综述：关于石英增强型光声光谱技术在痕量气体检测领域研究进展的研究

《Frontiers in Physics》：Study on research progress of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy for trace gas detection

实时检测微量气体浓度的光声光谱技术（QEPAS）因高灵敏度和抗干扰性在工业与医疗领域应用广泛。其核心通过高Q值石英谐振器（QTF）将光声信号转换为电信号，结合激光源优化（如EDFA放大、THz激光多组分检测）和结构创新（T型谐振梁、微沟槽镀层）显著提升检测性能。研究还整合多技术（双光谱融合、波导优化）和辅助材料（缓释剂）以增强灵敏度与环境适应性。当前瓶颈包括激光功率与多组分兼容性、QTF参数平衡（频率-品质因数-几何结构）及系统集成复杂性，未来需突破新型激光源开发、QTF阵列化设计及多技术协同优化，推动其在工业泄漏监测和便携式医疗诊断中的实际应用。

　　实时检测痕量气体浓度在工业过程和环境监测等复杂场景中具有广泛的应用价值。随着对气体检测精度和适应性的不断追求，Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy（QEPAS）作为一种高灵敏度和高选择性的检测技术，逐渐成为研究的热点。该技术不仅能够有效抑制环境噪声干扰，还具备小型化、易于集成和低成本等优势，使其在实际应用中展现出良好的前景。然而，QEPAS技术的发展也面临诸多挑战，如激光光源性能的局限性和石英音叉（QTF）结构参数的优化需求。本文系统梳理了QEPAS技术的研究进展，深入探讨了激光光源改进与QTF结构优化对提升检测灵敏度的关键作用，并总结了现有技术，提出了未来发展的方向。

QEPAS技术的核心原理基于光声效应，即通过激光照射气体分子，使其吸收光能并转化为热能，进而引发气体的热膨胀，形成周期性压力波。这种压力波被高Q值的QTF捕获，并通过其压电效应转换为电信号。信号的强度与气体浓度成正比，因此QEPAS具有极高的检测灵敏度。然而，传统的光声光谱技术（PAS）受限于低Q值麦克风的使用，导致信噪比低且设备体积庞大，难以满足高精度、小型化和便携性的要求。QTF的引入解决了这些问题，其在真空环境下Q值可达约100,000，而在标准大气压下仍保持约10,000的高Q值。这一特性使得QEPAS能够实现对微弱信号的高效捕捉，显著提升了环境噪声下的检测能力。

激光光源是QEPAS系统中的关键组件之一，其性能直接影响检测灵敏度和应用场景的拓展。当前，商用近红外分布式反馈（NIR-DFB）激光器的输出功率通常在几瓦级别，而高灵敏度检测则需要更高的激光功率（超过1瓦）。虽然中红外量子级激光器（MIR-QCL）具备更高的输出功率和更宽的波长调谐范围，但其高昂的成本、较大的体积和较高的功耗限制了其在便携式系统中的应用。相比之下，NIR-DFB激光器在体积、成本和成熟度方面更具优势，更适合集成到紧凑的QEPAS系统中。此外，太赫兹激光器因其极高的吸收线强度和优异的光谱选择性，在特定分子（如H?S）的检测中表现出色，但其光束质量较差、发散严重以及需要低温冷却等缺点，也制约了其实际应用的广泛性。因此，选择合适的激光光源需要综合考虑吸收线强度、波长调谐范围、输出功率以及系统的小型化需求。

QTF作为QEPAS技术的核心转换元件，其性能优化对提升检测效果至关重要。QTF的高Q值和频率特性使其能够高效地放大由气体吸收激光产生的压力波，从而提高信号强度。然而，高频率的QTF在检测慢弛豫气体（如NO、CO、CO?、CH?）时会带来一定的局限性。慢弛豫气体的能量释放过程较长，而高频率的QTF难以匹配其时间尺度，导致信号衰减和检测效果下降。因此，降低QTF的共振频率（f?）有助于提升对慢弛豫气体的检测能力，但这一调整可能会降低Q值，从而影响系统灵敏度。因此，QTF的频率优化需要在提升检测性能与维持高Q值之间找到平衡点。

