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.

This paper presents a simultaneous measurement light-induced thermoelectric spectroscopy (LITES) sensor with high sensitivity for detecting methane (CH 4 ), carbon monoxide (CO) and acetylene (C 2 H 2 ). It employs a multi-pass cell (MPC) with an overlapped spots pattern and low resonant frequency circle-head quartz tuning forks (QTFs) for the first time. The fiber-coupled MPC with an optical length (OPL) of 40 m was combined with a thin-film filter (TFF) to improve the laser absorption and enable light spots multiplexing on mirrors. Three self-designed circle-head QTFs with low resonant frequencies of less than 10 kHz and a quality factor of ∼ 11500 were adopted to improve the detection ability. The LITES sensor detected multi-gas signals based on their unique absorption spectrum, enabling real-simultaneous measurement of CH 4 , CO, and C 2 H 2 . After optimization, the minimum detection limits (MDLs) of 0.5 ppm, 126.9 ppm and 0.4 ppm for these gases were obtained, respectively. With integration times of 300 s for CH 4 and 200 s each for CO and C 2 H 2 , the MDLs could be further reduced to 0.09 ppm, 57.1 ppm, and 0.07 ppm, correspondingly. The paper concludes with a discussion of potential strategies for further improving the performance of such LITES sensors.

In this paper, a novel highly sensitive methane (CH4) and acetylene (C2H2) dual-gas light-induced thermoelectric spectroscopy (LITES) sensor based on Lissajous space-division multiplexed (LSDM) technology and trapezoidal-head quartz tuning fork (QTF) detector was reported for the first time. A theoretical LSDM model was established on the basis of three-mirror astigmatic multi-pass cell (MPC) and it was used to design a pair of Lissajous spot patterns with optical path length to volume ratios (OPL/Vs) of 13.5 cm-2 and 13.3 cm-2, respectively. Two self-designed trapezoidal-head QTFs with low resonant frequencies of less than 10 kHz and quality factor of ~12000 were adopted to enhance the detection ability. Two kinds of fiber amplifier, erbium doped fiber amplifier (EDFA) and Raman fiber amplifier (RFA), were combined to amplify the output power of two diode lasers to improve the excitation strength. After optimization, minimum detection limit (MDL) of 268.8 ppb and 91.4 ppb for real-simultaneous CH4 and C2H2 sensing were obtained, respectively. When the integration time of the system were 150 s and 100 s, the MDLs could be improved to 54.8 ppb and 26.1 ppb, accordingly. Further improvement methods for such sensor were discussed.

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.

A high-sensitivity photoacoustic spectroscopy (PAS) sensor based on differential Helmholtz photoacoustic cell (DHPAC) with dense spot pattern is reported in this paper for the first time. A multi-pass cell based on two concave mirrors was designed to achieve a dense spot pattern, which realized 212 times excitation of incident laser. A finite element analysis was utilized to simulate the sound field distribution and frequency response of the designed DHPAC. An erbium-doped fiber amplifier (EDFA) was employed to amplify the output optical power of the laser to achieve strong excitation. In order to assess the designed sensor's performance, an acetylene (C2H2) detection system was established using a near infrared diode laser with a central wavelength 1530.3 nm. According to experimental results, the differential characteristics of DHPAC was verified. Compared to the sensor without dense spot pattern, the photoacoustic signal with dense spot pattern had a 44.73 times improvement. The minimum detection limit (MDL) of the designed C2H2-PAS sensor can be improved to 5 ppb when the average time of the sensor system is 200 s.

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.

In this paper, a highly sensitive methane (CH4) sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) with 3D-printed multi-pass cell (MPC) is reported. A MPC design model based on ray tracing mathematical method with the law of reflection in vector form was established. The designed MPC has an optical path length (OPL) of 37.8 m and a ratio of optical path length to volume (RLV) of 13.9 cm−2 to enhance the optical absorption. The 3D-printed gas chamber equipped with the MPC and fiber-coupled input greatly simplifies optical alignment. A minimum detection limit (MDL) of the constructed CH4-TDLAS sensor based on fiber-coupled 3D-printed MPC with dense spot pattern was determined to be 30.93 ppb. It can be further improved to 11.79 ppb when the averaging time of the system was 300 s according to the Allan deviation analysis.