对痕量气体光学分析工艺进行了优化

在实验室中为选择性光学饱和建立激光吸收光谱仪。来源:基尔大学物理化学研究所

激光吸收光谱法是测定样品中气体组分浓度的一种重要方法。现代设备是高度专门化的，用于检测非常特殊的气体，如大气中的微量气体、燃烧废气和等离子体的技术应用。为了做到这一点，他们测量了特定波长的光被样品吸收或衰减的比例。这样就可以测定气体的浓度。所选择的检测波长取决于要测量的分子。一个常见的问题是不同的分子可以吸收相同的光——即使是在一个巧妙选择的波长。“不同气体分子的吸收光谱有时会非常明显地重叠。这意味着如果我想检测分子A，我也总是从分子B那里得到不同程度的强信号，”基尔大学(CAU)物理化学研究所的Gernot Friedrichs教授解释说。这种所谓的交叉灵敏度限制了测量方法的有效性。到目前为止，通过在不同波长进行额外的测量，即测量光谱，或者在实际测量之前通过气相色谱法分离干扰气体，已经消除或至少减少了这个问题。弗里德里希斯和他以前的博士候选人，来自格赖夫斯瓦尔德莱布尼茨等离子体科学与技术研究所(INP)的易卜拉欣·萨迪克博士，现在已经证明有一个更简单的解决方案。他们已经开发出一种方法来克服吸收光谱中的这种交叉灵敏度，即使测量只在一个波长进行。基于选择性光学饱和的两种一波长(2S1W)新方法的可行性研究最近发表在《科学报告》(Scientific Reports)杂志上。利用光饱和消除干扰信号

这种新方法利用了分子中的光学饱和现象。光学饱和的状态只发生在高光强，这可以很容易地产生与激光现在。然后分子变成“透明”的吸收光谱，这意味着辐照光不再衰减。样品变得透明的点是各自气体类型的属性。

到目前为止，光学饱和被认为对吸收测量是不利的，因此尽可能避免，因为它会扭曲浓度测量。然而，Sadiek和Friedrichs现在在他们的研究中证明，利用选择性光学饱和甚至可以帮助分别确定两个完全相互干扰的分子在固定波长的浓度。

“为了做到这一点，我们在一个特殊的测量单元中非常快速和广泛地改变光强度。在低光强下，测量两种物质的吸收之和，在高光强下，其中一个分子是饱和的。所以我们只检测到一个物种的信号。在我们的例子中，检测到氯甲烷，因为甲烷已经饱和。”“当我们第一次尝试这种方法时，我们对以这种概念上简单的方式将两个物种的信号分离开来的效果非常着迷。”

例如，在实践中，一个典型的问题是检测大气中浓度极低的氯化碳氢化合物。“如果你想在不事先分离混合物的情况下检测它们，你就会自动遇到微量气体浓度较高的问题，比如二氧化碳或甲烷，尤其是水蒸气，也就是湿度，会干扰测量。通过我们的方法，我们可以简单地使这些干扰气体在光谱中不可见，”Friedrichs解释说。他的团队目前正在进行海洋研究项目，以进一步开发用于传统吸收光谱仪的方法。然后将在实地测量中证明降低交叉敏感性的可能性，以便更好地研究水-空气界面的交换过程。原理上，该方法也适用于同时检测大量微量气体，只要它们具有足够不同的饱和强度。