综述：光学技术在污染物气体传感中性能的综合评述

《Measurement: Sensors》：A comprehensive review of the performance of optical techniques in the sensing of pollutant gases

这篇综述系统性地比较了各类光学气体传感器在性能上的优势与局限。文章根据工作原理（光谱学、化学和电子学）和技术平台（光纤、染料基、碳基和波导结构）进行分类，并从灵敏度、选择性、响应时间、环境稳定性等多个关键指标出发，全面评估了它们在不同应用场景（环境监测、工业安全和医疗健康）中的适用性，最后对未来研究（如材料工程、混合传感架构和先进信号处理）方向进行了展望。

　　

光学气体传感技术因其高灵敏度、高选择性和非接触式检测能力，在环境监测、工业安全和医疗诊断等领域展现出巨大潜力。本综述旨在对这些技术进行系统性梳理和比较，为不同应用场景下的技术选型提供指导。

光学气体传感器的分类与性能指标

气体传感器通过将气态分析物与传感材料相互作用转化为可测量的信号来实现检测。根据检测原理，气体测量技术主要分为基于电学性质变化和其他物理/化学性质变化两大类。光学气体传感器作为后者的重要分支，主要通过检测光与目标气体相互作用时引起的光学性质（如吸光度、波长、透射率或反射率）变化来工作。

传感器性能由一系列关键指标衡量。灵敏度（Sensitivity） 指传感器识别特定气体最小体积浓度的能力；选择性（Selectivity） 指在混合气体中区分特定气体的能力；响应时间（Response time） 是气体达到一定浓度后传感器触发信号所需的时间；稳定性（Stability） 指检测后传感器恢复原始状态、保持响应参数的能力；重复性（Repeatability） 则是在相同气体浓度下提供一致响应值的能力。此外，制造成本（Fabrication cost）、校准要求和环境适应性也是重要的考量因素。不同应用场景对这些指标的要求各有侧重，例如实时监测要求极快的响应时间，而痕量分析则追求超高灵敏度。

根据工作机制和技术平台，光学气体传感器可进行多重分类。从工作机制看，主要分为光谱学（Spectroscopic）、化学（Chemical）和电子学（Electronic）传感器。从技术平台看，则可分为光纤（Fiber-optic）、染料基（Dye-based）、碳基（Carbon-based）和波导（Waveguide）传感器。不同的机制和平台组合，造就了各具特色的传感器性能图谱。

2. 传感原理

2.1. 光谱学传感器

这类传感器利用光与气体分子的相互作用进行检测和定量，具有高灵敏度和高选择性的特点。其核心原理包括：

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  吸收光谱法（Absorption Spectroscopy）：气体分子在红外或紫外波段具有特征吸收谱。通过测量透射光强度的衰减，利用比尔-朗伯定律计算气体浓度。常见技术有非色散红外光谱法（NDIR） 和傅里叶变换红外光谱法（FTIR）。
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  可调谐二极管激光吸收光谱法（TDLAS）：使用可调谐二极管激光器扫描目标气体的精确吸收线，实现痕量气体的高选择性检测，非常适合环境应用。
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  光声光谱法（PAS）：基于光声效应，气体吸收调制光后产生热膨胀，激发出声波。通过检测声波振幅（与气体浓度成正比）实现高灵敏度检测。
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  拉曼光谱法（Raman Spectroscopy）：基于单色光的非弹性散射，散射光的能量偏移对应分子的振动信息，从而提供气体成分和浓度信息。
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  差分光学吸收光谱法（DOAS）：通过分析多个波长下的吸收差异，在复杂混合物背景中识别并量化特定气体。

先进的谱学方法不断突破检测极限。例如，谢日番等人（2025）采用腔增强吸收光谱法（CEAS） 结合高质量线性腔，在近红外波段实现了对一氧化碳（CO）低至11.7 ppm的检测，展示了超高灵敏度气体检测的潜力。2O (1%), and CO₂(100 ppm) within the wavenumber range of 6392.5–6394.0 cm^-1">。

