新型传感器为低成本高灵敏度的甲烷测量铺平了道路

4/01/2021，光纤在线讯，撰稿：哈尔滨工业大学 原子岳 编译   研究人员已经开发出一种实用且低成本的新型甲烷传感器。甲烷会导致全球变暖和空气污染，因此测量甲烷的排放量和泄漏量对许多行业都有重要意义。


研究人员已经开发出一种具有低成本优势，基于带间级联发光二极管（ICLED）的低浓度甲烷新型传感器。
图源： https://phys.org/news/2021-02-sensor-paves-low-cost-sensitive-methane.html

普林斯顿大学的马克·宗德洛（Mark Zondlo）说：“农业和工业生产会排放大量甲烷。出于对环境因素和经济因素的考量，检测甲烷泄漏对石油和天然气行业也至关重要，因为天然气主要由甲烷组成。”

普林斯顿大学和美国海军的研究人员在美国光学学会（OSA）主办的Optics Express上，报道了他们提出的新型气体传感器。该传感器用带间级联发光二极管（Interband cascade light emitting device，ICLED）成功检测了浓度仅为千万分之一的甲烷气体。带间级联发光二极管是一种新型的高功率发光二极管，能够发出中红外（IR）波长的光并用于测量多种化学物质。

该论文的第一作者内森·李（Nathan Li）这样说到：“我们希望这项研究能够为制作低成本、高灵敏度和高准确性的甲烷传感器指明方向。这些传感器可以用来检测牲畜和奶牛场的甲烷排放，并能够对气候危机进行更准确和更广泛的监测。”

建立一个便宜的传感器

目前，基于激光测量方法的甲烷气体传感器拥有很高的测量精度，但是每个传感器的成本在10,000美元至100,000美元之间。如果使用基于激光技术的甲烷气体传感器网络来监测垃圾填埋场，石化设施，废水处理或农场中的气体泄漏，那成本将是十分昂贵的。

尽管已证明了使用中红外发光二极管能够实现甲烷检测，但其性能受到低发光强度的限制。为了大幅提高灵敏度并开发出一种实用的甲烷监测系统，研究人员使用了美国海军研究实验室杰里·迈耶（Jerry Meyer）团队研发的新型带间级联发光二极管。


图2 为了提高灵敏度，带间级联发光二极管发出的红外光会穿过一根1米长包含样本气体的空心光纤。光纤的内部被镀上了一层银，当红外光穿过光纤到达另一端的光电探测器(MCT)时，其在光纤中经过了反复反射。这加大了光与甲烷分子的相互作用，从而提高了光的吸收度。
图源： https://phys.org/news/2021-02-sensor-paves-low-cost-sensitive-methane.html

迈耶（Meyer）接着说：“我们开发的带间级联发光二极管的发光功率大约是市售中红外发光二极管发光功率的十倍，并且有批量生产的可能性。这将使基于带间级联发光二极管的传感器价格低于每个传感器100美元。”

为了测量甲烷气体，这种新型传感器需要对比分析红外光传输不含甲烷空气和含甲烷空气两种情况之后的光谱特性来实现传感。同时，为了提高灵敏度，研究人员将来自高功率带间级联发光二极管的红外光导入一根长1米含有待测空气样本的空心光纤。光纤内部镀有一层银，当红外光穿过光纤到达另一端的光电探测器时，红外光会经过多次反射，这使得光与空气中其他的甲烷分子相互作用，从而提高了光的吸收效果。

“镀银面用于来回反射红外光以提高传感器的灵敏度，但这种装置通常体积庞大并且需要精确调节” 内森·李这样说到，“然而空心光纤结构紧凑，需要的样品气体体积小，而且具有机械灵活性。”

传感器的测量极限

为了测试这种传感器的传感性能，研究人员将已知浓度的甲烷注入空心光纤，并将测量所得样品的红外传输特性与最先进的激光传感器所得测量结果进行比较。实验证明，基于带间级联发光二极管的传感器能够检测到低至千万分之一浓度的甲烷，与校准过的标准值和激光传感器的测量值具有良好的一致性。

“这种传感器的精度水平足以监测甲烷污染源附近的排放，”内森·李说。“通过安装传感器阵列可以测量大型设施的甲烷排放，使得运营商能够以经济和快速的方式检测甲烷泄露。”

研究人员计划进一步提高传感器的结构设计，通过研究提高空心光纤机械稳定性的方法，从而使其能够用于长期的现场测量。他们还将研究极端天气条件、环境湿度和温度变化对传感系统的影响。大多数温室气体和许多其他化学物质可以通过中红外光线来识别，因此，该甲烷传感器也可以用来检测其他重要的气体。 

原文链接：
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相关文献链接：
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
https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-5-7221&id=447915
https://doi.org/10.1364/OE.415724