier bandwidth and averaging algorithm to improve signal noise ratio （SNR）. Water vapor is chosen as a sample gas to evaluate its performance. In the experiments, the impact of sawtooth wave frequency and lock-in amplifier bandwidth on the harmonic signal is analyzed, and the wavelength-calibration technique-based system achieves a minimum detection limit （MDL） of 790ppbv and SNR with 13.4 improvement factor compared with the conventional WMS system.

SNR Improvement of QEPAS System by Preamplifier Circuit Optimization and Frequency Locked Technique

Preamplifier circuit noise is of great importance in quartz enhanced photoacoustic spectroscopy （QEPAS） system. In this paper, several noise sources are evaluated and discussed in detail. Based on the noise characteristics, the corresponding noise reduction method is proposed. In addition, a frequency locked technique is introduced to further optimize the QEPAS system noise and improve signal, which achieves a better performance than the conventional frequency scan method. As a result, the signal-to-noise ratio （SNR） could be increased 14 times by utilizing frequency locked technique and numerical averaging technique in the QEPAS system for water vapor detection.

全光式QEPAS系统光声信号检测方法研究

为了提高全光式石英增强型光声光谱(QEPAS)珐珀解调系统的微弱信号检测能力,设计了一种基于MAX274的有源带通滤波电路和基于AD620的前置放大电路对信号进行预处理,同时利用LabVIEW设计了正交矢量型数字锁相技术的信号处理模块。实验结果表明,该方法能从强背景噪声中获得比较微弱的光声信号,在常温常压下对空气中的水汽含量进行探测,得到其归一化噪声等效吸收系数为1.37×10-6 cm-1 W/Hz1/2。该方法具有结构简单、价格低廉、便于操作和控制、实用性强等特点。

光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种气体检测技术,具有灵敏度高、设备体积小、对环境噪声免疫等优点。本课题组设计了一种光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块,并基于气体热动力学和一维声学谐振腔理论,利用COMSOL软件对探测模块的声压分布及声压级进行了研究;然后设计并加工了光机电一体化探测模块,将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大模块集成一体,使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点。采用中心波长为2μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO_(2)进行了探测,结果表明,在1 s的积分时间下获得了3.7×10^(-5)的探测极限。通过Allan方差分析发现,积分时间为1123 s时,系统的探测极限可以达到1.34×10^(-6)。采用基于该模块的QEPAS系统可以实现对室内CO2浓度的实时监测。

喹诺酮类药物及细菌对其耐药性机制研究进展

本文从喹诺酮类抗菌药物的结构、进入细菌体内的方式及喹诺酮类药物的作用机理进行简明阐述。针对喹诺酮类药物的广泛使用而导致的细菌对喹诺酮类药物的耐药性逐渐增加的原因入手,阐述了细菌对喹诺酮类药物耐药性——从染色体突变到质粒介导的喹诺酮类耐药性的几种分子机制及研究进展,为研究新型喹诺酮类抗菌药物提供依据。

肺炎克雷伯菌质粒介导的喹诺酮类抗生素耐药机制的研究

目的研究质粒介导的喹诺酮类耐药机制（PMQR）在肺炎克雷伯菌临床分离株上的分布情况，并对阳性菌株上染色体介导的喹诺酮类耐药机制进行分析。方法细菌的鉴定和药敏采用Vitek－2compact系统；采用PCR法检测质粒介导的喹诺酮类耐药基因qnrA、qnrB、qnrS、aac，（69－Ib－cr和qepA的分布情况。对包含PMQR的细菌，采用E．试验测定环丙沙星的MIC大小，同时扩增测序分析染色体基因gyrA、gyrB、parC、parE的突变情况。结果临床分离的67株肺炎克雷伯菌中，qnrS、qnrB、aac－（6｀）．Ib．cr、qepA的检出率分别为14．93％、2．99％、2．99％和16．42％。8株细菌同时包含qn，和卵p4基因，其中2株qnr、qepA和aac-（6｀）-Ib-cr同时阳性。PMQR阳性菌株对环丙沙星的MIC值不定（0．032～≥64μg／mL），其中8株（占61．54％）对环丙沙星高水平耐药（≥64μgg／mL）。比对结果显示，环丙沙星MIC≤0．5μg／mL的3株细菌几乎未见染色体的氨基酸序列改变；而环丙沙星MIC≥8μg／mL的菌株全部存在gyrA和parC编码氨基酸序列改变，且突变主要集中在gyrA83位、87位~[1parC80位上。所有PMQR阳性的肺炎克雷伯菌的∥膪和pa旭均未发现任何氨基酸序列突变。结论临床分离的肺炎克雷伯菌上检测到qnr、aac-（6｀）-Ib-cr、qepA的分布与共存。PMQR阳性菌株对环丙沙星的MIC值不定，但染色体机制仍是肺炎克雷伯菌对喹诺酮类抗生素耐药的主要机制，突变主要见于gyrA的83位、87位及parC的80位上。

