甲烷、二氧化碳、一氧化二氮和挥发性有机化合物 (VOC) 等痕量气体是造成空气污染的重要因素。监测这些气体对于量化排放、评估减排措施以及为监管决策提供信息至关重要。

传统的光谱方法，例如傅里叶变换红外 (FTIR)光谱和气相色谱法，通常在分辨率、速度和适应性方面存在不足。双梳光谱 (DCS) 具有超高光谱分辨率、快速数据采集和便携部署的特点，非常适合在复杂环境中进行实时气体检测。

双梳光谱的工作原理

DCS 使用两个光频梳 (OFC)（发射等距频率光谱的激光器）进行宽带高分辨率光谱测量。通过设置两个光频梳略微不同的重复频率（分别表示为f r1? 和 f r2），系统可以生成一系列拍音。

这些拍频形成射频 (RF) 梳，将光谱下变频为可测量信号。这一过程使得能够快速、非扫描地采集宽带宽的高分辨率光谱。

该技术的一个关键推动因素是使用可调谐、增益开关的法布里-珀罗激光二极管，其以低重复率（~100 MHz）运行，在近红外（NIR）范围内产生约 40 nm 的稳定梳状光。

通过光注入锁定来保持梳子之间的相干性，从而确保解决精细分子吸收特征所需的精度。

使用异差检测捕获由此产生的干涉信号，其中两个梳子在光电探测器上拍打以产生射频梳。

射频音调之间的间隔对应于两个梳状光的重复率差（Δf r ?=f r2? ?f r1），从而有效地将光谱映射到更易于管理的频域中。这种配置使得光谱数据能够在几毫秒内捕获，比传统的基于扫描的技术快几个数量级。

DCS系统也实现了广泛的光谱覆盖，最近的配置在中红外（MIR）波段覆盖超过2 THz。这一范围对于检测甲烷和乙烷等气体尤其有用，因为它们的光谱特征在中红外波段经常重叠。

为什么使用DCS进行环境监测

与傅立叶变换红外光谱 (FTIR) 和光腔衰荡光谱 (CRDS) 等成熟技术相比，DCS 的性能显著提升。其光谱分辨率低至 100 MHz，能够识别细微的分子特征和动态气体相互作用。

该方法可同时检测超过20种气体，即使浓度达到万亿分之一（ppt）也无妨。这种多物种检测能力使其能够高效地进行全面的空气成分分析，尤其是在存在多个排放源的环境中。

DCS 适合现场部署?？怕肪杜渲每墒迪质倜字潦锞嗬氲牟饬浚扌枋导什杉?，是大型工业场所、农业区以及偏远或交通不便地区监测的理想选择。

技术创新推动DCS发展

最近的几项创新正在扩展双梳光谱的能力，提高其灵敏度、分辨率和对现实世界气体传感的适应性。

与腔光机械集成

一种方法——双梳光机光谱法 (DCOS)——将 DCS 与光声检测相结合。在这种方法中，气体分子吸收双梳激发的光，产生超声波，并被纳米机械膜捕获。

该装置已证明其噪声等效吸收系数比传统光声技术低约1000倍。该膜的宽带机械响应覆盖10 kHz至1.1 MHz的频率，支持实时检测复杂的混合气体，例如工业排放中的混合气体。

调制振铃梳干涉法

为了解决腔增强 DCS 中的限制，即强吸收会影响路径长度的增强，研究人员开发了调制振铃梳状干涉仪。

通过调制腔长并分析多普勒频移梳状线，该技术实现了23,000的精细度和1,010 cm?1的光谱覆盖范围。因此，它能够对呼出气体和环境空气中的20多种物质进行ppt级检测。

可调整且经济高效的系统

增益开关激光二极管和低成本电子设备的进步使DCS变得普及。例如，使用阶跃恢复二极管 (SRD) 和软件定义无线电的系统在保持40 GHz带宽和400条梳状线的同时，降低了成本。

可调光注入技术也提高了光谱灵活性，使DCS系统无需重新配置硬件即可瞄准特定吸收带。这种灵活性对于监测活性气体或特定物种的气体（例如硫化氢或氨）尤其有用。

环境监测中的应用

石油和天然气作业产生的甲烷排放

甲烷是一种强效温室气体，由于其空间和时间来源的变化，其监测面临巨大挑战。

在《化学前沿》发表的一项实地研究中，科罗拉多州的一口非常规油井部署了一套中红外DCS系统。该系统能够同时探测250至500米开放路径上的甲烷、乙烷和丙烷。

该系统成功识别了钻井和水力压裂过程中的排放热点。测得的乙烷与甲烷的比率提供了宝贵的来源归因分析，区分了化石燃料排放和生物源甲烷。

城市空气质量和VOC追踪

在德国弗莱堡，研究人员应用DCS监测城市空气中的一氧化二氮和一氧化碳。该技术解决了4.6 μm波长范围内的光谱干扰问题，该波长范围内的吸收线重叠明显。该系统的光谱采集速率为10 Hz，一氧化碳的测量精度达到30 ppm，一氧化二氮的测量精度达到50 ppm，从而有助于实时绘制污染地图。

农业和工业排放

开放式DCS也已应用于测量畜牧养殖场的氨气排放和水泥生产过程中的二氧化碳排放?？坡蘩嘀荼辈康囊幌钛芯勘砻鳎孟低衬芄灰孕∮?%的不确定度量化通量，这对于遵守环境?；な?span style="color: rgb(51, 51, 51); background-color: rgb(255, 255, 255);">(EPA)的规定至关重要。

当前的限制和新兴解决方案

尽管DCS功能强大，但仍面临诸多技术和实践障碍。高精度光学腔和稳定频率梳的使用增加了系统的复杂性和成本，限制了其在专业实验室以外的应用。

现场部署还会生成TB级数据集，需要强大的算法和计算资源进行实时处理和解读。此外，环境条件（尤其是湿度和温度波动）可能会扭曲吸收光谱，因此需要可靠的校准策略来保持准确性。

展望未来，持续的小型化努力以及与物联网 (IoT) 技术的融合预计将拓展分布式控制系统 (DCS) 的可用性。光子集成电路 (PIC) 和量子级联激光器 (QCL) 正在推动紧凑型便携式 DCS 系统的开发。结合人工智能 (AI) 驱动的分析技术，这些平台可以支持智慧城市中的无线传感器网络。

将DCS技术扩展到紫外（UV）和太赫兹波段的努力，或将开辟新的应用领域，包括检测臭氧、重金属或其他具有传统中红外波段以外特征的物质。在监管方面，欧盟《工业排放指令》等举措正在加速对标准化、高精度监测工具的需求。

DCS 能够以高分辨率提供精确的多物种气体测量，为下一代环境传感提供了强有力的候选者，特别是在系统成本降低和部署变得更具可扩展性的情况下。

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