應(yīng)用案例 | 基于量子級(jí)聯(lián)激光光譜技術(shù)的HONO和N2O4氣體檢測(cè)

近日，來(lái)自安徽大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了《基于量子級(jí)聯(lián)激光光譜技術(shù)的HONO和N2O4氣體檢測(cè)》的研究成果。

項(xiàng)目背景

HONO作為一種短壽命氣體，受到各種物理、化學(xué)、生物和地球過(guò)程的作用并參與大氣循環(huán)，對(duì)全球大氣環(huán)境和生態(tài)造成重大影響。近期研究發(fā)現(xiàn)，HONO在全天都會(huì)產(chǎn)生OH自由基，貢獻(xiàn)最高的時(shí)候可占O自由基來(lái)源的一半以上。因此，HONO的測(cè)量對(duì)OH自由基來(lái)源與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的研究有重要意義。為了更好地了解大氣中HONO的光化學(xué)循環(huán)及其來(lái)源，需要對(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，而其質(zhì)量分?jǐn)?shù)準(zhǔn)確測(cè)量的前提是HONO吸收線參數(shù)的準(zhǔn)確度量。

N2O4作為液體推進(jìn)劑在火箭、和航天運(yùn)載工具上得到了普遍應(yīng)用。另外，N2O4也是一種有毒氣體，不僅會(huì)引起肺水腫和化學(xué)性肺炎，還會(huì)腐蝕皮膚、黏膜、牙釉質(zhì)和眼睛，造成人體局部化學(xué)性燒傷。為了更好地了解N2O4反應(yīng)機(jī)理和進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同樣需要對(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，故N2O4吸收線參數(shù)的確定也具有重要意義。

常用的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)（如HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)）和公開(kāi)發(fā)表的論文中這兩種氣體的譜線參不存在，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確反演有一定困難，故非常需要對(duì)它們的譜線參數(shù)進(jìn)行研究。激光光源選擇中紅外波段中可以在室溫下工作的量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的高分辨率和高靈敏檢測(cè)，該激光器具有穩(wěn)定性好、激光輸出功率高和體積小等優(yōu)點(diǎn)，有利于長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)利用高分辨量子級(jí)聯(lián)激光吸收光譜技術(shù)對(duì)7.8μm波段trans-HONO和N2O4的吸收光譜進(jìn)行了同時(shí)測(cè)量，對(duì)兩種氣體的吸收線頻率進(jìn)行了確定。基于量子級(jí)聯(lián)激光器和50m長(zhǎng)光程吸收池的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

寧波海爾欣光電科技有限公司為實(shí)驗(yàn)提供了量子級(jí)聯(lián)激光發(fā)射頭（HPQCL-Q™標(biāo)準(zhǔn)量子級(jí)聯(lián)激光發(fā)射頭），QCL采用溫度和電流控制，溫控范圍為20~50℃，電流范圍為250~420mA，頻率調(diào)諧范圍為1279.5~1282.5cm-1。在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置工作溫度為35℃，電流為320mA，輸出中心頻率為1280.4cm-1，溫度與頻率的變化關(guān)系為0.12cm-1/℃。

HPQCL-Q™ 標(biāo)準(zhǔn)量子級(jí)聯(lián)激光發(fā)射頭

結(jié)論

采用基于7.8μm室溫連續(xù)量子級(jí)聯(lián)激光器和長(zhǎng)光程吸收池可以同時(shí)對(duì)trans-HONO和N2O4氣體進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，得到兩種氣體在1279.5~1282.5cm-1波段內(nèi)的具體吸收線頻率。對(duì)HONO的衰減曲線進(jìn)行擬合分析，得到了其在一個(gè)由石英制成的封閉吸收池內(nèi)的衰減時(shí)間。根據(jù)已知的1280.4cm-1處trans-HONO的吸收譜線強(qiáng)度，計(jì)算得到待測(cè)樣品中trans-HONO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（0.72±0.04）×10-6，相應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)限為（11.15±0.50）×10-9。實(shí)驗(yàn)得到的HONO和N2O4的吸收頻率為實(shí)時(shí)連續(xù)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)、大氣HONO源匯分析和N2O4化學(xué)反應(yīng)過(guò)程分析等提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

李亞繁，江超超，崔瀟漢，俞本立，崔小娟 《基于4.5μm量子級(jí)聯(lián)激光器的開(kāi)放光路N2O氣體檢測(cè)系統(tǒng)研究》