基于电导-光声光谱技术的氢气和碳氢化合物快速同步检测新方法

为解决氢气和碳氢化合物在复杂环境中难以同步检测的技术难题，研究人员开发了电导-光声光谱（ConPAS）技术，通过铂微丝桥接石英音叉（QTF）实现单信号双模态分析。该研究实现了氢气（频率分析）与丙烷/甲烷（振幅分析）的同步检测，灵敏度分别达0.69%、40.26 ppm和133.7 ppm，响应时间仅毫秒级。这项技术为氢能安全和工业过程监控提供了创新解决方案。

　　

在能源转型和工业安全需求日益迫切的背景下，氢能应用面临一个关键瓶颈：氢气和碳氢化合物的同步检测难题。由于氢气缺乏红外活性而碳氢化合物存在强吸收干扰，传统光谱技术难以实现精准同步监测，而混合传感器又面临信号不同步、系统复杂等问题。这一技术空白严重制约了氢能基础设施的安全运行和工业流程优化。

来自国内研究机构的研究团队在《Photoacoustics》发表的研究中，创新性地提出了电导-光声光谱（Conductance-Photoacoustic Spectroscopy, ConPAS）技术。该研究通过将铂（Pt）微丝桥接于石英音叉（QTF）两端，构建出兼具机械共振调制和光声信号转换功能的复合传感器。当氢气接触铂微丝时引发晶格膨胀，通过频率偏移定量氢气浓度；同时碳氢化合物的红外吸收产生光声信号，通过振幅变化测定其含量。这种"一器双模"设计成功实现了从单一电信号中解耦提取多组分信息。

关键技术包括：1）铂微丝-QTF耦合结构制备；2）基于拍频效应的自参考频率分析（BF-QEPAS）；3）不锈钢微声谐振管增强声学耦合；4）双激光系统（3370 nm ICL和1654 nm DFB）分别激发丙烷和甲烷特征吸收。

研究结果显示：在氢气和碳氢化合物同步检测方面，系统展现出卓越性能。通过频率-振幅二维分析，传感器对25%氢气与0.25%丙烷混合气实现同步解析（图5）。定量校准表明：氢气检测线性范围0-100%（R²>0.998），丙烷500-3000 ppm（R²=0.999），甲烷5-30%（R²=0.994）（图6）。灵敏度测试获得最低检测限：氢气0.69%、丙烷40.26 ppm、甲烷133.7 ppm，响应时间快至毫秒级。

该研究的突破性在于：首次将材料电导特性与光声光谱融合于单一传感器，解决了传统混合架构的信号同步难题。模块化设计支持通过更换敏感材料（如蚕丝蛋白）拓展检测物种，为氢能基础设施、工业流程和环境污染监测提供了通用型解决方案。研究团队指出，未来采用低频定制QTF可进一步提升性能，这项技术有望成为多组分气体实时监测的新标准。