应用案例 | 基于量子级联激光光谱技术的HONO和N2O4气体检测

近日，来自安徽大学的研究团队发表了《基于量子级联激光光谱技术的HONO和N2O4气体检测》的研究成果。

项目背景

HONO作为一种短寿命气体，受到各种物理、化学、生物和地球过程的作用并参与大气循环，对全球大气环境和生态造成重大影响。近期研究发现，HONO在全天都会产生OH自由基，贡献最高的时候可占O自由基来源的一半以上。因此，HONO的测量对OH自由基来源与质量分数的研究有重要意义。为了更好地了解大气中HONO的光化学循环及其来源，需要对其质量分数进行准确测量，而其质量分数准确测量的前提是HONO吸收线参数的准确度量。

N2O4作为液体推进剂在火箭、导弹和航天运载工具上得到了普遍应用。另外，N2O4也是一种有毒气体，不仅会引起肺水肿和化学性肺炎，还会腐蚀皮肤、黏膜、牙釉质和眼睛，造成人体局部化学性烧伤。为了更好地了解N2O4反应机理和进行实时监测，同样需要对其质量分数进行准确测量，故N2O4吸收线参数的确定也具有重要意义。

常用的光谱数据库（如HITRAN数据库）和公开发表的论文中这两种气体的谱线参不存在，质量分数的准确反演有一定困难，故非常需要对它们的谱线参数进行研究。激光光源选择中红外波段中唯一可以在室温下工作的量子级联激光器（QCL）以实现短时间内的高分辨率和高灵敏检测，该激光器具有稳定性好、激光输出功率高和体积小等优点，有利于长期现场测量。

实验系统

实验利用高分辨量子级联激光吸收光谱技术对7.8μm波段trans-HONO和N2O4的吸收光谱进行了同时测量，对两种气体的吸收线频率进行了确定。基于量子级联激光器和50m长光程吸收池的实验装置如图所示。

实验装置示意图

宁波海尔欣光电科技有限公司为实验提供了量子级联激光发射头（HPQCL-Q™标准量子级联激光发射头），QCL采用温度和电流控制，温控范围为20~50℃，电流范围为250~420mA，频率调谐范围为1279.5~1282.5cm-1。在实验中设置工作温度为35℃，电流为320mA，输出中心频率为1280.4cm-1，温度与频率的变化关系为0.12cm-1/℃。

HPQCL-Q™ 标准量子级联激光发射头

结论

采用基于7.8μm室温连续量子级联激光器和长光程吸收池可以同时对trans-HONO和N2O4气体进行连续测量，得到两种气体在1279.5~1282.5cm-1波段内的具体吸收线频率。对HONO的衰减曲线进行拟合分析，得到了其在一个由石英制成的封闭吸收池内的衰减时间。根据已知的1280.4cm-1处trans-HONO的吸收谱线强度，计算得到待测样品中trans-HONO的质量分数为（0.72±0.04）×10-6，相应测量系统的最低检测限为（11.15±0.50）×10-9。实验得到的HONO和N2O4的吸收频率为实时连续气体质量分数监测、大气HONO源汇分析和N2O4化学反应过程分析等提供了参考依据。

参考文献：

李亚繁，江超超，崔潇汉，俞本立，崔小娟 《基于4.5μm量子级联激光器的开放光路N2O气体检测系统研究》

相关产品链接：HPQCL-Q™ 标准量子级联激光发射头