在医疗诊断方面，朱等人（2024）开发了一种用于检测呼气中一氧化氮（NO）和氨气（NH₃）的先进光学化学气体传感器。该传感器采用了一种新颖的光谱自相关方法，通过化学反应消除目标气体，然后对反应前后的光谱进行自相关分析来提取目标气体光谱，有效解决了光谱重叠的挑战。3 and NO in the gas mixture are 1 ppm and 0.5 ppm, respectively, (c) Detection results for NO, (d) Detection results for NH₃">。

材料选择对传感器性能有显著影响。张等人（2022）研究了材料吸附对基于光声光谱法的SO₂F₂和SOF₂气体传感器检测效率的影响。研究发现，聚合物材料（如聚偏氟乙烯PVDC和聚四氟乙烯PTFE）相比极性金属材料（如不锈钢SUS304和铝合金Al6061）具有更低的吸附能力，从而带来更快的响应时间。2F₂on PACs fabricated from different materials, represented by the amplitude of the concentration-related second harmonic signal, (c) Temporal variation of the second harmonic amplitude during SOF₂adsorption in PACs">。

为了提升稳定性和简化设计，姚等人（2021）提出了一种创新的外差干涉光热气敏方法。该方法在空心反谐振光纤（HC-ARF） 中使用光热光谱，结合马赫-曾德尔干涉仪和级联锁相放大器，实现了对一氧化二氮（N₂O）的高灵敏度检测，且系统对探测激光功率波动具有内在免疫力。。

材料表面改性也是提升性能的有效途径。Kimberly等人（2021）系统研究了利用CO和CO₂等离子体对SnO₂纳米颗粒进行表面改性。研究发现，CO₂等离子体处理能通过刻蚀SnO₂晶格并增加吸附氧物种，显著提升传感器对CO、乙醇和苯的响应及恢复速度；而CO等离子体处理则会沉积碳质薄膜，导致性能下降。

利用局域表面等离子体共振（LSPR） 效应是另一热点。Proen?a等人（2022）研究了嵌入氧化铜基质中的金纳米颗粒薄膜用于气体传感。通过低功率氩等离子体刻蚀优化表面，在最佳处理时间下，传感器对CO的灵敏度得到显著提升。。

新兴材料如上转换纳米粒子（UCNPs） 也展现出独特优势。王等人（2025）报道了使用Tm³⁺掺杂的UCNPs进行水探测，克服了传统效率限制，对水和重水表现出高灵敏度，并成功开发了用于分布式传感和可穿戴湿度监测的纤维化平台。

2.2. 化学基技术传感器

这类传感器依赖于目标气体与特定传感材料之间的化学反应，通过光学信号的变化来检测气体。

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  吸收光谱法：利用气体在红外波段的特征吸收。
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  化学发光法（Chemiluminescence）：基于气体与试剂反应产生光的原理，光强度与气体浓度相关，常用于监测氮氧化物（NOx）。
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  荧光检测法（Fluorescence Detection）：特定气体分子被激发后发射荧光，通过分析荧光光谱进行检测。
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  光声光谱法：如前所述。
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  表面等离子体共振：气体吸附改变传感器表面折射率，引起共振条件变化。

材料合成与掺杂是优化性能的关键。阿尔通等人（2021）通过化学浴沉积法制备了不同镉掺杂浓度的氧化锌薄膜，用于检测二氧化碳。其中3% Cd掺杂的ZnO传感器在125°C下对100 ppm CO₂的响应最高，达到88.24%，且具有高选择性、稳定性和可重复性。。

Anajafi等人（2019）通过多种化学方法合成了LaFeO₃纳米颗粒，并研究了其气敏特性。通过溶胶-凝胶法合成并在500°C退火的LaFeO₃纳米颗粒，在400°C下对氧气和250°C下对乙醇均表现出显著的传感潜力。3 sensor to varying ethanol concentrations at 250 °C">。

纳米结构形貌对传感行为有重要影响。?zütok等人（2017）通过改进的化学浴沉积法合成了纳米花状ZnO薄膜。研究发现，退火温度影响纳米花的尺寸和结晶度，进而影响其光学性质和NO₂气敏行为。。

2.3. 电子基技术传感器

这类方法结合光学原理与电子元件，实现气体的快速、灵敏和选择性检测。

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  吸收光谱法、光声光谱法、可调谐二极管激光吸收光谱法、差分光学吸收光谱法和表面等离子体共振等光学原理同样被广泛应用。

