2021年2月24日，普林斯頓大學和美國海軍研究實驗室的研究人員發(fā)布了一種氣體傳感器技術，該技術能夠檢測出非常低的甲烷氣體濃度，其濃度低至0.1ppm（百萬分之一）。

甲烷的排放和泄漏，不利于空氣質(zhì)量，是導致全球變暖的原因，對許多行業(yè)和應用都有影響。農(nóng)業(yè)、廢物/廢物管理以及石油和天然氣行業(yè)始終需要檢測大量甲烷氣體。

新開發(fā)的氣體傳感器使用帶間級聯(lián)發(fā)光器件（ICLED），這是一種較高功率的LED，可發(fā)出中紅外波長，這意味著它可用于測量許多化學物質(zhì)。由美國海軍研究實驗室的杰里·邁耶（Jerry Meyer）團隊開發(fā)的研究人員版本發(fā)射的功率比市售中紅外LED產(chǎn)生的功率大約大10倍。邁耶說，這些器件有可能批量生產(chǎn)，這意味著該團隊在最近的工作中，邁向了基于ICLED的氣體傳感器的開發(fā)，該傳感器的成本不到100美元。

為了獲得甲烷的測量值，該傳感器可測量通過沒有甲烷的清潔空氣傳輸?shù)?a target="_blank">紅外光，并將該測量結(jié)果與通過包含甲烷的空氣的傳輸進行比較。研究人員將來自ICLED的紅外光通過一根空心纖維發(fā)送，該纖維包含空氣樣本。纖維的內(nèi)部鍍銀。當光沿著光纖向下傳播到位于另一端的光電探測器時，這會導致光在其內(nèi)表面反射。光與空氣中存在的其他甲烷分子發(fā)生相互作用，從而導致更高水平的光吸收。

研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的傳感器，該傳感器使用帶間級聯(lián)發(fā)光器件（ICLED），并且可以對低成本的低濃度甲烷進行實用且低成本的檢測。由Sameer A. Khan通過Fotobuddy提供。

在其他架構(gòu)中，鏡子通常用于反復地來回反射光線，以提高傳感器的靈敏度。該論文的第一作者內(nèi)森·李（Nathan Li）說，光纖的設計繞開了鏡子的使用，鏡子可能體積龐大且需要精確對準。他說：“空心纖維非常緊湊，需要的樣品氣體量少，并且具有機械柔韌性?！?br />
該設計還為常用的基于激光的傳感器提供了替代方案。這些傳感器是有效的甲烷檢測器，但價格昂貴——尤其是作為網(wǎng)絡的一部分時，例如檢測垃圾填埋場，廢水處理廠或農(nóng)場中的泄漏所需要的傳感器。

為了測試他們的裝置，研究人員將已知濃度的甲烷引入光纖，并將樣品的紅外透射率與基于激光的傳感器進行了比較。除了檢測到低至0.1ppm的濃度外，研究人員的傳感器還顯示出與校準標準品和基于激光的傳感器的出色一致性。

為了提高靈敏度，大功率ICLED發(fā)出的紅外光穿過包含空氣樣本的1米長的中空光纖。光纖的內(nèi)部鍍有銀，當光向下傳播到另一端的光電探測器時，這會使光從內(nèi)表面反射出去。這允許光與空氣中的其他甲烷分子相互作用，從而導致更高的光吸收率。由普林斯頓大學的Nathan Li提供。

“這種精確水平足以監(jiān)測甲烷污染源附近的排放。”Nathan Li說道：“可以在大型設施中安裝一系列這樣的傳感器來測量甲烷的排放，從而使操作員能夠經(jīng)濟地，迅速地檢測到泄漏并減輕泄漏。”

研究人員計劃嘗試提高設備中空纖維組件的機械穩(wěn)定性，從而提高傳感器在長期現(xiàn)場測量中的實用性。他們還將研究極端天氣條件以及環(huán)境濕度和溫度的變化如何影響系統(tǒng)。

研究人員說，由于可以使用中紅外光識別大多數(shù)溫室氣體和許多其他化學物質(zhì)，因此用戶可以采用這種氣體傳感器技術來檢測其他重要氣體。

這項研究發(fā)表在《光學快報》上。

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