新型傳感器為低成本高靈敏度的甲烷測量鋪平了道路

圖1 研究人員已經開發出一種具有低成本優(you) 勢，基於(yu) 帶間級聯發光二極管（ICLED）的低濃度甲烷新型傳(chuan) 感器。

研究人員已經開發出一種實用且低成本的新型甲烷傳(chuan) 感器。甲烷會(hui) 導致全球變暖和空氣汙染，因此測量甲烷的排放量和泄漏量對許多行業(ye) 都有重要意義(yi) 。

普林斯頓大學的馬克·宗德洛（Mark Zondlo）說：“農(nong) 業(ye) 和工業(ye) 生產(chan) 會(hui) 排放大量甲烷。出於(yu) 對環境因素和經濟因素的考量，檢測甲烷泄漏對石油和天然氣行業(ye) 也至關(guan) 重要，因為(wei) 天然氣主要由甲烷組成。”普林斯頓大學和美國的研究人員在美國光學學會(hui) （OSA）主辦的Optics Express上，他們(men) 提出的新型氣體(ti) 傳(chuan) 感器。該傳(chuan) 感器用帶間級聯發光二極管（Interband cascade light emitting device，ICLED）成功檢測了濃度僅(jin) 為(wei) 千萬(wan) 分之一的甲烷氣體(ti) 。帶間級聯發光二極管是一種新型的高功率發光二極管，能夠發出中紅外（IR）波長的光並用於(yu) 測量多種化學物質。

該論文的第一作者內(nei) 森·李（Nathan Li）這樣說到：“我們(men) 希望這項研究能夠為(wei) 製作低成本、高靈敏度和高準確性的甲烷傳(chuan) 感器指明方向。這些傳(chuan) 感器可以用來檢測牲畜和奶牛場的甲烷排放，並能夠對氣候危機進行更準確和更廣泛的監測。”

建立一個(ge) 便宜的傳(chuan) 感器

目前，基於(yu) 激光測量方法的甲烷氣體(ti) 傳(chuan) 感器擁有很高的測量精度，但是每個(ge) 傳(chuan) 感器的成本在10,000美元至100,000美元之間。如果使用基於(yu) 激光技術的甲烷氣體(ti) 傳(chuan) 感器網絡來監測垃圾填埋場，石化設施，廢水處理或農(nong) 場中的氣體(ti) 泄漏，那成本將是十分昂貴的。

盡管已證明了使用中紅外發光二極管能夠實現甲烷檢測，但其性能受到低發光強度的限製。為(wei) 了大幅提高靈敏度並開發出一種實用的甲烷監測係統，研究人員使用了美國研究實驗室傑裏·邁耶（Jerry Meyer）團隊研發的新型帶間級聯發光二極管。

圖2 為(wei) 了提高靈敏度，帶間級聯發光二極管發出的紅外光會(hui) 穿過一根1米長包含樣本氣體(ti) 的空心光纖。光纖的內(nei) 部被鍍上了一層銀，當紅外光穿過光纖到達另一端的光電探測器(MCT)時，其在光纖中經過了反複反射。這加大了光與(yu) 甲烷分子的相互作用，從(cong) 而提高了光的吸收度。

邁耶（Meyer）接著說：“我們(men) 開發的帶間級聯發光二極管的發光功率大約是市售中紅外發光二極管發光功率的十倍，並且有批量生產(chan) 的可能性。這將使基於(yu) 帶間級聯發光二極管的每個(ge) 傳(chuan) 感器diyu100美元。”

為(wei) 了測量甲烷氣體(ti) ，這種新型傳(chuan) 感器需要對比分析紅外光傳(chuan) 輸不含甲烷空氣和含甲烷空氣兩(liang) 種情況之後的光譜特性來實現傳(chuan) 感。同時，為(wei) 了提高靈敏度，研究人員將來自高功率帶間級聯發光二極管的紅外光導入一根長1米含有待測空氣樣本的空心光纖。光纖內(nei) 部鍍有一層銀，當紅外光穿過光纖到達另一端的光電探測器時，紅外光會(hui) 經過多次反射，這使得光與(yu) 空氣中其他的甲烷分子相互作用，從(cong) 而提高了光的吸收效果。

“鍍銀麵用於(yu) 來回反射紅外光以提高傳(chuan) 感器的靈敏度，但這種裝置通常體(ti) 積龐大並且需要調節” 內(nei) 森·李這樣說到，“然而空心光纖結構緊湊，需要的樣品氣體(ti) 體(ti) 積小，而且具有機械靈活性。”

傳(chuan) 感器的測量極限

為(wei) 了測試這種傳(chuan) 感器的傳(chuan) 感性能，研究人員將已知濃度的甲烷注入空心光纖，並將測量所得樣品的紅外傳(chuan) 輸特性的激光傳(chuan) 感器所得測量結果進行比較。實驗證明，基於(yu) 帶間級聯發光二極管的傳(chuan) 感器能夠檢測到低至千萬(wan) 分之一濃度的甲烷，與(yu) 校準過的標準值和激光傳(chuan) 感器的測量值具有良好的一致性。

“這種傳(chuan) 感器的精度水平足以監測甲烷汙染源附近的排放，”內(nei) 森·李說。“通過安裝傳(chuan) 感器陣列可以測量大型設施的甲烷排放，使得運營商能夠以經濟和快速的方式檢測甲烷泄露。”

研究人員計劃進一步提高傳(chuan) 感器的結構設計，通過研究提高空心光纖機械穩定性的方法，從(cong) 而使其能夠用於(yu) 的現場測量。他們(men) 還將研究天氣條件、環境濕度和溫度變化對傳(chuan) 感係統的影響。大多數溫室氣體(ti) 和許多其他化學物質可以通過中紅外光線來識別，因此，該甲烷傳(chuan) 感器也可以用來檢測其他重要的氣體(ti) 。

原文鏈接

撰稿：哈爾濱工業(ye) 大學 原子嶽 編譯

原創：光纖傳(chuan) 感Focus

海爾欣光電轉載

相關(guan) 文獻鏈接

Nathan Li et al. Methane detection using an interband-cascade LED coupled to a hollow-core fiber, Optics Express (2021). DOI: 10.1364/OE.415724