检测极低浓度气体杂质刷新世界纪录

光声激光吸收光谱技术检测微量气体的原理: 样品气体周期性吸收激光辐射产生声信号，然后用高灵敏度麦克风收集。图片来源: Teemu Tomberg

赫尔辛基大学的 Teemu Tomberg 开发了一种新的探测方法从而能测量各种痕量气体，即利用光声光谱技术进行无背景分析，以测量含量极低的痕量气体浓度。

为什么要测量低浓度气体？

痕量气体是指在空气和其他介质中含量极低的物质。痕量气体的浓度虽然很低，但它们会对气体化合物的化学性质产生很大影响。基于此，它们的精确识别和量化显得很重要。

Teemu Tomberg在他的博士论文中专注于开发基于无背景激光吸收光谱的痕量气体检测方法。

Tomberg 说: “无背景意味着尽量消除被测目标外的所有干扰信号。”。

这个方法具有一些特性，使它非常适于检测浓度极低的气体。这些特性包括光功率的可扩展性和光功率波动的低灵敏度。

激光和声波

Tomberg在他的论文中使用了两种光谱学方法: 测量无背景宽带吸收光谱的新型干涉测量方法和悬臂梁增强型光声光谱方法。这项研究是在赫尔辛基大学化学系完成的。Tomberg在激光光谱学组完成了他的工作，导师是组长Markku Vainio副教授和Lauri Halonen教授。Tomberg说: “我用了许多不同的激光光源（如光参量振荡器、光频梳和量子级联激光器）在中红外区进行了测量。”

Tomberg的一项成就是将最先进的中红外双梳光谱仪应用到新的无背景干涉测量技术。这项研究是在光学与光子学院 CREOL 进行的，由 Konstantin Vodopyanov 教授指导。通过测量，Tomberg 证明了相比普通的直接吸收光谱法，这项新技术的吸收光谱信噪比大约提高了5倍。由于实验使用的激光器功率很低，这种效果受到了限制，实际上，使用高功率激光器可进一步提高信噪比。在研究悬臂梁增强型光声光谱时，Tomberg调至高光功率使得探测灵敏度刷新纪录水平。

冠状病毒检测犬的竞争者？

Tomberg开发的方法应用潜力很有趣。将它们与气相色谱法相结合，可以更可靠地分析就算是同时含有小分子量和大分子量化合物的复杂气体混合物，这其中一个应用是制造用于检测疾病的人造鼻。然而，检测犬的优势是它们能够检测到冠状病毒，即使我们不知道它们嗅到的分子是哪种。为了使人造鼻能发挥预期的功能，我们应首先确定相关的生物标志物分子。这项研究为开发现场应用的设备开辟了新的途径。Tomberg的研究结果表明，激光吸收光谱技术可用于制造先进的检测器气相色谱仪，尤其是在现场应用时激光器的紧凑性和免维护操作将体现出优势。