應用案例 | 基于量子級聯(lián)激光光譜技術的HONO和N2O4氣體檢測

近日，來自安徽大學的研究團隊發(fā)表了《基于量子級聯(lián)激光光譜技術的HONO和N2O4氣體檢測》的研究成果。

項目背景

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

N2O4作為液體推進劑在火箭、和航天運載工具上得到了普遍應用。另外，N2O4也是一種有毒氣體，不僅會引起肺水腫和化學性肺炎，還會腐蝕皮膚、黏膜、牙釉質(zhì)和眼睛，造成人體局部化學性燒傷。為了更好地了解N2O4反應機理和進行實時監(jiān)測，同樣需要對其質(zhì)量分數(shù)進行準確測量，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（如HITRAN數(shù)據(jù)庫）和公開發(fā)表的論文中這兩種氣體的譜線參不存在，質(zhì)量分數(shù)的準確反演有一定困難，故非常需要對它們的譜線參數(shù)進行研究。激光光源選擇中紅外波段中可以在室溫下工作的量子級聯(lián)激光器（QCL）以實現(xiàn)短時間內(nèi)的高分辨率和高靈敏檢測，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，有利于長期現(xiàn)場測量。

實驗系統(tǒng)

實驗利用高分辨量子級聯(lián)激光吸收光譜技術對7.8μm波段trans-HONO和N2O4的吸收光譜進行了同時測量，對兩種氣體的吸收線頻率進行了確定。基于量子級聯(lián)激光器和50m長光程吸收池的實驗裝置如圖所示。

實驗裝置示意圖

寧波海爾欣光電科技有限公司為實驗提供了量子級聯(lián)激光發(fā)射頭（HPQCL-Q™標準量子級聯(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。在實驗中設置工作溫度為35℃，電流為320mA，輸出中心頻率為1280.4cm-1，溫度與頻率的變化關系為0.12cm-1/℃。

HPQCL-Q™ 標準量子級聯(lián)激光發(fā)射頭

結(jié)論

采用基于7.8μm室溫連續(xù)量子級聯(lián)激光器和長光程吸收池可以同時對trans-HONO和N2O4氣體進行連續(xù)測量，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HONO的衰減曲線進行擬合分析，得到了其在一個由石英制成的封閉吸收池內(nèi)的衰減時間。根據(jù)已知的1280.4cm-1處trans-HONO的吸收譜線強度，計算得到待測樣品中trans-HONO的質(zhì)量分數(shù)為（0.72±0.04）×10-6，相應測量系統(tǒng)的檢測限為（11.15±0.50）×10-9。實驗得到的HONO和N2O4的吸收頻率為實時連續(xù)氣體質(zhì)量分數(shù)監(jiān)測、大氣HONO源匯分析和N2O4化學反應過程分析等提供了參考依據(jù)。

參考文獻：

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