除了频率优化，QTF的结构参数调整也是提升检测性能的重要手段。QTF的叉形结构设计、叉距、电极间距以及表面涂层等参数均对检测信号产生影响。例如，QTF的叉距过窄会导致激光束在严格对准过程中部分照射到非目标区域，从而引入背景噪声。因此，适当增加叉距有助于提高光束对准的稳定性，但同时会提高共振频率，这对慢弛豫气体的检测不利。此外，QTF的电极间距调整能够影响其等效电路中的电阻（R）和电容（C）参数，进而影响压电电流的强度。通过优化电极间距，可以有效降低电阻，提升压电效应的灵敏度。同时，表面涂层的改进，如在QTF表面沉积金薄膜，能够提高光吸收效率并减少环境电磁干扰，从而增强信号强度。

在QTF的结构优化中，微沟槽设计成为提升检测性能的重要策略。通过在QTF叉臂表面加工矩形或T形沟槽，可以有效增强气体分子与QTF之间的相互作用，提高信号的捕获效率。研究表明，T形沟槽结构能够显著提升压电电荷的产生，从而增强检测信号的强度。例如，通过调整沟槽的深度和宽度，可以优化气体分子的热膨胀效应，提高信号的峰值和信噪比（SNR）。此外，QTF的几何形状和材料特性也对检测性能产生重要影响。例如，通过改变QTF的叉臂长度、宽度和厚度，可以实现频率和Q值的协同优化，从而在不同应用场景中达到最佳的检测效果。

为了进一步提升QEPAS的检测能力，研究者们还探索了多种辅助增强策略。其中，引入弛豫剂（relaxants）是一种有效的方法。弛豫剂能够加速气体分子的能量释放过程，从而增强检测信号。然而，弛豫剂的引入也可能带来交叉敏感性的问题，如水蒸气对某些气体检测的干扰。因此，需要通过独立的湿度检测和实时信号校正来消除这种干扰。此外，光学路径和波导结构的优化也是提升检测性能的重要方向。传统的垂直光学路径设计存在光利用率低的问题，而采用水平入射的IP-QEPAS技术能够显著增强信号强度，提升检测效果。同时，硅氮化物波导的引入使得光信号在QTF表面的传播更加高效，减少了光散射对检测的影响。

在多技术融合方面，集成双谱检测成为QEPAS系统发展的重要趋势。传统的QEPAS系统通常仅检测单一信号，而通过结合QEPTS（Quartz-Enhanced Photoacoustic and Photothermal Spectroscopy）或LITES（Laser-Induced Thermoelastic Spectroscopy）技术，可以实现多信号的同步采集和融合分析。例如，QEPA-PTS系统通过将激光同时用于QEPAS和QEPTS信号的激发，显著提升了信号强度和信噪比。此外，通过在QTF表面设计多层电极结构和S形波导，可以实现多波长激光的高效利用，进一步增强系统的检测能力。这些技术的结合不仅提高了QEPAS的灵敏度，还拓展了其在复杂气体环境中的应用范围。

综上所述，QEPAS技术在痕量气体检测领域展现出巨大的潜力。其高灵敏度、强抗干扰能力和紧凑结构使其成为环境监测、工业安全和医疗诊断等关键应用的理想选择。然而，激光光源性能的局限性和QTF结构参数的优化仍然是制约其进一步发展的主要瓶颈。未来，随着新型激光光源的开发和QTF结构的持续优化，QEPAS有望实现更高的检测精度和更广泛的应用场景。此外，通过多技术融合和系统集成，QEPAS还可以在工业现场的多组分泄漏检测和医疗领域的实时呼吸分析中发挥更大的作用。这些进展不仅将推动QEPAS技术的进一步成熟，也将为痕量气体检测提供更加高效和可靠的解决方案。