问：什么是频率梳？

答：频率梳是一种特殊的激光光源，它的光谱由许多等间距的窄线组成，就像一把梳子的齿一样。这些“齿”在频率上是均匀分布的，可以用来精确地测量光的频率。在气体检测中，频率梳就像是一个高精度的“尺子”，能够帮助我们准确地识别气体分子的吸收特征。

问：什么是驰豫衰减时间？

是指光在高反射率光腔内多次反射后，强度衰减到一定阈值所需的时间。它用于测量腔内气体的吸收特性。

引言：气体检测的“终极挑战”

我们每天的呼吸、汽车尾气、甚至一杯咖啡的气味，都包含着成千上万种气体分子。从医疗领域的疾病标志物、环境监测中的温室气体，到工业生产中的危险气体，精准检测气体成分对人类健康、生态安全和科技发展至关重要。  

气体检测听起来似乎并不复杂，但当我们面对的是一些高度复杂的气体样本时，挑战便接踵而至。例如，人体呼出的气体中包含数百种不同的分子，它们的浓度范围可能相差多达七个数量级。这意味着，从高浓度的水蒸气到低浓度的生物标志物，如一氧化氮（NO），都可能在同一口气中出现。传统的气体检测技术往往难以同时精确地检测到这些成分，尤其是当它们的浓度极低时。近日，一项发表于《自然》杂志的突破性研究《Modulated ringdown comb interferometry for sensing of highly complex gases》提出了一种名为 “调制驰豫衰减梳干涉”（Modulated ringdown comb interferometry，MRCI）的新技术，为复杂气体的高精度检测提供了革命性的解决方案。这项技术能够以高于万亿分之一的灵敏度同时定量 20 种不同的分子种类，浓度相差7个数量级。这几乎相当于在同步卫星上去区分东方明珠塔和一根头发丝！

第一章 技术核心：MRCI如何“看透”复杂气体？ 

图1 MRCI工作原理。

MRCI 是一种结合了频率梳光谱技术和驰豫衰减光腔增强测量的创新方法，并引入迈克尔逊干涉仪，使不同频率的光场信号分离，实现了对复杂气体样本的超灵敏探测。与传统的光腔增强吸收光谱技术相比，MRCI 具有更强的抗色散能力，并能在更宽的光谱范围内保持高精度测量。

图2 使用 MRCI 收集的仪器和驰豫衰减光谱。

技术要点：

1. 中红外频率梳：光的“精密标尺”

频率梳是一种特殊的光源，能发出间隔均匀的“梳齿状”光波，覆盖从近红外到中红外的宽广波段（如图1），就像一把刻度极密的尺子，能精确测量光的“颜色”（波长），将宽频带光分解为成千上万个单色光，分别匹配不同气体的吸收峰。  

2. 腔增强：光路的“超级放大器” 

为了增强微弱气体的吸收信号，研究人员采用高精细度光学腔。光在腔内反复反射，路径长度增加数千倍，显著放大气体吸收效应。通过动态调节腔长（Modulation），即使存在强吸收或色散，仍能保持梳齿稳定耦合。

3. 驰豫衰减光谱：从“时间”到“频率”  

传统驰豫衰减光谱通过测量光脉冲在腔内的驰豫衰减时间（Ringdown Time）反推吸收系数。而MRCI进一步结合了迈克尔逊干涉仪，将时间域的衰减信号转换为频率域的“射频梳”（RF Spectral Comb）。  

图3 部分台式中红外频率梳状光谱气体传感实验。

二、 实验验证：从呼吸到环境的全面突破

图4 来自5μm腔的分子光谱。

1. 呼吸气体分析：20种分子“一网打尽”

呼出的气体中含有多种微量分子，如一氧化氮（NO）、乙醛（H₂CO）、甲烷（CH₄）等，这些气体成分可以反映人体的健康状况。

例如： 

NO（硝酸盐氧化产物）：与哮喘和慢性阻塞性肺疾病（COPD）相关。 

H₂CO（乙醛）：可能是肺癌的生物标志物。 

CH₄（甲烷）：可用于胃肠道疾病检测。 

MRCI技术能够同时检测20多种呼气分子，最低灵敏度可达万亿分之一（ppt），远超传统检测方法。

2. 环境监测：温室气体的精准“画像”  

除了健康监测，MRCI技术在环境监测领域也大有可为。随着工业化和城市化的加速发展，大气污染问题日益严重。许多有害气体，如二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、一氧化二氮（N₂O）等，不仅对人类健康有害，还对全球气候变化产生了深远的影响。

通过MRCI技术，科学家们可以精确地检测到这些有害气体的浓度变化，从而为环境监测和气候变化研究提供重要的数据支持。例如，甲烷（CH₄）是一种强效温室气体，其对全球变暖的贡献远大于二氧化碳（CO₂）。

在室外空气样本中，MRCI技术同时检测到二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等多种温室气体，并验证了其浓度与文献值的吻合度（如图3）。  

图5 鼻呼吸（红色条）、口腔呼吸（蓝色条）和环境空气（绿色条）测量的总共 20 气体数据。

三、未来展望：从实验室到生活的无限可能

MRCI 的出现，填补了传统光腔增强光谱技术在高色散气体检测中的空白，使得超宽光谱、高精度、实时检测成为可能。然而，这仅仅是开始。随着技术的不断发展和完善，MRCI技术将在更多领域发挥更大的作用。进一步提高MRCI技术的灵敏度和分辨率，其可以检测到更低浓度的气体成分。同时，成本的降低，可能使这项技术能够更广泛地应用于实际生产和生活中： 

个性化医疗：通过呼气分析进行疾病早筛，甚至可用于新冠病毒感染的无创检测。 

智能环境监测：结合人工智能，实现对空气质量的实时监测和污染预测。 

太空探索：用于探测宇航员舱内空气成分及深空探测任务中的星际分子分析。

工业生产：有害气体监测、产品质量监测。 

图6 本文的第一作者Qizhong Liang（左）in Jun Ye's lab at JlLA (Credit: Patrick Campbel/CU Boulder)和通讯作者Jun Ye（右）(Credit: Glenn Asakawa/CU Boulder)。

四、结语 

这项研究不仅刷新了气体传感的灵敏度与分辨率纪录，更开启了“全谱段、高精度、多物种”检测的新时代。总而言之，MRCI有以下特点:

可以同时测量极强、极弱、尖锐、平滑的吸收特征信号;

在不牺牲光谱分辨率的情况下，对光谱覆盖范围和腔体精细度进行了可扩展的改进;

梳状源在自由运行条件下运行；

稳健、可自动化和高效的数据收集，几乎不需要训练有素的专业知识。正如论文作者Jun Ye教授所言：“Highly dispersive gas samples can now be extensively measured.”

（本文为科普性文章，具体实验数据以原文为准）

参考文献：

Liang, Q., Bisht, A., Scheck, A. et al. Modulated ringdown comb interferometry for sensing of highly complex gases. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08534-2

原论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08534-2

撰稿｜王思涵

指导丨刘玉龙