中国和法国的一个研究团队开发出了一种紧凑型光学传感器，能够检测低至168万亿分之一（ppt）浓度的二氧化碳，其灵敏度约为大气CO₂水平的2500倍。该装置于7月4日在《自然·通讯》杂志上进行了描述，使用了回音壁模式微腔,,一种将光束缚在循环路径中的微型玻璃谐振器,,并利用了一种在痕量气体检测中基本被忽视的传感机制。
“这是在非功能化WGM微腔中首次实现用于痕量气体检测的耗散传感演示，”通讯作者、江南师范大学的蔡廷栋说。”我们不追踪共振频率的偏移，而是测量气体吸收光时共振深度的变化。”
两种传感方式
大多数基于回音壁模式微腔的光学传感器通过测量共振频率的偏移来工作，这一原理称为色散传感。当气体分子结合到微腔表面或从其附近经过时，它们会改变局部折射率，导致共振波长漂移。问题是，微小气体浓度产生的折射率变化微乎其微，从而限制了灵敏度。
由阮淑静、高光珍和张建宁领导的团队采用了不同的方法。他们的传感器测量耗散变化，具体来说，就是由于CO₂分子的光学吸收而从腔体中损失的光量。当CO₂吸收循环光时，会引起局部加热，从而改变共振深度（共振与非共振透射之间的对比度）。这种效应与气体浓度成正比，而且关键的是，不需要任何化学涂层或腔体表面功能化。
最终得到的传感器兼具极高的灵敏度和显著的简洁性。在1.5至400ppm的浓度范围内，该传感器显示出超过0.99的相关系数，实现了近乎完美的线性。在400秒积分时间下，检测限达到了168ppt。精度约为0.4%。
为何重要
二氧化碳传感在从气候监测、工业安全到室内空气质量和医疗诊断的广泛应用中至关重要。当前的高精度CO₂传感器,,非色散红外（NDIR）分析仪和腔衰荡光谱仪,,灵敏度高，但体积庞大、价格昂贵且功耗高。一种紧凑、低成本的替代方案可以为环境监测、智能建筑通风系统和便携式安全设备实现密集传感器网络。
传感器核心的回音壁模式微腔是一种直径仅数十微米的玻璃结构，小到可以集成在芯片上。它不需要移动部件、气体池或特殊涂层。传感是全光学的：近红外激光通过锥形光纤耦合到微腔中，并对透射光进行共振深度变化分析。
“由于腔体不需要用任何化学涂层进行功能化，传感器本质上是稳定且长寿命的，”合著者沈德元说。”没有涂层会降解，也没有表面化学变化引起的漂移。”
实际条件下的性能
研究人员展示了在环境条件下的连续监测，表明传感器无需温度或湿度控制即可保持稳定运行，这是现场部署的关键要求。168ppt的检测限远低于环境CO₂浓度（约420ppm），这意味着传感器可以轻松区分室内或室外CO₂水平的微小变化。
由腔体热动力学决定的传感器响应时间在几秒的量级，足以满足实时监测的要求，但比某些电子传感器的微秒级响应要慢。对于环境监测应用，变化发生在数分钟到数小时的时间尺度上，这已经绰绰有余。
更广泛的意义
耗散传感机制并不仅限于CO₂。任何在近红外区域具有吸收线的气体,,甲烷、水蒸气、氨气和许多挥发性有机化合物,,原则上都可以通过同样的方法进行检测，只需将激光波长调到与气体的吸收特征相匹配即可。
“这一原理具有普遍性，”作者指出。”非功能化WGM微腔可以作为痕量气体检测的通用平台，其特异性来自激光波长而非表面化学。”
在极端灵敏度通常伴随极端复杂性的领域中，亚ppb级检测、芯片级尺寸和无功能化要求的结合，代表着向实用、可部署的光学气体传感器迈出了有意义的一步。
婷 翻译