中科院光电所提出一种基于中红外光腔衰荡光谱的多组分气体同时测量技术“lol(S14)全球总决赛竞猜”

发布时间：2025-02-08 08:59:02 丨 浏览次数：290

中国科学院光电技术研究所在高灵敏度、低选择性的痕量气体检测方面获得进展：利用光腔衰荡技术，融合在中红外波段可以覆盖面积很长光谱范围的脉冲量子级联激光器，同时构建了多个宽带吸取气体的高灵敏度和低选择性的测量。乙醇、乙醚、丙酮是国防工业、医疗卫生、有机合成、食品工业、工农业生产中常用的溶解有机物：乙醇可用作生产醋酸、饮料、香精、染料、燃料等。医疗上也常用体积分数为70％～75％的乙醇不作消毒剂等。

乙醚是医药工业用于药物生产的提取剂和医疗上的麻醉剂。丙酮是脂肪族酮类具备代表性的化合物，是最重要的有机合成原料。然而，它们对眼、鼻、喉有刺激性，长年的曝露在充满著这些气体的环境中，人体会经常出现力弱、恶心、头痛、头晕、易激动。重者再次发生腹泻、气急、痉挛，甚至昏倒。

为了减少这些溶解有机气体对人体的损害，必须对其浓度展开动态的监测。目前，早已有许多技术用来构建对乙醇、乙醚和丙酮的检测。其中，气相色谱－质谱法（GC－MS）是最普遍用于的技术。

然而，GC－MS不合适动态分析。对外开放路径傅里叶转换红外光谱（OP／FT－IR）是另一个传统的检测方法，可实现动态监测。然而，OP／FT－IR化学物之间的阻碍低以及背景光谱的误差容许了其检测缩。电化学传感器、半导体传感器，以及声表面波石英晶体传感器也可用作检测气体，如醚、丙酮等，但其灵敏度受限而且选择性劣。

红外激光光谱，尤其是光腔衰荡光谱（CRDS）在痕量气体分析方面具备十分低的灵敏度和选择性。在实际应用于中，对挥发性有机物分开检测的高灵敏度是远远不够的。

在许多应用于，如农业和工业活动与国防安全性中，多种挥发性有机化合物必须同时检测。虽然光谱检测技术已被普遍应用于多组分气体检测，但这些报告大多数是专心于在近红外区域对具备较宽序吸取的小分子气体展开检测，而主要的VOC往往是具备简单量子结构的大分子，其在中红外波段具备宽带吸收光谱。

在这种情况下，在所须要光谱范围内可宽回声的激光器是顺利检测的关键。半导体激光技术尤其是量子级联激光器（QCL）的飞速发展，为高灵敏度、低选择性的痕量气体检测获取了一种有效地的方式。量子级联激光器的主要优点是具备很长的光谱回声范围，为对具备长吸取带上的混合气体展开同时检测获取了有可能。光电所团队基于脉冲光腔衰荡光谱技术的痕量气体检测实验装置如图所示。

光源为可回声倒数量子级联激光器，中心波长3．8um，回声范围2610－2720cm－1，仅次于输出功率250mw。在脉冲模式下，激光器线宽0．7cm－1，脉冲周期0．5us，脉冲重复率50Khz。

衰荡腔由两块直径25．4mm、凹面曲率半径100cm、回声范围内反射率介于99．913％和99．915％之间的平凹高反射镜构成，腔宽L＝50cm。衰荡腔输入信号由透镜探讨到热电加热器的红外光电探测器观测，探测器观测的光腔衰荡信号由采集卡收集和记录，并通过单指数函数数值获得衰荡时间，取得待测气体吸收系数，并计算出来出有气体浓度。为了防止对系统光对激光器输入产生影响，在激光器输入末端放入光隔离器，使对系统返激光器的光高于－30dB。

衰荡信号由一个与激光器输入脉冲不存在延时的系统信号下降沿启动时。为了提升信噪比，每次收集都对信号做到256次平均值。

基于脉冲光腔衰荡技术的痕量气体检测实验装置示意图研究团队通过该装置对具备长序吸取的大分子有机溶解气体（酒精，乙醚，丙酮）等展开了浓度检测，撰写了多组分分析算法构建了多种不同浓度的溶解剂的同时测量。该系统对所测有机气体的检测灵敏度都大于1ppm。

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