CN109283141A - 一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统及方法，所述系统包括气体测量池，为长方体形密闭腔体；飞秒激光脉冲发射器，用于发射飞秒激光脉冲；激光分束器，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲；光电导天线，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波；太赫兹探测器；近红外激光器；光电探测器以及数据采集和处理系统。本系统将近红外光腔衰荡光谱测量系统与太赫兹光谱测量系统有机结合，利用近红外光腔衰荡光谱测量系统精确测量呼出气体中的水分含量，并通过运算去除水汽对待测气体太赫兹吸收谱的影响，实现更高精度的检测。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测系统及方法。
背景技术
气体浓度的快速准确检测是安全生产、环境监测、工业控制等领域内必不可少的关键环节，在工业生产、医疗等诸多行业都有着广泛的应用。在医疗健康领域，人体呼出气体中的挥发性有机化学物质（VOCs）的测量作为目前一种无创检测技术，适合于在健康人群中对先兆病人进行筛查，因此受到了越来越多的重视，相应的气体传感器研究也受到了极大地重视。但是，目前常用的气体检测方法存在响应时间长，检测光谱范围窄、信噪比普遍不高的缺点，限制了气体检测的实际应用领域。
太赫兹时域光谱检测技术可以从样品的时域光谱信号中直接提取样品的吸收系数和折射率等物理信息，具有信噪比高、动态范围大、可以检测的光谱范围宽等优点。与近红外光相比，太赫兹波对于有机气体分子的穿透能力要更强，而且从分子光谱学角度考虑，很多气体分子的转动吸收光谱就在太赫兹波段，因此使用太赫兹时域光谱检测技术对这些气体进行检测时，得到的吸收谱线更尖锐，谱线重叠少，对气体特征吸收峰的辨别也就更加容易，检测精度和灵敏度都具有明显的优势。然而，大气及人体呼出气体中水分含量较大，根据水在太赫兹波段的吸收系数曲线，水分在较宽的太赫兹波段有强的吸收，如何较好的排除水汽的影响是太赫兹时域光谱技术用于人体呼出及环境气体检测急需解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种呼出气体中挥发性有机物分子的检测系统，以解决现有技术难以排除水汽影响的问题。
本发明的目的之二在于提供一种呼出气体中挥发性有机物分子的高灵敏度检测方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，包括：
气体测量池，为长方体形密闭腔体，在腔体相对的两侧壁各自设有太赫兹透镜窗，在腔体的另一相对的两侧壁各自设有平凹高反镜，在腔体上设有进气口、出气口和气压监测口，在进气口和出气口处均设有单向阀，在出气口处设有真空泵，在气压监测口设有气压表；
飞秒激光脉冲发射器，用于发射飞秒激光脉冲；
激光分束器，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲；
光电导天线，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波；
太赫兹探测器，设于气体测量池的另一个太赫兹透镜窗的外侧，用于接收穿过气体测量池的太赫兹波，并在探测激光脉冲作用下将太赫兹电磁场转化为光电流；
近红外激光器，设于气体测量池的一个平凹高反镜的外侧，用于向气体测量池内发射纳秒脉冲激光，该脉冲激光和太赫兹波路径相互垂直；
光电探测器，设于气体测量池的另一个平凹高反镜的外侧，用于检测透过气体测量池的光信号强度变化；
数据采集和处理系统，用于采集脉冲激光和太赫兹波经过气体测量腔后的光电信号，并经处理后得到去除水汽干扰的待测气体太赫兹光谱。
所述太赫兹探测器是光电导式天线探测器，所述近红外激光器为对水汽敏感的波长1450nm或1390nm之一的单模脉冲激光器，输出脉宽2~3ns的激光，所述太赫兹透镜窗采用厚度2mm的HDPE材料。
所述光电探测器连接有放大器，由光电探测器接收的光信号经放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集；所述太赫兹探测器连接有锁相放大器，太赫兹探测器接收的信号经锁相放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集。
本发明的目的之二是这样实现的：一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测方法，包括以下步骤：
