紫外LED驱动光解离光声光谱技术实现臭氧高灵敏度检测的理论突破与系统优化

本研究创新性地采用UV-LED光声光谱（PAS）技术开发臭氧（O3 ）检测系统，首次揭示紫外波段光解离对光声信号生成的贡献机制。团队通过构建数字孪生补偿模型，克服环境因素干扰，实现7.9 ppbV检测限，性能媲美激光系统，为低成本高精度臭氧监测提供新范式。

　　

臭氧作为大气层关键组分，其地面浓度超标会引发呼吸系统疾病和农作物减产，而工业应用中高浓度臭氧泄漏更直接威胁人员安全。传统检测技术如化学发光法或电化学传感器虽广泛应用，但面临成本高、动态范围有限等瓶颈。紫外波段光声光谱（PAS）虽具高灵敏度潜力，但受制于激光器高昂成本，且光解离过程对信号的影响机制尚未阐明。

德国研究人员在《Photoacoustics》发表的研究中，构建了基于275 nm UV-LED的PAS系统，结合声共振监测系统（ARMS）和数字孪生技术，首次系统解析了臭氧在Hartley波段的紫外光解离路径：O₃
吸收光子后90%概率生成激发态O(¹
D)和O₂
(a¹
Δ_g
)，10%生成基态O(³
P)。通过监测重组效应证实，光解产物通过三体碰撞（O(³
P)+O₂
+M→O₃
+M）重新生成臭氧，该过程与声信号产生密切关联。

关键技术包括：1）模块化铝制光声池（PAC）集成温度控制与ARMS；2）UV-LED光学模块优化光路传输效率；3）臭氧发生器动态浓度调控系统；4）基于弛豫速率常数（k₁
-k₁₂
）的数字孪生补偿算法。

研究结果显示：在温度敏感性实验中，数字孪生将平均绝对误差从10.04%降至0.32%，精准补偿了γ（热容比）和Q因子变化。氧气浓度测试揭示O₂
通过竞争性弛豫路径（k₂
,k₃
）影响信号，当O₂
体积分数从5%增至40%时，非辐射弛豫效率ε从0.98降至0.83。CO₂
和H₂
O的交叉敏感性实验则发现，H₂
O通过快速猝灭O₂
(b¹
Σ_g
⁺
)（k₁₂
=2.2×10⁹
s^-1
atm^-1
）初始增强信号，但后续OH自由基反应（O(¹
D)+H₂
O→2OH）导致信号衰减，该复杂相互作用尚未完全建模。

该研究突破性在于：1）阐明紫外PAS中光解离主导的信号生成机制；2）实现较现有LED系统提升160倍的检测限（7.9 ppbV）；3）建立首个包含O(¹
D)/O₂
激发态的能量弛豫模型。尽管H₂
O和CO₂
干扰的完全补偿仍需优化，但该系统已展现其在工业安全监测（>1 ppmV）和环境标准验证（51 ppbV限值）中的双重应用潜力，为发展下一代低成本臭氧监测网络奠定理论基础。