Die auf Laserabsorptionsspektroskopie (LAS) basierende Spurengasdetektion ist aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und Selektivität eine leistungsstarke Technik, die in vielen Bereichen weit verbreitet ist. Die meisten aktuellen Arbeiten werden mit einem Einzelfrequenzlaser durchgeführt, der nur auf eine Art abzielt. Die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Komponenten erfordert die gleichzeitige Messung mehrerer Arten, was immer noch eine Herausforderung darstellt.
Kürzlich entwickelten Prof. Wang Qiang vom Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP) der Chinese Academy of Sciences (CAS) und Prof. Ren Wei von der Chinese University of Hong Kong einen Spurengassensor mit einem All-Fiber-Konfiguration und erreichte eine simultane Multi-Gas-Abfrage auf Kosten von nur Sub-μl-Analyten. Die Studie wurde veröffentlicht in Sensoren und Aktoren B: Chemisch.
Diese Technik wurde durch Mischen von photothermischer Spektroskopie (PTS), einem Verfahren, das auf der Detektion des Brechungsindex von Gasphasenanalyten beruht, und Frequenzmultiplexen (FDM), einer Strategie, bei der das Gas durch Pumpen verschiedener Spezies mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert wird, durchgeführt. Eine Hohlkernfaser mit einem Modenfelddurchmesser im μm-Bereich fungierte als flexible Gaskammer, um eine deutlich erhöhte Lichtintensität, eine hocheffiziente Wechselwirkung zwischen Lichtmolekülen sowie ein Inline-Fabry-Perot-Interferometer bereitzustellen.
Drei Diodenlaser mit Mittenwellenlängen im C-Band, L-Band und U-Band wurden integriert, um gleichzeitig C2H2, CO2 und CH4 abzufragen. Die gleichzeitige Messung mehrerer Spezies wurde durch den Nachweis von Proben von C2H2, CO2 und CH4 in einer zentimeterlangen Hohlfaser demonstriert, die einen Gesamtverbrauch von nur 0,17 μL hat. Vier voreingestellte Fälle mit unterschiedlichen Probenkonzentrationen wurden vorbereitet, indem die Proben mit reinem N2 verdünnt wurden. Die erwarteten entsprechenden Antwortkurven wurden erhalten.
Die Forscher demonstrierten auch experimentell die Leistung dieses kompakten Vollfasersensors, der eine minimale Nachweisgrenze von 2,5 ppb (Teile pro Milliarde), 21 ppm (Teile pro Million) bzw. 200 ppb für C2H2, CO2 und CH4 erreicht, und einen guten linearen Dynamikbereich von drei bis fünf Größenordnungen.
Die einzigartigen Eigenschaften von hoher Empfindlichkeit, niedrigem Gasverbrauch und kompakter Größe machen den Sensor zu einem vielseitigen Werkzeug für die präzise Gasanalyse.
Zhen Wang et al, Photothermale Multi-Spezies-Erkennung in einer Hohlkernfaser mit Frequenzmultiplexing, Sensoren und Aktoren B: Chemisch (2022). DOI: 10.1016/j.snb.2022.132333