康诺特广场附近一栋建筑物的屋顶上的日落，在那里低成本传感器与参考仪器共置了两年。图片来源：David Hagan

在印度德里的任何时刻，居民都可能启动汽车，释放出漂浮在大气中的废气。在印度西北部，农民收割小麦后可能会放火烧田，以迅速清除它，释放出会被风吹走的烟雾。一个小家庭可能会燃烧木头来点燃炉子，从而将烟尘释放到天空中。德里是一个拥有超过2800万居民的城市，白天和黑夜都在忙碌着忙碌着。随着它的增长，它的污染也在增加。

有时表现为厚厚的烟雾，呼吸系统疾病，和疾病，是很多人的希望谁识别并消除其来源的焦点。但是要准确地做到这一点，必须通过研究级的空气质量监测仪来跟踪污染情况，该监测仪测量的污染物包括颗粒物，二氧化硫，二氧化氮，臭氧等，这些污染物的成本可能高达数十万美元。

低成本传感器已经开始商业化，它为科学家，政策制定者和公众提供了在不增加管理费用的情况下检测污染的机会，但并非没有取舍。麻省理工学院土木与环境工程和化学工程系的教授Jesse Kroll研究了用于进行大气化学研究的仪器和方法。他说：“就几乎每个测量指标而言（精度，准确性，灵敏度，干扰，漂移等），低成本传感器都远远不能达到研究级设备所能提供的水平。” “这是一个主要限制，但传感器制造商通常没有明确指出。”

结果，克罗尔说，使用低成本传感器检测污染的特征仍然很差。但是传感器的低成本，低能耗和小尺寸激励了它们的采用，因此在过去的几年中，在中国和印度等国家，传感器的使用已大大扩展。Kroll说：“这些工具的使用确实超出了我们理解其数据实际含义的努力。”

澄清和扩展低成本传感器在污染检测中的功能的挑战激发了由Kroll和研究生David Hagan领导的最近发表的一项研究，该研究将低成本传感器的性能与德里的研究级设备进行了比较，并找到了一个新方法。设备的功能。

在印度技术学院的德里校园中，研究级仪器已经从Hauz Khaz大楼四层采样空气，该大楼由Kroll和Hagan的合作者，德克萨斯大学奥斯汀分校的Josh Apte和Lea Hildebrandt建立和维护。 。Hagan说：“我们抓住了一个机会，可以将我们的仪器与他们的仪器放在一起，以证明我们的仪器可以很好地工作。” 但这并不容易：他说，在德里，颗粒物含量很高，以至于它们的传感器最初很容易结垢，而且传感器在炎热的天气中有过热的危险。Hagan说：“围绕它进行设计是一个有趣的工程挑战。”

在克服了这些挑战之后，低成本传感器和研究级监视器在2018年冬季的六周期间内同时运行，对实验室四楼阳台的空气进行了采样。在对捕获的数据进行分析之后，研究人员发现，可以测量气体和颗粒物的低成本传感器不仅可以捕获总体的空气质量和污染物水平，还可以用于推断污染物的来源，即使是那些传感器无法直接检测。

研究生Sidhant Pai在德里中部的Connaught Place附近维修低成本的空气质量传感器。图片来源：David Hagan

通过应用一种称为非负矩阵分解的多元分析，研究人员能够识别，分解并推断对低成本传感器检测到的总信号有贡献的信号源，并将这些结果与更详细的测量结果进行比较由研究级监视器收集。

该分析表明，总信号包括燃烧因子以及其他两个因子，并通过从空气中测得的颗粒来表征。占总颗粒物很大一部分的燃烧颗粒太小，无法被传感器本身检测到，但是传感器对其他共同排放的污染物（例如一氧化碳）的测量结果仍然可以推断出它们。

Hagan说：“这些低成本传感器不仅可以用于常规测量，还可以用于识别污染源，从而更好地了解我们的呼吸。”

更进一步，由低成本传感器收集的数据捕获了有关德里环境污染的足够信息，研究人员可以区分主要污染源或直接排放的颗粒，以及次要污染源，即通过排放到大气中后经化学反应形成的那些颗粒。大气层。

这些类型的信息可以使您更容易了解世界各地的空气质量。“低成本传感器的优势之一在于，它们可以在被研究不足的地方提供有关空气质量和污染源的信息，而这些地方中的许多地方，例如发展中国家的城市，往往都有一些世界上最严重的污染。”

Hagan说：“使用这些低成本传感器，我们可以真正了解空气污染和人类暴露的时空异质性。” “这与人们的实际生活方式息息相关。”

结果已经启发了未来的研究。克罗尔说：“这是改善城市空气质量的关键的第一步。” “我们想看看是否可以将其扩展到其他环境和其他类型的污染。这不仅包括其他污染严重的城市，还包括相对较干净的城市，例如波士顿。”