开发者笔记 | 运用多谱InAsSb探测器实现TDLAS谐波检测精度提升
前言 多谱光学是“光电开发者联盟”理念的呐喊者和实践者,也坚定以“开发工具化”作为产品的核心设计语言。 随着越 […]
前言
多谱光学是“光电开发者联盟”理念的呐喊者和实践者,也坚定以“开发工具化”作为产品的核心设计语言。
随着越来越多的客户选择信任和使用多谱产品,我们收获了大量的反馈与好评:我们欣喜于多谱产品协助各行各业的光电开发者获得好的实验结果,为大家快速打通了 “从零到一”的研发计划第一公里。
基于此,多谱公众号开通了“开发者笔记”专栏,与大家分享光电开发的多谱方案、多谱工具。
开发者
河北大学 娄教授
实验目的
人体呼出气体中含有三千多种挥发性有机化合物,这些气体作为人体生理状况和疾病的生物标志物,是呼吸诊断的基础。
呼出气体检测作为一种评估人体健康状况和疾病诊断的重要工具,具有非侵入性、无创并且对患者友好等特点。通过检测呼吸气体中的生物标志物,可以揭示特定呼吸系统和全身性疾病的存在。
甲烷(CH4)是人体呼出的常见气体之一,被认为是胃肠道疾病潜在的生物标志物。研究表明,呼出甲烷的浓度与人体胃肠疾病具有紧密的联系,因此在呼吸诊断领域受到了高度的重视。
开展响应快速、灵敏度高、能够实时检测的光谱气体检测技术研究具有重要的意义。
检测方案
本实验采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术实现呼出CH4气体的高灵敏度检测,为呼出气体与疾病相关性研究提供研究基础。
本测量系统由激光器、Herriott气体池、光电探测器、锁相放大器、数据采集卡等设备组成。
采用中红外ICL激光器作为光源,由温度控制和电流控制共同驱动激光器发出中心波长为3.334μm的激光。
采用集温控、半导体驱动于一体的蝶形激光驱动盒作为驱动装置,并将驱动电流设置为65 mA,工作温度设置为20℃。
激光通过入射口进入Herriott气体吸收池,反射20m光程后通过出射口聚焦到探测器表面,并将光信号转变为电信号,通过微型双通道调制解调锁相放大器解调出二次谐波(2f)信号,由USB6008数据采集卡接收信号并通过Labview软件显示。
TDLAS系统原理图如图1所示。

图1 TDLAS系统原理框图
健康人体呼出甲烷浓度在2ppm(百万分之一)左右,为实现呼出甲烷的高灵敏度检测,本实验将浓度为5ppm的甲烷充入Herriott气体吸收池,目的是对比两种探测器在进行甲烷浓度检测时的灵敏度。
选择灵敏度更高的探测器进行后续实验,从而实现高灵敏度的甲烷气体检测。两种探测器分别是俄罗斯的LED Microsensor NT LLC公司的中红外(MIR)光电二极管(Lms36PD-03)以及成都多谱光学科技有限公司的铟砷锑(InAsSb)放大型红外探测器(InAsSb-2/5μm-2×2-AG8)。
结果和讨论
为保证实验在相同条件下进行,实验开始前首先使用体积分数为99.99%的纯N2吹扫Herriott池,再将5ppm的干燥甲烷气体充进Herriott池中,然后关闭进气口和出气口阀门,通过检查压力计的读数确保Herriott气体吸收池密封性良好,无气体泄漏。
Lms36PD-03探测器探测范围为2~3.8μm,InAsSb探测器探测器探测范围为2~5.3μm,均可实现波长3.334μm的甲烷检测,随后对采集到的2f信号进行分析,Lms36PD-03探测器和InAsSb探测器2f信号和噪声对比如图2所示。
经计算,Lms36PD-03探测器噪声均方根(RMS)值为8.371 mV,2f信号的幅度为556 mV。信噪比(SNR)约为66。使用探测器进行CH4测量,最小检测极限(MDL)确定为75.76 ppbv。InAsSb探测器的噪声均方根(RMS)值为1.651 mV,2f信号的幅度为196 mV。信噪比(SNR)约为119。使用该TDLAS系统进行CH4测量的最小检测极限(MDL)确定为42.12 ppbv。
对比可知,InAsSb探测器的SNR更高,MDL更低,因此InAsSb探测器(InAsSb-2/5μm-2×2-AG8)灵敏度更高,选用该探测器进行后续呼出CH4检测。
InAsSb探测器如图3所示

图2
(a) Lms36PD-03探测器2f信号和噪声
(b) 多谱光学的InAsSb探测器2f信号和噪声


图3 多谱光学铟砷锑(InAsSb)放大型红外探测器
应用与展望
本文为实现基于的TDLAS技术的呼出CH4高灵敏度检测,对Lms36PD-03探测器和InAsSb探测器检测效果进行对比,检测结果表示多谱光学InAsSb放大型红外探测器(InAsSb-2/5μm-2×2-AG8)信噪比高,采用该探测器进行后续的呼出甲烷TDLAS实验,可以获得接近一倍优化效果的检测下限和精度:从75.76 ppbv下降至42.12 ppbv。
多谱光电探测器,是值得信赖的优质光电开发者利器!
多谱光电开发者联盟,也是大家分享技术经验、研讨技术路线、实现原型方案快速迭代的专业平台。
产品名片:
型号InAsAb-2/5um-2×2-AG8
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铟砷锑探测器-放大型-可调增益
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波长范围:2um~5.3um
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带宽:3.5MHz
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靶面尺寸:2mm×2mm
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M4通用螺孔
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SM1光学元件固定螺纹
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