团队成员在对天然气管道进行泄漏点排查。

武红鹏教授（左）和团队成员在精密调节光路。

团队成员在无人机测试现场讨论问题。

董磊在测试石英增强光声气体传感装置。

　　3月13日，山西大学激光光谱研究所一间实验室里，桌面被各种精密的仪器、设备、实验物品占得满满当当，7名同学正埋头于仪器设备之中，专注地进行着实验操作。“这是我们研发的痕量气体检测装置，采用了可调谐二极管激光吸收光谱技术，能够精确检测空气中的微量气体……”博士生王刚指着一台复杂的仪器介绍。
　　山西大学光量子技术与器件全国重点实验室痕量气体检测科研团队长期从事激光光谱气体传感方面的研究，并在激光吸收光谱气体检测方面取得了一系列重要技术成果。但如何推动科研成果走出实验室，实现落地转化，服务生产生活，一直是团队关注的焦点。近年来，他们在不断推进技术创新的同时，利用自主创新成果成功开展了一系列基于痕量气体检测的实践应用探索，致力于构建一张覆盖城市安全、能源保障、生态环境等领域，事关国计民生的“隐形安全网”。

突破技术瓶颈
打通从实验室到应用的“最后一公里”

　　痕量气体是指非常微量的气体，浓度在百万分之一到万亿分之一之间，但有可能对人体健康和环境产生严重影响。以甲烷为例。甲烷是天然气的主要成分，作为一种优质高效的清洁能源，被广泛用于民用燃料、工业燃料、化工原料等领域。正因输送量大、管网长，一旦发生泄漏，不仅会造成资源浪费，还可能引发火灾、爆炸等事故。燃气管网运行安全问题成为时刻高悬的一把利剑。
　　因此，甲烷痕量气体的高灵敏度和高选择性检测技术，对于守护生命健康、保障安全生产、维护环境质量有着无法估量的作用。“传统的商用气体传感器，如基于电化学、催化燃烧和光致电离技术的传感器，虽广泛应用于工业和生活场景，但存在共同缺陷——气体选择性差，容易受到交叉干扰；高精度的质谱仪和色谱仪虽能准确区分不同气体成分，但体积庞大，无法实现便携化。”王刚在分析相关设施设备时说。
　　“目前，可调谐半导体激光吸收光谱技术凭借其卓越的气体检测能力，成为痕量气体浓度检测领域的重要工具。”山西大学副教授刘宇峰介绍，“该技术的原理是基于气体分子的特征吸收光谱，通过测量气体与特定波长激光作用后激光强度变化的情况，实现目标气体浓度的反演。其优势在于非接触式检测、高精度和高选择性。”但是，该技术的关键设计之一——用于折叠光路的多通池设计在便携化和小型化应用中仍面临挑战。首先，传统多通池的镜面利用率较低，导致设备体积庞大、重量较重；其次，针对特定吸收波段，商用激光器及其驱动设备往往存在功耗高、操作复杂的问题。此外，传统多通池的大体积设计延长了气体交换时间，限制了系统的响应速度，给实时动态监测应用带来一定困难。
　　“团队的核心创新，就在于攻克了气体检测灵敏度与设备便携化的关键难题。”团队负责人、山西大学武红鹏教授介绍了团队创新成果，“抑制了光声光谱及可调谐半导体吸收光谱技术背景噪声，获得了多气体探测灵敏度的世界先进水平；解决了高灵敏的石英增强光声光谱从近红外向中红外和太赫兹波段的应用拓展，以及传感系统响应时间长且需要反复校准等关键技术难题；研发了系列新型激光吸收光谱气体传感设备，各项指标达到或优于国际同类产品，实现了进口设备的国产替代可能性。”

