利用增材制造的检测模块增强光声光谱技术

桑德罗·门加利教授及其在CREO联盟的研究团队开发了一种新型的增强型光声光谱检测方法。他们的设备采用增材制造（AM）技术制造，并集成了一个用于声学检测的音叉。有关这项新技术的详细信息，请参阅最新一期的《传感器》（Sensors ）期刊。

研究：用于增强光声光谱的集成音叉的增材制造检测模块。

孟加利教授的研究团队将其新型检测模块称为音叉增强光声光谱（TFEPAS）。TFEPAS建立在石英增强光声光谱（QEPAS）的基础之上，用于气体或蒸汽传感。

气体传感技术的应用

工业生产过程中有害气体的排放日益引起人们的关注。其对生物多样性和环境的负面影响迫使许多管理机构采取行动，对空气质量进行频繁或实时监测。

在众多气体传感方法中，QEPAS 在过去几十年中日益受到重视。该方法已成功用于评估多种气体混合物，并展现出优异的灵敏度和选择性。

为了分析复杂的蒸汽痕迹，QEPAS技术近年来被应用于微型气相色谱法。然而，技术难题限制了QEPAS传感器的应用，也降低了其有效性。例如，将吸收传感器集成到设备中需要精确的手动定位和对准。

石英音叉必须针对特定应用进行专门设计和微加工。使用市售音叉也需要去除焊缝或在低于焊缝熔点的温度下进行加工。

音叉增强光声光谱（TFEPAS）

孟加利教授的团队着手克服QEPAS的局限性，他们开发了基于非压电音叉和光学干涉仪的TFEPAS。他们用于TFEPAS的小型化光声器件采用单片集成技术，将音叉、声学微谐振器和吸收检测模块（ADM）集成到一个模块中，并运用了增材制造（AM）技术。

本研究设计的检测装置将分析池结构、音叉和声学微谐振器集成到一个小型整体式不锈钢片中。这种方法有利于增材制造（AM）测试TFEPAS解决方案的可行性。

通过增材制造（AM），将材料逐层精确地堆叠成数字设计图所示的形状，即可构建出一个物体。这些材料可以是液体、金属、水泥或塑料粉末。通过熔合每一层，即可形成三维物体。微金属激光烧结（MMLS）技术被应用于该特定探测器的制造。由于音叉和声学微谐振器需要极小的尺寸和极高的空间分辨率，因此我们探索了具有亚毫米级特征的设计方案的可行性。

检测振动

在检测端，为了最大限度地提高灵敏度并最大限度地降低信噪比，采用了干涉式读出。干涉式检测的结果与压电式读出的结果相当。

利用量子级联激光器（QCL）激发音叉振动。通过将激光脉冲直接聚焦在音叉上，诱导光热激发。使用频谱分析仪，提取光电二极管信号中与QCL调制频率相同的分量，从而获得干涉读出信号。

TFEPAS传感器的目标是可靠、便携且适用于现场应用。因此，我们为干涉读出系统设计了第二种更稳健的配置，其中光纤耦合取代了自由空间耦合。

验证TFEPAS的性能

通过一系列使用不同浓度氨气的测试，验证了AM TFEPAS装置的灵敏度和响应线性度。测试采用装有100 ppm氨气和氮气混合气体的钢瓶。结果表明，通过信噪比(S/N)测定，检测限(LOD)优于1 ppm。

使用相同的氨气模型（100 ppm 氨气在氮气中），在宽光谱范围内测试了 AM TFEPAS 设备的光谱分辨率，以评估其识别红外 (IR) 吸收光谱的能力。

在这些测试中，量子级联激光器扫描了氨的几条红外吸收谱线。研究人员在太平洋西北国家实验室（PNNL）的数据库中检索了参考氨红外吸收光谱，并将其与TFEPAS的测量结果进行了比较。结果表明，TFEPAS的测量精度与PNNL的数据一致。

前景

在Sensors中提出的这种新颖设计，其中 ADM 完全采用 AM 技术进行单片集成，实现了极小的内部体积、音叉与声学微谐振器的自动对准、高温运行以及更轻松、更经济的定制。

为了验证新设计的可行性，我们使用浓度为百万分之一的氨气在氮气中进行了实验。TFEPAS溶液似乎非常适合与微型气相色谱联用，并可用于分析复杂的固体和液体痕量物质，包括挥发性有限的物质。

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