氣體傳感器
——見微知著，感知未來，物聯(lián)天下，傳感先行

■ 文/鄧勇輝 朱永恒

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展極大程度地促進(jìn)了傳感技術(shù)在環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)、智慧城市乃至國防反恐等領(lǐng)域的應(yīng)用。作為物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，各式各樣的傳感器是傳感技術(shù)最核心元件。

在萬物互聯(lián)的今天，傳感器和傳感技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。傳感器是將物理、化學(xué)、生物等自然科學(xué)和機(jī)械、土木、化工等工程技術(shù)中的非電信號轉(zhuǎn)變成電信號的轉(zhuǎn)換器。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首。傳感器技術(shù)是當(dāng)今世界迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)之一，是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。以傳感器為核心的自動檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的各種信息，延伸了人類的感知范圍，成為人類認(rèn)識自然、改造自然的有利工具。隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)達(dá)，各行各業(yè)的自動化程度越來越高，因而對傳感器的依賴也越來越大。因此，傳感技術(shù)的發(fā)展已迫在眉睫。傳感器是科學(xué)和工程的多學(xué)科、多技術(shù)領(lǐng)域交匯融通的產(chǎn)物，不僅需要理解相關(guān)科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，也需要開發(fā)新技術(shù)和新工藝。

氣體傳感器是傳感器技術(shù)中的一個重要分支。氣體傳感器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于探測各種有毒、有害、易爆以及各種揮發(fā)性物質(zhì)，同時也被應(yīng)用于監(jiān)控溫室效應(yīng)和大氣污染等?？茖W(xué)技術(shù)的日益發(fā)展不斷延伸了氣體傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，氣體傳感器可以通過檢查呼出氣體成分及濃度來診斷一些疾??；在國防、反恐領(lǐng)域，氣體傳感器可以用來預(yù)防和檢查有毒氣體，并進(jìn)行報警甚至自主解決問題。面對越來越多的特殊信號和特殊環(huán)境，新型氣體傳感器技術(shù)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：開發(fā)高性能氣敏材料、先進(jìn)制備工藝和新型傳感器件；實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化和智能化；實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微型化；開發(fā)與其他技術(shù)交叉整合的傳感器智能系統(tǒng)。

應(yīng)用領(lǐng)域廣闊

氣體傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、宇宙開發(fā)、海洋探測、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷，以及文物保護(hù)等眾多領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以及各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的氣體傳感器。

氣體傳感元器件

●用于監(jiān)測空氣質(zhì)量和污染情況

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，空氣污染日益嚴(yán)重地威脅著人類健康，給國民經(jīng)濟(jì)帶來重大損失，成為目前最為突出的公共衛(wèi)生問題之一。例如，工業(yè)生產(chǎn)、室內(nèi)裝修涉及的有機(jī)揮發(fā)性氣體（丙酮、甲醛等）容易引起皮膚過敏和呼吸道疾??；煤礦瓦斯和家庭燃?xì)獾纫兹?、易爆氣體（如氫氣、甲烷、一氧化碳）的泄漏容易引起火災(zāi)和爆炸；固定燃燒裝置和汽車尾氣排放的有毒、有害氣體（如氮?dú)狻⒘蚧瘹?、氯氣）是造成酸雨、溫室效?yīng)和光化學(xué)煙霧等大氣污染的主要原因。因此，研發(fā)性能優(yōu)良的氣體傳感器來快速、準(zhǔn)確地檢測各種有毒、有害氣體，以便采取必要處理措施，防患于未然，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

