【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系楊志團(tuán)隊(duì)在便攜式無(wú)線傳感領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Wide-range and high-accuracy wireless sensor with self-humidity compensation for real-time ammonia monitoring(用于實(shí)時(shí)氨氣監(jiān)測(cè)的具有濕度自補(bǔ)償功能的寬量程和高精度無(wú)線傳感器)”為題在國(guó)際著名期刊《Nature Communications》上發(fā)表。
 

　　研究背景
 

　　在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工業(yè)場(chǎng)合的危險(xiǎn)氣液泄漏造成的生命財(cái)產(chǎn)損失等負(fù)面影響引起了人們的高度關(guān)注。例如，工業(yè)場(chǎng)合的氨氣泄漏對(duì)人類生命造成了極大的威脅，長(zhǎng)期暴露于氨氣氛圍中可能對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。研究表明，人體在25 ppm氨氣環(huán)境中可接受的暴露時(shí)間極限為8h。在工業(yè)環(huán)境中，危險(xiǎn)氣液通常使用大型管道輸送，管道異常升壓和老化通常是造成泄漏的主要原因。宏觀的氣液泄漏通常源于不明顯的微裂縫，這些故障很難用肉眼和常用的固定報(bào)警系統(tǒng)觀察到。因此，通過(guò)高靈敏度的氣體傳感器能及時(shí)監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)氣液輸送管道因微裂紋導(dǎo)致的氣液泄漏，有效避免災(zāi)害事故發(fā)生。
 

　　在食品安全領(lǐng)域，由于食品管理效率低下，全球每年產(chǎn)生約13億噸的食物垃圾。僅在歐盟，每年浪費(fèi)的食物就超過(guò)8800萬(wàn)噸，造成的損失約為1430億歐元。除了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本外，食用變質(zhì)食物時(shí)，食源性疾病暴發(fā)也會(huì)增加。據(jù)估計(jì)，不安全食品消費(fèi)對(duì)低收入和中等收入經(jīng)濟(jì)體的經(jīng)濟(jì)影響為每年1100億美元。資源的大量浪費(fèi)以及相關(guān)的健康和環(huán)境影響亟需發(fā)展可持續(xù)的食品質(zhì)量監(jiān)管工具，以降低食物浪費(fèi)和食源性疾病帶來(lái)的財(cái)政負(fù)擔(dān)。自然條件下貯存的食品在微生物分解作用下，可釋放出氨氣、三乙胺等各種總揮發(fā)性堿性氮(蝦：<20mg/100g；雞肉：<15mg/100g；牛肉：<15mg/100g)，在食品配送鏈布置便攜式生物標(biāo)志物檢測(cè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的食品腐敗檢測(cè)，從而預(yù)防食源性疾病并消除食物浪費(fèi)。
 

　　在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人體呼出氣體中含有許多代謝產(chǎn)物和揮發(fā)性有機(jī)化合物，這些成分可以反映人體健康狀況，例如，某些腎病患者呼出氣體中存在異常氨氣濃度(健康：<1ppm；患?。?gt;1.5ppm；終末期腎?。?gt;4.88ppm)。目前通過(guò)分析呼出氣體的成分能夠診斷包括哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺癌和胃腸道疾病在內(nèi)的多種疾病。相比于傳統(tǒng)的侵入性檢測(cè)方法，呼出氣體檢測(cè)是一種無(wú)創(chuàng)和快速的診斷工具。呼出氣體檢測(cè)為疾病的早期診斷、病情監(jiān)測(cè)、代謝評(píng)估和個(gè)人健康管理提供了重要手段，可顯著提升醫(yī)療診斷的精準(zhǔn)性和效率。
 

　　然而，使用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和高精度氨氣檢測(cè)仍然具有挑戰(zhàn)性。盡管傳統(tǒng)的氣相色譜-質(zhì)譜儀器可以準(zhǔn)確檢測(cè)氨氣，但是具有體積大、成本高和啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等缺陷。熒光檢測(cè)技術(shù)雖然具有良好的移動(dòng)性，但難以定量化檢測(cè)。此外，化學(xué)阻敏器件通常依賴專門(mén)的外部有線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且易受到濕度干擾。開(kāi)發(fā)一種不依賴專門(mén)設(shè)施和專業(yè)人員操作的氨氣檢測(cè)技術(shù)具有重要意義。
 

　　研究亮點(diǎn)
 

