近日，中国的研究团队取得重大突破，在《Advanced Photonics》上发表了一项研究成果。他们成功研制出一种创新的微型全光纤光声光谱仪（FPAS）。
这种一体化的光纤光谱仪采用紧凑的微型设计，性能可与传统的实验室系统相媲美。能检测到十亿分之一（ppb）水平痕量浓度的微型光谱系统，在环境监测、工业过程控制和生物医学诊断等领域至关重要。
然而，传统台式光谱系统通常体积大、结构复杂，在狭窄空间使用不切实际。传统激光光谱技术依赖庞大组件，如光源、镜子、探测器和气体池等来测量光吸收或散射，不适合诸如血管内诊断等需要小巧和精确的应用场景。 该微型全光纤光声光谱仪由一根光纤、一个石英毛细管和一个弹性膜组成。光纤的端面和膜形成法布里-珀罗腔。当气体分子吸收泵浦光时，会产生声波，导致膜振动，进而改变反射探测光的强度，通过分析该强度来检测痕量气体浓度。
济南大学的白欧关教授解释说：“我们致力于解决将现有的光声光谱仪缩小到微型尺寸，同时保持其高传感性能这一重大挑战，特别是对于血管内诊断和对侵入性要求极低的锂电池健康监测而言。” 与现有的大多采用开放式配置、设备尺寸越小灵敏度越低的激光光谱系统不同，FPAS 利用光声光谱技术，检测气体分子受调制光激发时产生的声波。它将激光图案化的弹性膜集成到带有一段石英毛细管的单个光纤尖端，构建出微型法布里-珀罗腔，以实现局部声放大，弥补了膜直径减小导致的灵敏度损失。
此外，泵浦光和探测光均通过同一根光纤直接传输，避免了庞大的自由空间光学用于光传输。 该系统的 F-P 腔长度仅为 60 微米，直径为 125 微米，极为紧凑。尽管尺寸小，但对乙炔气体的检测限低至 9ppb，几乎与更大的传统实验室光谱仪一样灵敏，且响应时间短至 18 毫秒，比传统光声光谱系统快 2 到 3 个数量级。
研究人员成功实现了流动气体中实时二氧化碳浓度的监测，能检测到样本体积小至 100 纳升的酵母溶液发酵情况，还通过注射器将 FPAS 插入大鼠尾静脉追踪了体内溶解二氧化碳水平。
而且，光纤易于连接到低成本的分布式反馈激光源，并能与现有的光纤网络集成，使该系统成为光谱学中经济高效、紧凑且灵活的解决方案。
这种微型光谱仪具有体积小、灵敏度高和样本量需求低的特点，以微型探头形式提供了实验室级别的精度，在连续血管内血气监测、锂离子电池的微创健康评估以及极窄空间内爆炸性气体泄漏的远程检测等应用方面极具潜力。
参考文献：“用于原位和实时痕量气体传感的微型光纤光声光谱”，作者：马军、范恩博、刘豪杰、张毅、麦聪、李鑫、金伟和白欧关，2024 年 12 月 17 日，《先进光子学》。DOI：10.1117/1.AP.6.6.066008
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