金屬氧化物半導(dǎo)體敏感材料作為氣體傳感器的核心，其性能的優(yōu)劣直接影響氣體傳感器在各領(lǐng)域的應(yīng)用。探索新材料、新工藝和新理論，開發(fā)具有高靈敏度和選擇性的氣敏材料，是氣體傳感器研究的總方向。設(shè)計合成具有豐富孔結(jié)構(gòu)、高比表面積的有序介孔半導(dǎo)體氧化物是構(gòu)建高性能傳感器非常關(guān)鍵的一個方面，巨大的比表面積可以提供更多的活性位點(diǎn)，有利于敏感材料與目標(biāo)氣體的吸附與反應(yīng)。另一方面，規(guī)則排列并連通的孔道可以提高目標(biāo)氣體在其中的擴(kuò)散速率，增加檢測氣體與敏感材料發(fā)生反應(yīng)的概率，極大地提高了半導(dǎo)體傳感器的靈敏度，通過調(diào)控墻壁組成可以提高敏感材料與特定氣體的選擇性響應(yīng)。目前，溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、噴霧干燥法等方法廣泛用于合成各種介孔金屬氧化物半導(dǎo)體材料，但上述方法得到的材料孔隙率低、骨架結(jié)晶性差，骨架主要為無定型態(tài)，在空氣中焙燒后介孔骨架基本不能保持，不利于氣體敏感性能的提高。因此，我們迫切地需要發(fā)展一種快速、高效、孔結(jié)構(gòu)可控的高結(jié)晶度有序半導(dǎo)體金屬氧化物。

近年來，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系鄧勇輝教授及其合作者開展了一系列有序介孔半導(dǎo)體氧化物氣敏材料設(shè)計合成及相關(guān)氣-固界面催化氣敏機(jī)理研究。研究團(tuán)隊通過調(diào)控具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)、高比表面積的半導(dǎo)體材料的微觀結(jié)構(gòu)以及組成，發(fā)展了多種對硫化氫、氫氣、氮氧化合物等有毒、有害及易爆氣體具有優(yōu)異氣敏性能的材料。

●用于監(jiān)測食品安全

食品安全是全球性的公共衛(wèi)生問題，食源性致病菌是引起食源性疾病的主要原因，對人們的身體健康造成巨大危害，同時也帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，食品中致病菌的快速實(shí)時檢測具有重要意義。不同食源性致病菌個體和同一種致病菌不同生理階段會生成一系列具有“指紋特性”的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物（Microbial Volatile Organic Components，MVOCs）。具有成本低、操作方便等特點(diǎn)的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器，可以無損檢測特征性的MVOCs氣體。然而，MVOCs種類較多，如何利用該類傳感器快速選擇性地檢測特定的MVOCs成為一個巨大的挑戰(zhàn)。

介孔WO3材料結(jié)構(gòu)示意和作用機(jī)理

為此，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系鄧勇輝教授團(tuán)隊聯(lián)合上海海洋大學(xué)食品學(xué)院趙勇教授團(tuán)隊發(fā)展了配體輔助嵌段共聚物誘導(dǎo)界面的自組裝技術(shù)，以實(shí)驗室合成的兩親性嵌段共聚物PEO-b-PS作為模板劑，巧妙采用乙酰丙酮（AcAc）作為配位劑延緩前驅(qū)體的水解速度，合成了一系列孔道高度連通、具有高比表面積的介孔WO3材料，并首次將該材料用于構(gòu)建高性能的氣體傳感器，快速選擇性地檢測食源性致病菌。介孔WO3獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)以及敏感特性使其對李氏特菌產(chǎn)生的特有氣體——3-羥基-2-丁酮具有超快的響應(yīng)速度（＜10秒）、高靈敏度（Rair/Rgas＞50）和極高的選擇性，有望用于快速有效檢測食品、水體中的微生物污染。此外，該研究團(tuán)隊利用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）技術(shù)鑒定、分析了3-羥基-2-丁酮在敏感材料表面反應(yīng)過程中產(chǎn)物的成分，發(fā)現(xiàn)氣敏檢測過程的最終產(chǎn)物是乙酸，而不是傳統(tǒng)觀念中認(rèn)為的水和二氧化碳。這一研究結(jié)果對于理解氣體敏感機(jī)理具有重要意義，為優(yōu)化氣體傳感器的靈敏度和選擇性提供了新思路。該成果一方面在高性能氣敏半導(dǎo)體納米材料合成方面具有重要的理論價值，另一方面，為保障食品安全、檢測食源性致病菌的研究提供了新的思路和檢測方法。

