实时追踪单叶碳汇：1f锁频石英增强光声光谱实现活体光合作用秒级精准监测

《Photoacoustics》：Real-time in Vivo Monitoring of Photosynthesis in Individual Leaves by Frequency-Locked Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy

为破解密闭叶室高湿环境下CO微摩尔级通量检测难题，浙师大团队开发1f锁频QEPAS系统，将30.72 kHz石英音叉与平面声学微共振器耦合，1 s内即可测得2.44 ppmv的CO净变化，绿萝叶片光合速率结果与文献1–5.5 μmol·m·s范围高度吻合，为碳中和背景下高通量作物育种与生态碳汇评估提供便携式新工具。

　　
在“双碳”目标驱动下，准确掌握每一片叶子实时固碳能力成为育种、生态模型与气候评估的共同需求。传统涡度协相关或卫星遥感只能给出生态系统尺度通量，而单叶光合速率才是把基因—表型—碳预算串起来的关键“桥梁”。然而，密闭叶室在光照后几十秒内CO浓度仅下降几ppmv，相对湿度却迅速飙升至90 %，温度波动±2 ℃即可带来数十ppmv的虚假信号，远高于真实光合信号。NDIR传感器因谱带重叠无法分辨CO与HO，台式TDLAS虽精度高却体积大、成本高。更棘手的是，常规QEPAS需扫谱约10 s，难以捕捉光合作用启动瞬间的快速CO骤降。

为突破“高湿—低速—高成本”三重瓶颈，浙江师范大学光学工程团队把目光投向石英增强光声光谱（QEPAS）与波长锁定技术的跨界融合。他们提出一种1f锁频QEPAS策略：把DFB激光器“钉”在4991.26 cm ^{CO_{吸收峰，用1f信号作误差反馈，实现≤1 s的瞬时浓度读取；同时设计平面声学微共振器（AmR）与商用30.72 kHz石英音叉（QTF）一体化音学结构，在仅113.67 cm的微型气室内把光声信号放大3612倍。}}

研究首先通过HITRAN 2020数据库筛选出远离H_{O干扰的R18线，用1f锁频把激光波长标准差压到1.8×10 ^{V；随后以流量控制器配制0–2000 ppmv梯度CO，验证系统线性度R=0.999，127 s积分最低检测限2.44 ppmv，归一化噪声等效吸收系数（NNEA）4.78×10 cm·W·Hz。密闭静态测试显示10 min内1000 ppmv与750 ppmv两档浓度漂移标准差仅2.97×10 V与3.11×10 V，证明腔体无可见泄漏。}}

进入“真枪实弹”的光合作用环节，研究人员以室内常见绿萝（Epipremnum aureum）为模式植物，将单叶置于透明亚克力叶室，LED光照后立即关闭气路形成封闭系统。2f信号在120 s内随CO_{消耗呈线性下降，代入理想气体方程换算得到净光合速率P=3.045 μmol CO·m^{·s；对5片不同发育状态叶片重复5次，结果稳定分布于1–3 μmol·m·s，与文献报道的1–5.5 μmol·m·s区间高度重叠，衰老叶片因叶绿素减少速率降至约1 μmol·m·s，充分验证系统区分生物学差异的能力。}}

关键技术方法概括：

• 1f锁频QEPAS：激光固定于CO_{吸收峰，用1f零交叉误差信号PID闭环控制，实现1 s响应}
• 平面AmR-QTF耦合：自制铝制气室内嵌3D打印支架，音叉Q值3612，放大光声信号并抑制1/f噪声
• 密闭叶室-湿度缓冲：进气经洗气瓶增湿，减少气孔导度下降；静态测试排除泄漏干扰
• Allan方差评估：127 s最优积分时间，MDL 2.44 ppmv
• 网格法量叶面积：快速换算单位叶面积CO_通量

研究结果分述如下：
2 理论——阐明1f信号零交叉可唯一锁定激光频率，对比3f多零交叉风险，论证1f锁定的鲁棒性
3.1 CO_{吸收线选择——R18线远离HO，模拟吸收强度与干扰评估
3.2 检测结构——叶室与QEPAS单元一体化，AmR几何参数沿用团队前期优化
3.3 系统搭建——双光路分束，5 %光功率用于锁频，95 %用于QEPAS；LIA1与LIA2同步解调1f/2f
4.1 QTF共振标定——实测f=30.704 kHz，带宽8.5 Hz
4.2 锁频性能——1f平均幅值0.297 V，误差1 %；锁频后2f信号标准差降低42.91 %
4.3 带宽优势——锁频模式可将LIA带宽缩至0.078 Hz，STD下降74 %，灵敏度提升3倍
4.4 线性标定与Allan偏差——9点CO梯度拟合灵敏度1.39×10 ^{V/ppmv，R=0.999
4.5 静态密封性——1000 ppmv与750 ppmv下10 min浓度漂移可忽略
4.6 光合速率流程——1000 ppmv起始，LED光照，连续记录2f信号，用式(6)计算P}}

结论与讨论指出，1f锁频QEPAS首次将单叶CO_{通量检测速度压缩到秒级，兼顾2.44 ppmv的极限灵敏度与0.999的线性度，成功把“高精度—快响应—小体积”同时写进一台原型机。该系统对高湿干扰免疫、无需昂贵中红外探测器，为作物高光效表型筛选、胁迫生理、乃至生态系统碳汇尺度外推提供了一种可现场部署的通用工具。未来通过更换高功率激光器或定制低频音叉，可进一步缩短检测时间并下探亚ppmv级灵敏度，在植物微生理解码、高通量表型平台与精准农业碳监测等场景展现广阔前景。}