正弦域光谱变换结合傅里叶变换的UV-DOAS光学传感器系统：针对亚ppb级NH3检测及干扰组分的高精度分析

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Sine domain spectral transformation combined with Fourier transform: a UV-DOAS-based optical sensor-system for sub-ppb NH 3 detection considering interference components

本文推荐一种基于紫外差分光学吸收光谱（UV-DOAS）的光学传感器系统，创新性地结合正弦域光谱变换与傅里叶变换（FT）技术，有效提升痕量NH3检测的抗干扰能力与准确性。该系统在26.58 ppb至1955.78 ppb范围内实现高精度检测，最低检测限达0.26 ppb，并在真实呼气实验中表现出优异的重复性与稳定性，为复杂环境中宽带光谱技术的发展提供了新思路。

　　

Highlight

系统搭建

图1展示了我们传感器系统的示意图和实物图。如图1(a)所示，通过使用动态配气仪（江苏屯控电气技术有限公司 GC400，±0.5% F.S精度）将标准浓度的NH₃（15.9 ppm，南京天泽有限公司）与高纯度氮气（N₂，秦皇岛元兴有限公司，纯度99.999%）混合，获得不同浓度的标准NH₃气体。所得混合气体通过特氟龙管传输。

UV-DOAS

作为一种宽带吸收光谱方法，紫外差分光学吸收光谱（UV-DOAS）基于气体在紫外波段的特征吸收进行物种识别和浓度反演。具体而言，通过比较样品吸收光谱与背景气体光谱的差异来确定样品的吸收特性。UV-DOAS比直接吸收光谱法具有更高的稳定性。这种改进源于差分过程有效减轻了光源波动和颗粒物散射等因素的影响。

检测精度

为验证我们传感器检测NH₃的准确性，我们收集了13组不同浓度的NH₃/N₂混合气体。建立了覆盖ppb至ppm范围的NH₃浓度梯度，以验证传感器在痕量NH₃检测方面的有效性。浓度分布梯度如表1所示。

使用所提出的传感器对不同浓度梯度的NH₃进行了浓度反演，检测结果如图所示。

结论

在本研究中，我们提出了一种基于UV-DOAS的光学传感器，它结合了正弦域光谱变换和傅里叶变换（FT），用于在存在潜在干扰的条件下检测痕量NH₃。该方法有效减轻了干扰组分和噪声对NH₃吸收光谱的影响，尤其是在低浓度下。此外，我们的方法能够在正弦域直接反演浓度，为光谱分析提供了一种新途径。