近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室易建新副教授課題組提出一種化學(xué)電阻-電位型多變量傳感器，實(shí)現(xiàn)了單一傳感器對(duì)多種氣體和火災(zāi)特征的三維探測(cè)和準(zhǔn)確識(shí)別。相關(guān)成果以“A chemiresistive-potentiometric multivariate sensor for discriminative gas detection”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上（Nature Communications 14,2023, 3495）。

低濃度氣體的高靈敏探測(cè)和準(zhǔn)確識(shí)別對(duì)于公共安全、環(huán)境保護(hù)、健康診斷和工業(yè)生產(chǎn)等諸多應(yīng)用具有重要意義。相比于氣相色譜和質(zhì)譜等傳統(tǒng)氣相分析技術(shù)，氣體傳感器具有成本低、尺寸小、易集成和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，有利于大規(guī)模應(yīng)用。但是，常規(guī)傳感器僅輸出單一信號(hào)，不能識(shí)別氣體，因此探測(cè)準(zhǔn)確性低，在實(shí)用中易受其它氣體或環(huán)境濕度等干擾而引起誤報(bào)或漏報(bào)。這一問(wèn)題嚴(yán)重限制了氣體傳感器的應(yīng)用。

圖1 基于雙敏感電極的化學(xué)電阻-電位型多變量氣體傳感器的原理和三維響應(yīng)

研究人員首先利用半導(dǎo)體氧化物電極在表面和界面上不同的響應(yīng)機(jī)制，在同一電極上成功提取出化學(xué)電阻和電位兩種不同原理的傳感信號(hào)；進(jìn)一步，采用鈣鈦礦型氧離子-電子混合導(dǎo)體氧化物取代貴金屬鉑電極，和常規(guī)的電子導(dǎo)電的敏感材料進(jìn)行配對(duì)，獲得了輸出三個(gè)獨(dú)立響應(yīng)信號(hào)的雙敏感電極傳感器。得益于鈣鈦礦非常規(guī)的反向電位響應(yīng)，傳感器的氣敏性能得到了顯著提高，實(shí)現(xiàn)了2-乙基己醇、一氧化碳等多種危險(xiǎn)和火災(zāi)特征氣體的(亞)ppm級(jí)三維探測(cè)和準(zhǔn)確識(shí)別，并展現(xiàn)出在火災(zāi)危險(xiǎn)早期預(yù)警方面的應(yīng)用潛力。

圖2 多變量氣體傳感器在火災(zāi)早期預(yù)警中的應(yīng)用

這種兼具探測(cè)和識(shí)別功能的多變量氣體傳感器簡(jiǎn)單、高效、成本低，可適用于不同半導(dǎo)體材料電極和固體電解質(zhì)基底，工作溫度范圍寬，并可進(jìn)一步拓展獲得更高維度的響應(yīng)，為復(fù)雜環(huán)境中氣體的高靈敏和準(zhǔn)確探測(cè)提供了新思路。

論文的第一作者為宋衛(wèi)國(guó)研究員和易建新副教授共同指導(dǎo)的博士生張紅，通訊作者為易建新副教授。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的資助。