Sviluppo di un sensore fotoacustico ultrasensibile di idrogeno solforato con risposta rapida

13 febbraio 2023

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di Liu Jia, Accademia Cinese delle Scienze

L’idrogeno solforato (H2S) è una minaccia silenziosa responsabile di molti episodi di esposizione tossica, ma è stato riconosciuto anche il ruolo indispensabile dell’H2S nella segnalazione e protezione cellulare e nella regolazione di numerose funzioni biologiche. Pertanto, la stabilità e l'accuratezza dei dispositivi di rilevamento del gas sono cruciali nei domini multidisciplinari della ricerca fondamentale o applicata. Tuttavia, il rilevamento sensibile e rapido dell'H2S rimane problematico, soprattutto nell'intervallo di concentrazione di poche parti per milione (ppm) o inferiore.

In uno studio pubblicato su Photoacoustics, il Prof. Wang Qiang e Zhang Hui del Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) hanno sviluppato un sensore di gas H2S ultrasensibile basato sulla spettroscopia fotoacustica a doppia risonanza (PAS) ). Hanno proposto un'intrigante strategia di bloccaggio della cavità laser e della molecola per aumentare la risposta del sensore e migliorare la stabilità del sistema per misurazioni rapide e continue.

Il sensore H2S è implementato nella regione del vicino infrarosso dove le ottiche sono mature e disponibili in commercio. La sua sensibilità viene migliorata utilizzando PAS doppiamente risonante con un fattore di miglioramento dell'effetto PAS di 18.000 ottenuto mediante l'accumulo simultaneo di potenza laser della pompa con un risonatore ottico e di energia sonora con un risonatore acustico. La sua risposta rapida è ottenuta mediante il bloccaggio specializzato della cavità laser della molecola. Invece di scansionare l’intero spettro, la strategia di bloccaggio consente il bloccaggio simultaneo della frequenza laser, della modalità cavità e della linea di assorbimento tramite due circuiti di feedback separati.

Le prestazioni del sensore sono state valutate sperimentalmente mediante la rilevazione di miscele H2S/N2 sotto 1 atm e a temperatura ambiente. La concentrazione equivalente del rumore (NEC), un fattore per mostrare la sensibilità, è stata determinata in 79 ppb con un tempo di integrazione di 1 s, portando a un coefficiente di assorbimento equivalente del rumore normalizzato (NNEA) di 8,9×1012 W·cm-1·Hz -1/2. Il NEC ha inoltre raggiunto 10 ppb con un tempo di integrazione di 200 s. Inoltre, il segnale PAS-1f rimane abbastanza stabile. Questo è un vantaggio della strategia di bloccaggio proposta, che può compensare le derive lente o le variazioni della lunghezza della cavità causate dalla fonte di riscaldamento.

Questi valori hanno confermato che la sensibilità di questo sensore H2S è superiore a quella dei sensori basati su QEPAS e CRDS riportati in letteratura, e l’NNEA raggiunge un miglioramento di 50 volte.

Questo studio fornisce un potente strumento di analisi per misurazioni accurate di H2S nella diagnosi medica, nella valutazione della qualità dell'aria, nella previsione del rischio nel rilevamento del gas nelle miniere di carbone, ecc., dove è necessaria la misurazione di H2S dal livello ppb a ppm.

Maggiori informazioni: Hui Zhang et al, Rilevamento a livello di parti per miliardo di idrogeno solforato basato sulla spettroscopia fotoacustica doppiamente risonante con blocco della linea, Photoacoustics (2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100436

Fornito dall'Accademia Cinese delle Scienze