Entwicklung eines hochempfindlichen photoakustischen Schwefelwasserstoffsensors mit schneller Reaktion

13. Februar 2023

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von Liu Jia, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Schwefelwasserstoff (H2S) ist eine stille Bedrohung, die für viele Vorfälle toxischer Exposition verantwortlich ist, aber die unverzichtbare Rolle von H2S wurde auch bei der zellulären Signalübertragung und dem Schutz sowie bei der Regulierung zahlreicher biologischer Funktionen erkannt. Daher sind Stabilität und Genauigkeit von Gasdetektionsgeräten in multidisziplinären Bereichen der Grundlagenforschung oder angewandten Forschung von entscheidender Bedeutung. Allerdings bleibt die empfindliche und schnelle H2S-Erkennung eine Herausforderung, insbesondere im Konzentrationsbereich von wenigen Teilen pro Million (ppm) oder darunter.

In einer in Photoacoustics veröffentlichten Studie haben Prof. Wang Qiang und Zhang Hui vom Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) einen hochempfindlichen H2S-Gassensor entwickelt, der auf doppelt resonanter photoakustischer Spektroskopie (PAS) basiert ). Sie haben eine faszinierende Strategie der Laser-Resonator-Molekülverriegelung vorgeschlagen, um die Sensorreaktion zu erhöhen und die Systemstabilität für schnelle und kontinuierliche Messungen zu verbessern.

Der H2S-Sensor wird im Nahinfrarotbereich implementiert, wo die Optik ausgereift und im Handel erhältlich ist. Seine Empfindlichkeit wird durch die Verwendung von doppelt resonantem PAS mit einem PAS-Effektverstärkungsfaktor von 18.000 erhöht, der durch die gleichzeitige Akkumulation der Pumplaserleistung mit einem optischen Resonator und der Schallenergie mit einem akustischen Resonator erreicht wird. Seine schnelle Reaktion wird durch eine spezielle Laser-Hohlraum-Molekülverriegelung erreicht. Anstatt das gesamte Spektrum abzutasten, ermöglicht die Verriegelungsstrategie die gleichzeitige Verriegelung von Laserfrequenz, Resonatormodus und Absorptionslinie durch zwei separate Rückkopplungsschleifen.

Die Leistung des Sensors wurde experimentell durch den Nachweis von H2S/N2-Gemischen unter 1 atm und bei Raumtemperatur bewertet. Die Rauschäquivalentkonzentration (NEC), ein Faktor zur Darstellung der Empfindlichkeit, wurde bei einer Integrationszeit von 1 s mit 79 ppb bestimmt, was zu einem normalisierten Rauschäquivalentabsorptionskoeffizienten (NNEA) von 8,9×1012 W·cm-1·Hz führte -1/2. Der NEC erreichte weiterhin 10 ppb bei einer Integrationszeit von 200 s. Darüber hinaus bleibt das PAS-1f-Signal recht stabil. Dies ist ein Vorteil der vorgeschlagenen Verriegelungsstrategie, die langsame Drifts oder Schwankungen der Hohlraumlänge, die durch die Heizquelle verursacht werden, ausgleichen kann.

Diese Werte bestätigten, dass die Empfindlichkeit dieses H2S-Sensors derjenigen der in der Literatur berichteten QEPAS-basierten Sensoren und CRDS-basierten Sensoren überlegen ist und dass der NNEA eine 50-fache Verbesserung erreicht.

Diese Studie bietet ein leistungsstarkes Analysetool für genaue H2S-Messungen in der medizinischen Diagnose, zur Beurteilung der Luftqualität, zur Risikovorhersage bei der Gasmessung in Kohlengruben usw., wo eine H2S-Messung im Bereich von ppb bis ppm erforderlich ist.

Mehr Informationen: Hui Zhang et al., Nachweis von Schwefelwasserstoff im Parts-per-Billion-Bereich basierend auf doppelresonanter photoakustischer Spektroskopie mit Linienverriegelung, Photoacoustics (2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100436

Zur Verfügung gestellt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften