开发一种用于逸散性甲烷排放量化检测的气体传感器

甲烷是地球大气中仅次于水蒸气和二氧化碳的第三大温室气体，由于人类活动，其浓度一直在稳步增加。减少甲烷排放至关重要，因为甲烷对当前全球变暖的贡献约为25%。目前已开发了许多传感技术来减少甲烷排放。

吸收光谱可以在多种系统中提供定量、非侵入式的气体测量。目前已经开发出许多激光吸收传感器用于气体传感应用中的甲烷检测。这些传感器是针对甲烷吸收光谱的中红外和近红外区域开发的。直接吸收和光声技术已被用于开发大气甲烷传感器，这种传感器使用分布反馈式（DFB）二极管激光器，其工作在1.6 μm附近的近红外波段（对应于甲烷的2v₃带）。

基于非线性光学的差频产生（DFG）系统非常复杂且功率低。量子级联激光器（QCL）和带间级联激光器（ICL）更加具有紧凑性、鲁棒性和用户友好性，并在甲烷检测方面受到了广泛关注。然而，以前的传感策略并没有设计成在存在来自其他物质的强烈吸收干扰的情况下检测甲烷。

据麦姆斯咨询报道，近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）开发了一种基于中红外激光器的气体传感器，用于逸散性甲烷排放的量化检测。该传感器是基于工作在3.3μm附近的分布式反馈带间级联激光器设计的。利用倒谱分析进行波长调谐，以将甲烷吸光度与（1）基线激光强度的波动和（2）干扰物质的吸光度区分开。该传感器的最低检测限（MDL）约为 110 ppm，这可以通过光学腔来改善。所提出的传感策略可用于在恶劣环境中以及在环境监测应用中存在干扰物质的情况下测量甲烷泄漏。

在本研究中，所开发的气体传感器使用了分布式反馈带间级联激光器，发射波长接近3.3 µm，输出功率约为 1 mW。两个ZnSe窗口安装在10 cm的气体采样室上。传输信号由DC耦合的TE冷却光电探测器收集。通过1kHz扫描速率下激光注入电流的线性斜坡将激光波长调谐在3037-3039.5 cm⁻¹范围内，并使用7.62 cm锗法布里-珀罗标准具将扫描时间转换为频率（波数）。

甲烷传感器的光学示意图

研究人员使用改进的自由感应衰减（m-FID）信号从测量的透射激光强度中推测甲烷浓度。在倒谱分析中，大多数分子响应都不受基线强度的影响。m-FID信号未受影响的部分可以通过最小二乘法拟合到已知模型，以获得气体浓度。

流程图：m-FID信号的最小二乘拟合以推测甲烷浓度

研究人员对空气中甲烷和苯的各种混合物进行了测量。通过仔细选择扫描指数（激光调谐范围与光谱线宽之比）以及m-FID信号拟合的初始和结束时间，可以在具有代表性的干扰物质苯的存在下对甲烷进行精确测量。所开发的传感器在T=23℃和P=1 atm时的MDL约为110 ppm，可用于测量环境条件下的甲烷浓度。通过使用更长的光学单元、多通道单元或光学腔来增加激光路径长度，可将MDL降低几个数量级。

通过m-FID方法和传统方法测量的甲烷浓度的比较。在实验条件下，最低检测限为110ppm。

基于吸收光谱的激光传感器已被开发用于无干扰和无基线的甲烷浓度测量。该技术使用倒谱分析生成m-FID信号，能够将甲烷吸光度与苯吸光度和基线激光强度分离开来。激光器在2.5 cm⁻¹范围内调谐，扫描指数约为10，透射的激光强度与时域中模拟的甲烷吸收信号进行最小二乘拟合，以推测甲烷浓度。拟合窗口被限制在10-70 ps，以避免干扰和基线强度的影响。在T=23℃和P=1 atm时，该传感器的最低检测限约为110 ppm，可用于测量环境条件下的甲烷浓度。在恶劣环境中，该技术大大减少了基线强度校正的需要，其可能会引入显著的误差，并且该技术还充分考虑了宽带吸收干扰。

审核编辑：刘清