中科院光电所提出一种基于中红外光腔衰荡光谱的多组分气体同时测量技术

中国科学院光电技术研究所在高灵敏度、高选择性的痕量气体检测方面取得进展：利用光腔衰荡技术，结合在中红外波段可以覆盖很宽光谱范围的脉冲量子级联激光器，同时实现了多个宽带吸收气体的高灵敏度和高选择性的测定。

乙醇、乙醚、丙酮是国防工业、医疗卫生、有机合成、食品工业、工农业生产中常用的挥发有机物：乙醇可用于制造醋酸、饮料、香精、染料、燃料等。医疗上也常用体积分数为70%~75%的乙醇作消毒剂等。乙醚是医药工业用作药物生产的萃取剂和医疗上的麻醉剂。丙酮是脂肪族酮类具有代表性的化合物，是重要的有机合成原料。然而，它们对眼、鼻、喉有刺激性，长期的暴露在充满这些气体的环境中，人体会出现乏力、恶心、头痛、头晕、易激动。重者发生呕吐、气急、痉挛，甚至昏迷。为了降低这些挥发有机气体对人体的伤害，需要对其浓度进行实时的监测。

目前，已经有许多技术用来实现对乙醇、乙醚和丙酮的检测。其中，气相色谱-质谱法（GC-MS）是最广泛使用的技术。然而，GC-MS不适合实时分析。开放路径傅里叶变换红外光谱（OP / FT-IR）是另一个传统的检测方法，可实现实时监测。然而，OP/FT-IR化学物之间的干扰高以及背景光谱的误差限制了其检测限。电化学传感器、半导体传感器，以及声表面波石英晶体传感器也可用于检测气体，如醚、丙酮等，但其灵敏度有限而且选择性差。红外激光光谱，特别是光腔衰荡光谱（CRDS）在痕量气体分析方面具有非常高的灵敏度和选择性。在实际应用中，对挥发性有机物单独检测的高灵敏度是远远不够的。在许多应用，如农业和工业活动与国防安全中，多种挥发性有机化合物需要同时检测。虽然光谱检测技术已被广泛应用于多组分气体检测，但这些报告大多数是专注于在近红外区域对具有窄谱吸收的小分子气体进行检测，而主要的VOC往往是具有复杂量子结构的大分子，其在中红外波段具有宽带吸收光谱。在这种情况下，在所需光谱范围内可宽调谐的激光器是成功检测的关键。半导体激光技术特别是量子级联激光器（QCL）的飞速发展，为高灵敏度、高选择性的痕量气体检测提供了一种有效的方式。量子级联激光器的主要优点是具有很宽的光谱调谐范围，为对具有宽吸收带的混合气体进行同时检测提供了可能。

光电所团队基于脉冲光腔衰荡光谱技术的痕量气体检测实验装置如图所示。光源为可调谐连续量子级联激光器，中心波长3.8um，调谐范围2610-2720 cm-1，最大输出功率250mw。在脉冲模式下，激光器线宽0.7 cm-1，脉冲周期0.5us，脉冲重复率50Khz。衰荡腔由两块直径25.4mm、凹面曲率半径100cm、调谐范围内反射率介于99.913%和99.915%之间的平凹高反射镜组成，腔长L=50cm。衰荡腔输出信号由透镜聚焦到热电制冷的红外光电探测器探测，探测器探测的光腔衰荡信号由采集卡采集和记录，并通过单指数函数拟合得到衰荡时间，获得待测气体吸收系数，并计算出气体浓度。为了避免反馈光对激光器输出产生影响，在激光器输出端插入光隔离器，使反馈回激光器的光低于-30dB。衰荡信号由一个与激光器输出脉冲存在延时的系统信号上升沿触发。为了提高信噪比，每次采集都对信号做256次平均。

基于脉冲光腔衰荡技术的痕量气体检测实验装置示意图

研究团队通过该装置对具有宽谱吸收的大分子有机挥发气体（酒精，乙醚，丙酮）等进行了浓度检测，编写了多组分分析算法实现了多种不同浓度的挥发剂的同时测量。该系统对所测有机气体的检测灵敏度都小于1ppm。

该研究成果发表于《应用物理B》（Applied Physics B, 122:187(2016)。