近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所高曉明研究員團隊在光聲光譜多組分溫室氣體探測方面取得新進展，相關(guān)研究成果以《基于多聲腔光聲光譜的多組分溫室氣體同時探測》為題發(fā)表在國際TOP期刊Analytical Chemistry上。

溫室氣體探測在氣候研究和工業(yè)應(yīng)用中扮演著重要角色。光聲光譜通過探測氣體吸收光能后通過無輻射躍遷產(chǎn)生的聲信號而實現(xiàn)對目標(biāo)氣體的探測，具有零背景、不受波段限制、大動態(tài)測量范圍等優(yōu)勢。團隊劉錕研究員、曹淵副研究員、博士生彭杰等人通過將多個聲學(xué)諧振腔耦合進同一個光聲池內(nèi)而發(fā)展了一種新型光聲光譜溫室氣體傳感器，實現(xiàn)了對CO₂、CH₄和N₂O的同步探測。

研究團隊將正弦波驅(qū)動的揚聲器集成在多諧振腔光聲池內(nèi)，通過對聲學(xué)傳感器檢測到的駐波放大后的噪聲信號進行快速傅里葉變換，從而將光聲池對揚聲器的時域響應(yīng)轉(zhuǎn)化為頻域響應(yīng)，快速提取了光聲池的本征頻率信息。通過將不同波段的激光在對應(yīng)的聲學(xué)諧振腔內(nèi)分別來回反射四次對系統(tǒng)的性能進行了改進。對于弛豫速率較慢的分子（如CO₂、N₂O、NO等），添加水汽（H₂O）可以明顯加速其振動-平移弛豫過程速率，從而提高對目標(biāo)氣體的探測靈敏度。研究團隊分析了水汽（H₂O）對三種溫室氣體弛豫過程的影響，并通過對系統(tǒng)高精度溫度控制實現(xiàn)了溫室氣體中水汽濃度的長期穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)對溫室氣體的測量精度。Allan方差分析顯示在300s的積分時間內(nèi)，系統(tǒng)對CO₂、 CH₄和N₂O的探測靈敏度分別可達到2.7 ppm, 90 ppb 和1 ppb。最后研究團隊通過對不同來源的三種溫室氣體進行長達10小時的連續(xù)測量驗證了系統(tǒng)的可行性。

本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、先進激光技術(shù)安徽省實驗室開放基金、合肥物質(zhì)院院長基金（，以及中國博士后面上基金等項目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02754

光聲光譜多組分溫室氣體傳感裝置及實物圖

多通道光聲池對揚聲器的時域響應(yīng)及頻域響應(yīng)

CO₂、CH₄、N₂O長時間連續(xù)測量結(jié)果及對應(yīng)的水汽濃度和光聲池溫度