气体传感器——见微知著，感知未来，物联天下，传感先行

■ 文/邓勇辉 朱永恒

互联网、物联网的快速发展极大程度地促进了传感技术在环境保护、生物医学、智慧城市乃至国防反恐等领域的应用。作为物联网的神经末梢，各式各样的传感器是传感技术最核心元件。

在万物互联的今天，传感器和传感技术得到了广泛应用。传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转变成电信号的转换器。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，处于自动检测与控制系统之首。传感器技术是当今世界迅猛发展起来的高新技术之一，是当代科学发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术一起构成信息产业的三大支柱。以传感器为核心的自动检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的各种信息，延伸了人类的感知范围，成为人类认识自然、改造自然的有利工具。随着当今科学技术的日益发达，各行各业的自动化程度越来越高，因而对传感器的依赖也越来越大。因此，传感技术的发展已迫在眉睫。传感器是科学和工程的多学科、多技术领域交汇融通的产物，不仅需要理解相关科学现象和规律，也需要开发新技术和新工艺。

气体传感器是传感器技术中的一个重要分支。气体传感器已经广泛地应用于探测各种有毒、有害、易爆以及各种挥发性物质，同时也被应用于监控温室效应和大气污染等。科学技术的日益发展不断延伸了气体传感器的应用领域。在生物医学领域，气体传感器可以通过检查呼出气体成分及浓度来诊断一些疾病；在国防、反恐领域，气体传感器可以用来预防和检查有毒气体，并进行报警甚至自主解决问题。面对越来越多的特殊信号和特殊环境，新型气体传感器技术呈现以下发展趋势：开发高性能气敏材料、先进制备工艺和新型传感器件；实现传感器的集成化和智能化；实现传感技术硬件系统与元器件的微型化；开发与其他技术交叉整合的传感器智能系统。

应用领域广阔

气体传感器已渗透到诸如工业生产、环境保护、宇宙开发、海洋探测、资源调查、医学诊断，以及文物保护等众多领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以及各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的气体传感器。

气体传感元器件

●用于监测空气质量和污染情况

随着工业化进程的加快，空气污染日益严重地威胁着人类健康，给国民经济带来重大损失，成为目前最为突出的公共卫生问题之一。例如，工业生产、室内装修涉及的有机挥发性气体（丙酮、甲醛等）容易引起皮肤过敏和呼吸道疾病；煤矿瓦斯和家庭燃气等易燃、易爆气体（如氢气、甲烷、一氧化碳）的泄漏容易引起火灾和爆炸；固定燃烧装置和汽车尾气排放的有毒、有害气体（如氮气、硫化氢、氯气）是造成酸雨、温室效应和光化学烟雾等大气污染的主要原因。因此，研发性能优良的气体传感器来快速、准确地检测各种有毒、有害气体，以便采取必要处理措施，防患于未然，具有重大的经济效益和社会效益。

金属氧化物半导体敏感材料作为气体传感器的核心，其性能的优劣直接影响气体传感器在各领域的应用。探索新材料、新工艺和新理论，开发具有高灵敏度和选择性的气敏材料，是气体传感器研究的总方向。设计合成具有丰富孔结构、高比表面积的有序介孔半导体氧化物是构建高性能传感器非常关键的一个方面，巨大的比表面积可以提供更多的活性位点，有利于敏感材料与目标气体的吸附与反应。另一方面，规则排列并连通的孔道可以提高目标气体在其中的扩散速率，增加检测气体与敏感材料发生反应的概率，极大地提高了半导体传感器的灵敏度，通过调控墙壁组成可以提高敏感材料与特定气体的选择性响应。目前，溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、喷雾干燥法等方法广泛用于合成各种介孔金属氧化物半导体材料，但上述方法得到的材料孔隙率低、骨架结晶性差，骨架主要为无定型态，在空气中焙烧后介孔骨架基本不能保持，不利于气体敏感性能的提高。因此，我们迫切地需要发展一种快速、高效、孔结构可控的高结晶度有序半导体金属氧化物。

近年来，复旦大学化学系邓勇辉教授及其合作者开展了一系列有序介孔半导体氧化物气敏材料设计合成及相关气-固界面催化气敏机理研究。研究团队通过调控具有规则孔道结构、高比表面积的半导体材料的微观结构以及组成，发展了多种对硫化氢、氢气、氮氧化合物等有毒、有害及易爆气体具有优异气敏性能的材料。

●用于监测食品安全

食品安全是全球性的公共卫生问题，食源性致病菌是引起食源性疾病的主要原因，对人们的身体健康造成巨大危害，同时也带来重大经济损失。因此，食品中致病菌的快速实时检测具有重要意义。不同食源性致病菌个体和同一种致病菌不同生理阶段会生成一系列具有“指纹特性”的挥发性代谢产物（Microbial Volatile Organic Components，MVOCs）。具有成本低、操作方便等特点的金属氧化物半导体传感器，可以无损检测特征性的MVOCs气体。然而，MVOCs种类较多，如何利用该类传感器快速选择性地检测特定的MVOCs成为一个巨大的挑战。

