基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。 与其他光谱气体检测方法相比, 光声气体检测技术主要具有结构简单、 探测器不受波长限制、 零背景噪声、 成本低等优点。 它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。 作为光声光谱气体检测系统的核心部件, 光声池的性能将直接影响系统的检测结果。 因此, 光声池的优化设计已成为该领域的研究热点。 当前, 针对光声池的优化主要是基于系统静态条件, 关于光声池腔内气体流动性能及动态时间响应的研究报道较少。 由于光声池在动态检测条件下的气体扰动及系统检测噪声具有一定影响, 因而对于光声池的相关参数进行进一步的探索与优化, 改善光声池腔内气体流场分布、 动压特性及其气体浓度平衡时间对于提升光声光谱的气体检测性能具有重要意义。 为此, 以传统的圆柱形光声池为基础, 基于三维流场数值模拟方法建立了光声池腔内流场的稳态和瞬态模拟模型, 计算获得了光声池腔内气体流场分布及其气体浓度平衡响应规律, 结果表明, 减少光声池腔内气流流速及优化光声池中的过渡结构将会改善气流引发的动压波动以及缩短腔内气体浓度调节时间。 以光声池的缓冲腔与谐振腔过渡处圆角、 辅助孔数量、 辅助孔半径、 辅助孔中心圆半径以及进气速度5个参数为因素, 以谐振腔轴线中点处动压值和气体浓度调节时间为考察指标, 采用数值模拟和正交试验设计与熵权法相结合的方法, 获得了光声池的相关参数对动压值影响的主次影响顺序为: 辅助孔半径>辅助孔数>进气速度>过渡圆角>辅助孔中心圆半径; 对调节时间影响的主次顺序依次为: 进气速度>辅助孔半径>辅助孔数=辅助孔中心圆半径>过渡圆角, 为平衡指标的影响, 将多目标参数优化问题转化成单目标优化问题, 客观地给出动压值和调节时间的权重分别为0.49、 0.51。 在研究参数范围内, 获得了其最佳参数组合为: 缓冲腔与谐振腔过渡处圆角为3.0 mm、 辅助孔数量为8个、 辅助孔半径为3.5 mm、 辅助孔中心圆半径为22.5 mm、 进气速度为0.06 m·s-1, 优化后的光声池谐振腔轴线中点处动压值为9.4×10-4 Pa, 腔内气体浓度调节时间为141 s, 相较于优化前的指标, 动压值相对降低了88.1%, 调节时间相对降低了17.5%, 两项指标均得到优化提升, 优化效果较为理想。 研究方法与结论可为光声池的优化设计和拓展研究提供重要参考。

气溶胶与太阳辐射以及气溶胶与云之间的复杂相互作用, 使得气溶胶对气候有着重要的影响。评估气溶胶对气候效应的影响依赖于气溶胶光学特性的准确信息。由于缺乏合适的仪器和方法, 气溶胶的光吸收一直是一个难以准确测量的参量, 从而导致当前气溶胶对气候效应影响的评估仍带有很大的不确定性。光声光谱因其信号只与样品的光吸收有关, 不受散射的影响, 因此非常适合气溶胶光吸收的测量, 被认为是测量气溶胶光吸收特性最有效的方法之一。对光声光谱测量气溶胶光吸收特性的研究进展进行了综述, 并对近年来发展的新技术进行了重点介绍和分析, 可为相关领域的研究人员提供参考。

随着现代化工业的高速发展, 痕量气体检测技术的重要性不言而喻, 目前痕量气体检测技术已广泛应用于环保、 化学工业、 生物生态以及医学检测等各个领域, 光声光谱技术由于它具有零背景检测、 探测器不受波长限制、 光学元件简单, 系统调节及维护方便等优点, 现已成为光谱学领域中非常重要的检测手段, 近些年来, 随着微弱信号检测与激光器技术的快速发展, 光声光谱技术也得到更多学者的关注与研究, 所取得的成果为光声光谱检测性能的提升提供了重要的设计参考, 然而, 当前文献报道较少地涉及到光声池的优化工作, 尤其是对光声池的形状构造等问题鲜有深入探索。 光声光谱检测系统中最核心的部件之一即为光声池, 它是承载待测气体的容腔以及产生光声耦合作用的场所, 其形状构型在很大程度影响着光-声之间的耦合状况, 以致于影响整机系统的信噪比与灵敏性, 因而探索设计光声池的形状具有重要的理论研究意义及工程应用价值。 为此, 基于传统圆柱形光声池的设计基础, 探索研究了纵向截面为圆形、 正三角形、 椭圆等8种典型形状的光声池结构模型, 并对其声场特性进行了仿真分析, 借助3D打印技术制作了各类光声池实物, 通过实验对比分析了8种光声池的性能指标, 在限定光声池纵向长度及纵向截面周长相等的条件下, 仿真结果表明, 8种形状各异的光声池工作纵向声学模态振型均相同, 实验结果表明, 8种光声池的工作声学共振频率值基本相同, 受其激光光源与腔内声学模态耦合的影响, 其品质因素从大到小依次为: 圆形、 短轴椭圆、 正五边形、 正方形、 大圆轴线形、 正三角形、 小圆轴线形、 长轴椭圆, 池常数从大到小依次为: 圆形、 长轴椭圆、 正五边形、 正方形、 大圆轴线形、 小圆轴线形、 正三角形、 短轴椭圆, 整体结果显示, 对于光声光谱光声池的设计, 在没有特殊要求的情况下, 光声池应优先为圆形形状, 研究过程与结果为光声光谱中光声池的设计与优化探索提供了借鉴与参考。

