氣體傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制、醫(yī)療診斷和安全預警等多個領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著工業(yè)化進程的加快以及環(huán)境污染問題日益嚴峻，對痕量氣體的高靈敏度、高選擇性檢測技術(shù)的需求不斷增長。盡管氣體傳感技術(shù)已得到廣泛研究，但高靈敏度、快速響應的痕量氣體檢測仍面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)用于氣體檢測的電化學傳感器和半導體傳感器以其成本效益高且易于集成而受到認可。然而，相比之下，光譜氣體傳感器在靈敏度、選擇性和抗干擾能力方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，逐漸成為一種更可靠的替代方案。
氣體檢測技術(shù)的應用
光譜傳感技術(shù)利用特定物質(zhì)的吸收、發(fā)射或散射來確定氣體的類型和濃度。吸收光譜法憑借其獨特的“指紋”特性，以高靈敏度和高選擇性在氣體檢測應用中備受推崇。光聲光譜法（PAS）利用MEMS麥克風進行檢測，其基于光與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的光聲效應。由于其獨特的“零背景”特性而被廣泛應用。
2002年，石英增強光聲光譜（QEPAS）技術(shù)興起，它采用石英音叉（QTF）代替光聲光譜法中的MEMS麥克風作為檢測元件。石英音叉是一種具有壓電效應的微型諧振器，具有高品質(zhì)因數(shù)、優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性和高靈敏度等特點。此外，其體積小巧（< 0.3 mm2）、重量輕且無功耗，在便攜式和小型化氣體傳感器中展現(xiàn)出良好的應用前景。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，哈爾濱工業(yè)大學的研究團隊近期在Light: Science & Applications期刊發(fā)表了一篇題為“Quartz-enhanced laser spectroscopy sensing”的綜述性論文。該綜述總結(jié)了基于石英音叉的兩種氣體傳感技術(shù)——石英增強光聲光譜（QEPAS）和光誘導熱彈光譜（LITES）的最新進展。該綜述分為兩部分，第一部分闡述了QEPAS的基本原理，并從多個角度討論了提升QEPAS傳感器檢測性能的近期研究進展；第二部分介紹了LITES技術(shù)的原理，以及在提高LITES傳感器檢測靈敏度和穩(wěn)定性方面的最新研究進展。
基于QEPAS的氣體傳感
作為傳統(tǒng)基于MEMS麥克風的光聲光譜技術(shù)的一種改進，QEPAS基于光聲效應的基本原理工作。在QEPAS中，氣體分子吸收特定波長的調(diào)制光，并經(jīng)歷從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的非輻射躍遷。被吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，引起周圍氣體的溫度變化，進而導致周期性的壓力變化。結(jié)果會產(chǎn)生聲波，其頻率與光的調(diào)制頻率相對應。聲波的振幅與氣體濃度成正比。因此，可以利用聲學探測器測量該振幅并確定氣體濃度。在QEPAS中，石英音叉作為具有尖銳共振特性的聲換能器。當石英音叉的共振頻率與所產(chǎn)生聲波的頻率匹配時，就會發(fā)生共振，進而放大石英音叉的振動。由于壓電效應，石英音叉的音叉臂振動會轉(zhuǎn)化為電流。通過測量該電流，就可以確定氣體濃度。
QEPAS技術(shù)原理
目前，有多種方法可以提高QEPAS系統(tǒng)的性能：（1）使用高功率激光器驅(qū)動更多氣體分子實現(xiàn)吸收；（2）應用具有強吸收系數(shù)的新型激發(fā)源以增強吸收；（3）利用定制的石英音叉來增加檢測信號；（4）采用聲學諧振器放大聲波或采用多路結(jié)構(gòu)生成多個聲波源。該綜述詳細概述了QEPAS技術(shù)的最新進展。
多種改進QEPAS技術(shù)的方法
基于LITES的氣體傳感
LITES技術(shù)不僅保留了QEPAS的優(yōu)勢，還實現(xiàn)了非接觸式氣體測量，可避免受到腐蝕性氣體或惡劣燃燒環(huán)境的損害。LITES技術(shù)的核心原理是利用石英音叉中的光致熱彈效應來檢測激光強度的變化。調(diào)制后的激光被氣體吸收后，聚焦到石英音叉基底上。石英音叉的基底吸收光能，產(chǎn)生局部熱彈膨脹，進而引發(fā)周期性的機械形變。這些形變通過石英音叉的壓電效應轉(zhuǎn)化為電信號，從而實現(xiàn)氣體濃度分析。
LITES技術(shù)的核心原理
近年來，在提升LITES傳感器性能方面取得了顯著進展。基于LITES的氣體傳感器靈敏度優(yōu)化主要集中在提高光學吸收、增強石英音叉檢測性能以及提升系統(tǒng)響應速度上。從LITES系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，激光源和石英音叉是兩個核心組件，兩者的參數(shù)對檢測性能有著決定性的影響。作為一種激光吸收光譜技術(shù)，LITES中激發(fā)源的核心優(yōu)化策略與QEPAS技術(shù)一致，仍側(cè)重于提高目標氣體吸收的激光能量。與QEPAS技術(shù)中的優(yōu)化方法相契合，定制石英音叉同樣適用于提升LITES系統(tǒng)的檢測性能。因此，為避免與QEPAS技術(shù)部分的討論重復，該綜述在LITES技術(shù)部分重點介紹了除激光源優(yōu)化和石英音叉定制之外的性能提升方法。
基于上述分析，該綜述歸納了優(yōu)化LITES傳感器檢測性能的其他有效策略：（1）采用腔增強技術(shù)以提高吸光度；（2）利用石英音叉的瞬態(tài)響應特性構(gòu)建外差系統(tǒng)，以提高LITES傳感器的響應速度；（3）借助QEPAS技術(shù)的優(yōu)勢，最大限度地利用激光能量。
多種改進LITES技術(shù)的方法
石英增強激光光譜技術(shù)的前景
石英增強激光光譜傳感技術(shù)的發(fā)展，遠遠不止于更高的靈敏度或更小的尺寸，其核心戰(zhàn)略價值在于賦予無處不在、實時且智能的氣體傳感能力。特別是近年來，機器學習、便攜式設備以及實時多物質(zhì)檢測的興起和需求，推動石英增強激光光譜傳感技術(shù)向智能化和集成化方向發(fā)展。這些新興機遇不僅拓展了石英增強光譜技術(shù)的應用邊界，也彰顯了其在智慧城市、精準醫(yī)療和新能源等領(lǐng)域的巨大潛力。
石英增強激光光譜傳感技術(shù)有望從一種先進的檢測技術(shù)發(fā)展成為支撐未來智能社會發(fā)展的關(guān)鍵平臺。展望未來，隨著與各個領(lǐng)域和技術(shù)的跨學科融合不斷加深，上述兩種基于石英音叉的光譜氣體傳感技術(shù)，將朝著更高靈敏度、更高集成度（甚至片上集成）以及更易于實際應用的方向發(fā)展。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02075-7
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