论文标题：Integrated Photonic Sensors for the Detection of Toxic Gasses—A Review

论文链接：https://www.mdpi.com/2227-9040/12/7/143

期刊名：Chemosensors

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/chemosensors

文章导读

有毒气体的检测是现代工业和环境监控中不可或缺的一环。常见的有毒气体，如一氧化碳 (CO)、氮氧化物 (NOx) 和硫化氢 (H?S)，不仅对人类健康构成威胁，还对生态环境和工业安全造成重大影响。传统的气体检测方法，如金属氧化物传感器、电化学传感器和催化传感器，虽然能够提供有效的监测数据，但在灵敏度、响应时间和设备体积方面存在一定的局限性。随着集成光子传感技术的迅速发展，光子传感器已经成为气体检测领域的一项重要技术。集成光子传感器通过将光子学元件 (如光波导、光谐振器等) 集成到单一芯片上，使得传感器的体积得到了大幅缩小，同时提高了检测的灵敏度和选择性。光子传感器的核心优势在于其极高的灵敏度、快速响应时间和实时监测能力，尤其适用于需要精确识别微量气体浓度的应用场景，如环境监测、工业安全和医疗诊断等。

本篇由波兰华沙理工大学微电子与光电子研究所Muhammad A. Butt老师团队撰写并在 Chemosensors 期刊发表的文章综述了集成光子传感器在有毒气体检测中的最新进展，重点讨论了其基于渐逝场吸收 (EFA) 和波长干涉等机制的应用，分析了这些传感技术的原理、优势以及面临的挑战。同时，文章还对相关材料和制作工艺进行了探讨，并展望了未来发展方向，指出集成光子传感器在提高选择性、降低成本以及实现多气体检测方面的巨大潜力。

研究过程与结果

随着工业化进程的加快，室内外环境中有毒气体的浓度日益增高，这些气体对人体健康构成了严重威胁。室内空气污染包括一氧化碳、挥发性有机化合物 (VOCs) 和氡气等，这些物质在低浓度下可能导致头痛、眩晕、呼吸道问题，甚至致癌。为了保障公共健康和安全，有效的气体检测技术至关重要 (图1)。传统气体传感器技术，包括金属氧化物传感器 (MOX)、催化传感器和电化学传感器等，虽然能够提供一定的灵敏度和稳定性，但它们在检测灵敏度、响应速度、成本和设备体积方面仍存在局限。为此，集成光子传感器作为一种新兴技术，通过将光学组件集成到一个微型芯片上，提供了更高的灵敏度、快速响应以及实时监测能力，特别适合用于检测微量有毒气体。

图1. 室内和室外空气污染的图解。

1. 集成光子传感器的基本原理

集成光子传感器利用光与气体分子相互作用的原理，通过光波导、谐振器等光学元件将光引导至气体样本，利用光在气体分子中的吸收或散射来监测气体浓度。这些传感器的工作原理主要包括渐逝场吸收 (EFA) 和波长干涉两种方法 (图2)。

渐逝场吸收 (EFA)，该方法基于光波导表面近旁的渐逝场与气体分子之间的相互作用。当气体分子接近光波导表面时，它们会与渐逝场发生相互作用，导致特定波长光的吸收变化，从而产生与气体浓度成正比的信号变化。

波长干涉法，该方法通过监测光波在波导中的传播波长变化来感知气体的存在。气体分子通过改变传感材料的折射率，进而影响光波的干涉模式，达到气体检测的目的。

图2. 用于传感目的的不同WG配置：(a) 平面WG；(b) 槽位WG和e场分布 (c)；(d) SWG WG；(e) 耦合的环形谐振器；(f) 基于SWG WG的传感的环形谐振器结构；(g) 光子晶体WG；(h) 悬浮膜WG；(i) 表面等离子体WG；(j) MIM WG。

2. 光子传感器的应用

集成光子传感器具有极高的灵敏度和快速响应的特点，广泛应用于环境监测、工业安全以及医疗诊断等多个领域。在工业环境中，集成光子传感器能够实时检测有毒气体泄漏，确保工作环境的安全。在环境监测中，光子传感器能够精确追踪空气中的污染物，协助政府和企业制定有效的污染控制措施。此外，光子传感器在医疗诊断中的应用也日益广泛，尤其是在非侵入性检测中，通过分析呼气中微量气体的浓度，光子传感器可用于早期疾病诊断，如呼吸系统疾病和某些癌症的检测。

3. 主要光子传感器架构与材料

波导结构：波导结构通过将光束局限在一个微小区域内，从而增强光与气体分子之间的相互作用。这类传感器可根据需求选择平面波导、槽波导和亚波长光栅波导等不同形式，以提高灵敏度和选择性。

材料选择：为了提升光子传感器的性能，研究者们探索了多种材料，包括硅光子技术、氮化硅材料、铅硒化物等，这些材料不仅具备优良的光学特性，还能与现有的制造技术兼容，促进传感器的大规模生产 (图3)。

图3. (a) 具有PHMB功能层涂层的Si MRR CO₂气体传感器示意图。该涂层位于MRR波导上。(b) Si MRR的扫描电子显微镜图像。(c) 功能化MRR的测量共振光谱。黑色曲线表示在纯N₂气体中的初始光谱，而红色曲线则显示在0.5% CO₂气体浓度下的光谱。蓝色虚线表示共振曲线拟合，用于将透射功率与相对波长偏移相关联。(d) 双气体传感器的示意图。由三个MRR组成的阵列：用于参考的Ref-MR、用于H₂检测的Pd-MR和用于CO₂检测的PHMB-MR。横截面图分别展示了 (e) Pd功能层和 (f) PHMB涂层。(g) Pd-MR的扫描电子显微镜图像。(h) 在N₂气流条件下测量的双气体传感器的光谱响应。(i) LT-MZI结构。(j) 存在不同CO₂浓度时LT-MZI结构的透射光谱。

4. 持续发展的挑战与前景

尽管集成光子传感器在气体检测中展现出强大的潜力，但仍面临一些挑战。首先是传感器的选择性问题，在实际应用中，如何有效区分不同气体，并减少环境干扰，仍是一个难点。其次，传感器的稳定性和长期可靠性需要进一步优化，尤其是在高温、高湿等极端条件下的应用。未来，随着纳米技术和光子集成技术的发展，光子传感器的性能有望得到进一步提升。通过改进光波导设计、使用新型功能化材料以及开发智能信号处理算法，集成光子传感器有望在环境监测、工业安全和健康诊断等领域得到更广泛的应用。

文章总结

本综述详细介绍了集成光子传感器在有毒气体检测中的最新进展。集成光子传感器利用光子学原理，通过光波导和谐振器等光学元件实现对气体浓度的精确测量。与传统传感器相比，光子传感器具有更高的灵敏度、更快的响应时间和实时监测能力，特别适用于环境监测、工业安全和医疗诊断等领域。尽管如此，集成光子传感器仍面临着选择性差、灵敏度提升、环境适应性等方面的挑战。未来的研究需要集中在提高传感器性能，解决多气体检测、环境适应性及成本控制问题上。通过结合新材料和先进的制造技术，集成光子传感器有望在气体检测领域发挥更加重要的作用，推动相关技术的广泛应用。

Chemosensors 期刊介绍

主编：Nicole Jaffrezic-Renault, CNRS/University of Franche-Comté, France; Jin-Ming Lin, Tsinghua University, China

期刊范围涵盖化学传感理论；机理和检测原理；开发、制造技术；化学分析方法在食品、环境监测、医药、制药、工业、农业等方面的应用。