德国斯图加特大学加快石英增强光声光谱技术的应用进程，实现更快速的数据采集。
据麦姆斯咨询报道，近期，德国斯图加特大学（University of Stuttgart）的一个科研项目成功开发出一种能更快速地检测并识别极低浓度气体的方法。这种新方法被称为相干控制石英增强光声光谱（QEPAS），有望为环境监测、呼吸分析和化学过程控制等领域的气体传感器奠定基础。
石英增强光声光谱法结合相干控制，形成一种全新的传感技术，可用于实时监测和识别极低浓度的气体，这项技术通过石英音叉来检测气体吸收光谱的情况。
该项目的初步研究成果以题为“Coherent control in quartz-enhanced photoacoustics：fingerprinting a trace gas at ppm-level within seconds”的论文发表在Optica期刊上，该论文展示了该研究成果在实际气体传感应用中的极高价值，这项相干控制石英增强光声光谱技术的数据采集速度极快。
相干控制石英增强光声光谱技术的检测原理
光声光谱技术因能够对血红蛋白分子进行成像并提供血管分布而对生物医学研究产生了重大影响。此外，光声光谱技术也常用于痕量气体分子的检测，特别是通过石英增强光声光谱原理的变体，即通过压电石英音叉来检测光声波。
石英增强光声光谱技术能够检测微弱的光声激发信号，并且仅需极小的样本量。然而，斯图加特大学的科研项目指出，该方法在快速波长扫描时存在固有的光谱分辨率限制，这一限制源于石英音叉较长的振铃时间（ringing time）。
斯图加特光子工程研究中心（SCoPE）的Simon Angstenberger表示：“虽然音叉的高品质因数使其能够长时间振动，我们得以通过共振增强效应来检测低浓度气体，但这同时也限制了数据采集速度。当我们改变波长以获取分子的‘指纹’图谱时，音叉仍在持续振动。若要检测下一个特征，就必须设法阻止其振动。”
抑制振动的方法
该项目的解决方案采用了相干控制操作，在此操作中，激光输出频率保持不变，而激光脉冲的时序则被调整为音叉半个振荡周期的时长。该研发项目组介绍，这意味着当音叉的叉臂向内运动时，激光脉冲恰好抵达位于叉臂之间的样本气体分子。然后，音叉的振动会受到抑制，因为当气体变热并膨胀时，会对叉臂的运动产生反向作用力。在经过几次激光脉冲——数百微秒之后，音叉停止振动，从而可以进行下一次气体检测。
Angstenberger指出：“在石英增强光声光谱技术中引入相干控制技术，可以利用气体的振动和转动‘指纹’图谱，实现对气体的超快速识别。与局限于特定气体或单一吸收峰的传统设置不同，我们可以通过1.3至18微米的宽激光调谐范围，实现实时气体监测，从而能够检测几乎任何痕量气体。”
该科研项目搭建了一个概念验证平台，使用市售的石英增强光声光谱气室对含有100 ppm甲烷的混合气体进行分析。结果表明，常规的石英增强光声光谱技术扫描很快就会使光谱“指纹”变得模糊，而采用相干控制方法后，光谱“指纹”保持清晰稳定。
该项目组在论文中称，他们仅用3秒便获取了3050到3450纳米范围的完整甲烷光谱信息，而这一过程通常情况下需要花费30分钟左右。
Angstenberger说：“这项新技术可用于检测甲烷等温室气体，助力气候监测（甲烷是造成气候变化的重要因素之一）。此外，它在通过呼吸分析进行早期癌症诊断以及化工生产厂的有毒或可燃气体泄漏检测与过程控制等方面也具有潜在的应用价值。”
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.544448
