石英增强光声光谱
应用描述
光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy，PAS）是一种基于光声效应的高灵敏度痕量气体定量分析技术。气体样品吸收经调制的光后，通过非辐射弛豫将吸收的能量以热量形式释放。周期性加热使气体产生声压波，传统光声光谱通常使用麦克风对其进行探测。然而，基于麦克风的光声光谱系统容易受到环境声学噪声的影响，同时对气室的结构和尺寸有较高要求。石英增强光声光谱（Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy，QEPAS）采用石英音叉（Quartz Tuning Fork，QTF）作为高品质因数（高 Q值）的声学换能器。与传统方案相比，QEPAS 具有更强的抗噪能力、更紧凑的系统结构和更高的检测灵敏度。
测量策略
QEPAS 通常结合波长调制光谱（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS），实现高灵敏度痕量气体检测。如图所示，在扫描目标气体吸收谱线的同时，将频率为 f的正弦调制信号叠加到激光器的直流驱动电流上，从而对激 光波长进行调制。气体吸收调制光后产生周期性光声激励，并在石英音叉的叉齿间形成声场。石英音叉将声学振动转换为压电电流，该电流经跨阻放大器（Transimpedance Amplifier，TIA）转换为电压信号，再由锁相放大器进行同步解调。在二次谐波检测模式下，通常根据 2f 信号的幅值计算气体浓度。
石英音叉表征：谐振频率 (f0 ) 和品质因数（Q）
石英音叉的谐振频率 (f0) 决定了获得最大谐振增强时所需的激光调制频率。在二次谐波检测模式下，应使 2f 信号与石英音叉的谐振频率重合，因此：(f=f0/2) 品质因数 Q 不仅影响石英音叉的信号增强能力，还决定其响应速度。对应的时间常数为：τ=Q/(πf0).
LabOne Sweeper 扫频工具可自动完成谐振曲线测量以及 f0 和 Q 的拟合，从而简化系统设置和石英音叉表征过程。
激光器控制：斜坡扫描速率和调制深度
激光器的直流斜坡扫描速率应根据石英音叉的时间常数 τ 合理设置。扫描速度过快时，石英音叉可能无法及时响应，从而导致吸收谱线失真。此外，还需要优化交流调制深度，以使 2f 响应达到最大值。LabOne Sweeper 可自动扫描相关参数，例如斜坡扫描范围和调制幅值，从而简化参数优化过程，并提高测量结果的可重复性。
压电电流测量：跨阻放大器
跨阻放大器是 QEPAS 信号链中的关键组件。其输入等效噪声是影响系统检测限的重要因素之一。此外，为了在较宽的动态范围内保持较高的测量灵敏度，系统还需要提供可调增益。
MFLI 和 VHFLI 配备集成式低噪声跨阻放大器，无需外接前置放大器即可实现高性能的电流—电压转换，从而简化信号链和系统布线。
长期稳定性与最低检测限：阿伦偏差分析
阿伦偏差（Allan Deviation，ADEV）分析可用于识别不同时间尺度上的噪声特性、评估系统的长期稳定性，并确定合适的积分时间和最低可检测浓度。开展此类分析需要在较长时间内连续采集测量数据。
LabOne 支持一键式数据流传输和 API 调用，可生成连续的数据序列，从而简化阿伦偏差分析所需的数据采集流程。
产品优势
选择瑞士苏黎世仪器的优势
- 高灵敏度与高实验效率：MFLI 和 VHFLI 具有较低的本底噪声，有助于提高测量灵敏度，并在给定信噪比要求下缩短数据采集时间。
- 覆盖完整开发周期：从元器件级的石英音叉表征到完整的系统级测试，苏黎世仪器的锁相放大器可为传感器开发的不同阶段提供统一且灵活的测量平台。
- 自动优化：LabOne Sweeper 可自动完成谐振参数拟合（f₀ 和 Q）、调制深度优化等常规任务，帮助用户快速获得可重复的测量结果。
- 集成式跨阻放大器，降低系统复杂度：内置高性能跨阻放大器，无需额外配置外部前置放大器，可在保持信号完整性的同时简化系统布线。
- 简化数据采集与分析流程：一键式数据流传输和 API 支持可为阿伦偏差等长期稳定性分析提供连续的数据，减少对外部数据采集硬件的依赖。