传感器“鼻子”能嗅万亿分之一爆炸物

根据我们的报告，与爆炸有关的恐怖袭击对全球安全与稳定构成巨大威胁。探索痕量爆炸性环境的可靠检测方法是遏制与爆炸相关的恐怖袭击的有效手段之一。中国科学院*物理化学研究所环境科学与技术研究室的研究人员开发了一种基于氧化锌插层调控的高灵敏硝基炸药气氛肖特基结，可以检测浓度范围在10亿甚至1万亿的炸药，如梯恩梯、DNT、PNT、磷酸、黑索今、尿素等。

目前，检测痕量爆炸物的方法主要有离子迁移谱、荧光光谱、拉曼光谱和气体传感。其中，基于电传感器的气体传感检测方法因其非接触、采样简单、可靠性高等优点而备受关注。然而，在实际场景中，爆炸性蒸汽的浓度将低于十亿分之一甚至十亿分之一。因此，纳米材料表面吸附的爆炸分子非常少，这就要求传感器在实际检测中具有极高的灵敏度。这种基于氧化锌插层调整的高灵敏度硝基爆炸性气氛肖特基结就是为了解决这一问题而开发的。

然而，单个电传感器只能检测而不能识别爆炸物，并且需要传感器阵列来使爆炸物的识别成为可能。由于自然嗅觉系统在气体检测方面具有超高的灵敏度，可以达到0.1飞秒，对痕量大气传感器的设计和构建具有非常重要的参考价值。因此，传感器阵列的构造类似于人工嗅觉系统，有利于爆炸性气体的识别和检测。根据这一逻辑，传感器阵列可以通过一组物理传感器一起工作来实现。然而，如果传统传感器阵列中的一个传感器不能工作，整个传感器阵列的识别能力将受到影响。因此，如何在此基础上简化传感器阵列结构，实现对爆炸性环境的高灵敏度识别和检测具有重要的现实意义和挑战性。

这种“鼻”敏感传感材料由石墨烯/氧化锌/硅纳米线三元肖特基结组成。在此基础上，巧妙地调整了单色发光二极管光源的光强调制传感器的性能。因此，对于相同的爆炸气氛，肖特基结在8种不同的光强下会产生8种不同的响应值。此外，由于不同的爆炸分子具有不同的获取电子和损失电子的能力，即使在相同的光强下，不同的爆炸分子肖特基结的响应大小也不同。最后，利用主成分分析法对响应数据进行分析和处理，实现了对梯恩梯、DNT、PNT、磷酸、黑索今、尿素、黑火药和硝酸铵等8种炸药和非标准炸药的高灵敏快速识别和检测。

与传统传感器阵列相比，该传感器阵列可以实现基于单个传感器的阵列检测功能，同时大大节省了传感器阵列的制备过程，阵列的稳定性在原理上有明显提高。此外，利用光电肖特基结传感器检测未知爆炸物，不仅可以实现爆炸物的识别，还可以实现半定量分析。

本研究提出的基于一个传感器即人工嗅觉系统构建传感器阵列的方案，为简化传感器阵列的构建步骤和开发具有识别功能的爆炸性大气传感器提供了一种新思路。同时，该研究思路也可为其他痕量大气传感器的设计提供参考。(王)

《中国科学报》(第五版《创新周刊》，2017年2月20日)