Desenvolvimento de sensor fotoacústico ultrassensível de sulfeto de hidrogênio com resposta rápida

13 de fevereiro de 2023

Este artigo foi revisado de acordo com o processo editorial e as políticas da Science X. Os editores destacaram os seguintes atributos, garantindo a credibilidade do conteúdo:

verificado

fonte confiável

revisar

por Liu Jia, Academia Chinesa de Ciências

O sulfeto de hidrogênio (H2S) é uma ameaça silenciosa responsável por muitos incidentes de exposição tóxica, mas o papel indispensável do H2S também foi reconhecido na sinalização e proteção celular e na regulação de inúmeras funções biológicas. Portanto, a estabilidade e a precisão dos dispositivos de detecção de gás são cruciais nos domínios multidisciplinares da pesquisa fundamental ou aplicada. No entanto, a detecção sensível e rápida de H2S continua sendo um desafio, especialmente na faixa de concentração de poucas partes por milhão (ppm) ou inferior.

Em um estudo publicado na Photoacoustics, o Prof. Wang Qiang e Zhang Hui do Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP) da Chinese Academy of Sciences (CAS) desenvolveram um sensor de gás H2S ultrassensível baseado em espectroscopia fotoacústica duplamente ressonante (PAS ). Eles propuseram uma estratégia intrigante de bloqueio de molécula de cavidade de laser para aumentar a resposta do sensor e melhorar a estabilidade do sistema para medições rápidas e contínuas.

O sensor H2S é implementado na região do infravermelho próximo, onde a ótica está madura e disponível comercialmente. Sua sensibilidade é aprimorada usando PAS duplamente ressonante com um fator de aprimoramento de efeito PAS de 18.000 alcançado pelo acúmulo de energia laser de bomba simultânea com um ressonador óptico e energia sonora com um ressonador acústico. Sua resposta rápida é realizada pelo bloqueio especializado da cavidade do laser. Em vez de digitalizar todo o espectro, a estratégia de bloqueio permite o bloqueio simultâneo da frequência do laser, modo de cavidade e linha de absorção por dois loops de feedback separados.

O desempenho do sensor foi avaliado experimentalmente pela detecção de misturas H2S/N2 a 1 atm e à temperatura ambiente. A concentração equivalente de ruído (NEC), um fator para mostrar a sensibilidade, foi determinada em 79 ppb em um tempo de integração de 1 s, levando a um coeficiente de absorção equivalente de ruído normalizado (NNEA) de 8,9 × 1012 W·cm-1·Hz -1/2. O NEC atingiu ainda mais 10 ppb em um tempo de integração de 200 s. Além disso, o sinal PAS-1f permanece bastante estável. Este é um benefício da estratégia de travamento proposta, que pode compensar os desvios lentos do comprimento da cavidade ou a variação causada pela fonte de aquecimento.

Esses valores confirmaram que a sensibilidade desse sensor H2S é superior aos sensores baseados em QEPAS e sensores baseados em CRDS relatados na literatura, e o NNEA atinge uma melhoria de 50 vezes.

Este estudo fornece uma poderosa ferramenta de análise para medição precisa de H2S em diagnóstico médico, avaliação da qualidade do ar, previsão de risco na detecção de gás de mina de carvão, etc., onde é necessária a medição de H2S do nível de ppb a ppm.

Mais Informações: Hui Zhang et al, Detecção de nível de partes por bilhão de sulfeto de hidrogênio baseada em espectroscopia fotoacústica duplamente ressonante com bloqueio de linha, Fotoacústica (2022). DOI: 10.1016/j.pacs.2022.100436

Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências