中科院光電所在痕量氣體檢測方面取得進展
2017-01-10
中國科學院光電技術(shù)研究所在高靈敏度、高選擇性的痕量氣體檢測方面取得進展：利用光腔衰蕩技術(shù)，結(jié)合在中紅外波段可以覆蓋很寬光譜范圍的脈沖量子級聯(lián)激光器，同時實現(xiàn)了多個寬帶吸收氣體的高靈敏度和高選擇性的測定。
乙醇、乙醚、丙酮是國防工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、有機合成、食品工業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的揮發(fā)有機物：乙醇可用于制造醋酸、飲料、香精、染料、燃料等。醫(yī)療上也常用體積分數(shù)為70%～75%的乙醇作消毒劑等。乙醚是醫(yī)藥工業(yè)用作藥物生產(chǎn)的萃取劑和醫(yī)療上的麻醉劑。丙酮是脂肪族酮類具有代表性的化合物，是重要的有機合成原料。然而，它們對眼、鼻、喉有刺激性，長期的暴露在充滿這些氣體的環(huán)境中，人體會出現(xiàn)乏力、惡心、頭痛、頭暈、易激動。重者發(fā)生嘔吐、氣急、痙攣，甚至昏迷。為了降低這些揮發(fā)有機氣體對人體的傷害，需要對其濃度進行實時的監(jiān)測。
目前，已經(jīng)有許多技術(shù)用來實現(xiàn)對乙醇、乙醚和丙酮的檢測。其中，氣相色譜-質(zhì)譜法是最廣泛使用的技術(shù)。然而，GC-MS不適合實時分析。開放路徑傅里葉變換紅外光譜是另一個傳統(tǒng)的檢測方法，可實現(xiàn)實時監(jiān)測。然而，OP/FT-IR化學物之間的干擾高以及背景光譜的誤差限制了其檢測限。電化學傳感器、半導體傳感器，以及聲表面波石英晶體傳感器也可用于檢測氣體，如醚、丙酮等，但其靈敏度有限而且選擇性差。紅外激光光譜，特別是光腔衰蕩光譜在痕量氣體分析方面具有非常高的靈敏度和選擇性。在實際應(yīng)用中，對揮發(fā)性有機物單獨檢測的高靈敏度是遠遠不夠的。在許多應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動與國防安全中，多種揮發(fā)性有機化合物需要同時檢測。雖然光譜檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多組分氣體檢測，但這些報告大多數(shù)是專注于在近紅外區(qū)域?qū)哂姓V吸收的小分子氣體進行檢測，而主要的VOC往往是具有復(fù)雜量子結(jié)構(gòu)的大分子，其在中紅外波段具有寬帶吸收光譜。在這種情況下，在所需光譜范圍內(nèi)可寬調(diào)諧的激光器是成功檢測的關(guān)鍵。半導體激光技術(shù)特別是量子級聯(lián)激光器的飛速發(fā)展，為高靈敏度、高選擇性的痕量氣體檢測提供了一種有效的方式。量子級聯(lián)激光器的主要優(yōu)點是具有很寬的光譜調(diào)諧范圍，為對具有寬吸收帶的混合氣體進行同時檢測提供了可能。
光電所團隊基于脈沖光腔衰蕩光譜技術(shù)的痕量氣2檢測實驗裝置如圖所示。光源為可調(diào)諧連續(xù)量子級聯(lián)激光器，中心波長3.8um，調(diào)諧范圍2610-2720 cm-1，最大輸出功率250mw。在脈沖模式下，激光器線寬0.7 cm-1，脈沖周期0.5us，脈沖重復(fù)率50Khz。衰蕩腔由兩塊直徑25.4mm、凹面曲率半徑100cm、調(diào)諧范圍內(nèi)反射率介于99.913%和99.915%之間的平凹高反射鏡組成，腔長L=50cm。衰蕩腔輸出信號由透鏡聚焦到熱電制冷的紅外光電探測器探測，探測器探測的光腔衰蕩信號由采集卡采集和記錄，并通過單指數(shù)函數(shù)擬合得到衰蕩時間，獲得待測氣體吸收系數(shù)，并計算出氣體濃度。為了避免反饋光對激光器輸出產(chǎn)生影響，在激光器輸出端插入光隔離器，使反饋回激光器的光低于-30dB。衰蕩信號由一個與激光器輸出脈沖存在延時的系統(tǒng)信號上升沿觸發(fā)。為了提高信噪比，每次采集都對信號做256次平均。
研究團隊通過該裝置對具有寬譜吸收的大分子有機揮發(fā)氣體等進行了濃度檢測，編寫了多組分分析算法實現(xiàn)了多種不同濃度的揮發(fā)劑的同時測量。該系統(tǒng)對所測有機氣體的檢測靈敏度都小于1ppm。該研究成果發(fā)表于《應(yīng)用物理B》。
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