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新疆理化所开发基于光电肖特基结的爆炸物气氛人工嗅觉系统

新疆理化所开发基于光电肖特基结的爆炸物气氛人工嗅觉系统
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  爆炸相关的恐怖袭击对全球安全和稳定造成了巨大的威胁,探索可靠的痕量爆炸物气氛检测方法是有效遏制爆炸恐怖袭击的有效手段之一。目前,用于痕量爆炸物检测的方法主要有离子迁移谱、荧光、拉曼光谱和气敏传感。其中,基于电学传感器的气敏检测方法以非接触、采样简单、可靠性高等优势而备受关注。然而,由于在实际场景中,爆炸物蒸气浓度会低于ppb(十亿分之一)甚至ppq(千万亿分之一)级别。因此,吸附在纳米材料表面的爆炸物分子极少,这就需要传感器在实际检测时具有极高的灵敏度。针对此问题,中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室科研人员开发了基于TiO2插层调节的高灵敏硝基爆炸物气氛肖特基结,能够实现对TNTDNTPNTPARDXHMX等硝基爆炸物在ppbppq浓度范围的检测(Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 4039)。

  然而,单个电学传感器只能检测但不能够识别爆炸物,需要传感器阵列才能使爆炸物的识别成为可能。自然嗅觉系统在气体检测方面具有超高的灵敏度,可达到0.1飞摩尔,对设计和构建痕量气氛传感器具有十分重要的借鉴作用。传感器阵列的构建类似于人工嗅觉系统,将有利于爆炸物蒸气的识别检测。一般意义上,传感器阵列通过一组实体传感器协同工作,如课题组前期通过ZnS纳米晶结构调控构建的传感器阵列可实现爆炸物气氛的识别(Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 4578幸运28–4586)。然而,传统意义上的传感器阵列如果其中的一个传感器不能工作,整个传感器阵列的识别能力都会受到影响。因此,如何简化传感器阵列的结构,并在此基础上实现对爆炸物气氛的高灵敏识别检测,不仅具有十分重要的现实意义,而且颇具挑战。

  基于此,课题组首先构建了石墨烯/氧化锌/硅纳米线三元肖特基结作为检测爆炸物气氛的高灵敏传感材料。在此基础上,巧妙地通过调节单色LED光源的光强调制传感器性能。例如,通过调节468 幸运28 nm单色LED光源形成8种不同光强周期性照射肖特基结,即可得到由8个传感器组成的传感器阵列。该设计中,光的施加会产生三种作用:1)调控肖特基势垒的高度;2)调控载流子浓度;3)调控分析物的吸附-脱附平衡。因此,对于同一种爆炸物气氛,在8种不同光强下,肖特基结会产生8个不同的响应值。另外,由于不同的爆炸物分子得到电子和失去电子的能力不同,因而,对于不同的爆炸物,肖特基结即使在同一种光强下呈现出的响应大小也不一样。最后,通过主成分分析方法对响应数据进行分析处理,实现了对TNTDNTPNTPARDXUreaBP(黑火药)和AN(硝铵)等8种制式及非制式爆炸物的高灵敏、快速识别检测。相比于传统的传感器阵列,该传感器阵列基于单个传感器即可实现阵列检测的功能,同时,大大节约了传感器阵列的制备工序,并从原理上显著提升了阵列的稳定性。不仅如此,该方案在检测不同浓度的同一种爆炸物时,其响应数据在主成分空间中会落在一个线性区,因此,利用该光电肖特基结传感器检测未知的爆炸物,不仅能够实现爆炸物的识别,而且可以实现半定量分析。

  该研究中的基于一个传感器构建传感器阵列,亦即人工嗅觉系统的方案为简化传感器阵列构建步骤,开发具有识别功能的爆炸物气氛传感器提供了新的思路。同时,该研究思路亦可为其它痕量气氛传感器的设计提供借鉴。

  日前,相关研究成果在线发表在《先进材料》(Advanced Materials上。该工作得到了国家自然科学基金、中科院百人计划等项目的资助。

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基于石墨烯/氧化锌/硅纳米线光电肖特基结的爆炸物人工嗅觉系统