從地球中提取天然氣并通過(guò)管道運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程會(huì)釋放甲烷到大氣中。甲烷是天然氣的主要成分，是一種溫室氣體，它對(duì)全球變暖的影響大約是二氧化碳的25倍，這使其在俘獲大氣熱量方面非常有效。一種新型的基于芯片的甲烷，它比一角硬幣還要小，或許有一天能夠更高效、更容易地監(jiān)測(cè)大面積的甲烷泄漏。

　　來(lái)自紐約約克鎮(zhèn)IBM Thomas J. Watson研究中心的科學(xué)家研發(fā)出了一種新型甲烷光譜儀，比現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)光譜儀體積更小，制造成本更為經(jīng)濟(jì)。在光學(xué)學(xué)會(huì)的高影響因子雜志《Optica》中，研究人員詳細(xì)介紹了這種新型光譜儀，并表明它可以檢測(cè)濃度低至萬(wàn)分之一的甲烷氣體。

　　只需少量維護(hù)保養(yǎng)，具有高抗沖擊力

　　這種光譜儀基于硅光子學(xué)技術(shù)，這意味著它是由硅制成的光學(xué)器件，即用于制造計(jì)算機(jī)芯片的材料。由于可以使用與計(jì)算機(jī)芯片相同的高容量加工方法來(lái)制造這種基于芯片的甲烷光譜儀，所以光譜儀連同外殼和電池或太陽(yáng)能電源，如果批量生產(chǎn)的話，成本可能低至幾百美元數(shù)量。

　　IBM研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人William Green表示：“與今天市面上可用的甲烷檢測(cè)光學(xué)好幾萬(wàn)的成本相比，大容量加工可以使得芯片光譜儀有了一個(gè)更重要的價(jià)值定位。”“而且，沒(méi)有可移動(dòng)部件，也沒(méi)有精確溫度控制的基本要求，這種類(lèi)型的傳感器可以運(yùn)轉(zhuǎn)多年而幾乎不需要維護(hù)?！?br />
　　這種成本低廉且質(zhì)量結(jié)實(shí)的光譜儀可以帶來(lái)令人興奮的新應(yīng)用。例如，IBM團(tuán)隊(duì)正在與石油和天然氣行業(yè)的合作伙伴共同開(kāi)展一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目將使用光譜儀來(lái)檢測(cè)甲烷泄漏，避免了成千上萬(wàn)個(gè)泄露地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)查找和修復(fù)，可以節(jié)省公司的時(shí)間和金錢(qián)。

　　“在天然氣開(kāi)采和配送過(guò)程中，當(dāng)井中的設(shè)備發(fā)生故障，閥門(mén)卡住或管道出現(xiàn)裂縫時(shí)，甲烷可能會(huì)泄漏到空氣中?！拔覀冋谘芯恳环N可以使用這種芯片光譜儀分布在井口上的傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法。例如，這些傳感器收集的數(shù)據(jù)將使用IBM的物理分析軟件進(jìn)行處理，可以自動(dòng)確定泄漏的位置以及泄漏的體積。”

　　甲烷是一種微量氣體，它占地球大氣體積的不到1%。雖然研究人員已經(jīng)演示了甲烷檢測(cè)，但還可以使用相同的方法來(lái)檢測(cè)其他個(gè)別微量氣體的存在。它也可以同時(shí)用于多種氣體檢測(cè)。

　　“我們的長(zhǎng)期愿景是將這些類(lèi)型的傳感器并入人們每天都在使用的如手機(jī)或交通工具等家用事物中。這些傳感器可用于檢測(cè)污染、危險(xiǎn)的一氧化碳含量水平或其他感興趣的分子?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員Eric Zhang說(shuō)。“因?yàn)檫@種光譜儀提供了一個(gè)用于多物種檢測(cè)的平臺(tái)，有一天或許它也可以用于呼吸分析進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。”

　　縮小光譜儀

　　這種新裝置使用了一種稱(chēng)為吸收光譜學(xué)的方法，這種方法要求激光處于被測(cè)分子唯一吸收的波長(zhǎng)處。在傳統(tǒng)的吸收光譜設(shè)置中，激光穿過(guò)空氣或自由空間，直到到達(dá)探測(cè)器。檢測(cè)到達(dá)探測(cè)器的光可以得出空氣中所關(guān)注的分子被吸收的量，同時(shí)可以計(jì)算它們現(xiàn)在的濃度。

　　新系統(tǒng)采用了類(lèi)似的方法，但它不是自由空間裝置，而是使激光穿過(guò)一條狹窄的硅波導(dǎo)，它是位于芯片上方長(zhǎng)度為10厘米長(zhǎng)的蛇形格局，可以測(cè)定16平方毫米的范圍。一些光被捕獲在波導(dǎo)內(nèi)部，而大約25%的光會(huì)延伸到硅的外部進(jìn)入空氣中，在那里它可以與經(jīng)過(guò)傳感器波導(dǎo)附近的微量氣體分子相互作用。研究人員使用近紅外激光（1650納米波長(zhǎng)）進(jìn)行甲烷檢測(cè)。

　　為了提高設(shè)備的靈敏度，研究人員仔細(xì)測(cè)量和控制了導(dǎo)致噪聲和假吸收信號(hào)的因素，微調(diào)了光譜儀的設(shè)計(jì)，并確定了波導(dǎo)的幾何參數(shù)使其能夠產(chǎn)生令人滿(mǎn)意的結(jié)果。

　　并排比較

　　為了將新型光譜儀的性能與標(biāo)準(zhǔn)自由空間光譜儀的性能進(jìn)行比較，他們將設(shè)備放置在環(huán)境室中，釋放并控制甲烷的濃度。研究人員發(fā)現(xiàn)，與自由空間設(shè)計(jì)相比，基于芯片的光譜儀比同等水平自由空間傳感器更加精確，并且減少了75%與空氣相互作用的光。此外，芯片傳感器的靈敏度通過(guò)甲烷濃度的最小可辨別范圍來(lái)量化，并顯示出具有比其他實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的自由空間光譜儀更優(yōu)越的性能。

　　“雖然硅光子學(xué)系統(tǒng)——特別是那些使用折射率變化的傳感系統(tǒng)，以前已經(jīng)被探索，但是我們工作的創(chuàng)新部分是使用這種類(lèi)型的系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)低濃度甲烷非常弱的吸收信號(hào)，和對(duì)我們傳感器芯片噪聲和最小檢測(cè)閾值的綜合分析?！?br />
　　當(dāng)前版本的光譜儀需要光線通過(guò)光纖進(jìn)出芯片。然而，研究人員正在努力將光源和檢測(cè)器并入到芯片上，這將創(chuàng)建一個(gè)不需要光纖連接的本質(zhì)上的電學(xué)設(shè)備。與當(dāng)前的自由空間傳感器不同，這種芯片型的不需要特殊的樣品或光學(xué)上的準(zhǔn)備。明年，他們計(jì)劃通過(guò)將光譜儀放置在包括其他現(xiàn)成傳感器的較大網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

　　“我們的工作表明，硅光子學(xué)制造、封裝和組件設(shè)計(jì)背后的所有知識(shí)都可以被帶入光學(xué)傳感器領(lǐng)域，完成大批量原則上是低成本的傳感器加工，最終能夠?qū)崿F(xiàn)該技術(shù)的全新應(yīng)用?！盙reen說(shuō)。