康諾特廣場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刻，居民都可能啟動汽車，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放火燒田，以迅速清除它，釋放出會被風吹走的煙霧。一個小家庭可能會燃燒木頭來點燃爐子，從而將煙塵釋放到天空中。德里是一個擁有超過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，它的污染也在增加。

有時表現(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別并消除其來源的焦點。但是要準確地做到這一點，必須通過研究級的空氣質量監(jiān)測儀來跟蹤污染情況，該監(jiān)測儀測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，它為科學家，政策制定者和公眾提供了在不增加管理費用的情況下檢測污染的機會，但并非沒有取舍。麻省理工學院土木與環(huán)境工程和化學工程系的教授Jesse Kroll研究了用于進行大氣化學研究的儀器和方法。他說：“就幾乎每個測量指標而言（精度，準確性，靈敏度，干擾，漂移等），低成本傳感器都遠遠不能達到研究級設備所能提供的水平。” “這是一個主要限制，但傳感器制造商通常沒有明確指出�！�

結果，克羅爾說，使用低成本傳感器檢測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展。Kroll說：“這些工具的使用確實超出了我們理解其數(shù)據(jù)實際含義的努力�！�

澄清和擴展低成本傳感器在污染檢測中的功能的挑戰(zhàn)激發(fā)了由Kroll和研究生David Hagan領導的最近發(fā)表的一項研究，該研究將低成本傳感器的性能與德里的研究級設備進行了比較，并找到了一個新方法。設備的功能。

在印度技術學院的德里校園中，研究級儀器已經(jīng)從Hauz Khaz大樓四層采樣空氣，該大樓由Kroll和Hagan的合作者，德克薩斯大學奧斯汀分校的Josh Apte和Lea Hildebrandt建立和維護。 。Hagan說：“我們抓住了一個機會，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垢，而且傳感器在炎熱的天氣中有過熱的危險。Hagan說：“圍繞它進行設計是一個有趣的工程挑戰(zhàn)�！�

在克服了這些挑戰(zhàn)之后，低成本傳感器和研究級監(jiān)視器在2018年冬季的六周期間內(nèi)同時運行，對實驗室四樓陽臺的空氣進行了采樣。在對捕獲的數(shù)據(jù)進行分析之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，可以測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。

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

通過應用一種稱為非負矩陣分解的多元分析，研究人員能夠識別，分解并推斷對低成本傳感器檢測到的總信號有貢獻的信號源，并將這些結果與更詳細的測量結果進行比較由研究級監(jiān)視器收集。

該分析表明，總信號包括燃燒因子以及其他兩個因子，并通過從空氣中測得的顆粒來表征。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到，但是傳感器對其他共同排放的污染物（例如一氧化碳）的測量結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)測量，還可以用于識別污染源，從而更好地了解我們的呼吸。”

更進一步，由低成本傳感器收集的數(shù)據(jù)捕獲了有關德里環(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)化學反應形成的那些顆粒。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量。“低成本傳感器的優(yōu)勢之一在于，它們可以在被研究不足的地方提供有關空氣質量和污染源的信息，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空異質性。” “這與人們的實際生活方式息息相關。”

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