介孔WO3材料结构示意和作用机理

为此，复旦大学化学系邓勇辉教授团队联合上海海洋大学食品学院赵勇教授团队发展了配体辅助嵌段共聚物诱导界面的自组装技术，以实验室合成的两亲性嵌段共聚物PEO-b-PS作为模板剂，巧妙采用乙酰丙酮（AcAc）作为配位剂延缓前驱体的水解速度，合成了一系列孔道高度连通、具有高比表面积的介孔WO3材料，并首次将该材料用于构建高性能的气体传感器，快速选择性地检测食源性致病菌。介孔WO3独特的孔结构以及敏感特性使其对李氏特菌产生的特有气体——3-羟基-2-丁酮具有超快的响应速度（＜10秒）、高灵敏度（Rair/Rgas＞50）和极高的选择性，有望用于快速有效检测食品、水体中的微生物污染。此外，该研究团队利用气相色谱-质谱（GC-MS）技术鉴定、分析了3-羟基-2-丁酮在敏感材料表面反应过程中产物的成分，发现气敏检测过程的最终产物是乙酸，而不是传统观念中认为的水和二氧化碳。这一研究结果对于理解气体敏感机理具有重要意义，为优化气体传感器的灵敏度和选择性提供了新思路。该成果一方面在高性能气敏半导体纳米材料合成方面具有重要的理论价值，另一方面，为保障食品安全、检测食源性致病菌的研究提供了新的思路和检测方法。

●用于生物医学检测

气体传感器除了应用在化工环保(如检测有毒气体、可燃性气体)、食品安全(微生物形成气体)之外，在生物医学方面也起着越来越重要的作用。在生物领域，气体传感器被用来检测细菌的种类以及不同的生长阶段。在医学方面，利用呼吸气体进行疾病的诊断，近年来已成为国际上的一个研究热点。

随着生活水平的提高，人们对医疗保健更加关注，也更加希望寻求一种无伤害、高准确度的检测手段。气体传感器为研发全新的基于气体响应的诊断设备提供了可能。人体呼出的气体中含有丰富的与自身健康相关的气态分子（即生物标记物），特定气态分子及其浓度大小可以作为常规疾病检测指标。人体呼出的气体中含有氮气、二氧化碳和氧气，以及少量的100多种挥发性化学成分。这些物质的相对数量会随人体健康状况而变化。目前，相关领域的研究主要集中在与肾有关的疾病、糖尿病的早期诊断，以及一些细菌的类型与生长阶段的识别。1995年，约翰·斯莱特（John Slater）等利用气体传感器（即电子鼻）开展了与肾有关的疾病的诊断研究。国内浙江大学研究人员王平、谈毅等将电子鼻用于糖尿病诊断的研究。他们用气相色谱的方法详细分析了呼出气体的成分，并在实验室中进行了丙酮气体的模拟实验，对患者呼出的气体进行识别。实验采用了3种气体传感器以及一种启发式神经网络算法——ALE-CO算法对丙酮进行检测，得到了血糖和呼出气体中丙酮含量的线性相关性，为糖尿病的科学诊断提供了一种快速无损检测的新思路和新方法。

结合纳米材料技术、生物技术的气体传感器因其处于采集数据的最前端，在医疗健康领域一直扮演着重要角色，并将不断催生以创新传感器技术为核心的医疗健康新兴产品与服务模式。新型的医疗气体传感器具有灵敏度高、体积小、成本低、无创或者微创、互联性好、使用便捷等优点，将极大地促进医学技术的发展。

气体传感器用于生物医学检测的示意图

前景展望

制造业的未来是智能化、网络化，智能化的基础就是传感器；互联网的方向是物联网，物联网的基石也是传感器。现代生产和生活中，大量信息的获取强烈依赖传感器转换成容易传输和处理的电信号或光信号。随着材料科学、微电子学、化学、生物学、信息处理技术乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉、融合，传感器技术必将成为国际学术界和产业界的高新技术前沿。

当今科技的发展要求传感器朝着超微化、智能化以及元件的高集成、高密度存储和超快传输等方向发展，为基于纳米科技和纳米材料的气体传感器应用提供了广阔的空间。基于纳米科技和微纳加工技术制作的传感器具有尺寸小、精度高、性能优异等特点，可以与各种仪器仪表、电子产品，甚至军事、武器装备集成，将大大拓宽传感器的应用领域。随着纳米材料科学、纳米加工以及微电子科技等多学科的进一步交叉与渗透，越来越多的传感器将不断呈现，加快社会发展的现代化进程，彰显国家的科技竞争力，造福人类。