气体传感技术在环境监测、工业过程控制、医疗诊断和安全预警等多个领域发挥着至关重要的作用。随着工业化进程的加快以及环境污染问题日益严峻，对痕量气体的高灵敏度、高选择性检测技术的需求不断增长。尽管气体传感技术已得到广泛研究，但高灵敏度、快速响应的痕量气体检测仍面临巨大挑战。传统用于气体检测的电化学传感器和半导体传感器以其成本效益高且易于集成而受到认可。然而，相比之下，光谱气体传感器在灵敏度、选择性和抗干扰能力方面展现出显著优势，逐渐成为一种更可靠的替代方案。
气体检测技术的应用
光谱传感技术利用特定物质的吸收、发射或散射来确定气体的类型和浓度。吸收光谱法凭借其独特的“指纹”特性，以高灵敏度和高选择性在气体检测应用中备受推崇。光声光谱法（PAS）利用MEMS麦克风进行检测，其基于光与物质相互作用时产生的光声效应。由于其独特的“零背景”特性而被广泛应用。
2002年，石英增强光声光谱（QEPAS）技术兴起，它采用石英音叉（QTF）代替光声光谱法中的MEMS麦克风作为检测元件。石英音叉是一种具有压电效应的微型谐振器，具有高品质因数、优异的频率稳定性和高灵敏度等特点。此外，其体积小巧（< 0.3 mm²）、重量轻且无功耗，在便携式和小型化气体传感器中展现出良好的应用前景。
据麦姆斯咨询报道，哈尔滨工业大学的研究团队近期在Light: Science & Applications期刊发表了一篇题为“Quartz-enhanced laser spectroscopy sensing”的综述性论文。该综述总结了基于石英音叉的两种气体传感技术——石英增强光声光谱（QEPAS）和光诱导热弹光谱（LITES）的最新进展。该综述分为两部分，第一部分阐述了QEPAS的基本原理，并从多个角度讨论了提升QEPAS传感器检测性能的近期研究进展；第二部分介绍了LITES技术的原理，以及在提高LITES传感器检测灵敏度和稳定性方面的最新研究进展。
基于QEPAS的气体传感
作为传统基于MEMS麦克风的光声光谱技术的一种改进，QEPAS基于光声效应的基本原理工作。在QEPAS中，气体分子吸收特定波长的调制光，并经历从激发态到基态的非辐射跃迁。被吸收的光能转化为热能，引起周围气体的温度变化，进而导致周期性的压力变化。结果会产生声波，其频率与光的调制频率相对应。声波的振幅与气体浓度成正比。因此，可以利用声学探测器测量该振幅并确定气体浓度。在QEPAS中，石英音叉作为具有尖锐共振特性的声换能器。当石英音叉的共振频率与所产生声波的频率匹配时，就会发生共振，进而放大石英音叉的振动。由于压电效应，石英音叉的音叉臂振动会转化为电流。通过测量该电流，就可以确定气体浓度。
QEPAS技术原理
目前，有多种方法可以提高QEPAS系统的性能：（1）使用高功率激光器驱动更多气体分子实现吸收；（2）应用具有强吸收系数的新型激发源以增强吸收；（3）利用定制的石英音叉来增加检测信号；（4）采用声学谐振器放大声波或采用多路结构生成多个声波源。该综述详细概述了QEPAS技术的最新进展。
多种改进QEPAS技术的方法
基于LITES的气体传感
LITES技术不仅保留了QEPAS的优势，还实现了非接触式气体测量，可避免受到腐蚀性气体或恶劣燃烧环境的损害。LITES技术的核心原理是利用石英音叉中的光致热弹效应来检测激光强度的变化。调制后的激光被气体吸收后，聚焦到石英音叉基底上。石英音叉的基底吸收光能，产生局部热弹膨胀，进而引发周期性的机械形变。这些形变通过石英音叉的压电效应转化为电信号，从而实现气体浓度分析。
LITES技术的核心原理
近年来，在提升LITES传感器性能方面取得了显著进展。基于LITES的气体传感器灵敏度优化主要集中在提高光学吸收、增强石英音叉检测性能以及提升系统响应速度上。从LITES系统的结构来看，激光源和石英音叉是两个核心组件，两者的参数对检测性能有着决定性的影响。作为一种激光吸收光谱技术，LITES中激发源的核心优化策略与QEPAS技术一致，仍侧重于提高目标气体吸收的激光能量。与QEPAS技术中的优化方法相契合，定制石英音叉同样适用于提升LITES系统的检测性能。因此，为避免与QEPAS技术部分的讨论重复，该综述在LITES技术部分重点介绍了除激光源优化和石英音叉定制之外的性能提升方法。
基于上述分析，该综述归纳了优化LITES传感器检测性能的其他有效策略：（1）采用腔增强技术以提高吸光度；（2）利用石英音叉的瞬态响应特性构建外差系统，以提高LITES传感器的响应速度；（3）借助QEPAS技术的优势，最大限度地利用激光能量。
多种改进LITES技术的方法
石英增强激光光谱技术的前景
石英增强激光光谱传感技术的发展，远远不止于更高的灵敏度或更小的尺寸，其核心战略价值在于赋予无处不在、实时且智能的气体传感能力。特别是近年来，机器学习、便携式设备以及实时多物质检测的兴起和需求，推动石英增强激光光谱传感技术向智能化和集成化方向发展。这些新兴机遇不仅拓展了石英增强光谱技术的应用边界，也彰显了其在智慧城市、精准医疗和新能源等领域的巨大潜力。
石英增强激光光谱传感技术有望从一种先进的检测技术发展成为支撑未来智能社会发展的关键平台。展望未来，随着与各个领域和技术的跨学科融合不断加深，上述两种基于石英音叉的光谱气体传感技术，将朝着更高灵敏度、更高集成度（甚至片上集成）以及更易于实际应用的方向发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02075-7
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