首頁(yè) - 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè) - 應(yīng)用 - 山西大學(xué)董磊課題組利用中紅外增強(qiáng)型石英聲光光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)高靈敏CO分析 山西大學(xué)激光光譜研究所董磊課題組聯(lián)合意大利巴里理工大學(xué)Spagnolo教授，設(shè)計(jì)制備了具有強(qiáng)壓電耦合，高品質(zhì)因數(shù)，寬振臂間距等特點(diǎn)的新型音叉式石英晶振（以下簡(jiǎn)稱新型音叉），解決了中紅外激光等光束質(zhì)量較差的光源用于石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)時(shí)背景噪聲較大的應(yīng)用難題。基于上述結(jié)構(gòu)新穎的自制音叉，研發(fā)了以中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器為光聲信號(hào)激勵(lì)光源的痕量一氧化碳（CO）傳感器，對(duì)CO氣體實(shí)現(xiàn)了十億分之一（ppb）量級(jí)的高精度監(jiān)測(cè)。
圖1.（A）帶凹槽的音叉的幾何尺寸示意圖。黃色區(qū)域代表電極的分布。
（B）QTF溝槽的橫截面。
（C）新型溝槽QTF的照片。
一氧化碳是一種無色，無味的有毒氣體，它不僅會(huì)造成大氣污染，而且能夠與羥基（OH）反應(yīng)形成對(duì)流層臭氧而對(duì)大氣化學(xué)和全球氣候產(chǎn)生重大影響。因此，CO的濃度水平一氧化碳是日常城市空氣污染指數(shù)的重要指標(biāo)。此外，對(duì)痕量CO濃度的快速、連續(xù)在線監(jiān)測(cè)在航天航空、軍事國(guó)防、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療診斷等眾多領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。石英增強(qiáng)光聲光譜（QEPAS）技術(shù)是近年來發(fā)展起的一種新型光學(xué)氣體傳感檢測(cè)技術(shù)，它通過使用音叉式石英晶振（如圖1C所示，以下簡(jiǎn)稱音叉）探測(cè)目標(biāo)氣體吸收激光能量后產(chǎn)生的光聲信號(hào)，來量化分析目標(biāo)氣體的濃度。CO等許多氣體分子在中紅外光譜區(qū)域擁有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)-振動(dòng)吸收，因此與采用近紅外激光作為光聲信號(hào)激勵(lì)光源的氣體傳感器相比，中紅外激光的使用可將傳感器的探測(cè)靈敏度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于中紅外激光器輸出激光的光束質(zhì)量較差，而傳統(tǒng)商用音叉振臂間間距較窄，因此，如何實(shí)現(xiàn)中紅外激光與QEPAS傳感器的高效耦合是該領(lǐng)域目前迫切需要解決的一個(gè)重要問題。
設(shè)計(jì)具有較寬振臂間距的新型音叉是解決上述問題的有效手段之一。此外，CO氣體低弛豫率的特性要求新型音叉具有較低的共振頻率f0；而對(duì)傳感器高靈敏度的需求又要求新型音叉具有高品質(zhì)因數(shù)Q以及低等效電阻R的特點(diǎn)。課題組成員通過建立音叉理論模型并計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，音叉的上述參數(shù)彼此影響又相互制約。要減小f0來滿足低馳豫率氣體的檢測(cè)要求，就必須設(shè)計(jì)出振臂寬度w小，振臂長(zhǎng)l大的QTF，但如此的操作會(huì)導(dǎo)致R值的增加以及Q的降低。雖然理論上可以通過采用更大的振臂厚度t來補(bǔ)償品質(zhì)因數(shù)Q的損失，但對(duì)t超過1mm的晶體進(jìn)行化學(xué)蝕刻在制造工藝方面很難實(shí)現(xiàn)。為解決這一難題，課題組成員提出并設(shè)計(jì)制備了振臂具有溝槽型結(jié)構(gòu)的新型音叉，如圖1所示，四個(gè)矩形溝槽被施加在振臂的表面上。這一新穎的設(shè)計(jì)使音叉在具有較長(zhǎng)，較窄和較厚振臂的同時(shí)，減小了QTF的不同電極之間的距離，增強(qiáng)了壓電耦合，從而使新型音叉同時(shí)具備了寬振臂間距，低共振頻率，高品質(zhì)因數(shù)，低等效電阻的特性。結(jié)合CO的弛豫時(shí)間，課題組成員完成了新型音叉各幾何尺寸的理論計(jì)算，并對(duì)據(jù)此制備的新型音叉各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，測(cè)量結(jié)果與理論數(shù)據(jù)基本吻合。這一結(jié)果說明董磊課題組在新型音叉設(shè)計(jì)及制備方面已達(dá)到國(guó)際水平。
圖2. A.基于新型溝槽式石英晶振的QEPAS傳感器系統(tǒng)的示意圖;
B.使用自制傳感器獲得的2018年11月山西大學(xué)校園大氣CO濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；
C.山西省環(huán)境監(jiān)測(cè)站公布的相應(yīng)數(shù)據(jù)
課題組基于這一新型音叉設(shè)計(jì)搭建了圖2A所示的痕量CO傳感器，并對(duì)傳感器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，在常溫常壓下對(duì)CO的檢測(cè)靈敏度達(dá)到了7ppb（積分時(shí)間300ms），歸一化噪聲等效吸收系數(shù)為8.74×10-9 cm-1W/√Hz，各項(xiàng)性能均優(yōu)于國(guó)內(nèi)外已報(bào)道的CO光聲光譜傳感器性能。此外，課題組成員使用上述基于新型音叉裝配的傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)山西大學(xué)附近大氣中CO氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖2B所示探測(cè)結(jié)果與當(dāng)?shù)丨h(huán)境監(jiān)測(cè)站公布的檢測(cè)數(shù)據(jù)（圖2C）的一致性，驗(yàn)證了上述傳感器的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性能。該工作發(fā)表在Analytical Chemistry[91，5834（2019）]
【相關(guān)鏈接】 http://laserspec.sxu.edu.cn/jry/js/137680.htm
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