yy.vip易游-超灵敏气体检测神器： “调制驰豫衰减频梳干涉仪”如何破解复杂气体传感难题

　　YYVIP易游·(中国有限公司)官方网站-答：频率梳是一种特殊的激光光源，它的光谱由许多等间距的窄线组成，就像一把梳子的齿一样。这些“齿”在频率上是均匀分布的，可以用来精确地测量光的频率。在气体检测中，频率梳就像是一个高精度的“尺子”，能够帮助我们准确地识别气体分子的吸收特征。

　　是指光在高反射率光腔内多次反射后，强度衰减到一定阈值所需的时间。它用于测量腔内气体的吸收特性。

　　我们每天的呼吸、汽车尾气、甚至一杯咖啡的气味，都包含着成千上万种气体分子。从医疗领域的疾病标志物、环境监测中的温室气体，到工业生产中的危险气体，精准检测气体成分对人类健康、生态安全和科技发展至关重要。

　　气体检测听起来似乎并不复杂，但当我们面对的是一些高度复杂的气体样本时，挑战便接踵而至。例如，人体呼出的气体中包含数百种不同的分子，它们的浓度范围可能相差多达七个数量级。这意味着，从高浓度的水蒸气到低浓度的生物标志物，如一氧化氮（NO），都可能在同一口气中出现。传统的气体检测技术往往难以同时精确地检测到这些成分，尤其是当它们的浓度极低时。近日，一项发表于《自然》杂志的突破性研究《Modulated ringdown comb interferometry for sensing of highly complex gases》提出了一种名为 “调制驰豫衰减梳干涉”（Modulated ringdown comb interferometry，MRCI）的新技术，为复杂气体的高精度检测提供了革命性的解决方案。这项技术能够以高于万亿分之一的灵敏度同时定量 20 种不同的分子种类，浓度相差7个数量级。这几乎相当于在同步卫星上去区分东方明珠塔和一根头发丝！

　　MRCI 是一种结合了频率梳光谱技术和驰豫衰减光腔增强测量的创新方法，并引入迈克尔逊干涉仪，使不同频率的光场信号分离，实现了对复杂气体样本的超灵敏探测。与传统的光腔增强吸收光谱技术相比，MRCI 具有更强的抗色散能力，并能在更宽的光谱范围内保持高精度测量。

　　频率梳是一种特殊的光源，能发出间隔均匀的“梳齿状”光波，覆盖从近红外到中红外的宽广波段（如图1），就像一把刻度极密的尺子，能精确测量光的“颜色”（波长），将宽频带光分解为成千上万个单色光，分别匹配不同气体的吸收峰。

　　为了增强微弱气体的吸收信号，研究人员采用高精细度光学腔。光在腔内反复反射，路径长度增加数千倍，显著放大气体吸收效应。通过动态调节腔长（Modulation），即使存在强吸收或色散，仍能保持梳齿稳定耦合。

　　传统驰豫衰减光谱通过测量光脉冲在腔内的驰豫衰减时间（Ringdown Time）反推吸收系数。而MRCI进一步结合了迈克尔逊干涉仪，将时间域的衰减信号转换为频率域的“射频梳”（RF Spectral Comb）。

　　呼出的气体中含有多种微量分子，如一氧化氮（NO）、乙醛（H2CO）、甲烷（CH4）等，这些气体成分可以反映人体的健康状况。

　　MRCI技术能够同时检测20多种呼气分子，最低灵敏度可达万亿分之一（ppt），远超传统检测方法。

　　除了健康监测，MRCI技术在环境监测领域也大有可为。随着工业化和城市化的加速发展，大气污染问题日益严重。许多有害气体，如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）等，不仅对人类健康有害，还对全球气候变化产生了深远的影响。

　　通过MRCI技术，科学家们可以精确地检测到这些有害气体的浓度变化，从而为环境监测和气候变化研究提供重要的数据支持。例如，甲烷（CH4）是一种强效温室气体，其对全球变暖的贡献远大于二氧化碳（CO2）。

　　在室外空气样本中，MRCI技术同时检测到二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等多种温室气体，并验证了其浓度与文献值的吻合度（如图3）。

　　图5 鼻呼吸（红色条）、口腔呼吸（蓝色条）和环境空气（绿色条）测量的总共 20 气体数据。

　　MRCI 的出现，填补了传统光腔增强光谱技术在高色散气体检测中的空白，使得超宽光谱、高精度、实时检测成为可能。然而，这仅仅是开始。随着技术的不断发展和完善，MRCI技术将在更多领域发挥更大的作用。进一步提高MRCI技术的灵敏度和分辨率，其可以检测到更低浓度的气体成分。同时，成本的降低，可能使这项技术能够更广泛地应用于实际生产和生活中：

　　个性化医疗：通过呼气分析进行疾病早筛，甚至可用于新冠病毒感染的无创检测。

　　这项研究不仅刷新了气体传感的灵敏度与分辨率纪录，更开启了“全谱段、高精度、多物种”检测的新时代。总而言之，MRCI有以下特点:

　　在不牺牲光谱分辨率的情况下，对光谱覆盖范围和腔体精细度进行了可扩展的改进;