應用案例 | 基於量子級聯激光光譜技術的HONO和N2O4氣體檢測

近日，來自安徽大學的研究團隊發表了《基於(yu) 量子級聯激光光譜技術的HONO和N2O4氣體(ti) 檢測》的研究成果。

項目背景

HONO作為(wei) 一種短壽命氣體(ti) ，受到各種物理、化學、生物和地球過程的作用並參與(yu) 大氣循環，對全球大氣環境和生態造成重大影響。近期研究發現，HONO在全天都會(hui) 產(chan) 生OH自由基，貢獻最高的時候可占O自由基來源的一半以上。因此，HONO的測量對OH自由基來源與(yu) 質量分數的研究有重要意義(yi) 。為(wei) 了更好地了解大氣中HONO的光化學循環及其來源，需要對其質量分數進行準確測量，而其質量分數準確測量的前提是HONO吸收線參數的準確度量。

N2O4作為(wei) 液體(ti) 推進劑在火箭、和航天運載工具上得到了普遍應用。另外，N2O4也是一種有毒氣體(ti) ，不僅(jin) 會(hui) 引起肺水腫和化學性肺炎，還會(hui) 腐蝕皮膚、黏膜、牙釉質和眼睛，造成人體(ti) 局部化學性燒傷(shang) 。為(wei) 了更好地了解N2O4反應機理和進行實時監測，同樣需要對其質量分數進行準確測量，故N2O4吸收線參數的確定也具有重要意義(yi) 。

常用的光譜數據庫（如HITRAN數據庫）和公開發表的論文中這兩(liang) 種氣體(ti) 的譜線參不存在，質量分數的準確反演有一定困難，故非常需要對它們(men) 的譜線參數進行研究。激光光源選擇中紅外波段中可以在室溫下工作的量子級聯激光器（QCL）以實現短時間內(nei) 的高分辨率和高靈敏檢測，該激光器具有穩定性好、激光輸出功率高和體(ti) 積小等優(you) 點，有利於(yu) 長期現場測量。

實驗係統

實驗利用高分辨量子級聯激光吸收光譜技術對7.8μm波段trans-HONO和N2O4的吸收光譜進行了同時測量，對兩(liang) 種氣體(ti) 的吸收線頻率進行了確定。基於(yu) 量子級聯激光器和50m長光程吸收池的實驗裝置如圖所示。

實驗裝置示意圖

寧波海爾欣光電科技有限公司為(wei) 實驗提供了量子級聯激光發射頭（HPQCL-Q™標準量子級聯激光發射頭），QCL采用溫度和電流控製，溫控範圍為(wei) 20~50℃，電流範圍為(wei) 250~420mA，頻率調諧範圍為(wei) 1279.5~1282.5cm-1。在實驗中設置工作溫度為(wei) 35℃，電流為(wei) 320mA，輸出中心頻率為(wei) 1280.4cm-1，溫度與(yu) 頻率的變化關(guan) 係為(wei) 0.12cm-1/℃。

HPQCL-Q™ 標準量子級聯激光發射頭

結論

采用基於(yu) 7.8μm室溫連續量子級聯激光器和長光程吸收池可以同時對trans-HONO和N2O4氣體(ti) 進行連續測量，得到兩(liang) 種氣體(ti) 在1279.5~1282.5cm-1波段內(nei) 的具體(ti) 吸收線頻率。對HONO的衰減曲線進行擬合分析，得到了其在一個(ge) 由石英製成的封閉吸收池內(nei) 的衰減時間。根據已知的1280.4cm-1處trans-HONO的吸收譜線強度，計算得到待測樣品中trans-HONO的質量分數為(wei) （0.72±0.04）×10-6，相應測量係統的檢測限為(wei) （11.15±0.50）×10-9。實驗得到的HONO和N2O4的吸收頻率為(wei) 實時連續氣體(ti) 質量分數監測、大氣HONO源匯分析和N2O4化學反應過程分析等提供了參考依據。

參考文獻：

李亞(ya) 繁，江超超，崔瀟漢，俞本立，崔小娟 《基於(yu) 4.5μm量子級聯激光器的開放光路N2O氣體(ti) 檢測係統研究》