高灵敏度中红外光纤倏逝波型多音叉增强光声光谱痕量气体传感技术研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    61505041
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    21.0万
  • 负责人：
    马欲飞
  • 依托单位：
    哈尔滨工业大学
  • 学科分类：
    F0503.传输与交换光子器件
  • 结题年份：
    2018
  • 批准年份：
    2015
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Gas sensing technology can be used to detect composition and concentration of trace gases effectively. Therefore it has great significance for the research of basic science and applied technology. This project aims for studying of the high sensitive gas sensing technology based on novel mid-infrared quantum cascade laser(QCL) and quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy(QEPAS). For the important difficulties in improving of system stability and detection ability, fiber evanescent wave sensing technology and QEPAS sensing technology will be combined together to solve these problems and a novel fiber evanescent wave QEPAS sensing method based on QCL and mid-infrared solid core single mode fluoride fiber will be realized. Furthermore, multiple quartz tuning forks will be adopted to detect the acoustic wave signal and a multi-quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy(M-QEPAS) will be created for the first time. The key component of quartz turning fork in QEPAS sensor will have a thoroughly study to demonstrate the effect of resonant frequency on the M-QEPAS system performance. A complete and correct theoretical acoustic wave transmission model for the microresonator will be established and analyzed. It can be used for optimizing design of fiber evanescent wave M-QEPAS system. The project will invent a new type sensing technology of fiber evanescent wave M-QEPAS sensor firstly. And the sensor system performance could be enhanced by research on several scientific issues. The final purpose of the project is to provide new technical method and scientific guidance for high sensitive gas sensing technologies.
气体传感技术可有效地检测痕量气体成分及浓度，对于基础科学和应用技术研究都具有非常重要的意义。本项目将对基于新颖中红外量子级联激光器(QCL)的石英增强光声光谱(QEPAS)高灵敏气体传感技术展开研究。而针对QCL QEPAS技术中提高系统稳定性和系统探测能力的关键难题，构建基于中红外QCL和中红外氟化物玻璃实芯单模光纤结构的新型中红外光纤倏逝波型QEPAS气体传感技术，并创造性地采用多个石英音叉进行声波信号探测，首次构造多音叉增强光声光谱技术(M-QEPAS)。本项目深入研究QEPAS技术中的核心元件石英音叉共振频率特性对光纤倏逝波型M-QEPAS技术的性能影响，并探索建立完整正确的微共振腔声波传输理论模型，用于该技术的优化设计。即本研究将首先构建一种新型传感技术，并通过关键科学问题的研究提高其性能水平，最终为高灵敏度气体传感技术提供新型技术手段和科学指导。

结项摘要

痕量气体传感技术可有效地检测气体成分及浓度，对于基础科学和应用技术研究都具有非常重要的意义。本项目针对石英增强光声光谱(QEPAS)检测技术中提高系统稳定性和系统探测能力的关键难题，构建了基于中红外量子级联激光器和光纤倏逝波的QEPAS气体传感技术，并创造性地采用多个石英音叉进行声波信号探测，首次构造了多音叉增强光声光谱技术(M-QEPAS)。同时，本项目还深入研究了声波传感器石英音叉共振频率特性对该新型QEPAS技术性能的影响，并探索建立了完整正确的微共振腔声波传输理论模型，用于该技术的优化设计。通过本项目的研究：(1)实现了一种基于新颖中红外量子级联激光器的超高灵敏度QEPAS气体传感技术，系统的探测极限可以达到ppt~ppb量级；(2) 将光纤倏逝波技术与QEPAS技术进行了结合，构建了新颖的倏逝波型QEPAS技术，在此基础上，还实现了一种新型远距离、分布式的气体浓度测量方法，并在3 km长的光纤中得到验证；(3) 提出了一种新型的多音叉增强光声光谱技术(M-QEPAS)，并进行了实验验证。相比传统单音叉QEPAS技术来说，传感器的探测性能得到了明显改善；(4) 得到了QEPAS系统信噪比随石英音叉共振频率的变化规律，为高灵敏度M-QEPAS及其他QEPAS技术优化设计提供了科学指导。研究发现石英音叉的共振频率越低，QEPAS系统的信号幅值和噪声幅值越大，但信噪比越高。因此，在所测试的频率范围内(30 kHz~38 kHz)，采用共振频率越低的石英音叉将会改善QEPAS系统的性能；(5) 建立了微共振腔声波场理论模型，得到了共振管的理论最优长度应为λs/4~λs/2(λs为声波波长)，并进行了实验验证。总之，通过本项目的研究，实现了多种改进石英增强光声光谱性能的新方法，并建立了相应的理论模型，用于发现本质规律。同时，基于这些研究结果，还在本领域国际顶级期刊上发表了十余篇高水平学术论文，扩大了国内研究学者在国际学术领域的影响。

