빠른 응답성을 갖는 초고감도 광음향 황화수소 센서 개발

2023년 2월 13일

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작성자: Liu Jia, 중국과학원

황화수소(H2S)는 많은 독성 노출 사고의 원인이 되는 소리 없는 위협이지만, H2S의 필수적인 역할은 세포 신호 전달 및 보호와 수많은 생물학적 기능 조절에서도 인식되었습니다. 따라서 가스 감지 장치의 안정성과 정확성은 기초 또는 응용 연구를 위한 다학제적 영역에서 매우 중요합니다. 그러나 민감하고 빠른 H2S 검출은 여전히 ​​어려운 과제로 남아 있으며, 특히 몇 백만분의 1(ppm) 농도 범위 이하에서는 더욱 그렇습니다.

Photoacoustics에 발표된 연구에서 중국과학원(CAS) 산하 창춘 광학, 정밀 기계 및 물리학 연구소(CIOMP)의 Wang Qiang 교수와 Zhang Hui 교수는 이중 공명 광음향 분광법(PAS)을 기반으로 한 초민감 H2S 가스 센서를 개발했습니다. ). 그들은 센서 반응을 높이고 빠르고 지속적인 측정을 위해 시스템 안정성을 향상시키기 위해 레이저 공동 분자 잠금의 흥미로운 전략을 제안했습니다.

H2S 센서는 광학 기술이 성숙하고 상업적으로 이용 가능한 근적외선 영역에서 구현됩니다. 광학 공진기를 통한 동시 펌프 레이저 전력 축적과 음향 공진기를 통한 사운드 에너지에 의해 달성된 PAS 효과 향상 계수 18,000의 이중 공진 PAS를 사용하여 감도가 향상되었습니다. 특수한 레이저 공동 분자 잠금을 통해 빠른 응답이 실현됩니다. 전체 스펙트럼을 스캔하는 대신 잠금 전략을 사용하면 두 개의 별도 피드백 루프를 통해 레이저 주파수, 공동 모드 및 흡수선을 동시에 잠글 수 있습니다.

센서의 성능은 1기압 및 실온에서 H2S/N2 혼합물을 감지하여 실험적으로 평가되었습니다. 민감도를 나타내는 인자인 NEC(Noise Equivalent Concentration)는 적분시간 1s에서 79ppb로 측정되었으며, NNEA(normalized Noise Equivalent Absorption) 계수는 8.9×1012 W·cm-1·Hz로 나타났다. -1/2. NEC는 200초의 통합 시간에 10ppb에 추가로 도달했습니다. 또한 PAS-1f 신호는 매우 안정적으로 유지됩니다. 이는 제안된 잠금 전략의 이점으로, 열원으로 인한 캐비티 길이의 느린 드리프트 또는 변화를 보상할 수 있습니다.

이러한 값은 이 H2S 센서의 감도가 문헌에 보고된 QEPAS 기반 센서 및 CRDS 기반 센서보다 우수하다는 것을 확인했으며 NNEA는 50배 향상된 성능을 달성했습니다.

이 연구는 ppb에서 ppm 수준까지 H2S 측정이 필요한 의료 진단, 대기 질 평가, 탄광 가스 감지의 위험 예측 등에서 정확한 H2S 측정을 위한 강력한 분석 도구를 제공합니다.

추가 정보: Hui Zhang 외, 라인 고정을 사용한 이중 공명 광음향 분광법을 기반으로 한 황화수소의 10억분의 1 수준 검출, 광음향학(2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100436

중국과학원 제공