美國美國研究出濃度0.1ppm的甲烷氣體傳感器技術
日期：2022-04-29
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全球的甲烷的排放和泄漏，導致全球加速變暖，對人類生產生活及自然環境都有影響，因此甲烷氣體濃度的檢測成為大家所關注的焦點。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）。
新開發的氣體傳感器使用帶間級聯發光器件（ICLED），這是一種較高功率的LED，可發出中紅外波長，這意味著它可用于測量許多化學物質。由美國海軍研究實驗室的杰里·邁耶（Jerry Meyer）團隊開發的研究人員版本發射的功率比市售中紅外LED產生的功率大約大10倍。
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的紅外光，并將該測量結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送，該纖維包含空氣樣本。纖維的內部鍍銀。當光沿著光纖向下傳播到位于另一端的光電探測器時，這會導致光在其內表面反射。光與空氣中存在的其他甲烷分子發生相互作用，從而導致更高水平的光吸收。
在其他架構中，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。”
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——尤其是作為網絡的一部分時，例如檢測垃圾填埋場，廢水處理廠或農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定性，從而提高傳感器在長期現場測量中的實用性。他們還將研究極端天氣條件以及環境濕度和溫度的變化如何影響系統。
研究人員說，由于可以使用中紅外光識別大多數溫室氣體和許多其他化學物質，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。
