浅谈太赫兹光谱技术在气体检测中的应用

刘鸿源　徐硕　马得茗

摘 要：社会发展带来了严重的环境污染问题，由此催生了对气体检测技术的需求。在太赫兹波段内，很多环境污染信息吸收特性非常强，基于此运用太赫兹光谱技术对大气污染物中的污染物进行检测具备理论可能。本文在此針对单一气体、混合气体以及识别同素异形体检测中，如何运用太赫兹光谱技术进行研究，为行业发展提供经验借鉴。

关键词：气体检测;太赫兹光谱技术;大气污染

引言

以往粗犷的经济发展模式，带来了非常严重的环境污染问题，尤以大气污染最为突出。现阶段，明确的污染大气的成分已逾百余种，主要分为粉尘等气溶胶状的污染物与硫氧化物以及氮氧化合物等。而人类社会的快速发展，也在持续催生新污染物的产生，进一步加剧了大气污染的程度，催生了检测大气成分的需求。太赫兹具有很多电磁波并不具有的性质，能够同很多特殊的材料产生相互作用，对于环境和污染物检测作用显著。对于太赫兹波本身而言，其具有一定的宽带性，单个脉波的频带能够覆盖的范围，可以从几赫兹到几十太赫兹，因此对于分析物质光谱性质非常有利。除此之外，太赫兹波能够通过气象物质，可以对低浓度极化气体进行探测，进而更好的对污染进行控制，因此在监测气体与保护环境等方面具有非常重要的实践价值。

一、太赫兹光谱技术检测单一气体的应用

对于太赫兹光谱而言，其性质非常的独特，在检测气体时所发挥的作用也非常大。通过运用该技术，可以对很多气体的吸收光谱进行测量，其中包括一些极性气体分子。针对污染环境的一些气体，如甲醛和硫化氢等，运用太赫兹波段吸收作用非常强，吸收峰特征显著，比较适合运用该技术进行检测和观察。

比如，在新世纪初期，国外学者运用太赫兹光谱技术，对氨水蒸汽分子进行测量，得到了该气体分子的吸收与色散特性，并对其深入分析。在分子转向光谱分析方面，运用了分子响应理论，并将控制参量设定为分子响应的时间。通过运用该理论，得出的氨气的吸收与色散谱线，同实验取得的结果基本相符，也验证了运用太赫兹光谱技术检测单一气体的科学性与准确性[1]。自此之后，国内外学者开始结合更加先进的理论，运用太赫兹光谱技术的水平也不断提升，检测单一气体的效果更好。从理论层面来看，运用该技术，能够摈除非常高比例的噪声，测量信噪比相对较高，即便受到较强的辐射，仍然能够对单一气体进行吸谱。在此之后，可以结合特定波长吸收峰的大小，对所测单一气体的浓度进行计算。

二、太赫兹光谱技术检测混合气体的应用

针对混合气体，无法确定其成分时，可以运用太赫兹光谱技术，根据吸收情况，对其中各种气体化学组成及其浓度进行准确测量，以更好了解混合气体的构成。为对混合气体进行更好的检测，尤其对于一些浓度相对较小的气体，可以采用以光谱检测为主，其他检测为辅的检测方法，同时对检测的方法混合气体的方法进行不断改进。比如可以使用传输功率更高的光混频器件，不断强化太赫兹射线与被测气体之间相互作用的强度，如可以利用多径气室，促使二者相互作用的长度进一步增加。

通过运用普通光源，也可以分析混合气体的成分和浓度，但是运用太赫兹波具有诸多方面的优势，比如波长相对较长，穿透能力也因此更强，对于一些封闭的测量环境，也具有适用性;电子能量偏低，破坏被测气体的程度比较有限。总体来看，运用太赫兹光谱技术，对混合气体的成分进行测量与识别，具有非常积极的作用。结合各类气体分子跃迁频率的差异，就能够对混合气体中，各类气体成分进行准备鉴别。

三、太赫兹光谱技术识别同素异形体的应用

运用太赫兹光谱技术，不仅可以对单一气体和各类混合气体进行检测，而且能够有效区分各类气体分子所具有的同素异形体，大大提升检测的精确度。早在2007年，科学家就成功运用太赫兹波对CO的同素异形体进行了区分，取得了里程碑意义的成功[2]。最近几年，宽频可调谐太赫兹波技术得到了非常快速的发展，在对同素异形体进行识别时，也得到了广泛的应用，顺利实现了对CO12和13的透射谱的测量。根据测量的结果可以发现，由于该种同素异形体转动常数并不相同，因此可以确保区分的可靠性。运用该技术，在测量跃迁频率与转动常数等方面，相对于傅里叶变换红外光谱技术而言，精确度更高。

通过降低运用该技术的输出线宽，有助于光谱分辨率的有效提升。在最优化设置太赫兹源后，能够对被测量气体同素异形体所需要的最小浓度进行明确。在分离被测气体的同素异形体时，在未来也很有可能使用到该技术，还需要业内人士的共同努力。

结语

总体来看，太赫兹光谱技术信噪比相对较高，针对样品成分任何微小的变化，运用该技术都能够快速有效的进行分析与鉴别，而且该技术属于非接触测量技术，可以快速准确的测量被检测材料的物理信心。相对于传统光谱技术，该技术还有很大的发展空间，随着技术水平的提升，该技术在未来的应用也将逐渐成熟，应用范围也会进一步扩展。

参考文献

[1]尼浩，徐山森，冷文秀，等.真空环境下空气的太赫兹光谱痕量检测[J].现代科学仪器，2013（1）：120-123.

[2]常胜利，王晓峰，邵铮铮.太赫兹光谱技术原理及其应用[J].国防科技，2015，36（2）：17-22.

作者简介：

刘鸿源，吉林长春，本科，长春理工大学，光电信息科学与工程 在校生。

徐硕，吉林农安，本科，长春理工大学，光电信息科学与工程 在校生。

马得茗，甘肃景泰，本科，长春理工大学，光电信息科学与工程在校生。