Desarrollo de sensor de sulfuro de hidrógeno fotoacústico ultrasensible con respuesta rápida

13 de febrero de 2023

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por Liu Jia, Academia China de Ciencias

El sulfuro de hidrógeno (H2S) es una amenaza silenciosa que es responsable de muchos incidentes de exposición tóxica, pero también se ha reconocido el papel indispensable del H2S en la señalización y protección celular y en la regulación de numerosas funciones biológicas. Por lo tanto, la estabilidad y la precisión de los dispositivos de detección de gases son cruciales en los dominios multidisciplinarios para la investigación fundamental o aplicada. Sin embargo, la detección sensible y rápida de H2S sigue siendo un desafío, especialmente en el rango de concentración de pocas partes por millón (ppm) o inferior.

En un estudio publicado en Photoacoustics, el profesor Wang Qiang y Zhang Hui del Instituto de Óptica, Mecánica Fina y Física de Changchun (CIOMP) de la Academia de Ciencias de China (CAS) desarrollaron un sensor ultrasensible de gas H2S basado en espectroscopia fotoacústica de doble resonancia (PAS). ). Han propuesto una estrategia intrigante de bloqueo de molécula de cavidad láser para aumentar la respuesta del sensor y mejorar la estabilidad del sistema para mediciones rápidas y continuas.

El sensor de H2S se implementa en la región del infrarrojo cercano donde la óptica está madura y disponible comercialmente. Su sensibilidad se mejora mediante el uso de PAS doblemente resonante con un factor de mejora del efecto PAS de 18 000 logrado mediante la acumulación simultánea de potencia de láser de bomba con un resonador óptico y energía de sonido con un resonador acústico. Su rápida respuesta se realiza mediante el bloqueo especializado de moléculas de cavidad láser. En lugar de escanear todo el espectro, la estrategia de bloqueo permite el bloqueo simultáneo de la frecuencia del láser, el modo de cavidad y la línea de absorción mediante dos bucles de retroalimentación separados.

El desempeño del sensor se evaluó experimentalmente mediante la detección de mezclas de H2S/N2 a 1 atm ya temperatura ambiente. Se determinó que la concentración de ruido equivalente (NEC), un factor para mostrar la sensibilidad, era de 79 ppb en un tiempo de integración de 1 s, lo que generaba un coeficiente normalizado de absorción de ruido equivalente (NNEA) de 8,9 × 1012 W·cm-1·Hz -1/2. El NEC alcanzó además 10 ppb en un tiempo de integración de 200 s. Además, la señal PAS-1f se mantiene bastante estable. Este es un beneficio de la estrategia de bloqueo propuesta, que puede compensar las variaciones o desviaciones lentas de la longitud de la cavidad causadas por la fuente de calor.

Estos valores confirmaron que la sensibilidad de este sensor de H2S es superior a la de los sensores basados ​​en QEPAS y CRDS informados en la literatura, y la NNEA logra una mejora de 50 veces.

Este estudio proporciona una poderosa herramienta de análisis para la medición precisa de H2S en el diagnóstico médico, la evaluación de la calidad del aire, la predicción de riesgos en la detección de gas en minas de carbón, etc., donde se necesita la medición de H2S de ppb a ppm.

Más información: Hui Zhang et al, Detección de sulfuro de hidrógeno a nivel de partes por billón basada en espectroscopia fotoacústica de doble resonancia con bloqueo de línea, Photoacoustics (2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100436

Proporcionado por la Academia de Ciencias de China