浙江大学刘清君团队Device：非分光红外气体传感胶囊可实现胃肠道实时检测

来源：网络作者：日期：2026-01-21 14:37:05

物质科学

Physical science

2026年1月12日，浙江大学生物医学工程研究所刘清君教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一项题为“Gas-Sensing Capsule for Monitoring Gastrointestinal Metabolic Microenvironment with Frequency-division Non-dispersive Infrared”的研究论文。该研究开发了一种基于频分复用技术的非分光红外气体传感胶囊，可实现对胃肠道内二氧化碳与甲烷的原位、实时检测。胶囊尺寸小巧，防水透气，具备高灵敏度和稳定性，检测响应快、特异性强。在动物实验中成功捕捉到进食后二氧化碳积累至甲烷生成的动态代谢转变，且气体变化趋势与微生物群落活动高度吻合。该技术为肠道微生物代谢研究及疾病诊断提供了新型无创监测工具。

研究亮点

基于非分光红外传感的摄入式气体检测胶囊，实现了胃肠道内二氧化碳与甲烷的原位、实时检测。

采用频分复用（FDM）技术，在单光学系统中实现了多气体信号同步分离与测量，兼具了快速响应与系统集成度。

成功在动物模型中捕获到了消化过程中从二氧化碳积累到甲烷生成的动态代谢转变，气体变化的趋势与微生物群落活动高度吻合。

文章简介

胃肠道微生物群产生的气体代谢物是反映消化过程与肠道健康的重要标志物，对其进行动态、精准的检测对于理解肠道代谢机制及诊断相关疾病具有重要意义。传统检测方法存在明显局限：临床呼气试验受气体稀释效应影响，准确性欠佳且无法定位气体来源；侵入性检测手段易引发不适。针对这一挑战，本研究设计了一种基于频分复用技术的非分光红外（NDIR）气体传感胶囊，实现了胃肠道内二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）的实时原位监测。该器件有望为肠道微生物生态学研究提供强有力的工具。

为实现消化道气体的动态实时监测，团队开发了频分 NDIR 气体传感胶囊（图1），其直径14.5mm、长度23mm，尺寸经过验证可安全通过消化道。胶囊壳体采用光聚合物树脂经3D打印一体成型，内置气体检测腔室，侧壁设有覆盖250μm厚PDMS透气膜的开口，在保障气体自由交换的同时有效隔离液体侵入。检测系统集成于两块直径10mm的圆形PCB板上，分别负责数字信号处理与模拟信号转换，通过柔性导线连接并嵌于气室侧壁槽中，确保信号稳定传输。胶囊内部整合了纽扣电池、无线通信单元、信号调制模块和模拟前端等核心部件，通过盈配合连接并实现固定密封，有效隔离外部环境干扰，避免短路风险，为肠道内原位气体检测提供可靠结构支撑。

频分NDIR传感器的设计是实现多气体精准同步检测的核心（图 2）。系统基于频分复用（FDM）技术设计，采用两个中红外固态光源，分别调制于不同频率。光线穿过气室时，目标气体对其产生特征吸收，光电探测器接收混合频率信号后，经快速傅里叶变换（FFT）在频域实现信号分离，从而同步完成多气体检测。该方法不仅简化了光学系统结构，还显著提升了检测响应速度与特异性。基于中红外波段的气体特征吸收，传感器光源波长精准匹配CO₂与CH₄的吸收峰，可有效区分目标气体，且对无吸收的O₂、H₂等气体无响应，确保了检测的高特异性。通过优化气室长度至5mm，系统在灵敏度与尺寸间取得良好平衡。此外，胶囊经PDMS膜封装后，兼具防水性与气体通透性，浸水48小时后仍保持功能完好，响应时间满足生理过程监测需求。

NDIR胶囊系统具有优异的检测稳定性与准确性（图3），对CO₂（0.227%–32%）和CH₄（1.22%–73%）的检测响应符合修正的比尔 - 朗伯定律， R²分别为0.986和0.996，且稳定性优异，48小时内信号漂移低于1%，重复测试相对偏差仅约0.15%。与商用传感器对比，本胶囊系统在CO₂和CH₄检测中准确率分别达到96.33%与96.68%，且响应更快、分辨率更高。系统具备良好的抗干扰能力，湿度变化引起的相对偏差仅为1.07%，温度波动可通过算法进行补偿，确保在真实肠道环境中的检测可靠性。

为确保在体监测的实用性，团队对胶囊系统的功耗与通信性能进行了针对性优化（图4）。系统采用间歇工作模式，通过调整光源驱动电压并优化采样策略，在保障数据质量的同时大幅降低能耗，可支持约24小时的连续监测，满足完整消化道监测周期需求。无线通信采用315MHz频段，经阻抗匹配优化后，峰值工作电流仅4mA。在模拟环境中，信号接收强度（RSSI）稳定，即使胶囊旋转或改变距离，信号仍能有效传输，实测RSSI值均高于接收器灵敏度阈值，确保体内数据实时可靠传输。

