开发者笔记 | 运用多谱InAsSb探测器实现TDLAS谐波检测精度提升

多谱光学是“光电开发者联盟”理念的呐喊者和实践者，也坚定以“开发工具化”作为产品的核心设计语言。

随着越来越多的客户选择信任和使用多谱产品，我们收获了大量的反馈与好评：我们欣喜于多谱产品协助各行各业的光电开发者获得好的实验结果，为大家快速打通了 “从零到一”的研发计划第一公里。

基于此，多谱公众号开通了“开发者笔记”专栏，与大家分享光电开发的多谱方案、多谱工具。

河北大学 娄教授

人体呼出气体中含有三千多种挥发性有机化合物，这些气体作为人体生理状况和疾病的生物标志物，是呼吸诊断的基础。

呼出气体检测作为一种评估人体健康状况和疾病诊断的重要工具，具有非侵入性、无创并且对患者友好等特点。通过检测呼吸气体中的生物标志物，可以揭示特定呼吸系统和全身性疾病的存在。

甲烷（CH4）是人体呼出的常见气体之一，被认为是胃肠道疾病潜在的生物标志物。研究表明，呼出甲烷的浓度与人体胃肠疾病具有紧密的联系，因此在呼吸诊断领域受到了高度的重视。

开展响应快速、灵敏度高、能够实时检测的光谱气体检测技术研究具有重要的意义。

本实验采用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术实现呼出CH4气体的高灵敏度检测，为呼出气体与疾病相关性研究提供研究基础。

本测量系统由激光器、Herriott气体池、光电探测器、锁相放大器、数据采集卡等设备组成。

采用中红外ICL激光器作为光源，由温度控制和电流控制共同驱动激光器发出中心波长为3.334μm的激光。

采用集温控、半导体驱动于一体的蝶形激光驱动盒作为驱动装置，并将驱动电流设置为65 mA，工作温度设置为20℃。

激光通过入射口进入Herriott气体吸收池，反射20m光程后通过出射口聚焦到探测器表面，并将光信号转变为电信号，通过微型双通道调制解调锁相放大器解调出二次谐波(2f)信号，由USB6008数据采集卡接收信号并通过Labview软件显示。

TDLAS系统原理图如图1所示。

图1 TDLAS系统原理框图

健康人体呼出甲烷浓度在2ppm（百万分之一）左右，为实现呼出甲烷的高灵敏度检测，本实验将浓度为5ppm的甲烷充入Herriott气体吸收池，目的是对比两种探测器在进行甲烷浓度检测时的灵敏度。

选择灵敏度更高的探测器进行后续实验，从而实现高灵敏度的甲烷气体检测。两种探测器分别是俄罗斯的LED Microsensor NT LLC公司的中红外（MIR）光电二极管（Lms36PD-03）以及成都多谱光学科技有限公司的铟砷锑（InAsSb）放大型红外探测器（InAsSb-2/5μm-2×2-AG8）。

为保证实验在相同条件下进行，实验开始前首先使用体积分数为99.99%的纯N2吹扫Herriott池，再将5ppm的干燥甲烷气体充进Herriott池中，然后关闭进气口和出气口阀门，通过检查压力计的读数确保Herriott气体吸收池密封性良好，无气体泄漏。

Lms36PD-03探测器探测范围为2~3.8μm，InAsSb探测器探测器探测范围为2~5.3μm，均可实现波长3.334μm的甲烷检测，随后对采集到的2f信号进行分析，Lms36PD-03探测器和InAsSb探测器2f信号和噪声对比如图2所示。

经计算，Lms36PD-03探测器噪声均方根（RMS）值为8.371 mV，2f信号的幅度为556 mV。信噪比（SNR）约为66。使用探测器进行CH4测量，最小检测极限（MDL）确定为75.76 ppbv。InAsSb探测器的噪声均方根（RMS）值为1.651 mV，2f信号的幅度为196 mV。信噪比（SNR）约为119。使用该TDLAS系统进行CH4测量的最小检测极限（MDL）确定为42.12 ppbv。

对比可知，InAsSb探测器的SNR更高，MDL更低，因此InAsSb探测器（InAsSb-2/5μm-2×2-AG8）灵敏度更高，选用该探测器进行后续呼出CH4检测。

InAsSb探测器如图3所示

图2 

(a) Lms36PD-03探测器2f信号和噪声 

(b) 多谱光学的InAsSb探测器2f信号和噪声

图3 多谱光学铟砷锑（InAsSb）放大型红外探测器

本文为实现基于的TDLAS技术的呼出CH4高灵敏度检测，对Lms36PD-03探测器和InAsSb探测器检测效果进行对比，检测结果表示多谱光学InAsSb放大型红外探测器（InAsSb-2/5μm-2×2-AG8）信噪比高，采用该探测器进行后续的呼出甲烷TDLAS实验，可以获得接近一倍优化效果的检测下限和精度：从75.76 ppbv下降至42.12 ppbv。

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