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中大驗證雙光梳光熱光譜技術 一毫秒測量出多種氣體

資料圖片/中大圖片


香港中文大學工程研究團隊展示全球首個雙光梳光熱光譜儀(DC-PTS),這項光譜學研究證實相關技術能在一毫秒(千分之一秒)內完成多種氣體測量,並有極高靈敏度,可檢測低濃度氣體。研究有助開闢更多氣體傳感技術的應用,包括有毒氣體測量、連同COVID-19生物標誌物在內的呼氣成分分析等。研究成果已刊登在學術期刊《自然·通訊》。

中大機械與自動化工程學系副教授任偉團隊及其合作單位中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,共同提出新型氣體測量技術─雙光梳光熱光譜,將氣體傳感提升到新的層次。他們利用兩組頻率梳同時發射相近但不同頻率的光束,當光束同時通過載有氣體樣本的空心光纖時,會造成一種名為「外差干涉」的光學現象,產生拍頻信號,氣體吸收會引起光熱效應,從而改變氣體折射率。團隊利用儀器測量不同頻率的折射率調變,藉此獲得精確的光譜信息及得知氣體樣本的成分。

當兩個具有相干性的頻率梳(左上角)發出的光束同時通過載有氣體樣本的空心光纖時,每一對頻率梳齒會在光纖中產生拍頻信號,氣體吸收會引起光熱效應,改變氣體折射率。中大圖片
當兩個具有相干性的頻率梳(左上角)發出的光束同時通過載有氣體樣本的空心光纖時,每一對頻率梳齒會在光纖中產生拍頻信號,氣體吸收會引起光熱效應,改變氣體折射率。中大圖片

目前, DC-PTS能同時檢測多種氣體,包括阿摩尼亞(氨)、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫和碳氫化合物等。研究團隊利用工業中常見的無色、易燃氣體乙炔為例,顯示DC-PTS於載有僅0.17 微升氣體樣本的空心光纖中檢測到濃度只有8.7ppm的乙炔,實現ppm級的氣體探測靈敏度。相反,傳統激光光譜儀通常只配備單頻激光,所以每次只能測量一種氣體,並需要大約 100,000 微升(100毫升)的氣體樣本及更長的測試時間以達到相約的檢測靈敏度。

人體呼氣成分分析是DC-PTS技術其中一項極具潛力的應用例子,例如檢測呼吸樣本中與病毒感染相關的化合物。傳統的光譜儀或質譜儀往往需要額外進行氣體採樣步驟,其分析時間亦較長;對比之下,DC-PTS可在寬光譜波段範圍內提供更靈敏和更快的化學分析,能有助得出更精確的測試結果。

任偉表示,這是全球首個DC-PTS研究,這項嶄新的高精密光譜技術有助日後實現多達數十到數百種的氣體測量,正積極研發DC-PTS 在呼氣成分分析的應用,特別是開發COVID-19呼吸測試和化學分析儀,幫助解決當前的疫情和未來的公共衞生緊急情況。他補充指相關技術在其他範疇的氣體檢測亦具相當應用潛力,包括能源、環境和安全管理等領域。

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