创新技术落地
让“气体唱歌”与“光路折叠”成为现实

　　“具体来说，主要是研发了可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）和石英增强光声光谱（QEPAS）两项检测技术。”王刚说，TDLAS技术的核心原理是利用激光照射气体，看气体吸收了多少光，从而判断气体的种类和浓度。他作了个形象的比喻，“想象你拿着一支手电筒（激光器）照向前方，但空气中有一些‘看不见的玻璃’（痕量气体），这些玻璃会选择性地挡住某种颜色的光（光的吸收）。如果你能精准测量光的强度变化，就能推断空气里有什么‘玻璃’，也就是某种特定气体。”为了提升检测灵敏度，团队创新性延长了光与物质相互作用的光程。例如，在4厘米的空间里，通过在一对1英寸的球面镜上反射上百次，实现了约5米的等效光程。这种设计不仅大幅提升了检测灵敏度，还使得传感器的微型化成为可能。
　　“QEPAS技术是利用商用标准音叉作为传感器，基于光声效应进行测量。简单来说，当激光照射空气中的气体分子时，这些分子吸收激光后会产生微小的振动，相当于‘气体在唱歌’。”王刚说，这种“歌声”非常微弱，人耳无法听到。因此，团队使用石英音叉作为“麦克风”，捕捉这些微小的振动并将其转换成可测量的信号，由此就能准确判断空气中含有哪些气体及其浓度。
　　“技术指标是实验室追求的核心价值，但是低成本与便携化才是科技创新成果应用于实践的关键。”采访中，山西大学物理电子工程学院副院长王申强调。
　　针对传统气体检测技术及相关设备存在的选择性差、灵敏度低、体积笨重等难题，武红鹏和董磊带领痕量气体检测科研团队集中攻关突破，在TDLAS和QEPAS两项检测技术的基础上，提出了创新性设计构想：通过提高球面镜的利用率，在缩减尺寸的同时延长光学路径，从而提升探测的灵敏度。“在一次次的理论模拟实验后，我们设计出了一种7圈密集光斑模式微型多通池，极大提升了球面镜的镜面利用率。”武红鹏表示，随后团队采用光学操控技术，又制造出体积仅为（4×4×6）cm3的碳纤维微型多通池，但依然实现了长达4.2米的有效光学路径。“为了进一步提高便携性，团队将多通池、准直光纤和光电探测器一体化集成，避免了传统复杂的光学对准过程。微型多通池采用开腔结构设计，系统响应时间小于1秒，从而满足了实时监测的需求。”
　　球面镜多通池的创新设计，合理延长了光的传播距离，在不增加成本的情况下提升了检测灵敏度，并实现了设备的小型化。“经实验评估，便携甲烷传感器系统检测极限低至200ppb，远低于大气甲烷浓度2ppm，测量范围达到0—100ppm，并展现出优异的线性响应。而且，由于采用碳纤维结构，传感器表现出卓越的抗震性能，适用于多场景应用。”团队每一个成员都充满欣喜。至此，这一便携性关键技术使得TDLAS和QEPAS两项检测技术走出实验室，开始在实践中生根发芽。

服务国计民生
从燃气管网到冬奥会的“安全卫士”

　　近年来，痕量气体检测科研团队与地方政府和关键企业双向奔赴，不断推进痕量气体检测技术成果落地转化，让原本在实验室内通过高精尖仪器才能实现的“分子级感知”逐渐融入进了国计民生关键领域。
　　今年2月，该团队在中国科学院一区TOP期刊Sensors and Actuators:B.Chemical上发表论文，以《使用小型多通池的便携甲烷传感器系统用于天然气泄漏的移动监测》为题，详细介绍了TDLAS技术及基于该项技术开发的便携式甲烷传感器系统，特别是在吕梁市柳林县天然气管道检测中开展的实际应用。
　　柳林县委、县政府高度重视煤气管网安全管理，坚持将安全关口前移，加强预防管理。“2023年冬季，从天然气厂站到住户家里，双方合作在柳林县开展了一次燃气管网的全线‘体检’。”刘宇峰回忆团队与柳林县住建局的合作时说。
　　据介绍，当时团队在全面收集当地燃气管网建造图纸、维护日志和以往评估报告等资料，并实地调研燃气管网的运行现状后，利用便携甲烷传感器，以中压、低压管线及调压站、调压柜、调压箱、阀门井等关键设施为重点进行了一次全面巡检，详细绘制了全县甲烷浓度分布图，精准定位出7处隐蔽泄漏点。“团队自主研发的痕量气体检测技术，其灵敏度高达0.2ppm，能够高效、精准地检测大气中的甲烷浓度，及时发现、有效定位微量泄漏点。”王刚介绍说。
　　“柳林县住建局亲自部署并全程参与了管线排查，结合特种设备及燃气管道老化的定期检验与安全评估实际，提出了痕量气体检测技术在燃气管网安全运行检测应用中的针对性建议。”刘宇峰说，“与柳林县住建局的这次合作，又一次验证了我们技术的可行性，也给予了我们更大的信心，为地方经济和社会的可持续发展提供了有力支撑。”
　　在燃气检测领域，该团队研发的传感器不仅可以用于室外巡检，还可以应用于楼宇内部的实时监测。“楼宇内部的燃气聚集是最危险的，传统的燃气报警装置只能在燃气浓度达到一定阈值时发出警报，而团队研发的传感器能够实时监测燃气浓度，及时发现安全隐患。”王刚介绍，“在电网中，六氟化硫（SF6）是一种常用的绝缘气体，但在高压环境下，六氟化硫可能会分解产生有害气体，这些有害气体不仅腐蚀设备，还可能影响电网的绝缘性能，进而威胁电力系统的安全稳定运行。团队与山东某公司合作，开发了基于QEPAS技术的六氟化硫分解气体检测仪，能够实时监测电网中的气体成分，确保电力设备安全运行。目前团队研发的人体呼出氨气检测仪也已进入科研验证阶段，未来或成为人体疾病筛查的‘无创哨兵’。”
　　该团队还把研发的检测系统搭载在无人机上，应用于2022年北京冬奥会张家口赛区应急安全管理，为北京冬奥会筑起气体安全屏障。团队崔茹悦博士基于该系统中的核心器件指导学生斩获2024中国国际大学生创新大赛省赛金奖的相关项目，更形成了“科研—育人—应用”良性循环。“团队还在不断推进芯片级光波导传感器的研发，这一检测技术未来可集成至手机终端，有望构建全民参与的空气质量监测网络。同时努力推动国家标准的制定，推动气体检测技术的标准化和普及化。”武红鹏表示，未来气体检测技术的应用场景将会更加广泛。

本报记者李林霞 实习生郭玥伶 赵璐婕
本栏图片由本报通讯员摄