Développement d'un capteur de sulfure d'hydrogène photoacoustique ultrasensible à réponse rapide

13 février 2023

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par Liu Jia, Académie chinoise des sciences

Le sulfure d'hydrogène (H2S) est une menace silencieuse responsable de nombreux incidents d'exposition toxique, mais le rôle indispensable du H2S a également été reconnu dans la signalisation et la protection cellulaires et dans la régulation de nombreuses fonctions biologiques. Ainsi, la stabilité et la précision des dispositifs de détection de gaz sont cruciales dans les domaines multidisciplinaires pour la recherche fondamentale ou appliquée. Cependant, la détection sensible et rapide du H2S reste difficile, en particulier dans la plage de concentration de quelques parties par million (ppm) ou inférieure.

Dans une étude publiée dans Photoacoustics, les professeurs Wang Qiang et Zhang Hui de l'Institut d'optique, de mécanique fine et de physique de Changchun (CIOMP) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) ont développé un capteur de gaz H2S ultrasensible basé sur la spectroscopie photoacoustique à double résonance (PAS). Ils ont proposé une stratégie intrigante de verrouillage laser-cavité-molécule pour augmenter la réponse du capteur et améliorer la stabilité du système pour des mesures rapides et continues.

Le capteur H2S est mis en œuvre dans la région du proche infrarouge où les optiques sont matures et disponibles dans le commerce. Sa sensibilité est améliorée en utilisant un PAS à double résonance avec un facteur d'amélioration de l'effet PAS de 18 000 obtenu par l'accumulation simultanée de puissance laser de pompe avec un résonateur optique et d'énergie sonore avec un résonateur acoustique. Sa réponse rapide est réalisée par un verrouillage spécialisé laser-cavité-molécule. Plutôt que de balayer tout le spectre, la stratégie de verrouillage permet le verrouillage simultané de la fréquence laser, du mode cavité et de la ligne d'absorption par deux boucles de rétroaction séparées.

Les performances du capteur ont été évaluées expérimentalement par la détection de mélanges H2S/N2 sous 1 atm et à température ambiante. La concentration équivalente de bruit (NEC), un facteur pour montrer la sensibilité, a été déterminée à 79 ppb à un temps d'intégration de 1 s, conduisant à un coefficient d'absorption équivalente de bruit normalisé (NNEA) de 8,9 × 1012 W·cm-1·Hz-1/2. Le NEC a en outre atteint 10 ppb à un temps d'intégration de 200 s. De plus, le signal PAS-1f reste assez stable. C'est un avantage de la stratégie de verrouillage proposée, qui peut compenser les dérives ou variations lentes de la longueur de la cavité causées par la source de chauffage.

Ces valeurs ont confirmé que la sensibilité de ce capteur H2S est supérieure à celles des capteurs basés sur QEPAS et des capteurs basés sur CRDS rapportés dans la littérature, et le NNEA réalise une amélioration de 50 fois.

Cette étude fournit un outil d'analyse puissant pour une mesure précise du H2S dans le diagnostic médical, l'évaluation de la qualité de l'air, la prédiction des risques dans la détection des gaz de mine de charbon, etc., où la mesure du H2S du niveau ppb au ppm est nécessaire.

Plus d'information: Hui Zhang et al, Détection au niveau des parties par milliard de sulfure d'hydrogène basée sur la spectroscopie photoacoustique à double résonance avec verrouillage de ligne, Photoacoustics (2022). DOI : 10.1016/j.pacs.2022.100436

Fourni par l'Académie chinoise des sciences