CO2是大气的重要组成成分, 也是现代化工业社会过多燃烧煤炭、 石油和天然气的产物。 一方面大量的人源排放CO2进入大气是引发温室效应最主要因素, 另一方面, CO2是窒息性气体, 在封闭环境积累过高的CO2会导致窒息等安全问题。 因此发展小型化、 高灵敏度的CO2检测技术在大气环境探测、 封闭环境工作区域安全监测等方面具有重要意义和应用需求。 利用近年来快速发展的小型化石英音叉谐振增强光声光谱技术, 采用相对简单的离轴结构方案, 开展了探测CO2的研究。 离轴石英音叉增强型光声光谱技术具有探测模块体积小、 灵敏度高、 抗干扰、 成本低、 功耗低, 对激光器要求低等优点, 在发展低功耗便携式气体传感器方面具有巨大的潜力。 近年来, 尤其是随着近红外激光器技术的逐渐成熟, 为离轴石英音叉增强型光声光谱技术提供质量更好、 能量更高的激励光源, 使得离轴石英音叉增强型光声光谱检测技术具有更高的探测灵敏度, 实现了在低浓度下对气体进行精确的检测。 通过HITRAN 2012分子光谱数据库筛选出适合探测的谱线, 选择2.004 μm近红外分布反馈式半导体激光器作为激励光源, 通过波长调制方式来激发CO2光声信号, 并采用二次谐波检测技术实现光声信号的探测。 实验中通过对进样CO2气体加湿、 优化调制振幅等方式提高检测性能, 实现了空气CO2的探测。 在常压下, 通过配气仪配置不同浓度的CO2样品, 开展了浓度与信号的响应特性研究, 获得了良好的线性响应结果。 同时也开展了相同浓度CO2样品在不同压力下的信号测量研究, 并用Allan方差对系统性能进行评估。 结果表明, 当平均时间为1 000 s时, 系统的探测极限为4×10-3 μL·L-1, 在压力150 Torr时可获得最佳的测量信号, 常压下系统对CO2的最小探测灵敏度为15 μL·L-1, 相应的归一化噪声等效吸收系数为7.33×10-9, 在150 Torr下最小探测灵敏度为6 μL·L-1。

光声光谱是通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测, 实现样品成分、浓度分析检测的一种光谱传感技术, 是光谱学的一个重要分支。光声光谱除了具有吸收光谱的高选择性、高灵敏度外, 还具有信号只跟样品光吸收有关, 不受散射光影响, 零背景,信号与光功率成正比以及信号探测器不受光波长影响等诸多优点。在环境监测、工业过程控制与检测、医学诊断和**危化品检测等领域得到了越来越多的应用, 呈现出快速发展的趋势。除了传统的共振光声光谱技术, 近年来先后出现了悬臂增强型光声光谱、石英音叉谐振增强型光声光谱、多通道光声光谱等各具特色的新技术。对光声光谱气体传感技术的研究进展进行了介绍, 并分析了其应用前景和未来发展趋势。

针对光声光谱多通道气溶胶检测系统存在结构复杂、体积较大和难以集成的问题,提出了一 种可以产生多通道参数可调脉宽调制(PWM)波的集成调制信号发生系统的设计方案。该系统是基于STM32 处理器和LabVIEW程序来实现的,它通过产生多路频率和幅值可调的PWM信号,实现对多通道光声光谱的同步调制,其具体指标为:幅 值0～9 V连续可调,频率1～72 MHz连续可调,扫频频率550～6000 Hz连续可调。实验表明采用可调PWM波集成系统的多 通道光声光谱系统运行可靠、工作稳定且操作简易,信号与商业信号发生器调制的结果一致,证明了所设计多通道调制器的可行性和可 靠性。所提出的设计方案可为光声光谱或其他光谱类检测系统的集成设计提供参考与借鉴。

