一种用于矿井环境实时监测的紧凑型多路有害气体传感平台

《ACS Measurement Science Au》：A Compact Multiplexed Hazardous Gas Sensing Platform for Real-Time Monitoring in Mining Scenarios

研究人员为应对密闭空间（如矿井）中有害气体实时监测的挑战，开发了一种集成了多个量子级联激光器（QCLs）和基底集成空心波导（iHWGs）的紧凑型分析平台，实现了对SO2、H2S、CO2、CH4、NO和NO2等气体的实时、高选择性定量检测，其检测限（LODs）满足相关职业暴露限值（PELs）要求，为恶劣工况下的气体监测提供了可行的解决方案。

　　

你是否想过，在地下数百米的矿井深处，除了黑暗和粉尘，还潜藏着哪些肉眼看不见的威胁？在隧道、车间等密闭空间中，来自燃料燃烧、设备运行的多种有害气体，如二氧化硫（SO₂）、硫化氢（H₂S）、甲烷（CH₄）等，可能因通风不畅而快速积聚。这些气体不仅有毒，有些还具有爆炸风险，严重威胁着矿工等从业人员的健康与安全。为了管控风险，职业安全与健康管理局（OSHA）等机构为这些气体设定了严格的容许暴露限值（PELs）。然而，要在条件恶劣、空间有限的矿井现场，对多种气体进行实时、精准的监测，却是一个巨大的技术难题。

传统的“金标准”方法气相色谱-质谱联用（GC-MS）设备庞大且无法提供实时数据。低成本金属氧化物半导体（MOX）传感器则受限于选择性差、易受湿度干扰和长期不稳定性。基于中红外（MIR）光谱的光学传感技术虽能提供高特异性的分子识别，但传统傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪通常配备复杂、笨重的多通气体池，难以部署到现场。

为了破解这一难题，一个研究团队开发并验证了一种集成化、紧凑型的有害气体多路传感平台，将多个量子级联激光器（QCLs）与基底集成空心波导（iHWGs）相结合。这项研究成果发表在《ACS Measurement Science Au》上，为密闭工作空间，特别是地下矿井中的有毒气体实时监测，提供了一种强有力的新工具。

关键技术与方法概览

本研究核心技术是构建多路量子级联激光器-基底集成空心波导（QCL-iHWG）传感通道。每个通道针对一种目标气体（SO₂/H₂S、CO₂、CH₄、NO、NO₂），选用特定发射波长的分布反馈式量子级联激光器（DFB-QCL），并将其与作为微型气体吸收池的iHWG、以及碲镉汞（MCT）探测器直接耦合，无需额外光学元件。系统采用基于Arduino的电路进行激光驱动、温度控制、信号采集与处理，并支持无线通信。对于红外吸收较弱的H₂S，研究采用了紫外（UV）辅助转化法，先将其转化为强红外吸收的SO₂再进行检测。整个平台尺寸为470 × 320 × 100 mm，具备良好的现场部署适应性。气体标准样品通过质量流量控制器（MFC）系统进行配制和输送。

研究结果

1. 优化紫外辅助H₂S向SO₂的转化

由于H₂S在中红外波段吸收很弱，研究采用了一个微型紫外灯（波长185 nm）和盘绕石英管流动装置，将H₂S在线转化为SO₂。在10 mL min^–1的流速下，转化效率达到54% ± 1%，不确定度低于2%，对分析方法影响可忽略。该转化模块与后续光学检测系统集成，实现了对H₂S的间接定量。

2. 优化量子级联激光器（QCL）工作条件

研究首先将每个QCL的辐射耦合到FTIR光谱仪中，以确定其随温度和电流变化的发射波长。在优化条件下，各QCL在5分钟连续运行中功率稳定性良好（相对标准偏差低于0.5%）。通过评估信噪比（SNR），为每种目标气体确定了最佳的激光工作电流和温度。例如，针对CH₄、CO₂、SO₂/H₂S、NO₂和NO的QCL，其最佳工作温度分别为20°C、20°C、25°C、35°C和20°C。优化后，系统噪声值在15至25 μV之间，SNR值在52至120之间，为高灵敏度检测奠定了基础。

3. 分析性能指标

该多路QCL-iHWG传感系统对每种气体在校准浓度范围内均表现出优异的线性（r2 > 0.99）。在优化条件下，系统能够检测接近矿井容许暴露限值（PELs）的所有目标气体，其检测限（LOD）分别为：SO₂0.3 ppmv、H₂S 7 ppmv、CO₂100 ppmv、CH₄100 ppmv、NO 5 ppmv、NO₂3 ppmv。研究指出，水蒸气干扰预计很小，且由于QCL、iHWG和探测器的直接耦合，微小振动不太可能造成光学干扰，因此该平台有望在矿井等真实恶劣环境中可靠运行。

研究结论与意义

本研究成功开发并验证了一种集成、紧凑的多气体传感平台。该平台结合了多个量子级联激光器（QCLs）和基底集成空心波导（iHWGs），能够实时定量检测CH₄、CO₂、SO₂、H₂S、NO和NO₂。其中，甲烷、二氧化碳、二氧化硫和二氧化氮通过其特有的中红外吸收带直接检测，而硫化氢则通过紫外辅助转化为二氧化硫后进行间接定量。该系统响应速度快（约1分钟），在有害气体浓度接近矿井职业暴露限值（PEL）的范围内具有足够的灵敏度，证实了其未来在职业场所，特别是地下矿井中进行有毒气体现场监测的实用性和鲁棒性。虽然对于NO₂，其线性范围下限（8 ppmv）接近其PEL（5 ppmv），但其检测限（1.3 ppmv）仍低于该值，线性范围受限于气体标准混合物制备，未来可进一步优化。这项工作的意义在于，它提供了一种高度特异性、抗干扰能力强且适合现场部署的解决方案，克服了传统GC-MS的笨重和MOX传感器的选择性差等缺点，为保障矿工等高风险职业人群的健康与安全提供了先进的技术工具。未来工作可集中于将多个QCL集成到单个定制化的iHWG中，以实现气体混合物的顺序分析，从而进一步缩小整个有害气体传感方案的体积。