●用于生物醫(yī)學(xué)檢測

氣體傳感器除了應(yīng)用在化工環(huán)保(如檢測有毒氣體、可燃性氣體)、食品安全(微生物形成氣體)之外，在生物醫(yī)學(xué)方面也起著越來越重要的作用。在生物領(lǐng)域，氣體傳感器被用來檢測細(xì)菌的種類以及不同的生長階段。在醫(yī)學(xué)方面，利用呼吸氣體進(jìn)行疾病的診斷，近年來已成為國際上的一個研究熱點(diǎn)。

隨著生活水平的提高，人們對醫(yī)療保健更加關(guān)注，也更加希望尋求一種無傷害、高準(zhǔn)確度的檢測手段。氣體傳感器為研發(fā)全新的基于氣體響應(yīng)的診斷設(shè)備提供了可能。人體呼出的氣體中含有豐富的與自身健康相關(guān)的氣態(tài)分子（即生物標(biāo)記物），特定氣態(tài)分子及其濃度大小可以作為常規(guī)疾病檢測指標(biāo)。人體呼出的氣體中含有氮?dú)?、二氧化碳和氧氣，以及少量?00多種揮發(fā)性化學(xué)成分。這些物質(zhì)的相對數(shù)量會隨人體健康狀況而變化。目前，相關(guān)領(lǐng)域的研究主要集中在與腎有關(guān)的疾病、糖尿病的早期診斷，以及一些細(xì)菌的類型與生長階段的識別。1995年，約翰·斯萊特（John Slater）等利用氣體傳感器（即電子鼻）開展了與腎有關(guān)的疾病的診斷研究。國內(nèi)浙江大學(xué)研究人員王平、談毅等將電子鼻用于糖尿病診斷的研究。他們用氣相色譜的方法詳細(xì)分析了呼出氣體的成分，并在實(shí)驗室中進(jìn)行了丙酮?dú)怏w的模擬實(shí)驗，對患者呼出的氣體進(jìn)行識別。實(shí)驗采用了3種氣體傳感器以及一種啟發(fā)式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法——ALE-CO算法對丙酮進(jìn)行檢測，得到了血糖和呼出氣體中丙酮含量的線性相關(guān)性，為糖尿病的科學(xué)診斷提供了一種快速無損檢測的新思路和新方法。

結(jié)合納米材料技術(shù)、生物技術(shù)的氣體傳感器因其處于采集數(shù)據(jù)的最前端，在醫(yī)療健康領(lǐng)域一直扮演著重要角色，并將不斷催生以創(chuàng)新傳感器技術(shù)為核心的醫(yī)療健康新興產(chǎn)品與服務(wù)模式。新型的醫(yī)療氣體傳感器具有靈敏度高、體積小、成本低、無創(chuàng)或者微創(chuàng)、互聯(lián)性好、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，將極大地促進(jìn)醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

氣體傳感器用于生物醫(yī)學(xué)檢測的示意圖

前景展望

制造業(yè)的未來是智能化、網(wǎng)絡(luò)化，智能化的基礎(chǔ)就是傳感器；互聯(lián)網(wǎng)的方向是物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的基石也是傳感器。現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中，大量信息的獲取強(qiáng)烈依賴傳感器轉(zhuǎn)換成容易傳輸和處理的電信號或光信號。隨著材料科學(xué)、微電子學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、信息處理技術(shù)乃至系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、自動化技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉、融合，傳感器技術(shù)必將成為國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高新技術(shù)前沿。

當(dāng)今科技的發(fā)展要求傳感器朝著超微化、智能化以及元件的高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)确较虬l(fā)展，為基于納米科技和納米材料的氣體傳感器應(yīng)用提供了廣闊的空間?；诩{米科技和微納加工技術(shù)制作的傳感器具有尺寸小、精度高、性能優(yōu)異等特點(diǎn)，可以與各種儀器儀表、電子產(chǎn)品，甚至軍事、武器裝備集成，將大大拓寬傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著納米材料科學(xué)、納米加工以及微電子科技等多學(xué)科的進(jìn)一步交叉與滲透，越來越多的傳感器將不斷呈現(xiàn)，加快社會發(fā)展的現(xiàn)代化進(jìn)程，彰顯國家的科技競爭力，造福人類。