從地球中提取天然氣并通過管道運輸?shù)倪^程會釋放甲烷到大氣中。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光譜，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)測大面積的甲烷泄漏。

　　來自紐約約克鎮(zhèn)IBM Thomas J. Watson研究中心的科學家研發(fā)出了一種新型甲烷光譜儀，比現(xiàn)在的標準光譜儀體積更小，制造成本更為經(jīng)濟。在光學學會的高影響因子雜志《Optica》中，研究人員詳細介紹了這種新型光譜儀，并表明它可以檢測濃度低至萬分之一的甲烷氣體。

　　只需少量維護保養(yǎng)，具有高抗沖擊力

　　這種光譜儀基于硅光子學技術，這意味著它是由硅制成的光學器件，即用于制造計算機芯片的材料。由于可以使用與計算機芯片相同的高容量加工方法來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研究團隊的負責人William Green表示：“與今天市面上可用的甲烷檢測光學傳感器好幾萬的成本相比，大容量加工可以使得芯片光譜儀有了一個更重要的價值定位。”“而且，沒有可移動部件，也沒有精確溫度控制的基本要求，這種類型的傳感器可以運轉多年而幾乎不需要維護。”

　　這種成本低廉且質量結實的光譜儀可以帶來令人興奮的新應用。例如，IBM團隊正在與石油和天然氣行業(yè)的合作伙伴共同開展一個項目，該項目將使用光譜儀來檢測甲烷泄漏，避免了成千上萬個泄露地點的現(xiàn)場查找和修復，可以節(jié)省公司的時間和金錢。

　　“在天然氣開采和配送過程中，當井中的設備發(fā)生故障，閥門卡住或管道出現(xiàn)裂縫時，甲烷可能會泄漏到空氣中?！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的物理分析軟件進行處理，可以自動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，但還可以使用相同的方法來檢測其他個別微量氣體的存在。它也可以同時用于多種氣體檢測。

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

　　縮小光譜儀

　　這種新裝置使用了一種稱為吸收光譜學的方法，這種方法要求激光處于被測分子唯一吸收的波長處。在傳統(tǒng)的吸收光譜設置中，激光穿過空氣或自由空間，直到到達探測器。檢測到達探測器的光可以得出空氣中所關注的分子被吸收的量，同時可以計算它們現(xiàn)在的濃度。

　　新系統(tǒng)采用了類似的方法，但它不是自由空間裝置，而是使激光穿過一條狹窄的硅波導，它是位于芯片上方長度為10厘米長的蛇形格局，可以測定16平方毫米的范圍。一些光被捕獲在波導內(nèi)部，而大約25%的光會延伸到硅的外部進入空氣中，在那里它可以與經(jīng)過傳感器波導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）進行甲烷檢測。

　　為了提高設備的靈敏度，研究人員仔細測量和控制了導致噪聲和假吸收信號的因素，微調(diào)了光譜儀的設計，并確定了波導的幾何參數(shù)使其能夠產(chǎn)生令人滿意的結果。

　　并排比較

　　為了將新型光譜儀的性能與標準自由空間光譜儀的性能進行比較，他們將設備放置在環(huán)境室中，釋放并控制甲烷的濃度。研究人員發(fā)現(xiàn)，與自由空間設計相比，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甲烷濃度的最小可辨別范圍來量化，并顯示出具有比其他實驗室研發(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型的系統(tǒng)來檢測低濃度甲烷非常弱的吸收信號，和對我們傳感器芯片噪聲和最小檢測閾值的綜合分析?！?br />
　　當前版本的光譜儀需要光線通過光纖進出芯片。然而，研究人員正在努力將光源和檢測器并入到芯片上，這將創(chuàng)建一個不需要光纖連接的本質上的電學設備。與當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上的準備。明年，他們計劃通過將光譜儀放置在包括其他現(xiàn)成傳感器的較大網(wǎng)絡中進行現(xiàn)場測試。

　　“我們的工作表明，硅光子學制造、封裝和組件設計背后的所有知識都可以被帶入光學傳感器領域，完成大批量原則上是低成本的傳感器加工，最終能夠實現(xiàn)該技術的全新應用?！盙reen說。

　　編輯點評

　　根據(jù)新的資源評價結果，我國陸上煤層氣資源量36.8萬億立方米，其主要成分為 CH4、O2、N2 以及少部分 CO2，將這些氣體直接排放到大氣中對環(huán)境的影響是非常大的，基于微芯片的甲烷光譜儀通過高低濃度的配置，保證甲烷濃度的測量數(shù)據(jù)，為我國溫室氣體排放控制提供了技術保證。