中国とフランスの研究チームは、二酸化炭素を168ppt（1兆分の168）という低濃度で検出可能な小型光学センサーを開発した。これは大気中のCO₂濃度の約2500倍の感度に相当する。7月4日付のNature Communicationsに掲載されたこの装置は、ささやきの殿堂モードを利用した微小共振器、つまり光を循環経路に閉じ込める極小のガラス共振器を用いており、微量ガス検出ではこれまでほとんど注目されていなかった検出機構を活用している。
「これは、微量ガス検出において非機能化WGM微小共振器を用いた散逸センシングの初めての実証です」と、江蘇師範大学の蔡廷棟（Cai Tingdong） corresponding authorは述べている。「共鳴周波数のシフトを追跡する代わりに、ガスが光を吸収したときの共鳴深度の変化を測定します。」
2つの検出方式
ささやきの殿堂モード微小共振器に基づくほとんどの光学センサーは、共鳴周波数のシフトを測定することで動作する。これは分散型センシングと呼ばれる原理である。ガス分子が微小共振器表面に結合したり近づいたりすると、局所的な屈折率が変化し、共鳴波長がドリフトする。問題は、微小なガス濃度による屈折率変化が極めて小さく、感度が制限されることである。
阮淑静（Ruan Shujing）、高光珍（Gao Guangzhen）、張建寧（Zhang Jianing）が率いるチームは、異なるアプローチをとった。彼らのセンサーは散逸変化、具体的にはCO₂分子による光吸収によって共振器から失われる光の量を測定する。CO₂が循環光を吸収すると局所的な加熱が生じ、共鳴深度（共鳴時と非共鳴時の透過率のコントラスト）が変化する。この効果はガス濃度に比例し、重要なことに、共振器表面への化学コーティングや機能化を一切必要としない。
結果として得られたセンサーは、極めて高い感度と驚くべき簡便性を兼ね備えている。1.5ppmから400ppmの濃度範囲で、センサーは0.99を超える相関係数を示し、ほぼ完全な直線性を達成した。積分時間400秒での検出限界は168pptに達した。精度は約0.4%であった。
重要性
二酸化炭素の検出は、気候モニタリングや産業安全から室内空気質や医療診断に至るまで、幅広い用途で重要である。現在の高精度CO₂センサー（非分散型赤外線分析計やキャビティリングダウン分光計）は高感度だが、大型で高価、かつ消費電力が大きい。小型で低コストの代替品が実現すれば、環境モニタリング用の高密度センサーネットワーク、スマートビル換気システム、携帯型安全装置が可能になる。
センサーの中核であるささやきの殿堂モード微小共振器は、直径がわずか数十ミクロンのガラス構造で、チップ上に収まる大きさである。可動部品、ガスセル、特殊コーティングは一切不要である。検出は全光学式で、近赤外レーザーをテーパー光ファイバーを介して微小共振器に結合させ、透過光の共鳴深度変化を分析する。
「共振器に化学コーティングを施す必要がないため、センサーは本質的に安定で長寿命です」と、共著者の沈徳元（Shen Deyuan）氏は述べている。「劣化するコーティングも、表面の化学変化によるドリフトもありません。」
実環境での性能
研究チームは、周囲条件下での連続モニタリングを実証し、センサーが温度や湿度の制御なしで安定動作を維持することを示した。これは現場展開のための重要な要件である。168pptの検出限界は、大気中のCO₂濃度（約420ppm）をはるかに下回っており、室内外のCO₂レベルの微小な変動を容易に識別できることを意味する。
センサーの応答時間は、共振器の熱的ダイナミクスによって決定され、数秒程度であった。これはリアルタイムモニタリングには十分な速さだが、一部の電子センサーのマイクロ秒応答よりは遅い。環境モニタリング用途では、変化は数分から数時間単位で発生するため、これで十分である。
より広い意義
散逸センシング機構はCO₂に限定されない。近赤外領域に吸収線を持つあらゆるガス（メタン、水蒸気、アンモニア、多くの揮発性有機化合物）は、原理的には、レーザー波長をガスの吸収特性に合わせて調整するだけで、同じ手法で検出できる可能性がある。
「原理は一般的です」と著者らは指摘する。「非機能化WGM微小共振器は、特異性を表面化学ではなくレーザー波長に依存する、微量ガス検出のための普遍的なプラットフォームとして機能します。」
極度の感度に通常は極度の複雑さが伴う分野において、サブppb検出、チップ規模のサイズ、機能化不要の組み合わせは、実用的で展開可能な光学ガスセンサーへの有意義な一歩を示している。
雅子 訳