乙醇、乙醚、丙酮是國(guó)防工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、有機(jī)合成、食品工業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的揮發(fā)有機(jī)物：乙醇可用于制造醋酸、飲料、香精、染料、燃料等。醫(yī)療上也常用體積分?jǐn)?shù)為70％～75％的乙醇作消毒劑等。乙醚是醫(yī)藥工業(yè)用作藥物生產(chǎn)的萃取劑和醫(yī)療上的麻醉劑。丙酮是脂肪族酮類具有代表性的化合物，是重要的有機(jī)合成原料。然而，它們對(duì)眼、鼻、喉有刺激性，長(zhǎng)期的暴露在充滿這些氣體的環(huán)境中，人體會(huì)出現(xiàn)乏力、惡心、頭痛、頭暈、易激動(dòng)。重者發(fā)生嘔吐、氣急、痙攣，甚至昏迷。為了降低這些揮發(fā)有機(jī)氣體對(duì)人體的傷害，需要對(duì)其濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

 

目前，已經(jīng)有許多技術(shù)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)乙醇、乙醚和丙酮的檢測(cè)。其中，氣相色譜－質(zhì)譜法（GC－MS）是最廣泛使用的技術(shù)。然而，GC－MS不適合實(shí)時(shí)分析。開放路徑傅里葉變換紅外光譜（OP ／ FT－IR）是另一個(gè)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。然而，OP／FT－IR化學(xué)物之間的干擾高以及背景光譜的誤差限制了其檢測(cè)限。電化學(xué)傳感器、半導(dǎo)體傳感器，以及聲表面波石英晶體傳感器也可用于檢測(cè)氣體，如醚、丙酮等，但其靈敏度有限而且選擇性差。紅外激光光譜，特別是光腔衰蕩光譜（CRDS）在痕量氣體分析方面具有非常高的靈敏度和選擇性。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物單獨(dú)檢測(cè)的高靈敏度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在許多應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動(dòng)與國(guó)防安全中，多種揮發(fā)性有機(jī)化合物需要同時(shí)檢測(cè)。雖然光譜檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多組分氣體檢測(cè)，但這些報(bào)告大多數(shù)是專注于在近紅外區(qū)域?qū)哂姓V吸收的小分子氣體進(jìn)行檢測(cè)，而主要的VOC往往是具有復(fù)雜量子結(jié)構(gòu)的大分子，其在中紅外波段具有寬帶吸收光譜。在這種情況下，在所需光譜范圍內(nèi)可寬調(diào)諧的激光器是成功檢測(cè)的關(guān)鍵。半導(dǎo)體激光技術(shù)特別是量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）的飛速發(fā)展，為高靈敏度、高選擇性的痕量氣體檢測(cè)提供了一種有效的方式。量子級(jí)聯(lián)激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是具有很寬的光譜調(diào)諧范圍，為對(duì)具有寬吸收帶的混合氣體進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)提供了可能。

 

光電所團(tuán)隊(duì)基于脈沖光腔衰蕩光譜技術(shù)的痕量氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。光源為可調(diào)諧連續(xù)量子級(jí)聯(lián)激光器，中心波長(zhǎng)3．8um，調(diào)諧范圍2610－2720 cm－1，最大輸出功率250mw。在脈沖模式下，激光器線寬0．7 cm－1，脈沖周期0．5us，脈沖重復(fù)率50Khz。衰蕩腔由兩塊直徑25．4mm、凹面曲率半徑100cm、調(diào)諧范圍內(nèi)反射率介于99．913％和99．915％之間的平凹高反射鏡組成，腔長(zhǎng)L＝50cm。衰蕩腔輸出信號(hào)由透鏡聚焦到熱電制冷的紅外光電探測(cè)器探測(cè)，探測(cè)器探測(cè)的光腔衰蕩信號(hào)由采集卡采集和記錄，并通過單指數(shù)函數(shù)擬合得到衰蕩時(shí)間，獲得待測(cè)氣體吸收系數(shù)，并計(jì)算出氣體濃度。為了避免反饋光對(duì)激光器輸出產(chǎn)生影響，在激光器輸出端插入光隔離器，使反饋回激光器的光低于－30dB。衰蕩信號(hào)由一個(gè)與激光器輸出脈沖存在延時(shí)的系統(tǒng)信號(hào)上升沿觸發(fā)。為了提高信噪比，每次采集都對(duì)信號(hào)做256次平均。

 

 

　　基于脈沖光腔衰蕩技術(shù)的痕量氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

 
研究團(tuán)隊(duì)通過該裝置對(duì)具有寬譜吸收的大分子有機(jī)揮發(fā)氣體（酒精，乙醚，丙酮）等進(jìn)行了濃度檢測(cè)，編寫了多組分分析算法實(shí)現(xiàn)了多種不同濃度的揮發(fā)劑的同時(shí)測(cè)量。該系統(tǒng)對(duì)所測(cè)有機(jī)氣體的檢測(cè)靈敏度都小于1ppm。