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 beim Schutz und bei der Regulierung zahlreicher biologischer Funktionen erkannt. Daher sind die Stabilität und die Genauigkeit von Gaswarngeräten in den multidisziplinären Bereichen der Grundlagen- oder angewandten Forschung von entscheidender Bedeutung. Der empfindliche und schnelle H2S-Nachweis bleibt jedoch eine Herausforderung, insbesondere im Konzentrationsbereich von wenigen Teilen pro Million (ppm) oder darunter.
In einer Studie veröffentlicht in Photoakustik, Prof. Wang Qiang und Zhang Hui vom Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) entwickelten einen hochempfindlichen H2S-Gassensor, der auf doppelt resonanter photoakustischer Spektroskopie (PAS) basiert. Sie haben eine faszinierende Strategie zur Verriegelung von Laser-Hohlraum-Molekülen vorgeschlagen, um die Sensorreaktion zu erhöhen und die Systemstabilität für schnelle und kontinuierliche Messungen zu verbessern.
Der H2S-Sensor wird im nahen Infrarotbereich implementiert, wo die Optik ausgereift und im Handel erhältlich ist. Seine Empfindlichkeit wird durch die Verwendung von doppelt resonantem PAS mit einem PAS-Effekt-Verstärkungsfaktor von 18.000 verbessert, der durch die gleichzeitige Pumplaserleistungsakkumulation mit einem optischen Resonator und Schallenergie mit einem akustischen Resonator erreicht wird. Seine schnelle Reaktion wird durch eine spezialisierte Laser-Hohlraum-Molekülverriegelung realisiert. 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 die Detektion von H2S/N2-Gemischen unter 1 atm und bei Raumtemperatur bewertet. Die Rauschäquivalentkonzentration (NEC), ein Faktor zur Darstellung der Empfindlichkeit, wurde mit 79 ppb bei einer Integrationszeit von 1 s bestimmt, was zu einem normalisierten Rauschäquivalentabsorptionskoeffizienten (NNEA) von 8,9 × 10 12 W·cm –1 ·Hz führte -1/2. Der NEC erreichte weiterhin 10 ppb bei einer Integrationszeit von 200 s. Außerdem bleibt das PAS-1f-Signal ziemlich stabil. Dies ist ein Vorteil der vorgeschlagenen Verriegelungsstrategie, die langsame Drifts oder Schwankungen der Hohlraumlänge kompensieren kann, die durch die Heizquelle verursacht werden.
Diese Werte bestätigten, dass die Empfindlichkeit dieses H2S-Sensors denen der in der Literatur berichteten QEPAS-basierten Sensoren und CRDS-basierten Sensoren überlegen ist und der NNEA eine 50-fache Verbesserung erreicht.
Diese Studie bietet ein leistungsstarkes Analysetool für die genaue H2S-Messung in der medizinischen Diagnose, Luftqualitätsbewertung, Risikovorhersage bei der Kohlengrubengasmessung usw., wo H2S-Messungen im ppb- bis ppm-Bereich erforderlich sind.
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Hui Zhang et al., Nachweis von Schwefelwasserstoff auf der Ebene von Teilen pro Milliarde basierend auf doppelt resonanter photoakustischer Spektroskopie mit Line-Locking, Photoakustik (2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100436