面向可穿戴和个人监测，马德瓦尔等人（2024）开发了一种基于紫外发光二极管和光敏电阻的、低成本、可穿戴的二氧化氮传感器。其吸收基检测机制确保了高灵敏度和抗环境干扰能力，适合实时监测个人在污染环境中的暴露水平。2 gas, showing significant spectral overlap">。

理论计算为新材料的筛选和设计提供了强大工具。阿拉拉吉等人（2024）利用基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了多种气体在磷化铟单分子层上的吸附和电子特性，揭示了其对CO₂、CO、SO₂和SO等气体的敏感性和光学性质变化潜力。高等人（2022）则研究了钯修饰的二硫化锗单分子层的气敏潜力，发现其对NO和NO₂气体具有强响应和适中的恢复时间，且气体吸附会引起显著的光学性质变化，适合用于高灵敏度、可重复使用的光学气体传感器。

3. 传感平台

3.1. 光纤传感器

光纤传感器利用光纤的光学特性，通过倏逝波相互作用、吸收光谱、干涉测量、折射率测量、表面等离子体共振以及光纤布拉格光栅和长周期光栅等机制实现高灵敏度气体检测。

光纤布拉格光栅（FBG） 结构简单、可复用，通常通过涂覆气敏材料来工作，但面临着温湿度串扰和响应慢的挑战。长周期光栅（LPG） 制造相对容易，通过将光从纤芯耦合到包层模式产生衰减带，气体引起的折射率变化会移动共振波长。

面向特定应用需求，新型传感器不断涌现。孔等人（2024）针对新能源系统中电解液碳酸二甲酯的监测需求，开发了一种基于金属有机框架的光纤气体传感器。该传感器结合了马赫-曾德尔干涉仪和表面等离子体共振技术，实现了对DMC气体浓度和温度的双参数高灵敏度监测，在锂电池泄漏监测中展现出应用潜力。。

王等人（2024）开发了一种用于丙酮气体检测的光纤传感器，采用多孔N-CQDs@In₂O₃薄膜和空心错位结构在室温下工作，并利用紫外光敏化将灵敏度提升了约5.9倍，在糖尿病监测等领域具有潜力。2O₃fiber sensor, (c) Sensitivity comparison of the In₂O₃-based optical fiber sensor with and without UV light irradiation, (d) Response curve of the optical fiber gas sensor coated with N-CQDs@In₂O₃film toward acetone">。

面向氢能经济的安全监测，阿尔法贝特等人（2024）展示了基于聚苯胺/氧化石墨烯/钯纳米复合材料功能化的锥形多模光纤氢传感器，在室温下实现了高灵敏度、快速响应/恢复以及出色的选择性。。

对于地下储气库等极端环境下的泄漏监测，分布式光纤传感技术显示出独特优势。邹先建等人（2024）的研究表明，结合分布式温度传感和分布式声学传感系统，能够有效捕获高压气体泄漏信号，为深地环境下的设施完整性监测提供了可靠方法。

在传感器设计方面，Loga等人（2023）通过模拟提出了一种简单的光子晶体光纤传感器，用于检测一氧化二氮和苯，实现了高相对灵敏度和零限制损耗。特拉迪等人（2023）则研究了银负载对Co₃O₄/rGO纳米复合材料液化石油气传感性能的提升作用，获得了超低检测限和高灵敏度。高等人（2024）开发了一种集成AuNPs/2D MOF/Au复合材料的D形光纤传感器，通过耦合SPR和LSPR显著提升了多巴胺检测的灵敏度，展示了在生物医学诊断中的潜力。

总结与展望

综上所述，光学气体传感技术正朝着更高性能、更低成本、更小体积和更智能化的方向发展。光谱学方法在灵敏度和选择性上优势突出，化学和电子学方法则在成本、稳定性和可集成性上各有千秋。光纤等平台技术为传感器的实用化和网络化部署提供了坚实基础。未来的研究应聚焦于新材料工程、混合光-电传感架构、可扩展的制造策略以及先进的信号处理方法，以进一步提升传感器的长期稳定性、降低系统复杂性，并加速下一代光学气体传感技术在环境、工业和医疗等关键领域的部署和应用。