需要传感器阵列才能使爆炸物的识别成为可能【

2月17日,Wiley集团出版社所属的材料类期刊Advanced Functional Materials 在线发表了由中国科学院新疆理化技术研究所微传感实验室研究员窦新存团队独立撰写的题为Emerging and Future Possible Strategies for Enhancing 1D Inorganic Nanomaterials-Based Electrical Sensors towards Explosives Vapors Detection 的综述文章。

爆炸相关的恐怖袭击对全球安全和稳定造成了巨大的威胁,探索可靠的痕量爆炸物气氛检测方法是有效遏制爆炸恐怖袭击的有效手段之一。目前,用于痕量爆炸物检测的方法主要有离子迁移谱、荧光、拉曼光谱和气敏传感。其中,基于电学传感器的气敏检测方法以非接触、采样简单、可靠性高等优势而备受关注。然而,由于在实际场景中,爆炸物蒸气浓度会低于ppb甚至ppq级别。因此,吸附在纳米材料表面的爆炸物分子极少,这就需要传感器在实际检测时具有极高的灵敏度。针对此问题,中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室科研人员开发了基于TiO2插层调节的高灵敏硝基爆炸物气氛肖特基结,能够实现对TNT、DNT、PNT、PA、RDX及HMX等硝基爆炸物在ppb至ppq浓度范围的检测(Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 4039)。

爆炸物检测作为反恐防爆的重要措施正日益彰显出广阔的应用前景。爆炸物蒸气检测技术具有非接触、采样简单、可靠性高、性能优异、多功能集成、可以批量生产等优点,使爆炸物探测器实现小型化、低成本和高精度成为可能。一维无机纳米材料具有大的比表面积、量子限域效应、高的反应活性、突出的电学、光学与化学性质及各向异性等优点,并且其结构、性质调整可控。因此,一维无机纳米材料是构建爆炸物传感器的理想纳米单元。然而爆炸物检测领域面临着诸多挑战,例如生产工艺成本高、能耗大,材料组装和排布形成器件难度大,器件稳定性、重复性差等,灵敏度不够高,难以识别种类繁多的爆炸物等。

然而,单个电学传感器只能检测但不能够识别爆炸物,需要传感器阵列才能使爆炸物的识别成为可能。自然嗅觉系统在气体检测方面具有超高的灵敏度,可达到0.1飞摩尔,对设计和构建痕量气氛传感器具有十分重要的借鉴作用。传感器阵列的构建类似于人工嗅觉系统,将有利于爆炸物蒸气的识别检测。一般意义上,传感器阵列通过一组实体传感器协同工作,如课题组前期通过ZnS纳米晶结构调控构建的传感器阵列可实现爆炸物气氛的识别(Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 4578–4586)。然而,传统意义上的传感器阵列如果其中的一个传感器不能工作,整个传感器阵列的识别能力都会受到影响。因此,如何简化传感器阵列的结构,并在此基础上实现对爆炸物气氛的高灵敏识别检测,不仅具有十分重要的现实意义,而且颇具挑战。

美高梅集团官网,新疆理化所科研人员首先全面系统地总结和评述了2010年以来发表的基于一维无机纳米材料的爆炸物蒸气检测工作,并根据在增强电学传感器性能过程中使用的不同策略,将这些工作分为有序排布的阵列、表面修饰、光电增强、柔性设计、肖特基结以及传感器阵列构建几个方面。科研人员还提出了可应用在增强爆炸物检测的电学传感器性能上的策略和方法,包括垂直的阵列结构、一步构建的有序结构、“锁钥”设计、自驱动传感以及可转移和穿戴的传感器设计等。该综述文章通过总结典型的基于电学传感器的爆炸物蒸气检测工作,提炼出了先进可行的实验方法,并且在面对实验室工作与实际检测之间的差距时,提出了一些解决现有问题的可行性方案,同时提出了非制式爆炸物检测被忽视的问题,为未来基于电学传感器的爆炸物检测工作提供了新的研究思路和理论依据。

基于此,课题组首先构建了石墨烯/氧化锌/硅纳米线三元肖特基结作为检测爆炸物气氛的高灵敏传感材料。在此基础上,巧妙地通过调节单色LED光源的光强调制传感器性能。例如,通过调节468 nm单色LED光源形成8种不同光强周期性照射肖特基结,即可得到由8个传感器组成的传感器阵列。该设计中,光的施加会产生三种作用:1)调控肖特基势垒的高度;2)调控载流子浓度;3)调控分析物的吸附-脱附平衡。因此,对于同一种爆炸物气氛,在8种不同光强下,肖特基结会产生8个不同的响应值。另外,由于不同的爆炸物分子得到电子和失去电子的能力不同,因而,对于不同的爆炸物,肖特基结即使在同一种光强下呈现出的响应大小也不一样。最后,通过主成分分析方法对响应数据进行分析处理,实现了对TNT、DNT、PNT、PA、RDX、Urea、BP和AN等8种制式及非制式爆炸物的高灵敏、快速识别检测。相比于传统的传感器阵列,该传感器阵列基于单个传感器即可实现阵列检测的功能,同时,大大节约了传感器阵列的制备工序,并从原理上显著提升了阵列的稳定性。不仅如此,该方案在检测不同浓度的同一种爆炸物时,其响应数据在主成分空间中会落在一个线性区,因此,利用该光电肖特基结传感器检测未知的爆炸物,不仅能够实现爆炸物的识别,而且可以实现半定量分析。

该实验室自2012年以来,长期从事微传感方面的研究,尤其致力于开拓爆炸物检测的新理论、新方法、新材料方面,取得了一系列重要成果,截至目前,已在Advanced Functional Materials, Advanced Optical Materials, Small, NanoscaleJournal of Materials ChemistryJournal of Physical Chemistry C 等国际期刊上发表10余篇学术论文,提出了肖特基结构建、过渡金属掺杂、缺陷态控制、晶面调控、光电催化检测等用于爆炸物检测的新思路。此次发表的专题综述文章同时对微传感实验室在该方面的科研成果进行了总结,例如利用插层调控肖特基结的势垒高度和吸附能来增强硅纳米线阵列/石墨烯的检测性能(Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 4039),引入光照增强气敏检测的性能(Nanoscale 2013, 5, 10693)。

该研究中的基于一个传感器构建传感器阵列,亦即人工嗅觉系统的方案为简化传感器阵列构建步骤,开发具有识别功能的爆炸物气氛传感器提供了新的思路。同时,该研究思路亦可为其它痕量气氛传感器的设计提供借鉴。

该工作得到国家自然科学基金、中科院“百人计划”、创新基金等项目的资助。

日前,相关研究成果在线发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。该工作得到了国家自然科学基金、中科院“百人计划”等项目的资助。

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