中科院光電所在痕量氣體檢測方面取得進展

 中國科學院光電技術研究所在高靈敏度、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，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。

 中科院光電所在痕量氣體檢測方面取得進展　　　　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?！　　　∧壳埃呀?jīng)有許多技術用來實現(xiàn)對乙醇、乙醚和丙酮的檢測。其中，氣相色譜－質(zhì)譜法（GC－MS）是最廣泛使用的技術。然而，GC－MS不適合實時分析。開放路徑傅里葉變換紅外光譜（OP ／ FT－IR）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（CRDS）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。雖然光譜檢測技術已被廣泛應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鍵。半導體激光技術特別是量子級聯(lián)激光器（QCL）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?！　　　」怆娝鶊F隊基于脈沖光腔衰蕩光譜技術的痕量氣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（酒精，乙醚，丙酮）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?！　　　≡撗芯砍晒l(fā)表于《應用物理B》（Applied Physics B， 122：187（2016）。