作者：麥家銘

日期：2026/7/24

捕捉兆分之一的氣體微息：Zurich Instruments 在石英增強光聲光譜 (QEPAS) 的極致量測方案

在痕量氣體感測 (Trace Gas Sensing) 領域，精準度與設備體積往往難以兼得。傳統的光聲光譜 (PAS) 需要體積龐大的聲學共振腔來放大氣體吸收雷射後產生的聲波；而石英增強光聲光譜 (QEPAS) 則帶來了顛覆性的革命。

QEPAS 巧妙地利用了價格低廉、體積極小的石英音叉 (Quartz Tuning Fork, QTF) 作為聲學探測器。當調變後的雷射光束穿過音叉微小的間隙，氣體分子吸收光能並產生熱膨脹，激發出微觀的聲波。若聲波頻率與音叉的機械共振頻率（通常約為 ）匹配，音叉便會產生強烈的共振，並透過壓電效應 (Piezoelectric effect) 輸出微小的電流訊號。

然而，QEPAS 系統雖然在光學與聲學設計上極度精簡，卻對後端的「訊號擷取電子學」提出了地獄級的考驗。

實驗痛點：挑戰電學量測的極限與共振漂移

要從 QEPAS 系統中獲得可用且高訊噪比的數據，實驗室的研究人員經常面臨以下三大技術瓶頸：

• 極度微弱的壓電電流 (Femtoampere 級別)：石英音叉產生的壓電電流訊號極度微弱，通常落在皮安培 (pA, 10-12 A) 甚至飛安培 (fA, 10-15 A) 的數量級。傳統實驗室通常需要手工拼湊低雜訊的跨阻放大器 (TIA) 作為前置放大，這不僅容易引入額外的環境雜訊與接地迴路 (Ground loop) 干擾，更增加了系統的複雜度。
• 高 Q 值的「雙面刃」與共振頻率漂移：石英音叉在真空或空氣中具備極高的品質因子 (Q-factor，通常大於 10000)。這意味著它的共振峰極度尖銳，頻寬僅有幾 Hz。然而，音叉的共振頻率會隨著環境的溫度、壓力以及氣體濃度的變化而產生微小漂移。如果雷射的調變頻率沒有嚴格「跟隨」音叉的共振頻率，量測訊號將會瞬間掉出共振峰外，導致感測器失效。
• 複雜的波長調變與多重諧波擷取：為了消除背景雜訊（如雷射打到音叉本體產生的熱彈性雜訊），QEPAS 通常採用波長調變光譜 (Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS) 技術。這要求雷射以頻率  進行調變，而鎖相放大器必須精準解調  甚至更高的諧波訊號，這對儀器的同步解調能力是一大考驗。

Zurich Instruments 的破局之道：專為 QEPAS 打造的測量中樞

面對 QEPAS 嚴苛的量測需求，Zurich Instruments 旗下的 MFLI 鎖相放大器 已成為全球頂尖氣體感測實驗室無可替代的核心大腦，完美解決了訊號擷取與頻率追蹤的痛點：

1.內建頂級電流輸入端，向外接放大器說再見

MFLI 具備專為微弱訊號設計的專屬電流輸入端 (Current Input)，內建極低雜訊的跨阻放大器 (TIA)。研究人員可以直接將石英音叉的輸出端子連接至 MFLI，徹底省去了繁瑣的外接前置放大器與電池供電盒。憑藉其極低的電流雜訊基準與高動態儲備，MFLI 能夠在嘈雜的環境中，穩穩抓出飛安培等級的微弱氣體特徵訊號。

2.LabOne® 共振追蹤器 (Resonance Tracker) 與 PLL

這是 MFLI 在 QEPAS 應用中的殺手鐧。透過 ZI 強大的 LabOne® 軟體套件，內建的鎖相迴路 (PLL) 與 PID 控制器能夠即時監控音叉的相位變化，並動態調整雷射的調變頻率。這意味著無論環境溫度或壓力如何劇烈變化，MFLI 都能確保您的系統永遠鎖定在石英音叉最完美的共振峰頂端，維持系統的最高靈敏度與長期穩定性。

3.多重諧波同步解調與背景扣除

MFLI 內建多組獨立的數位解調器 (Demodulators)。在 WMS 實驗中，研究人員只需單一台 MFLI，即可同時輸出雷射調變所需的驅動訊號，並在接收端同步解調 1f、2f 甚至 3f 或更高階的諧波訊號。這讓背景雜訊的扣除與氣體絕對濃度的反演運算變得極度精簡且高效。

4. 直覺的頻譜掃描儀 (Sweeper)

結論：讓您專注於氣體偵測，而非電子除錯

在環境監測與醫療呼氣分析的賽道上，感測系統的「靈敏度」與「穩定度」決定了技術能否成功走向商業化。Zurich Instruments 透過極致的低雜訊電流擷取技術與強大的動態頻率追蹤軟體，將複雜的 QEPAS 電子學控制微縮至單一機台內，讓繁瑣的硬體拼湊成為歷史。

如果您正在開發新一代的 QEPAS 感測器，或是正為石英音叉微弱的訊號與惱人的頻率漂移而苦惱，歡迎與我們團隊聯繫。我們提供專業的實機展示與技術評估，協助您輕鬆跨越電學量測的門檻，精準嗅出兆分之一的氣體蹤跡。