研究人员开发了一种操作微型量子级联激光器(QCL)的新方法，可以同时快速测量空气中不同有机分子的吸收光谱。该技术为检测低浓度的挥发性有机化合物(VOC)提供了一种灵敏的方法，提高了追踪这些化合物如何影响人类健康，工业过程和环境空气质量的能力。新系统还可以通过更有选择地区分乙醇和人们呼出的其他气体来提高呼气酒精测试的可靠性。
QCL由多层半导体制成，通过利用量子效应来增强光子发射。研究人员设计了一种基于QCL的设置，可以使用单个激光测量吸收大范围电磁辐射的化合物，这项任务以前需要多个激光器一起工作。
挥发性有机化合物通常存在于汽车尾气，溶剂，建筑材料和许多其他产品中。它们可能对人类和生态系统有害，并且它们有助于对流层臭氧的产生和全球变暖。识别和跟踪VOC的实时方法对污染和气候研究人员，公共卫生组织，制造商，急救人员和托运人等都很重要。
新系统基于不带机械部件的电可调红外激光器，可提供足够的精度并扫描足够宽的光学频率范围，同时识别存在的多种物质并确定其浓度。由材料科学与技术研究所Empa的Lukas Emmenegger领导的瑞士研究人员将在6月25日至27日在加利福尼亚州圣何塞举行的光学学会光学传感器和传感大会上描述他们的新方法。 ，在2019年传感器博览会期间。
打开狭窄的窗户到广泛的范围
与检测单一化合物的任务不同，识别VOC中的不同物种需要在很宽的频率范围内拨打QCL的光输出。为了实现这一目标，研究人员使用了一种相对较新的QCL，经过优化，可以在比通常更宽的发射频率范围内进行调节，称为超大型调谐QCL(QC-XT)，并以间歇模式为设备供电以最大化光学调谐并最大限度地降低激光器的能耗。
然后他们介绍了新方法的主要创新：通过用短电流脉冲加热激光器的前后镜，他们发现可以通过所谓的Vernier效应选择激光器产生的频率范围。使用这种方法，设置基本上沿着分子的吸收光谱通过几个观察通道，其中可以测量精确的细节并与已知的光谱特征进行比较，在很宽的频率范围内提供几乎连续的覆盖，具有很高的精度。
“QCL不同通道之间的快速切换为检测VOC提供了前所未有的实时选择性和灵敏度，”Emmenegger说。
“高精度VOC测量目前主要采用经典方法，如气相色谱或质谱。结合良好建立的分布反馈QCL的高光谱分辨率和QC-XT的多通道容量可能会成为改变游戏规则的方法。在VOC分析领域，“Emmenegger补充道。
快速灵敏的检测
这种创新的分析方法特别适用于快速识别VOC的广泛间距光谱特征。为了测试该方法，该团队使用他们的新设置同时测量甲醇，乙醇和乙醛混合物的红外光谱。
该演示表明，该方法成功地将每种分子物种与其他物种区分开来，并且快速而敏感。通过六个不同光谱通道进行的一轮测量总共花费了18毫秒。虽然在50微秒内以非常高的光谱分辨率扫描各个通道，但大部分时间用于调整激光器组件的电加热以选择沿光谱的下一个通道位置。
该系统评估的分子浓度低至百万分之50，精确度为十亿分之50。通过进一步的工作，研究人员相信该系统可以实现更高的灵敏度。
改善呼吸分析
除了为环境和职业VOC检测中的一系列应用做好准备外，新系统还可用于医疗呼吸分析或改进目前用于测量呼吸酒精含量的标准。
在2月12日发表在光学学会期刊Optics Express上的一篇论文中，Empa团队报告使用QCL检测浓度低至十亿分之9的空气中的酒精。研究人员表示，这些研究结果表明，使用基于QCL激光的光谱仪进行呼气酒精分析可能为全球最频繁的法医检验提供全球可靠性和标准化的途径。