从地球上提取天然气或通过管道输送天然气的过程可以将甲烷释放到大气中。甲烷是天然气的主要组成部分，它是一种温室气体，其变暖的潜力大约是二氧化碳的25倍，使其在捕获大气热能方面非常有效。一个新的基于芯片的甲烷光谱仪，比一角硬币还小，有一天可以更容易地监控大面积的效率和泄漏。
来自纽约的科学家们开发出了新的甲烷光谱仪，它比今天的标准光谱仪要小，而且制造更经济，它能探测到浓度低至百万分之一的甲烷。
低维护、高影响
该光谱仪是基于硅光子学技术，这意味着它是一种由硅材料制成的光学器件，用于制造计算机芯片。因为用于计算机芯片的大批量生产方法可以用于制造基于芯片的甲烷分光计，因此，如果大批量生产的话，光谱仪连同外壳和电池或太阳能发电源的成本可能低至几百美元。
IBM研究团队的负责人威廉·格林说:“相比于今天市面上的数以万计的商用甲烷探测光学传感器的成本，批量制造将转化为芯片分光仪的一个重要的价值主张。”“而且，由于没有运动部件，也没有精确的温度控制的基本要求，这种传感器可以在几乎没有维护的情况下运行多年。”
这种低成本，强大的光谱仪可以带来令人兴奋的新应用。例如，IBM团队正在与石油和天然气行业的合作伙伴合作，开展一个项目，该项目将使用光谱仪来检测甲烷泄漏，从而节省公司使用面对面检查成千上万的人员查找和修复泄漏的时间和金钱。
格林说:“在天然气开采和分配过程中，当设备出现故障时，甲烷会泄漏到空气中，阀门会被卡住，或者管道有裂缝。”例如，我们正在开发一种方法，利用这种光谱-芯片来制造一个传感器网络，可以在一个井垫上分布。这些传感器的数据将用IBM的物理分析软件进行处理，以自动定位泄漏的位置，并量化泄漏量。
甲烷是一种微量气体，它的分类只占地球大气体积的不到1%。尽管研究人员证实了甲烷的检测，但同样的方法也可以用来感知其他个体痕量气体的存在。它也可以用来同时探测多种气体。
“我们的长期愿景是将这些类型的传感器融入到人们每天使用的家庭和日常用品中，比如手机或汽车。”他们可能对检测污染、危险的一氧化碳水平或其他感兴趣的分子很有用。“因为这个光谱仪提供了一个多物种检测的平台，也有一天可以通过呼吸分析来进行健康监测。”
缩小光谱仪
这种新装置采用了一种叫做吸收光谱法的方法，它要求激光在被测量的分子中唯一吸收的波长。在传统的吸收光谱中，激光穿过空气，或自由空间，直到到达探测器为止。测量到达探测器的光，就能显示出在空气中分子吸收了多少光，并可以用来计算它们的浓度。
新系统采用了类似的方法，而不是自由空间的设置，激光通过一个狭窄的硅波导，在一个直径16平方毫米的芯片上有一个10厘米长的蛇形图案。一些光被困在波导里，约25%的光从硅外扩展到周围的空气中，在那里它可以与通过附近传感器波导的微量气体分子相互作用。研究人员使用近红外激光(1650纳米波长)来检测甲烷。
为了提高器件的灵敏度，研究人员仔细测量并控制了导致噪声和假吸收信号的因素，对光谱仪的设计进行了微调，并确定波导几何参数，从而产生良好的结果。为了将新的光谱仪的性能与标准的自由空间光谱仪的性能进行比较，他们将这些设备放入一个环境室，并释放了控制浓度的甲烷。研究人员发现，与自由空间设计相比，以芯片为基础的光谱仪提供的精确度与自由空间传感器的精确度不相上下，尽管与空气的互动减少了75%。此外，通过测量甲烷浓度最小可识别的变化，芯片传感器的基本灵敏度被量化，显示出与在其他实验室开发的自由空间光谱仪类似的性能。
研究人员说，“尽管硅光子学系统——尤其是那些使用感应折射率变化——以前一直在探索,我们工作的创新之处是使用这种类型的系统探测非常微弱的吸收信号”
该光谱仪目前的版本要求光通过光纤进入和退出芯片。然而，研究人员正在努力将光源和探测器整合到芯片上，这将创造出一种基本的电子设备，不需要光纤连接。与目前的自由空间传感器不同，芯片不需要特殊的样品或光学制剂。明年，他们计划开始实地测试光谱仪，将其放入一个更大的网络中，包括其他现成的传感器。
格林说:“我们的研究表明，硅光子学制造、包装和组件设计的所有知识都可以被引入光学传感器空间，制造高容量的制造，在原理上，低成本传感器，最终为这项技术提供一套全新的应用程序。”
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