新开发的气体传感器使用带间级联发光器件（ICLED）

2021年2月24日，普林斯顿大学和美国海军研究实验室的研究人员发布了一种气体传感器技术，该技术能够检测出非常低的甲烷气体浓度，其浓度低至0.1ppm（百万分之一）。

甲烷的排放和泄漏，不利于空气质量，是导致全球变暖的原因，对许多行业和应用都有影响。农业、废物/废物管理以及石油和天然气行业始终需要检测大量甲烷气体。

新开发的气体传感器使用带间级联发光器件（ICLED），这是一种较高功率的LED，可发出中红外波长，这意味着它可用于测量许多化学物质。由美国海军研究实验室的杰里·迈耶（Jerry Meyer）团队开发的研究人员版本发射的功率比市售中红外LED产生的功率大约大10倍。迈耶说，这些器件有可能批量生产，这意味着该团队在最近的工作中，迈向了基于ICLED的气体传感器的开发，该传感器的成本不到100美元。

为了获得甲烷的测量值，该传感器可测量通过没有甲烷的清洁空气传输的红外光，并将该测量结果与通过包含甲烷的空气的传输进行比较。研究人员将来自ICLED的红外光通过一根空心纤维发送，该纤维包含空气样本。纤维的内部镀银。当光沿着光纤向下传播到位于另一端的光电探测器时，这会导致光在其内表面反射。光与空气中存在的其他甲烷分子发生相互作用，从而导致更高水平的光吸收。

研究人员已经开发出一种新的传感器，该传感器使用带间级联发光器件（ICLED），并且可以对低成本的低浓度甲烷进行实用且低成本的检测。由Sameer A. Khan通过Fotobuddy提供。

在其他架构中，镜子通常用于反复地来回反射光线，以提高传感器的灵敏度。该论文的第一作者内森·李（Nathan Li）说，光纤的设计绕开了镜子的使用，镜子可能体积庞大且需要精确对准。他说：“空心纤维非常紧凑，需要的样品气体量少，并且具有机械柔韧性。”

该设计还为常用的基于激光的传感器提供了替代方案。这些传感器是有效的甲烷检测器，但价格昂贵——尤其是作为网络的一部分时，例如检测垃圾填埋场，废水处理厂或农场中的泄漏所需要的传感器。

为了测试他们的装置，研究人员将已知浓度的甲烷引入光纤，并将样品的红外透射率与基于激光的传感器进行了比较。除了检测到低至0.1ppm的浓度外，研究人员的传感器还显示出与校准标准品和基于激光的传感器的出色一致性。

为了提高灵敏度，大功率ICLED发出的红外光穿过包含空气样本的1米长的中空光纤。光纤的内部镀有银，当光向下传播到另一端的光电探测器时，这会使光从内表面反射出去。这允许光与空气中的其他甲烷分子相互作用，从而导致更高的光吸收率。由普林斯顿大学的Nathan Li提供。

“这种精确水平足以监测甲烷污染源附近的排放。”Nathan Li说道：“可以在大型设施中安装一系列这样的传感器来测量甲烷的排放，从而使操作员能够经济地，迅速地检测到泄漏并减轻泄漏。”

研究人员计划尝试提高设备中空纤维组件的机械稳定性，从而提高传感器在长期现场测量中的实用性。他们还将研究极端天气条件以及环境湿度和温度的变化如何影响系统。

研究人员说，由于可以使用中红外光识别大多数温室气体和许多其他化学物质，因此用户可以采用这种气体传感器技术来检测其他重要气体。

这项研究发表在《光学快报》上。

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