为验证胶囊的实际应用性能，团队在山羊模型中开展了在体测试（图5）。胶囊通过瘘管植入山羊瘤胃后，进行饮食干预，成功捕捉到胃肠道气体的动态变化规律：进食后44分钟CO₂浓度升至峰值，待其稳定后，CH₄浓度逐步上升，57分钟达峰值，随后两者均回落至基线水平，完整呈现了从碳水化合物水解发酵到甲烷生成的代谢时序。检测结果与气相色谱法（GC）趋势高度一致，且能捕捉到更细微、连续的浓度波动。同步微生物测序显示，瘤胃内水解菌与发酵菌的丰度变化与气体浓度波动相契合，印证了胶囊对肠道微生物代谢动态的监测能力，为临床应用奠定了坚实基础。

该频分NDIR气体传感胶囊通过光学与电子系统的高度集成，突破了传统胃肠道气体检测在特异性、响应速度与空间分辨率方面的局限，为肠道微生物生态研究及代谢监测提供了强有力的工具。未来通过适配不同气体的特征吸收波长，该系统可进一步拓展至硫化氢（H₂S）、一氧化氮（NO）等微量气体的检测，为肠易激综合征（IBS）、炎症性肠病（IBD）等微生物相关疾病的机制研究与早期诊断提供新的生物标志物检测平台，推动无创诊断与个性化健康管理的发展。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请本文作者刘清君教授进行了专访，请他为大家进一步解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

刘清君教授：

本工作的核心亮点在于开发了一种基于频分复用技术的非分光红外气体传感胶囊。该胶囊克服了传统呼气检测与侵入式方法在空间分辨率与准确性上的局限，实现了对胃肠道内CO₂与CH₄的原位、实时、高特异性同步监测。通过光学频分设计与系统集成优化，胶囊在动物实验中成功捕获了消化过程中从CO₂积累到CH₄生成的动态代谢转变，为研究肠道微生物代谢活动提供了有力的新型工具。

CellPress：

研究过程中是否遇到了困难？团队是如何克服并顺利解决的？或是有任何有趣的故事可以与读者分享？

刘清君教授：

在研究过程中，体内无线信号传输是一个关键挑战。由于人体组织对电磁波具有较强的屏蔽与衰减效应，传统通信方案难以在低功耗与稳定传输之间取得平衡：若追求通信稳定性，则系统功耗显著增加；若以低功耗为目标，则信号易受干扰而丢失，难以实现可靠的数据回传。针对这一问题，团队优化了通信方案：将通信频段调整至315MHz，并调整了接收系统的灵敏度。同时，通过改进天线阻抗匹配与信号调制方式，在保证胶囊低功耗运行的同时，实现了在复杂生物介质中信号的可靠传输，最终确保了体内数据能实时、完整地回传至外部设备。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

刘清君教授：

团队下一步的研究将重点围绕通信系统优化与空间定位集成展开。一方面，我们将进一步改进无线通信模块与天线设计，在确保低功耗的前提下增强信号穿透力与稳定性，为实现更小体积、更长续航的下一代胶囊奠定基础。另一方面，我们计划集成微型定位模块，以实现检测结果与消化道位置信息的实时同步映射，从而在代谢动态研究与疾病早期诊断中提供更具时空分辨率的监测手段。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Device来发表这个工作的原因？

刘清君教授：

我们选择将这项研究发表在Device上，是因为Device中的很多工作都是具有实际应用潜力的器件创新，尤其关注生物医学传感与诊断方向。我们的工作不仅仅是提出一个新的胶囊概念，更完成了从系统设计、性能测试到动物实验的验证，真正展示了它在实时代谢监测中的可行性和价值。这与Device鼓励技术扎实、学科交叉、且能面向实际问题的研究定位非常吻合。我们希望通过这个平台，能与更多相关领域的同行交流，共同推动这类技术走向实际应用。

作者介绍

刘清君

教授

刘清君，现任浙江大学生物医学工程研究所所长，浙江大学生物传感器国家专业实验室教授、博士生导师。博士毕业于浙江大学生物医学工程专业，其后留校任教至今，历任副系主任、系主任、学院副院长等职。曾先后赴香港理工大学、美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）等机构访学多年。兼任教育部高等学校生物医学工程专业教学指导委员会委员、中国微米纳米技术学会理事、浙江大学生物医学工程教育部重点实验室副主任等学术职务。

长期立足生物医学传感与检测技术的研究，开展穿戴式与便携式生化传感关键技术研究。以第一或通讯作者发表SCI论文140余篇。以第一申请人授权发明专利28项。出版英文学术专著6部，中文专著3部，担任了“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《生物医学传感与检测》、科学出版社“十四五”规划教材《生物传感器》主编，人民卫生出版社“十四五”规划教材《医用传感器》副主编。先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金重点项目等科研项目。先后获教育部高等学校科学研究优秀成果奖、“十一五”浙江省自然科学基金优秀成果奖、浙江省自然科学学术奖等奖项。

课题组研究生吴越、刘丰榕为论文第一及共同第一作者，博士后安子建为共同通讯作者。

浙江大学刘清君团队Device：非分光红外气体传感胶囊可实现胃肠道实时检测

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