　　該研究展示了一種基于鉑摻雜部分去質(zhì)子化聚吡咯(Pt-PPy+和PPy0)的電感-電容(LC)無(wú)線傳感器，用于實(shí)時(shí)和精確的氨氣檢測(cè)。利用PPy的化學(xué)電導(dǎo)率寬范圍可調(diào)特性，通過(guò)調(diào)制電感-電容阻抗使LC無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)了高達(dá)180%回波損耗提升。采用Pt摻雜的PPy+和PPy0表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體特性，對(duì)氨氣的吸附-電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)顯著提升，展現(xiàn)出寬的氨氣傳感范圍。借助于該LC無(wú)線傳感器的回波損耗和頻率對(duì)濕度和氨氣的區(qū)別響應(yīng)行為，首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)須外部校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)母呔劝睔鈾z測(cè)。最后，該研究驗(yàn)證了一種結(jié)合LC無(wú)線傳感器和手持儀器的便攜式檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在危險(xiǎn)氣液泄漏預(yù)警、食品新鮮度監(jiān)測(cè)和個(gè)人即時(shí)醫(yī)療診斷等應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
 

　　研究?jī)?nèi)容
 

具有自濕度補(bǔ)償功能的寬量程和高精度LC無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)
 

　　該研究的LC無(wú)線傳感器依賴于詢問(wèn)天線與器件電感之間的電磁耦合效應(yīng)，以無(wú)線方式供應(yīng)能量及感知氨氣分子。首次利用導(dǎo)電聚合物電導(dǎo)率直接調(diào)制LC無(wú)線傳感器阻抗，從而實(shí)現(xiàn)寬范圍回波損耗調(diào)節(jié)。使用過(guò)渡金屬Pt摻雜PPy+和PPy0增強(qiáng)敏感材料對(duì)氨氣吸附-電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)寬范圍無(wú)線氨氣傳感。利用基于Pt-PPy+和PPy0的LC無(wú)線傳感器的回波損耗參數(shù)(S11)和頻率參數(shù)(f)對(duì)濕度和氨氣的特異性響應(yīng)規(guī)律，使用S11參數(shù)和f參數(shù)分別檢測(cè)氨氣和濕度，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中濕度自補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)氨氣傳感。
 

基于Pt-PPy+和PPy0 LC無(wú)線傳感器的傳感性能
 

　　基于Pt-PPy+和PPy0的LC無(wú)線傳感器具有寬的氨氣檢測(cè)范圍(125ppb–2000ppm)，優(yōu)于目前報(bào)道的無(wú)線氨氣傳感器。得益于顯著的吸附-電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)特性，基于10Pt-PPy+和PPy0的LC無(wú)線傳感器對(duì)氨氣具有125ppb的極低檢測(cè)下限，并且在高氨氣濃度下(2000ppm)仍然能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)平衡(響應(yīng)時(shí)間為19s)。
 

基于Pt-PPy+和PPy0 LC無(wú)線傳感器的濕度自補(bǔ)償策略
 

　　利用水分子和氨氣分子對(duì)Pt-PPy+和PPy0的LC無(wú)線傳感器頻率響應(yīng)的差異，實(shí)現(xiàn)濕度自補(bǔ)償策略。研究結(jié)果表明，器件對(duì)濕度具有0.5 MHz/% RH的線性高靈敏度響應(yīng)，并且在100ppm氨氣條件下通過(guò)自補(bǔ)償策略得到的測(cè)試結(jié)果與真實(shí)的氨氣濃度誤差只有幾個(gè)ppm。此外，基于Pt-PPy+和PPy0 LC無(wú)線傳感器，在傳感選擇性方面，除了對(duì)生物胺(三乙胺、二乙醇胺和三甲胺)有明顯的響應(yīng)外，對(duì)其他氣體(烷類、醇類、酯類和硫化氫)的響應(yīng)可以忽略不計(jì)。
 

基于Pt-PPy+和PPy0 LC無(wú)線傳感器在各種場(chǎng)景下的應(yīng)用演示
 

　　該論文采用基于Pt-PPy+和PPy0 LC無(wú)線傳感器和手持式網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)成便攜式檢測(cè)系統(tǒng)，驗(yàn)證了該傳感器在食物新鮮度、疾病診斷和危險(xiǎn)氣液泄漏檢測(cè)等場(chǎng)景中的可行性，表明基于Pt-PPy+和PPy0 LC無(wú)線傳感器便攜式檢測(cè)系統(tǒng)可作為復(fù)雜場(chǎng)景定制化檢測(cè)的重要工具。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)
 

　　上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院博士生呂文為該論文的第一作者，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院楊志長(zhǎng)聘教授和楊建華長(zhǎng)聘教軌副教授為該論文的共同通訊作者，上海交通大學(xué)為該論文的唯一通訊單位。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。