项目成果

期刊论文数量（17）
专著数量（0）
科研奖励数量（1）
会议论文数量（7）
专利数量（3）
Ultra-high sensitive acetylene detection using quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy with a fiber amplified diode laser and a 30.72 kHz quartz tuning fork
使用带有光纤放大二极管激光器和 30.72 kHz 石英音叉的石英增强光声光谱进行超高灵敏度乙炔检测
  • DOI：
    10.1063/1.4974483
  • 发表时间：
    2017-01-16
  • 期刊：
    APPLIED PHYSICS LETTERS
  • 影响因子：
    4
  • 作者：
    Ma, Yufei;He, Ying;Tittel, Frank K.
  • 通讯作者：
    Tittel, Frank K.
HCN ppt-level detection based on a QEPAS sensor with amplified laser and a miniaturized 3D-printed photoacoustic detection channel
基于具有放大激光和小型化 3D 打印光声检测通道的 QEPAS 传感器的 HCN ppt 级检测
  • DOI：
    10.1364/oe.26.009666
  • 发表时间：
    2018-04-16
  • 期刊：
    OPTICS EXPRESS
  • 影响因子：
    3.8
  • 作者：
    He, Ying;Ma, Yufei;Tittel, Frank K.
  • 通讯作者：
    Tittel, Frank K.
基于QEPAS技术的乙炔微量气体高灵敏度检测研究
  • DOI：
    10.3964/j.issn.1000-0593(2017)09-2869-04
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    光谱学与光谱分析
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    马欲飞;佟瑶;张立功;何应;张静波;王龙;龙金虎;于欣;孙锐
  • 通讯作者：
    孙锐
Ppb-level detection of ammonia based on QEPAS using a power amplified laser and a low resonance frequency quartz tuning fork
使用功率放大激光器和低谐振频率石英音叉基于 QEPAS 进行 ppb 级氨检测
  • DOI：
    10.1364/oe.25.029356
  • 发表时间：
    2017-11-13
  • 期刊：
    OPTICS EXPRESS
  • 影响因子：
    3.8
  • 作者：
    Ma, Yufei;He, Ying;Tittel, Frank K.
  • 通讯作者：
    Tittel, Frank K.
光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术
  • DOI：
    10.7498/aps.67.20171881
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    物理学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    何应;马欲飞;佟瑶;彭振芳;于欣
  • 通讯作者：
    于欣

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其他文献

基于紫外可调谐激光吸收光谱技术的甲烷／空气平面预混火焰温度测量研究
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    --
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    光谱学与光谱分析
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    彭江波;马欲飞;李晓晖;张亚丽
  • 通讯作者：
    张亚丽
基于石英增强光声光谱的气体传感技术研究进展
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
    Acta Physica Sinica
  • 影响因子：
    1
  • 作者：
    马欲飞
  • 通讯作者：
    马欲飞

其他文献

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高精度宽带中红外石英增强光热光谱技术与器件集成
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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