香港中文大學(xué)驗(yàn)證雙光梳光熱光譜技術(shù) 一毫秒可測(cè)量多種氣體

據(jù)香港星島網(wǎng)報(bào)道，香港中文大學(xué)工程研究團(tuán)隊(duì)展示全球首個(gè)雙光梳光熱光譜儀(DC-PTS)，這項(xiàng)光譜學(xué)研究證實(shí)相關(guān)技術(shù)能在一毫秒(千分之一秒)內(nèi)完成多種氣體測(cè)量，并有極高靈敏度，可檢測(cè)低濃度氣體。研究有助開辟更多氣體傳感技術(shù)的應(yīng)用，包括有毒氣體測(cè)量、連同新冠病毒生物標(biāo)志物在內(nèi)的呼氣成分分析等。研究成果已刊登在學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。

當(dāng)兩個(gè)具有相干性的頻率梳(左上角)發(fā)出的光束同時(shí)通過(guò)載有氣體樣本的空心光纖時(shí)，每一對(duì)頻率梳齒會(huì)在光纖中產(chǎn)生拍頻信號(hào)，氣體吸收會(huì)引起光熱效應(yīng)，改變氣體折射率。圖片來(lái)源：香港中文大學(xué)

中大機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系副教授任偉團(tuán)隊(duì)及其合作單位中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，共同提出新型氣體測(cè)量技術(shù)─雙光梳光熱光譜，將氣體傳感提升到新的層次。

他們利用兩組頻率梳同時(shí)發(fā)射相近但不同頻率的光束，當(dāng)光束同時(shí)通過(guò)載有氣體樣本的空心光纖時(shí)，會(huì)造成一種名為“外差干涉”的光學(xué)現(xiàn)象，產(chǎn)生拍頻信號(hào)，氣體吸收會(huì)引起光熱效應(yīng)，從而改變氣體折射率。團(tuán)隊(duì)利用儀器測(cè)量不同頻率的折射率調(diào)變，藉此獲得精確的光譜信息及得知?dú)怏w樣本的成分。

目前， DC-PTS能同時(shí)檢測(cè)多種氣體，包括阿摩尼亞(氨)、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和碳?xì)浠衔锏?。研究團(tuán)隊(duì)利用工業(yè)中常見的無(wú)色、易燃?xì)怏w乙炔為例，顯示DC-PTS于載有僅0.17微升氣體樣本的空心光纖中檢測(cè)到濃度只有8.7ppm的乙炔，實(shí)現(xiàn)ppm級(jí)的氣體探測(cè)靈敏度。相反，傳統(tǒng)激光光譜儀通常只配備單頻激光，所以每次只能測(cè)量一種氣體，并需要大約 100000微升(100毫升)的氣體樣本及更長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間以達(dá)到相約的檢測(cè)靈敏度。

人體呼氣成分分析是DC-PTS技術(shù)其中一項(xiàng)極具潛力的應(yīng)用例子，例如檢測(cè)呼吸樣本中與病毒感染相關(guān)的化合物。傳統(tǒng)的光譜儀或質(zhì)譜儀往往需要額外進(jìn)行氣體采樣步驟，其分析時(shí)間亦較長(zhǎng)；對(duì)比之下，DC-PTS可在寬光譜波段范圍內(nèi)提供更靈敏和更快的化學(xué)分析，能有助得出更精確的測(cè)試結(jié)果。

任偉表示，這是全球首個(gè)DC-PTS研究，這項(xiàng)嶄新的高精密光譜技術(shù)有助日后實(shí)現(xiàn)多達(dá)數(shù)十到數(shù)百種的氣體測(cè)量，正積極研發(fā)DC-PTS在呼氣成分分析的應(yīng)用，特別是開發(fā)新冠病毒呼吸測(cè)試和化學(xué)分析儀，幫助解決當(dāng)前的疫情和未來(lái)的公共衛(wèi)生緊急情況。他補(bǔ)充指相關(guān)技術(shù)在其他范疇的氣體檢測(cè)亦具相當(dāng)應(yīng)用潛力，包括能源、環(huán)境和安全管理等領(lǐng)域。

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