Abstract Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) is a sensitive gas detection technique which requires frequent calibration and has a long response time. Here we report beat frequency (BF) QEPAS that can be used for ultra-sensitive calibration-free trace-gas detection and fast spectral scan applications. The resonance frequency and Q -factor of the quartz tuning fork (QTF) as well as the trace-gas concentration can be obtained simultaneously by detecting the beat frequency signal generated when the transient response signal of the QTF is demodulated at its non-resonance frequency. Hence, BF-QEPAS avoids a calibration process and permits continuous monitoring of a targeted trace gas. Three semiconductor lasers were selected as the excitation source to verify the performance of the BF-QEPAS technique. The BF-QEPAS method is capable of measuring lower trace-gas concentration levels with shorter averaging times as compared to conventional PAS and QEPAS techniques and determines the electrical QTF parameters precisely.

This review aims to discuss the latest advancements in quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) based trace-gas sensing. Starting from the QEPAS basic physical principles, the most used QEPAS configurations will be described. This is followed by a detailed theoretical analysis and experimental study regarding the influence of quartz tuning forks (QTFs) geometry on their optoacoustic transducer performance. Furthermore, an overview of the latest developments in QEPAS trace-gas sensor technology employing custom QTFs will be reported. Results obtained by exploiting novel micro-resonator configurations, capable of increasing the QEPAS signal-to-noise ratio by more than two orders of magnitude and the utilization of QTF overtone flexural modes for QEPAS based sensing will be presented. A comparison of the QEPAS performance of different spectrophone configurations is reported based upon signal-to-noise ratio. Finally, a novel QEPAS approach allowing simultaneous dual-gas detection will be described.

The precise detection of volatile organic compounds plays a pivotal role in addressing environmental concerns, industrial safety, and medical diagnostics. The accurate identification and quantification of these compounds because of their ubiquity and potential health hazards has fueled the development of advanced sensing technologies. This work presents a sensing system in the realm of long-wavelength infrared spectroscopy for achieving enhanced selectivity and sensitivity of benzene, toluene, and propane detection through quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy. High-resolution gas spectroscopy is made possible by the use of specially designed InAs/AlSb-based quantum cascade lasers, emitting in the wavelength range 13–15 μm, and quartz tuning forks. The sensor system, characterized by its robustness and precision, demonstrates exceptional capabilities in benzene, toluene, and propane detection. The system's capacity for practical applications in environmental monitoring and medical diagnostics is demonstrated by its ability to distinguish these volatile organic compounds with a minimum detection limit of 113 ppb, 3 ppb, and 3 ppm for toluene, benzene, and propane at an integration time of 10 s, even in complex gas matrices. This work advances gas sensing technology while also offering insightful information on spectral interferences, a persistent problem in the field. The results usher in a new era of sophisticated and reliable gas sensing techniques meeting the growing demand for precise volatile organic compounds detectors for environmental monitoring purposes.

Here we present a computational and experimental fluid dynamics study for the characterization of the flow field within the gas chamber of a Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy (QEPAS) sensor, at different flow rates at the inlet of the chamber. The transition from laminar to turbulent regime is ruled both by the inlet flow conditions and dimension of the gas chamber. The study shows how the distribution of the flow field in the chamber can influence the QEPAS sensor sensitivity, at different operating pressures. When turbulences and eddies are generated within the gas chamber, the efficiency of photoacoustic generation is significantly altered.

Caragana tibetica is a common species in the shrub-encroached desert grasslands of Inner Mongolia, China. Studying its distribution and factors can improve our grasp of shrub-encroached grassland dynamics and aid in regional biodiversity conservation. This study examined eight C. tibetica communities using point pattern analysis to assess the spatial distribution pattern (SDP) and the influencing factors of C. tibetica scrubs. We also propose a new index, i.e., the degree of deviation index (DoDI), to quantify the SDP of scrubs. The results revealed the following: (1) The shrubland of C. tibetica in the study area showed aggregated distribution on the scale of 0–30 m. On the scale of 30–50 m, the degree of aggregation gradually weakened and random distribution appeared. (2) There was not a significant correlation between SDP and environmental factors; however, DoDI showed that habitat heterogeneity had a certain impact on C. tibetica in the study area. Our research indicates that spatial heterogeneity contributes to the SDP of shrub plants in the shrub-encroached grasslands of the Inner Mongolia Plateau, and the use of DoDI enhances the ability to quantify and isolate the role of spatial heterogeneity. This study helps to deepen the understanding of the mechanisms of shrub encroachment formation in grasslands.