這張色彩斑斕的貼片上，一個(gè)個(gè)小方格中含有二氧化硅納米顆粒 —— 當(dāng)接觸有毒氣體時(shí)，這些顆粒會(huì)發(fā)生顏色變化。圖片來源：改編自《ACS 傳感器》（2025 年），DOI：10.1021/acssensors.5c01026

并非所有有毒氣體都有氣味或顏色。但一塊布滿柔和馬卡龍色小方格的微型傳感裝置，卻能有效 “嗅出” 空氣中的有害化學(xué)物質(zhì)（如劇毒神經(jīng)毒劑氯沙林），助力有毒氣體檢測(cè)。研究人員在《ACS 傳感器》（ACS Sensors）期刊中報(bào)告稱，這種基于紙張的傳感陣列成本低廉且耐用，其彩色圖案在接觸有毒氣體后會(huì)發(fā)生變化，可在幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)。

傳統(tǒng) “電子鼻” 的局限與新型方案

“電子鼻”（e-noses）是一類用于檢測(cè)有害化學(xué)蒸汽的設(shè)備，但其電子元件成本較高，且在潮濕環(huán)境中難以實(shí)用。而 “光電鼻”（optoelectronic noses）或許能解決這些局限 —— 它用染料分子替代電子元件，這類染料分子與特定化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)時(shí)會(huì)發(fā)生顏色變化。

維賈伊塔克（Vijay Tak）及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并測(cè)試了一款新型光電鼻：這是一個(gè)可檢測(cè)并測(cè)量致命氣體的傳感陣列。陣列中的每個(gè)傳感器都是一個(gè)微型紙方格，內(nèi)部含有微米級(jí)二氧化硅顆粒，顆粒表面包裹著染料；當(dāng)與特定分子或離子接觸后，這些染料的顏色和濃度會(huì)發(fā)生改變。

傳感陣列的制備過程

為驗(yàn)證概念可行性，塔克團(tuán)隊(duì)通過以下步驟制備傳感器：首先將二氧化硅微米顆粒浸泡在 36 種不同的變色染料溶液中；待顆粒風(fēng)干后，將其放入微孔板，在板上覆蓋一張粘性試紙，隨后翻轉(zhuǎn)微孔板，使含染料的二氧化硅顆粒壓印在試紙上，最終形成一個(gè) 12×3 的變色傳感陣列。為給陣列提供結(jié)構(gòu)支撐，研究人員還在試紙的粘性底面貼上了一張薄金屬片。

五分鐘暴露實(shí)驗(yàn)：展示壓印式傳感陣列（CSA）對(duì)濃度為 25ppm 的氯化氫（HCl）氣體的響應(yīng)。圖片來源：《ACS 傳感器》（2025 年），DOI：10.1021/acssensors.5c01026

性能測(cè)試與優(yōu)勢(shì)

為測(cè)試陣列的準(zhǔn)確性，研究人員將其暴露在 12 種有毒氣體中，每種氣體設(shè)置兩個(gè)濃度梯度。團(tuán)隊(duì)對(duì)比了氣體暴露 5 分鐘前后，方格顏色和濃度的變化照片，由此形成可識(shí)別氣體種類與濃度的特征圖案。

重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該變色傳感器對(duì)化學(xué)威脅類型的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá) 99%，對(duì)氣體樣本濃度的檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá) 96%。此外，另一項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)，濕度環(huán)境不會(huì)影響該陣列的檢測(cè)準(zhǔn)確性。

據(jù)估算，每個(gè)傳感陣列的制造成本僅需 20 美分（約合 1.4 元人民幣）。研究人員表示，這種設(shè)計(jì)為現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了經(jīng)濟(jì)高效且可定制的方案。下一步，他們計(jì)劃研發(fā)一款手持式光電鼻原型機(jī)，用于戶外有害化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)。

更多信息：

羅希特施里瓦斯（Rohit Shrivas）等，《通過自粘試紙與介孔變色二氧化硅微米顆粒集成，簡(jiǎn)易低成本制備壓印式比色傳感陣列用于光電鼻》，《ACS 傳感器》（2025 年）。DOI：10.1021/acssensors.5c01026

期刊信息：《ACS 傳感器》（ACS Sensors）

本文由美國(guó)化學(xué)會(huì)（American Chemical Society）提供