Synergistic Dual-Resonant Enhancement in Miniaturized Spiral-Architected Fiber-Optic Photoacoustic Spectroscopy for Ultra-Sensitive Gas Analysis

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作者
Tianli Gao,Xiuxin Guo,Pengyuan Yin,Zhenfeng Gong,Guojie Wu,Linsong Zhang,Liang Mei
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:98 (14): 10857-10864 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.6c01196
摘要

This study introduces a novel spiral-resonant photoacoustic cell (SR-PAC) for high-sensitivity trace gas detection. This SR-PAC consists of a cylindrical photoacoustic cell (PAC) coupled with a helical resonator tube coiled around its exterior, with a compact total volume of 1.4 cm 3 . This design ensures the compact size of the cylindrical PAC while retaining the high sensitivity characteristics of a resonant PAC. The resonance frequency of the SR-PAC was calculated theoretically and verified through finite element analysis and experiments, with the results showing high consistency. By matching the acoustic resonance of the SR-PAC with the mechanical resonance of the cantilevered microphone, dual-resonance enhancement detection is achieved, amplifying the photoacoustic (PA) signals. Using acetylene (C 2 H 2 ) as the target gas, the system demonstrated a minimum detection limit (MDL) of 3.6 ppb, corresponding to a normalized noise-equivalent absorption (NNEA) of 2.8 × 10 –9 W·cm –1 ·Hz –1/2 . These results show that the system has significant potential for real-time monitoring of ultrasensitive trace gases in confined spaces.
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