H2O和CH4在气候变化过程中起着关键作用, 实时在线测量H2O和CH4浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一。 利用1.653 μm可调谐半导体激光器作光源, 结合反射率为99.997 6%的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置, 开展了H2O和CH4的高灵敏度测量研究。 离轴腔增强系统的有效吸收光程通过吸收面积-浓度关系法来标定, 吸收面积-浓度关系法的可行性首先通过已知光程的光学吸收池进行验证, 确定有效后用于标定离轴腔增强系统的有效光程。 结果表明, 基长为21 cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8 626.3 m。 当谐振腔内压力为5.06 kPa时, 利用7组不同浓度的CH4标准气体(0.2～1.4 μmol·mol-1)对系统进行了线性响应标定测试, 得到了CH4吸收的积分面积与浓度拟合关系曲线。 系统的稳定性、 可实现的最小探测灵敏度等信息通过Allan方差进行分析, 结果表明系统对探测CH4的最佳平均时间为100 s, 最小可探测浓度极限为7.5 nmol·mol-1; 系统对探测H2O的最佳平均时间为200 s, 最小可探测浓度极限为55 μmol·mol-1。 对提高系统测量精度的数据处理方法也进行了分析研究, 结果表明相比于多次平均方法, Kalman滤波能显著的提高测量精度, 而且缩短了系统的响应时间。 最后, 利用搭建的离轴腔增强实验系统结合Kalman滤波数据处理方法对实际大气中CH4和H2O浓度进行了连续两天的测量, CH4每天平均的浓度分别为2.1和2.08 μmol·mol-1, H2O每天平均的浓度分别为11 515.6和11 628.6 μmol·mol-1, 由此可知建立的离轴腔增强吸收光谱装置能够用于大气CH4和H2O的测量, 另外建立的系统也可用于相关工业领域的高灵敏度CH4和H2O监测。

对石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统中常用的石英音叉进行了有限元模态计算, 获得石英音叉前6阶振型与模态频率, 认知了第4阶对称摆动振型为有效振动, 利用单因素法分析了石英音叉的音臂长度l1、 音臂宽度w1、 音臂厚度t、 音臂切角θ、 音臂圆孔直径d及音臂圆孔高度h对低阶有效共振频率（Fre）的影响, 敏感度依次为: l1> w1>d>θ>t>h, 考虑实际设计情形, 筛选出了l1, w1, d与h四个石英音叉设计变量, 采用Box-Behnken实验设计方案与RSM(response surface methodology)方法, 以Fre为函数目标, 建立l1, w1, d与h的二次回归响应面模型, 得到了参数之间的交互作用, 利用Design-Expert软件对响应面模型进行设计参数反求, 结果表明, 在15 000 Hz≤Fre≤25 000 Hz计算区域内误差较小, 基本满足QEPAS系统的计算需求, 所提出的研究与设计方法具有一定通用性, 可为QEPAS系统中石英音叉结构参数设计提供参考。

采用微波辅助水热法制备介孔分子筛MCM-41， 并用浸渍法将左氧氟沙星（LVFX）组装在MCM-41均一的六方形孔道中， 制备出新型载药复合物LVFX/MCM-41。 用粉末X射线衍射（XRD）、 低温氮吸附、 傅里叶变换红外光谱（FTIR）及差热-热重（TGA-DTA）分析对MCM-41以及LVFX/ MCM-41复合物进行表征， 合成的介孔分子筛MCM-41的孔径为2.382　nm， 比表面积为1　015　m2·g-1。 对MCM-41、 LVFX/MCM-41、 LVFX（固态）及LVFX（溶液）的荧光光谱研究结果显示， LVFX/MCM-41的荧光光谱比组装前发生明显红移， 表明MCM-41孔道内表面的羟基和LVFX形成氢键， 羟基上的电子云向LVFX分子上的吸电子基团转移； 同时MCM-41和LVFX之间形成新环， 使电子云能在更大的环上移动， 药物分子的共轭体系扩大， 荧光光谱峰红移。 MCM-41与左氧氟沙星之间强的相互作用为研发以MCM-41为载体的新型释药系统提供了理论依据。