a、设置去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，包括：
气体测量池，为长方体形密闭腔体，在腔体相对的两侧壁各自设有太赫兹透镜窗，在腔体的另一相对的两侧壁各自设有平凹高反镜，在腔体上设有进气口、出气口和气压监测口，在进气口和出气口处均设有单向阀，在出气口处设有真空泵，在气压监测口设有气压表；
飞秒激光脉冲发射器，用于发射飞秒激光脉冲；
激光分束器，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲；
光电导天线，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波；
太赫兹探测器，设于气体测量池的另一个太赫兹透镜窗的外侧，用于接收穿过气体测量池的太赫兹波，并在探测激光脉冲作用下将太赫兹电磁场转化为光电流；
近红外激光器，设于气体测量池的一个平凹高反镜的外侧，用于向气体测量池内发射纳秒脉冲激光，该脉冲激光和太赫兹波路径相互垂直；
光电探测器，设于气体测量池的另一个平凹高反镜的外侧，用于检测透过气体测量池的光信号强度变化；
数据采集和处理系统，用于采集脉冲激光和太赫兹波经过气体测量腔后的光电信号，并经处理后得到去除水汽干扰的待测气体太赫兹光谱；
b、在气体测量池内充满气压值为b的干燥氮气，采集并记录太赫兹时域信号r1及近红外光腔衰荡波形s0，根据波形s0计算得到其衰荡时间记为τ0；
c、在气体测量池内充入水汽浓度为a的氮气，并保持测量池内气压值为b，采集并记录太赫兹时域信号r2及近红外光腔衰荡波形s1，根据波形s1计算得到其衰荡时间记为τ1；
d、将测得的太赫兹时域信号r1、r2分别进行傅里叶变换记为Fr1、Fr2，Fr2/ Fr1得到水汽浓度为a的样品的太赫兹吸收谱记作F1；根据
（Ⅰ）
计算出水汽浓度为a的样品的吸收系数α1，其中，c为光速；
e、在气体测量池充满待测气体并保持恒定气压b，采集并记录太赫兹时域信号r3及近红外光腔衰荡波形s2，根据波形s2计算得到其衰荡时间记为τ2；
f、将测得的太赫兹时域信号r3进行傅里叶变换记为Fr3，由Fr3/Fr1得到待测气体的太赫兹吸收谱记作F2；根据
（Ⅱ）
计算出待测气体的吸收系数α2，其中，c为光速；然后根据F=F2-F1*α2/α1计算得到去除水汽干扰的待测气体的太赫兹吸收光谱。
步骤a中，所述太赫兹探测器是光电导式天线探测器，所述近红外激光器为波长1450nm或1390nm之一的单模脉冲激光器，输出脉宽2~3ns的激光，所述太赫兹透镜窗采用厚度2mm的HDPE材料；所述光电探测器连接有放大器，由光电探测器接收的光信号经放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集；所述太赫兹探测器连接有锁相放大器，太赫兹探测器接收的信号经锁相放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集。
探测激光脉冲与泵浦激光脉冲是相干同步的，测量中，通过移动延迟线来改变探测激光脉冲与泵浦激光脉冲之间的光程差，完成对太赫兹脉冲的扫描。
测定过程中，通过气压表和控制真空泵保持气体测量池内部气体压力的恒定。
与现有技术相比，本系统将近红外光腔衰荡光谱测量系统与太赫兹光谱测量系统有机结合，利用近红外光腔衰荡光谱测量系统精确测量呼出气体中的水分含量，并通过运算去除水汽对待测气体太赫兹吸收谱的影响，能够有效避免水汽与特征分子的光谱重叠，实现更高精度的检测。
附图说明
图1.本发明检测系统的结构示意图。
图2.本发明检测方法的流程图。
图中，1、飞秒激光脉冲发射器，2、激光分束器，3、光电导天线，4、气体测量池，5、太赫兹透镜窗，6、近红外激光器，7、平凹高反镜，8、光电探测器，9、放大器，10、步进位移平台，11、锁相放大器，12、数据采集和处理系统，13、气压监测口，14、进气口，15、出气口，16、太赫兹探测器。
具体实施方式
下面通过实施例详细说明本发明。
实施例1
一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，包括：
气体测量池4，为长方体形密闭腔体，在腔体相对的两侧壁各自设有太赫兹透镜窗5，在腔体的另一相对的两侧壁各自设有平凹高反镜7，在腔体上设有进气口14、出气口15和气压监测口13，在进气口和出气口处均设有单向阀，在出气口处设有真空泵，在气压监测口设有气压表；
飞秒激光脉冲发射器1，用于发射飞秒激光脉冲。
激光分束器2，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲。
