用非接触式石英增强光声光谱法分析痕量气体

​对于痕量气体的分析，一种非接触式的石英增强光声光谱（NC-QEPAS）方法已经被证明。NC-QEPAS试图解决石英音叉（QTF）的局限性，它在感应腐蚀性和尘埃性气体的应用中受到限制。
 

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一种称为光声光谱（PAS）的痕量气体检测方法已被广泛应用于许多不同领域。由于PAS的检测灵敏度不取决于吸收长度，它比其他光谱技术更有优势。在很小的气体体积内进行感应时，PAS可以达到很高的敏感度。

光声光谱学
声波的基础作为光声光谱学的操作技术。一个样品被放置在一个特殊的单元中进行分析，并暴露在调制的激光下。气体分子受到激光的刺激，从它们的基态被激发出来。通过非辐射松弛，被激发的分子在松弛到基态时产生热量。由于影响周围温度和压力的热量产生了声波。

被释放并转移到细胞的气体介质中的热量导致声学细胞内的压力周期性地变化。声波被一个非常敏感的声学检测器所捕获。

光声气体传感器已被广泛开发用于监测大气、呼吸分析、石油工业的天然气分析以及早期火灾预警。

石英增强型光声光谱仪
基于PAS的石英增强光声光谱学（QEPAS）在世纪之交被开发出来。与PAS不同的是，QEPAS采用石英音叉（QTF）作为换能器，以取代麦克风，利用压电效应将声学信号转化为电信号。QTF表现出较高的Q因子和共振频率，能够实现卓越的检测灵敏度。

 

使用QEPAS，仅仅几立方厘米的气体样品就足以进行高灵敏度的分析。对于二氧化碳、氧化亚氮和甲烷等温室气体的检测，QEPAS已经很有效。

迄今为止，QEPAS传感器是围绕着QTF被淹没在目标气体分子中而建立的。这些传感器的主要局限性是，它们不能用于检测腐蚀性气体，因为这样做会导致QTF表面的金属膜电极被腐蚀。另一个问题是，QEPAS传感器不能充分检测灰尘气体，因为粘附在QTF上的微粒子将极大地改变其振动。

到目前为止，已经报道的所有QEPAS传感器都是在QTF浸没在目标气体分子中的情况下建立的。由于QTF表面的金属膜电极可能会被腐蚀，这些传感器有一个无法解决的问题，使它们无法用于腐蚀性气体的检测。另一个问题是，由于QTF的振动会受到粘附在QTF上的微粒子的严重影响，因此QEPAS传感器对于检测含尘气体并不有效。

光诱导热弹性光谱学（LITES），使用一个密封的吸收池来容纳气体，被提出来作为解决这个问题的方法。作为一个光子检测器，QTF被放置在吸收池之后。LITES是一种可调谐二极管激光吸收光谱学（TDLAS），其检测灵敏度取决于吸收的长度。与QEPAS相比，LITES折中了样品气体体积小和传感器配置紧凑的优点。

非接触式石英增强型光声光谱学
一项新的发展证明了如何使用非接触或石英增强光声光谱学（NC-QEPAS）来分析痕量气体。QTF不像之前描述的QEPAS传感器那样浸没在气体中。一个封闭的光声气室是通过合成一个薄的、有弹性的聚对苯二甲酸乙二醇薄膜并将其贴在QEPAS声学共振器上而形成的。QTF被用来与对二甲苯薄膜耦合，并从外部连接气室。为了获得与QTF的共振增强，对薄膜和共振器的几何形状进行了广泛的研究。

由于改善了耦合效应，对二甲苯薄膜表现出与QTF和声学微共振器的共振增强，实现了非接触式光声气体检测。NC-QEPAS在减少背景噪声的同时也放大了光声信号。与传统的将QTF浸入气体中的接触式QEPAS相比，NC-QEPAS表现出13倍的信噪比。NC-QEPAS传感器的Allan偏差表明其长期稳定性很高，而吸收系数。

8.8 × 10-9 cm-1 W Hz-1/2的吸收系数被实现为归一化的噪声当量。所设计的QEPAS传感器在1000秒的积分时间内表现出0.4ppm的检测限。更长的积分时间可以进一步提高检测限。

展望
对于目前QEPAS有局限性的腐蚀性和多尘气体的检测，NC-QEPAS表现出了显著的改进。对谐振器和弹性薄膜的进一步改进可能使其有可能通过实现与QTF的强空气耦合来实现完全的非接触检测。

参考资料

Haoyang Lin, Chenglong Wang, Leqing Lin, Minshuai Wang, Wenguo Zhu, Yongchun Zhong, Jianhui Yu, Frank Tittel, and Huadan Zheng , "Non-contact quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy", Appl. Phys. Lett. 122, 111101 (2023) https://doi.org/10.1063/5.0134744

Angelo Sampaolo, Pietro Patimisco, Marilena Giglio, Andrea Zifarelli, Hongpeng Wu, Lei Dong, Vincenzo Spagnolo,

Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy for multi-gas detection: A review, Analytica Chimica Acta, Volume 1202, 2022, 338894, ISSN 0003-2670,

https://doi.org/10.1016/j.aca.2021.338894.

作者：Ilamaran Sivarajah

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