用于 ppm 级分子气体检测的悬置波导增强近红外光热光谱学，基于硫属化物芯片

为什么缩小气体传感器很重要

从追踪大气中的温室气体到监测呼吸以发现疾病迹象，对小型、廉价且极其灵敏的气体传感器的需求日益增长。今天最精确的仪器通常体积庞大且耗能高。本研究展示了如何通过巧妙地利用光与热，将这种性能压缩到一块微小的玻璃芯片上，为便携式环境监测、医用可穿戴设备和紧凑的安全探测器打开了道路。

将光变为热，再变为信号

大多数基于芯片的气体传感器工作原理类似微型呼气式酒精测定器：它们让光通过或沿气体传播并测量被吸收的多少。但由于光在芯片上的与气体的相互作用距离很短，信号通常很弱，灵敏度被限制在百万分之一水平。该研究团队采用了一种不同的手法，称为光热光谱学。他们不去寻找光强度中的小凹陷，而是让气体分子吸收调制的激光束，从而轻微加热周围环境。然后用第二束激光探测这次加热引起的材料光学性质的微小变化，将其转换为可以精确测量且背景噪声很低的相位位移。

为了更强的相互作用而悬置的光学通道

核心创新是由硫属化物玻璃制成的特殊“悬置”波导，这种玻璃对温度变化响应强烈。这个狭窄的玻璃脊状结构像桥梁一样被支撑，上方和下方都是空气，而不是下面有实心层。当光沿波导传播时，其电场的一部分会泄露到空气中，气体分子就位于那里。悬置结构显著增加了光与气体之间的重叠，因此更多的泵浦光被吸收。与此同时，空气间隙充当了热隔层，减慢了热量向下方硅基底的散失。因此，被吸收的光产生的微小热量更容易在波导周围累积。

从精细建模到实用设计

为了充分发挥该悬置结构的性能，研究人员开发了一个数学模型，将光学和热学行为以“等效”方式处理。这使他们能够调整玻璃脊的尺寸和空气间隙的厚度，以最大化探测光束每单位吸收光所产生的相位位移。他们的分析显示，与置于实心玻璃上的传统波导相比，悬置设计可使相同吸收泵浦功率产生约四倍的热量，并将有效热泄露降低超过十倍。总体而言，对于一段刚刚超过一厘米的波导，这带来了约45倍的光热相位信号增强。

构建并测试片上气体探测器

研究团队使用与标准半导体制造兼容的工艺制造了优化后的波导。环绕玻璃脊的微小孔用于酸浴去除下方的氧化物层，使结构在悬置的同时仍保持机械稳固。随后他们利用芯片端面处的自然反射形成了一个简单的片上干涉仪，将探测激光受热引起的相位位移转换为可电子读取的强度信号。在此配置下，他们以乙炔气体作为目标，这是一种常见的测试分子，并在近红外波段工作——该波段吸收相对较弱，检测具有挑战性。

在微小芯片上实现十亿分之一量级的检测

尽管相互作用长度有限且近红外吸收较弱，悬置波导传感器仍实现了约330十亿分之（一十亿分之三百三十）乙炔的检测下限。它还能跨近六个数量级跟踪气体浓度，从痕量到数十百分比，并且响应时间不足一秒——足够快以跟踪气流中的快速变化。以单位长度最小可检测吸收表示的总体灵敏度，比先前的波导传感器高出一到四个数量级，并为该光谱区域的片上气体传感设定了新的基准。

这对日常传感意味着什么

简单来说，这项工作表明，通过悬置一条微小的玻璃光导并利用热效应而非仅仅测量光的微弱衰减，指甲大小的芯片就能检测到极微量的气体。因为所用材料和制造方法与主流光子学与电子学兼容，同样的方法可以扩展到其他气体（包括污染物和生物标志物），并推广到许多分子吸收更强的中红外波段。这种超高灵敏度、紧凑体积和潜在低成本的结合，使我们更接近于那些安静且持续监测周围及体内不可见化学物质的日常设备——无人机、可穿戴设备、家用监测器等。

引用: Zheng, K., Liao, H., Han, F. et al. Suspended waveguide-enhanced near-infrared photothermal spectroscopy for ppb-level molecular gas sensing on a chalcogenide chip. Light Sci Appl 15, 116 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02196-7

关键词: 片上气体传感, 光热光谱, 悬置波导, 硫属化物玻璃, 近红外传感器