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、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》