光电导天线3，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波。
太赫兹探测器16，设于气体测量池的另一个太赫兹透镜窗的外侧，用于接收穿过气体测量池的太赫兹波，并在探测激光脉冲作用下将太赫兹电磁场转化为光电流。
近红外激光器6，设于气体测量池的一个平凹高反镜的外侧，用于向气体测量池内发射纳秒脉冲激光，该脉冲激光和太赫兹波路径相互垂直。
光电探测器8，设于气体测量池的另一个平凹高反镜的外侧，用于检测透过气体测量池的光信号强度变化。
数据采集和处理系统12，用于采集脉冲激光和太赫兹波经过气体测量腔后的光电信号，并经处理后得到去除水汽干扰的待测气体太赫兹光谱。
太赫兹光谱测量系统中，飞秒激光脉冲被激光分束器（半透半反镜）分割为两束，一束用来激发光电导天线向外辐射太赫兹波，另一束光用来将太赫兹探测器接收到的太赫兹电磁场转化为光电流，实现对太赫兹波的探测。使用的太赫兹探测器是光电导式天线探测器。探测激光脉冲与泵浦激光脉冲是相干同步的，通过移动延迟线来改变探测光与泵浦光之间的光程差（几十个fs量级），完成对太赫兹脉冲的扫描，利用数据采集卡及计算机记录经锁相放大器放大的太赫兹探测器信号。
近红外光腔衰荡光谱测量系统中，采用的光源为波长1450nm或1390nm之一的单模脉冲激光器输出脉宽2~3ns的激光，脉冲光经过光隔离器进入由两面高反射率平凹镜及气体测量池构成的光学谐振腔。利用光电探测器接收经过待测气体后的光信号，经过放大器放大后利用数据采集卡及计算机进行数据采集。根据采集到的光电探测器信号衰荡时间计算得到待测气体水分含量。
气体测量池为长方体结构，太赫兹光束路径与近红外光束路径相互垂直。太赫兹透镜窗采用对太赫兹波具有较高通过率的厚度2mm的HDPE材料。近红外光衰荡腔的两面反射率>99.9%的平凹镜固定于测量池内壁，反射镜倾角可以通过调整螺杆调整，保证近红外光在测量池建立起稳定衰荡。
实施例2
测量气体通过腔体的进气口进入测量池，通过出气口排出。通过气压监测口处连接的压力传感器及真空泵控制保持腔体内部气体压力的恒定。
测量前先在测量池充满气压值为b的干燥氮气，采集并记录太赫兹时域信号r1及近红外光腔衰荡波形s0，根据波形s0计算得到衰荡时间记为τ0。将测量池充入水汽浓度为a的氮气，采集并记录太赫兹时域信号r2及近红外光腔衰荡波形s1，根据波形s1计算得到此信号幅值由最大值衰减到1/e的衰荡时间τ1。
根据光腔衰荡光谱理论，待测样品的吸收系数α1可由如下公式计算得到：
（Ⅰ）
其中c为光的传播速度。
将测得的太赫兹时域信号r1、r2分别进行傅里叶变换记为Fr1、Fr2，Fr2/ Fr1得到水汽浓度为a的样品的太赫兹吸收谱记作F1。根据Lambert-Beer定律，气体浓度越高，相应的太赫兹吸收谱线对应位置幅值越高。
在测量池充满待测气体并保持恒定气压b，采集并记录太赫兹时域信号r3及近红外光腔衰荡波形s2。将测得的太赫兹时域信号r3进行傅里叶变换记为Fr3，由Fr3/Fr1得到待测气体的太赫兹吸收谱记作F2。根据波形s2计算得到衰荡时间记为τ2。
根据光腔衰荡光谱理论，
（Ⅱ）
计算待测气体的吸收系数α2。
将上述测量结果利用公式F=F2-F1*α2/α1计算得到去除水汽影响的待测样品的太赫兹吸收光谱，本发明具有检测便捷、敏度高、特异性强的优点。
Claims (7)
1.一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，其特征在于，包括：
气体测量池，为长方体形密闭腔体，在腔体相对的两侧壁各自设有太赫兹透镜窗，在腔体的另一相对的两侧壁各自设有平凹高反镜，在腔体上设有进气口、出气口和气压监测口，在进气口和出气口处均设有单向阀，在出气口处设有真空泵，在气压监测口设有气压表；
飞秒激光脉冲发射器，用于发射飞秒激光脉冲；
激光分束器，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲；
光电导天线，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波；
太赫兹探测器，设于气体测量池的另一个太赫兹透镜窗的外侧，用于接收穿过气体测量池的太赫兹波，并在探测激光脉冲作用下将太赫兹电磁场转化为光电流；
近红外激光器，设于气体测量池的一个平凹高反镜的外侧，用于向气体测量池内发射纳秒脉冲激光，该脉冲激光和太赫兹波路径相互垂直；
光电探测器，设于气体测量池的另一个平凹高反镜的外侧，用于检测透过气体测量池的光信号强度变化；
数据采集和处理系统，用于采集脉冲激光和太赫兹波经过气体测量腔后的光电信号，并经处理后得到去除水汽干扰的待测气体太赫兹光谱。
