康諾特廣場(chǎng)附近一棟建筑物的屋頂上的日落，在那里低成本傳感器與參考儀器共置了兩年。圖片來源：David Hagan

在印度德里的任何時(shí)刻，居民都可能啟動(dòng)汽車，釋放出漂浮在大氣中的廢氣。在印度西北部，農(nóng)民收割小麥后可能會(huì)放火燒田，以迅速清除它，釋放出會(huì)被風(fēng)吹走的煙霧。一個(gè)小家庭可能會(huì)燃燒木頭來點(diǎn)燃爐子，從而將煙塵釋放到天空中。德里是一個(gè)擁有超過2800萬居民的城市，白天和黑夜都在忙碌著忙碌著。隨著它的增長(zhǎng)，它的污染也在增加。

有時(shí)表現(xiàn)為厚厚的煙霧，呼吸系統(tǒng)疾病，和疾病，是很多人的希望誰識(shí)別并消除其來源的焦點(diǎn)。但是要準(zhǔn)確地做到這一點(diǎn)，必須通過研究級(jí)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀來跟蹤污染情況，該監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的污染物包括顆粒物，二氧化硫，二氧化氮，臭氧等，這些污染物的成本可能高達(dá)數(shù)十萬美元。

低成本傳感器已經(jīng)開始商業(yè)化，它為科學(xué)家，政策制定者和公眾提供了在不增加管理費(fèi)用的情況下檢測(cè)污染的機(jī)會(huì)，但并非沒有取舍。麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程和化學(xué)工程系的教授Jesse Kroll研究了用于進(jìn)行大氣化學(xué)研究的儀器和方法。他說：“就幾乎每個(gè)測(cè)量指標(biāo)而言（精度，準(zhǔn)確性，靈敏度，干擾，漂移等），低成本傳感器都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到研究級(jí)設(shè)備所能提供的水平�！� “這是一個(gè)主要限制，但傳感器制造商通常沒有明確指出�！�

結(jié)果，克羅爾說，使用低成本傳感器檢測(cè)污染的特征仍然很差。但是傳感器的低成本，低能耗和小尺寸激勵(lì)了它們的采用，因此在過去的幾年中，在中國和印度等國家，傳感器的使用已大大擴(kuò)展。Kroll說：“這些工具的使用確實(shí)超出了我們理解其數(shù)據(jù)實(shí)際含義的努力�！�

澄清和擴(kuò)展低成本傳感器在污染檢測(cè)中的功能的挑戰(zhàn)激發(fā)了由Kroll和研究生David Hagan領(lǐng)導(dǎo)的最近發(fā)表的一項(xiàng)研究，該研究將低成本傳感器的性能與德里的研究級(jí)設(shè)備進(jìn)行了比較，并找到了一個(gè)新方法。設(shè)備的功能。

在印度技術(shù)學(xué)院的德里校園中，研究級(jí)儀器已經(jīng)從Hauz Khaz大樓四層采樣空氣，該大樓由Kroll和Hagan的合作者，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Josh Apte和Lea Hildebrandt建立和維護(hù)。 。Hagan說：“我們抓住了一個(gè)機(jī)會(huì)，可以將我們的儀器與他們的儀器放在一起，以證明我們的儀器可以很好地工作�！� 但這并不容易：他說，在德里，顆粒物含量很高，以至于它們的傳感器最初很容易結(jié)垢，而且傳感器在炎熱的天氣中有過熱的危險(xiǎn)。Hagan說：“圍繞它進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)有趣的工程挑戰(zhàn)�！�

在克服了這些挑戰(zhàn)之后，低成本傳感器和研究級(jí)監(jiān)視器在2018年冬季的六周期間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行，對(duì)實(shí)驗(yàn)室四樓陽臺(tái)的空氣進(jìn)行了采樣。在對(duì)捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，可以測(cè)量氣體和顆粒物的低成本傳感器不僅可以捕獲總體的空氣質(zhì)量和污染物水平，還可以用于推斷污染物的來源，即使是那些傳感器無法直接檢測(cè)。

研究生Sidhant Pai在德里中部的Connaught Place附近維修低成本的空氣質(zhì)量傳感器。圖片來源：David Hagan

通過應(yīng)用一種稱為非負(fù)矩陣分解的多元分析，研究人員能夠識(shí)別，分解并推斷對(duì)低成本傳感器檢測(cè)到的總信號(hào)有貢獻(xiàn)的信號(hào)源，并將這些結(jié)果與更詳細(xì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較由研究級(jí)監(jiān)視器收集。

該分析表明，總信號(hào)包括燃燒因子以及其他兩個(gè)因子，并通過從空氣中測(cè)得的顆粒來表征。占總顆粒物很大一部分的燃燒顆粒太小，無法被傳感器本身檢測(cè)到，但是傳感器對(duì)其他共同排放的污染物（例如一氧化碳）的測(cè)量結(jié)果仍然可以推斷出它們。

Hagan說：“這些低成本傳感器不僅可以用于常規(guī)測(cè)量，還可以用于識(shí)別污染源，從而更好地了解我們的呼吸�！�

更進(jìn)一步，由低成本傳感器收集的數(shù)據(jù)捕獲了有關(guān)德里環(huán)境污染的足夠信息，研究人員可以區(qū)分主要污染源或直接排放的顆粒，以及次要污染源，即通過排放到大氣中后經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成的那些顆粒。大氣層。

這些類型的信息可以使您更容易了解世界各地的空氣質(zhì)量。“低成本傳感器的優(yōu)勢(shì)之一在于，它們可以在被研究不足的地方提供有關(guān)空氣質(zhì)量和污染源的信息，而這些地方中的許多地方，例如發(fā)展中國家的城市，往往都有一些世界上最嚴(yán)重的污染�！�

Hagan說：“使用這些低成本傳感器，我們可以真正了解空氣污染和人類暴露的時(shí)空異質(zhì)性。” “這與人們的實(shí)際生活方式息息相關(guān)。”

結(jié)果已經(jīng)啟發(fā)了未來的研究。克羅爾說：“這是改善城市空氣質(zhì)量的關(guān)鍵的第一步。” “我們想看看是否可以將其擴(kuò)展到其他環(huán)境和其他類型的污染。這不僅包括其他污染嚴(yán)重的城市，還包括相對(duì)較干凈的城市，例如波士頓。”