Разработка сверхчувствительного фотоакустического сенсора сероводорода с быстрым откликом

13 февраля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

Лю Цзя, Китайская академия наук

Сероводород (H2S) представляет собой скрытую угрозу, которая является причиной многих случаев токсического воздействия, однако незаменимая роль H2S также признана в передаче сигналов и защите клеток, а также в регулировании многочисленных биологических функций. Следовательно, стабильность и точность устройств обнаружения газа имеют решающее значение в междисциплинарных областях фундаментальных или прикладных исследований. Однако чувствительное и быстрое обнаружение H2S остается сложной задачей, особенно в диапазоне концентраций в несколько частей на миллион (ppm) или ниже.

В исследовании, опубликованном в журнале Photoacoustics, профессора Ван Цян и Чжан Хуэй из Чанчуньского института оптики, точной механики и физики (CIOMP) Китайской академии наук (CAS) разработали сверхчувствительный датчик газа H2S на основе двойной резонансной фотоакустической спектроскопии (PAS). ). Они предложили интригующую стратегию блокировки молекул лазерного резонатора для увеличения отклика датчика и повышения стабильности системы для быстрых и непрерывных измерений.

Датчик H2S реализован в ближней инфракрасной области, где оптика является зрелой и коммерчески доступной. Его чувствительность повышена за счет использования двухрезонансной ШАР с коэффициентом усиления эффекта ШАР 18 000, достигаемым за счет одновременного накопления мощности лазера накачки оптическим резонатором и звуковой энергии акустическим резонатором. Его быстрый отклик достигается за счет специальной блокировки молекул лазерной полости. Вместо сканирования всего спектра стратегия блокировки позволяет одновременно фиксировать частоту лазера, моду резонатора и линию поглощения с помощью двух отдельных контуров обратной связи.

Работоспособность датчика была экспериментально оценена путем обнаружения смесей H2S/N2 при давлении до 1 атм и при комнатной температуре. Эквивалентная шумовая концентрация (NEC), показатель чувствительности, составила 79 частей на миллиард при времени интегрирования 1 с, что привело к нормализованному коэффициенту эквивалентного шумового поглощения (NNEA) 8,9×1012 Вт·см-1·Гц. -1/2. NEC далее достиг 10 частей на миллиард при времени интегрирования 200 с. Кроме того, сигнал PAS-1f остается достаточно стабильным. Это преимущество предложенной стратегии блокировки, которая может компенсировать медленные дрейфы или изменения длины полости, вызванные источником нагрева.

Эти значения подтвердили, что чувствительность этого датчика H2S превосходит чувствительность датчиков на основе QEPAS и датчиков на основе CRDS, о которых сообщается в литературе, а NNEA достигает 50-кратного улучшения.

Это исследование представляет собой мощный инструмент анализа для точного измерения H2S в медицинской диагностике, оценке качества воздуха, прогнозировании рисков при зондировании газа в угольных шахтах и ​​т. д., где необходимо измерение H2S от уровня ppb до ppm.

Больше информации: Хуэй Чжан и др., Обнаружение сероводорода на уровне частей на миллиард на основе двурезонансной фотоакустической спектроскопии с синхронизацией линий, Фотоакустика (2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100436

Предоставлено Китайской академией наук