近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所高曉明研究員團(tuán)隊(duì)在光聲光譜多組分溫室氣體探測(cè)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《基于多聲腔光聲光譜的多組分溫室氣體同時(shí)探測(cè)》為題發(fā)表在國(guó)際TOP期刊Analytical Chemistry上。
 

　　溫室氣體探測(cè)在氣候研究和工業(yè)應(yīng)用中扮演著重要角色。光聲光譜通過(guò)探測(cè)氣體吸收光能后通過(guò)無(wú)輻射躍遷產(chǎn)生的聲信號(hào)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的探測(cè)，具有零背景、不受波段限制、大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍等優(yōu)勢(shì)。團(tuán)隊(duì)劉錕研究員、曹淵副研究員、博士生彭杰等人通過(guò)將多個(gè)聲學(xué)諧振腔耦合進(jìn)同一個(gè)光聲池內(nèi)而發(fā)展了一種新型光聲光譜溫室氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO2、CH4和N2O的同步探測(cè)。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)將正弦波驅(qū)動(dòng)的揚(yáng)聲器集成在多諧振腔光聲池內(nèi)，通過(guò)對(duì)聲學(xué)傳感器檢測(cè)到的駐波放大后的噪聲信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，從而將光聲池對(duì)揚(yáng)聲器的時(shí)域響應(yīng)轉(zhuǎn)化為頻域響應(yīng)，快速提取了光聲池的本征頻率信息。通過(guò)將不同波段的激光在對(duì)應(yīng)的聲學(xué)諧振腔內(nèi)分別來(lái)回反射四次對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)于弛豫速率較慢的分子(如CO2、 N2O、 NO等)，添加水汽(H2O)可以明顯加速其振動(dòng)-平移弛豫過(guò)程速率，從而提高對(duì)目標(biāo)氣體的探測(cè)靈敏度。研究團(tuán)隊(duì)分析了水汽(H2O)對(duì)三種溫室氣體弛豫過(guò)程的影響，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)高精度溫度控制實(shí)現(xiàn)了溫室氣體中水汽濃度的長(zhǎng)期穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)對(duì)溫室氣體的測(cè)量精度。Allan方差分析顯示在300s的積分時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)CO2、 CH4和N2O的探測(cè)靈敏度分別可達(dá)到2.7 ppm, 90 ppb 和1 ppb。最后研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)不同來(lái)源的三種溫室氣體進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)的連續(xù)測(cè)量驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。
 

　　本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(No.42205133)，先進(jìn)激光技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(No.AHL2021KF06)，合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金(No.YZJJ2022QN10)，以及中國(guó)博士后面上基金(No.2022M713185)等項(xiàng)目的資助。
 

光聲光譜多組分溫室氣體傳感裝置及實(shí)物圖
 

多通道光聲池對(duì)揚(yáng)聲器的時(shí)域響應(yīng)及頻域響應(yīng)
 

CO2、CH4、N2O長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量結(jié)果及對(duì)應(yīng)的水汽濃度和光聲池溫度