安光所团队在光声光谱多组分温室气体探测方面取得新进展
时间：2024-09-09 作者：曹渊
近日，中国科学院合肥物质院安光所高晓明研究员团队在光声光谱多组分温室气体探测方面取得新进展，相关研究成果以《基于多声腔光声光谱的多组分温室气体同时探测》为题发表在国际TOP期刊Analytical Chemistry上。
温室气体探测在气候研究和工业应用中扮演着重要角色。光声光谱通过探测气体吸收光能后通过无辐射跃迁产生的声信号而实现对目标气体的探测，具有零背景、不受波段限制、大动态测量范围等优势。团队刘锟研究员、曹渊副研究员、博士生彭杰等人通过将多个声学谐振腔耦合进同一个光声池内而发展了一种新型光声光谱温室气体传感器，实现了对CO2、CH4和N2O的同步探测。
研究团队将正弦波驱动的扬声器集成在多谐振腔光声池内，通过对声学传感器检测到的驻波放大后的噪声信号进行快速傅里叶变换，从而将光声池对扬声器的时域响应转化为频域响应，快速提取了光声池的本征频率信息。通过将不同波段的激光在对应的声学谐振腔内分别来回反射四次对系统的性能进行了改进。对于弛豫速率较慢的分子（如CO2、 N2O、 NO等），添加水汽（H2O）可以明显加速其振动-平移弛豫过程速率，从而提高对目标气体的探测灵敏度。研究团队分析了水汽（H2O）对三种温室气体弛豫过程的影响，并通过对系统高精度温度控制实现了温室气体中水汽浓度的长期稳定，保证了系统对温室气体的测量精度。Allan方差分析显示在300s的积分时间内，系统对CO2、 CH4和N2O的探测灵敏度分别可达到2.7 ppm, 90 ppb 和1 ppb。最后研究团队通过对不同来源的三种温室气体进行长达10小时的连续测量验证了系统的可行性。
本研究工作得到了国家自然科学基金（No.42205133），先进激光技术安徽省实验室开放基金（No.AHL2021KF06）、合肥物质院院长基金（No.YZJJ2022QN10）以及中国博士后面上基金（No.2022M713185）等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02754
光声光谱多组分温室气体传感装置及实物图
多通道光声池对扬声器的时域响应及频域响应
CO2、CH4、N2O长时间连续测量结果及对应的水汽浓度和光声池温度