气体流量对石英增强型光声光谱检测精度的影响

石英增强型光声光谱(quartz enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS)检测技术在痕量气体浓度检测方面具有灵敏度高、可靠性好、系统体积小等优势。以二氧化碳为目标气体,深入研究不同气体流量对QEPAS检测系统精度的影响。通过Fluent ANSYS仿真软件对气体流场进行分析,完成对不同流量情况下气室内压强和流速的仿真。通过基于QEPAS的CO_(2)气体检测系统的实验,研究了气室压强对气体浓度检测的影响。实验结果表明通过控制气体流量使得气室内的压强为1.08×10^(-1)~1.48×10^(-1) Pa时,检测信号与气体浓度之间线性关系良好,相关系数R=0.99971,系统相对误差为0.5%,系统检测下限为72×10^(-6)mL/m^(3)。

基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究

石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚,是一种较为新颖的痕量气体探测手段,本文以大气中的水汽作为测量目标,开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。理论上,首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析,得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案,并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。实验中,以输出波长为1.39μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源,采用激光器波长调制和2次谐波探测技术,首先研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。QEPAS系统经过优化后,获得了5.9ppm的探测极限,同时对不同浓度的水汽进行了测量,实验数据线性拟合后,得到R-Square为0.98,证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。最后,运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术,对大气中的水汽变化进行了长达12h的连续测量,实验结果表明,该系统性能稳定,具有良好的连续测量能力,可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。

基于石英增强光声光谱的HCl痕量气体高灵敏度探测研究

HCl是一种有毒有害气体,对其高灵敏度探测具有非常重要的意义,然而到目前为止,采用激光光谱的手段对其探测的研究报道很少。石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术,具有系统体积小、价格低廉、探测灵敏度高等优点。以5 000ppm HCl∶N_2混合气作为待测目标,采用输出波长为1 742.38nm的分布反馈连续波单纵模半导体激光器,开展对基于QEPAS技术的HCl高灵敏度探测研究。为了提高信噪比和简化数据处理过程,QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。研究中,首先对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了讨论,选择了"共轴"形式的声波微共振腔,并对其尺寸进行了优化,选择的微共振管长度为4mm、内径为0.5mm。实验中研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,当QEPAS系统积分时间为1s、激光波长调制深度为0.23cm^(-1)时,获得了815ppb的优异检测极限,归一化噪声等效吸收系数为7.41×10^(-9)cm^(-1)·W·Hz^(-1/2)。在后续的实验中,可在待测HCl气体中加入水汽分子,提高HCl分子的热弛豫速率,进一步提高HCl-QEPAS传感器系统的信号强度。

一种应用于石英音叉增强型光谱的前置放大电路

针对目前石英增强光声光谱系统存在音叉输出高阻抗和受噪声辐射影响较大的不利因素,本文设计了一种高输入阻抗、高信噪比的前置放大器。该方案使用高输入阻抗运算放大器,减小音叉两级的信号线长度,使用两路信号相减的方式降低噪音和串接的音叉来提高信号,进一步提高信噪比。并在该放大器的基础上,使用压电陶瓷直接激发音叉的方法精确测量了音叉的共振中心频率和Q值。经实验检验,该放大器模块性能稳定、信噪比高且成本低。

盲信号分离的光声光谱微量气体测量技术研究

基于传统毒气报警器受自身的探测灵敏度的限制,对混在毒气里的微量毒气不能有效测量这一缺陷,研究基于盲信号分离的光声光谱微量气体测量技术。设计一种采用LED光源离轴石英增强型光声光谱测量有毒有害气体的检测平台,用盲源分离方法对混合气体红外吸收谱区域有重叠的气体进行分离。根据实验数据,光声光谱气体传感器可以有效地检测微量气体,并且可以达到一定测量精度。

石英增强光声光谱技术发展现状

痕量气体检测技术在污染监测、工业生产、国防安全等领域均发挥了重要的作用。石英增强光声光谱技术(QEPAS)具有抗干扰能力强、体积小、灵敏度高(ppb量级)等特点,是痕量气体检测技术的研究热点之一,实现了对多种有毒气体的高灵敏度检测。该文叙述了QEPAS技术原理,回顾了5种不同结构QEPAS系统的发展情况及进展,并对该技术的研究前景进行了展望。