从光到声音:痕量气体的光声分析
概述通过廉价的移动设备将气体测量降至万亿分之一(ppt)范围——这在几年前是不可想象的,但由于创新的研发,这种测量越来越明显。可靠的、全区域的温室气体测量、城市中的移动NOx测量,甚至通过分析呼出气体进行的医学诊断,都只是光声光谱(PAS)的少数应用。光声光谱学光声光谱(PAS)结合了高选择性、低检测限、快速响应时间、宽测量带宽(ppt–permille)和巨大的小型化潜力。此外,通过使用3D打印部件或手机麦克风等廉价组件,PAS传感器也可以以低成本进入消费者市场。在此基础上,可以开发出适合特定要求的测量设备。本文介绍了环境诊断和呼吸分析领域的应用实例,这些应用正由奥赫雷根斯堡传感器技术应用中心(SappZ)与德国雷根斯堡大学合作进行研究和开发。PAS的功能原理(图1)基于分子的周期性和光学激发。光子的吸收增加了分析物分子的振动能量,从而将其转换为激发态。如果这些分子现在与周围的分子碰撞,振动能可以以动能的形式释放到样品气体中。图1:光声测量池的示意图:调制光源激发分析物分子,分析物分子通过与其他分子的碰撞将其振动能释放到样品气体中(见放大镜,右侧)。产生的声波由声学谐振器放大,并由麦克风检测。这种效应被称为“非辐射弛豫”。因此,样品气体的加热最小,然后返回到其平衡温度。由于光学激励是周期性的,因此热输入也以相同的频率重复。这种循环加热或冷却伴随着压力波动,该压力波动可以被麦克风检测为声波。共振放大,即将光路设计为声谐振器,将产生的声波放大多次,甚至可以检测到最小的浓度。环境中的污染物测量《京都议定书》将甲烷(CH4)指定为除二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)和含氢氢氟碳化合物(HFCs)外的温室气体[1]。除了湿地等自然甲烷来源外,能源部门、垃圾填埋场和农业等人为来源也有助于全球甲烷排放。尽管大部分排放的甲烷通过与羟基自由基(•OH)的反应而降解,但大气中的甲烷浓度仍在稳步增加。由于在这种情况下,即使是浓度的微小变化也可能是显著的,因此对合适的测量系统的要求很高。例如,祖格斯皮茨的一个测量站记录到,1995年至2021期间,大气中甲烷含量增加了0.2 ppm,同时几乎增加了2 ppmV[2]。我们开发了一种检测极限为7 ppb的紧凑型光声CH4传感器,并针对环境条件进行了广泛的表征[3]。Read the full article on page 26 in Wiley Analytical Science Magazine Volume 2 - April/22. References[1] Vereinte Nationen. Das Protokoll von Kyoto zum Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen Einleitung.[2] Umweltbundesamt. Atmosphärische Treibhausgas-Konzentrationen | Umweltbundesamt. https://www.umweltbundesamt.de/daten/klima/atmosphaerisch e-treibhausgas-konzentrationen#beitrag-langlebiger-treibhausgase-zum-treibhauseffekt [3] Pangerl, J. et al. (2022). Characterizing a sensitive compact mid-infrared photoacoustic sensor for methane, ethane and acetylene detection considering changing ambient parameters and bulk composition (N2, O2 and H2O). Sens Actuators B Chem. DOI: 10.1016/J.SNB.2021.130962 .作者简介Jonas PangerlOstbayerische Technische Hochschule (OTH) University of Regensburg, Regensburg, GermanyJonas Pangerl毕业于应用研究项目,于2020年在德国雷根斯堡的Ostbayerische Technische Hochschule(OTH)获得理学硕士学位。目前,他正在与德国雷根斯堡大学分析化学、化学和生物传感器研究所合作,攻读通过光声光谱进行人类呼气分析领域的自然科学博士学位。Max MüllerSensor Application Center East Bavarian Technical University (OTH) University of Regensburg, Regensburg, GermanyMax Müller于2020年在德国雷根斯堡的Ostbayerische Technische Hochschule(OTH)获得了电气和微系统工程硕士学位。目前,他正在与雷根斯堡大学分析化学、化学和生物传感器研究所和德国Sensorik ApplikationsZentrum(SappZ)合作攻读自然科学博士学位。自2018年以来,他一直在光声痕量气体传感领域进行研究,并专注于振动能量传递和经典声学现象。供稿:符 斌,北京中实国金国际实验室能力验证研究有限公司