高速応答の超高感度光音響硫化水素センサーの開発

2023 年 2 月 13 日

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中国科学院、Liu Jia 著

硫化水素 (H2S) は、多くの有毒物質暴露事件の原因となる静かな脅威ですが、細胞のシグナル伝達と保護、および多数の生物学的機能の調節においても H2S の不可欠な役割が認識されています。 したがって、ガス検出デバイスの安定性と精度は、基礎研究または応用研究の学際的な領域において非常に重要です。 しかし、高感度かつ高速な H2S 検出は、特に数百万分率 (ppm) 以下の濃度範囲では依然として困難です。

Photoacoustics に掲載された研究で、中国科学院 (CAS) の長春光学・精密機械物理学研究所 (CIOMP) の Wang Qiang 教授と Zhang Hui 教授は、二重共鳴光音響分光法 (PAS) に基づいた超高感度 H2S ガスセンサーを開発しました。 ）。 彼らは、センサーの応答を向上させ、高速かつ連続的な測定のためのシステムの安定性を高めるために、レーザーキャビティ分子ロックという興味深い戦略を提案しました。

H2S センサーは、光学系が成熟し市販されている近赤外領域に実装されています。 その感度は、光共振器によるポンプレーザーパワー蓄積と音響共振器による音響エネルギーの同時蓄積によって達成されるPAS効果増強係数18,000の二重共振PASを使用することによって強化されます。 その高速応答は、特殊なレーザーキャビティ分子ロックによって実現されます。 このロック戦略では、スペクトル全体をスキャンするのではなく、2 つの個別のフィードバック ループによってレーザー周波数、キャビティ モード、および吸収線を同時にロックできます。

センサーの性能は、1 気圧および室温での H2S/N2 混合物の検出によって実験的に評価されました。 感度を示す係数である雑音等価濃度 (NEC) は、積分時間 1 秒で 79 ppb と決定され、正規化雑音等価吸収 (NNEA) 係数は 8.9×1012 W・cm-1・Hz となります。 -1/2。 NEC は、200 秒の積分時間でさらに 10 ppb に達しました。 さらに、PAS-1f 信号は非常に安定しています。 これは提案されたロック戦略の利点であり、加熱源によって引き起こされるキャビティ長の遅いドリフトや変動を補償することができます。

これらの値は、この H2S センサーの感度が文献で報告されている QEPAS ベースのセンサーや CRDS ベースのセンサーよりも優れており、NNEA は 50 倍の向上を達成していることを確認しました。

この研究は、ppb から ppm レベルの H2S 測定が必要とされる医療診断、大気質評価、炭鉱ガスセンシングにおけるリスク予測などにおける正確な H2S 測定のための強力な分析ツールを提供します。

詳しくは： Hui Zhang 他、ラインロックを使用した二重共鳴光音響分光法に基づく硫化水素の 10 億分の 1 レベルの検出、Photoacoustics (2022)。 DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100436

中国科学院提供