2.根据权利要求1所述的去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，其特征在于，所述太赫兹探测器是光电导式天线探测器，所述近红外激光器为波长为1450nm或1390nm之一的单模激光器，输出脉宽2~3ns的脉冲激光，所述太赫兹透镜窗采用厚度2mm的HDPE材料。
3.根据权利要求1所述的去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，其特征在于，所述光电探测器连接有放大器，由光电探测器接收的光信号经放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集；所述太赫兹探测器连接有锁相放大器，太赫兹探测器接收的信号经锁相放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集。
4.一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、设置去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，包括：
气体测量池，为长方体形密闭腔体，在腔体相对的两侧壁各自设有太赫兹透镜窗，在腔体的另一相对的两侧壁各自设有平凹高反镜，在腔体上设有进气口、出气口和气压监测口，在进气口和出气口处均设有单向阀，在出气口处设有真空泵，在气压监测口设有气压表；
飞秒激光脉冲发射器，用于发射飞秒激光脉冲；
激光分束器，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲；
光电导天线，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波；
太赫兹探测器，设于气体测量池的另一个太赫兹透镜窗的外侧，用于接收穿过气体测量池的太赫兹波，并在探测激光脉冲作用下将太赫兹电磁场转化为光电流；
近红外激光器，设于气体测量池的一个平凹高反镜的外侧，用于向气体测量池内发射纳秒脉冲激光，该脉冲激光和太赫兹波路径相互垂直；
光电探测器，设于气体测量池的另一个平凹高反镜的外侧，用于检测透过气体测量池的光信号强度变化；
数据采集和处理系统，用于采集脉冲激光和太赫兹波经过气体测量腔后的光电信号，并经处理后得到去除水汽干扰的待测气体太赫兹光谱；
b、在气体测量池内充满气压值为b的干燥氮气，采集并记录太赫兹时域信号r1及近红外光腔衰荡波形s0，根据波形s0计算得到其衰荡时间记为τ0；
c、在气体测量池内充入水汽浓度为a的氮气并保持气压值为b，采集并记录太赫兹时域信号r2及近红外光腔衰荡波形s1，根据波形s1计算得到其衰荡时间记为τ1；
d、将测得的太赫兹时域信号r1、r2分别进行傅里叶变换记为Fr1、Fr2，Fr2/ Fr1得到水汽浓度为a的样品的太赫兹吸收谱记作F1；根据
（Ⅰ）
计算出水汽浓度为a的样品的吸收系数α1，其中，c为光速；
e、在气体测量池充满待测气体并保持恒定气压b，采集并记录太赫兹时域信号r3及近红外光腔衰荡波形s2，根据波形s2计算得到其衰荡时间记为τ2；
f、将测得的太赫兹时域信号r3进行傅里叶变换记为Fr3，由Fr3/Fr1得到待测气体的太赫兹吸收谱记作F2；根据
（Ⅱ）
计算出待测气体的吸收系数α2，其中，c为光速；然后根据F=F2-F1*α2/α1计算得到去除水汽干扰的待测气体的太赫兹吸收光谱。
5.根据权利要求4所述的去除水汽干扰的呼出气体光谱检测方法，其特征在于，步骤a中，所述太赫兹探测器是光电导式天线探测器，所述近红外激光器为波长为1450nm或1390nm之一的单模激光器，输出脉宽2~3ns的脉冲激光，所述太赫兹透镜窗采用厚度2mm的HDPE材料；所述光电探测器连接有放大器，由光电探测器接收的光信号经放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集；所述太赫兹探测器连接有锁相放大器，太赫兹探测器接收的信号经锁相放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集。
6.根据权利要求4所述的去除水汽干扰的呼出气体光谱检测方法，其特征在于，探测激光脉冲与泵浦激光脉冲是相干同步的，测量中，通过移动延迟线来改变探测激光脉冲与泵浦激光脉冲之间的光程差，完成对太赫兹脉冲的扫描。
7.根据权利要求4所述的去除水汽干扰的呼出气体光谱检测方法，其特征在于，测定过程中，通过气压表和控制真空泵保持气体测量池内部气体压力的恒定。
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