【儀表網 研發快訊】近日，上海交通大學電子信息與電氣工程學院微納電子學系楊志團隊在便攜式無線傳感領域取得重要進展，相關研究成果以“Wide-range and high-accuracy wireless sensor with self-humidity compensation for real-time ammonia monitoring(用于實時氨氣監測的具有濕度自補償功能的寬量程和高精度無線傳感器)”為題在國際著名期刊《Nature Communications》上發表。
 

　　研究背景
 

　　在工業生產領域，工業場合的危險氣液泄漏造成的生命財產損失等負面影響引起了人們的高度關注。例如，工業場合的氨氣泄漏對人類生命造成了極大的威脅，長期暴露于氨氣氛圍中可能對中樞神經系統和呼吸系統產生不良影響。研究表明，人體在25 ppm氨氣環境中可接受的暴露時間極限為8h。在工業環境中，危險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警系統觀察到。因此，通過高靈敏度的氣體傳感器能及時監測危險氣液輸送管道因微裂紋導致的氣液泄漏，有效避免災害事故發生。
 

　　在食品安全領域，由于食品管理效率低下，全球每年產生約13億噸的食物垃圾。僅在歐盟，每年浪費的食物就超過8800萬噸，造成的損失約為1430億歐元。除了環境和經濟成本外，食用變質食物時，食源性疾病暴發也會增加。據估計，不安全食品消費對低收入和中等收入經濟體的經濟影響為每年1100億美元。資源的大量浪費以及相關的健康和環境影響亟需發展可持續的食品質量監管工具，以降低食物浪費和食源性疾病帶來的財政負擔。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志物檢測設備可以實現實時的食品腐敗檢測，從而預防食源性疾病并消除食物浪費。
 

　　在醫學領域，人體呼出氣體中含有許多代謝產物和揮發性有機化合物，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；患病：>1.5ppm；終末期腎病：>4.88ppm)。目前通過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的多種疾病。相比于傳統的侵入性檢測方法，呼出氣體檢測是一種無創和快速的診斷工具。呼出氣體檢測為疾病的早期診斷、病情監測、代謝評估和個人健康管理提供了重要手段，可顯著提升醫療診斷的精準性和效率。
 

　　然而，使用現有技術實現實時和高精度氨氣檢測仍然具有挑戰性。盡管傳統的氣相色譜-質譜儀器可以準確檢測氨氣，但是具有體積大、成本高和啟動時間長等缺陷。熒光檢測技術雖然具有良好的移動性，但難以定量化檢測。此外，化學阻敏器件通常依賴專門的外部有線設備進行數據采集，并且易受到濕度干擾。開發一種不依賴專門設施和專業人員操作的氨氣檢測技術具有重要意義。
 

　　研究亮點
 

　　該研究展示了一種基于鉑摻雜部分去質子化聚吡咯(Pt-PPy+和PPy0)的電感-電容(LC)無線傳感器，用于實時和精確的氨氣檢測。利用PPy的化學電導率寬范圍可調特性，通過調制電感-電容阻抗使LC無線傳感器實現了高達180%回波損耗提升。采用Pt摻雜的PPy+和PPy0表現出p型半導體特性，對氨氣的吸附-電荷轉移動力學顯著提升，展現出寬的氨氣傳感范圍。借助于該LC無線傳感器的回波損耗和頻率對濕度和氨氣的區別響應行為，首次實現了無須外部校準補償的高精度氨氣檢測。最后，該研究驗證了一種結合LC無線傳感器和手持儀器的便攜式檢測系統，該系統在危險氣液泄漏預警、食品新鮮度監測和個人即時醫療診斷等應用中展現出良好的應用前景。
 

　　研究內容
 

具有自濕度補償功能的寬量程和高精度LC無線傳感器的設計
 

　　該研究的LC無線傳感器依賴于詢問天線與器件電感之間的電磁耦合效應，以無線方式供應能量及感知氨氣分子。首次利用導電聚合物電導率直接調制LC無線傳感器阻抗，從而實現寬范圍回波損耗調節。使用過渡金屬Pt摻雜PPy+和PPy0增強敏感材料對氨氣吸附-電荷轉移動力學，從而實現寬范圍無線氨氣傳感。利用基于Pt-PPy+和PPy0的LC無線傳感器的回波損耗參數(S11)和頻率參數(f)對濕度和氨氣的特異性響應規律，使用S11參數和f參數分別檢測氨氣和濕度，從而實現復雜環境中濕度自補償的精準氨氣傳感。
 

基于Pt-PPy+和PPy0 LC無線傳感器的傳感性能
 

　　基于Pt-PPy+和PPy0的LC無線傳感器具有寬的氨氣檢測范圍(125ppb–2000ppm)，優于目前報道的無線氨氣傳感器。得益于顯著的吸附-電荷轉移動力學特性，基于10Pt-PPy+和PPy0的LC無線傳感器對氨氣具有125ppb的極低檢測下限，并且在高氨氣濃度下(2000ppm)仍然能實現快速響應平衡(響應時間為19s)。
 

基于Pt-PPy+和PPy0 LC無線傳感器的濕度自補償策略
 

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

基于Pt-PPy+和PPy0 LC無線傳感器在各種場景下的應用演示
 

　　該論文采用基于Pt-PPy+和PPy0 LC無線傳感器和手持式網絡分析儀構成便攜式檢測系統，驗證了該傳感器在食物新鮮度、疾病診斷和危險氣液泄漏檢測等場景中的可行性，表明基于Pt-PPy+和PPy0 LC無線傳感器便攜式檢測系統可作為復雜場景定制化檢測的重要工具。
 

　　研究團隊
 

　　上海交通大學電子信息與電氣工程學院博士生呂文為該論文的第一作者，上海交通大學電子信息與電氣工程學院楊志長聘教授和楊建華長聘教軌副教授為該論文的共同通訊作者，上海交通大學為該論文的唯一通訊單位。該工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的資助。