新疆理化所開發(fā)基于光電肖特基結(jié)的爆炸物氣氛人工嗅覺系統(tǒng)

　　爆炸相關(guān)的恐怖襲擊對全球安全和穩(wěn)定造成了巨大的威脅，探索可靠的痕量爆炸物氣氛檢測方法是有效遏制爆炸恐怖襲擊的有效手段之一。目前，用于痕量爆炸物檢測的方法主要有離子遷移譜、熒光、拉曼光譜和氣敏傳感。其中，基于電學(xué)傳感器的氣敏檢測方法以非接觸、采樣簡單、可靠性高等優(yōu)勢而備受關(guān)注。然而，由于在實(shí)際場景中，爆炸物蒸氣濃度會低于ppb（十億分之一）甚至ppq（千萬億分之一）級別。因此，吸附在納米材料表面的爆炸物分子極少，這就需要傳感器在實(shí)際檢測時(shí)具有極高的靈敏度。針對此問題，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室科研人員開發(fā)了基于TiO2插層調(diào)節(jié)的高靈敏硝基爆炸物氣氛肖特基結(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對TNT、DNT、PNT、PA、RDX及HMX等硝基爆炸物在ppb至ppq濃度范圍的檢測（Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 4039）。

　　然而，單個(gè)電學(xué)傳感器只能檢測但不能夠識別爆炸物，需要傳感器陣列才能使爆炸物的識別成為可能。自然嗅覺系統(tǒng)在氣體檢測方面具有超高的靈敏度，可達(dá)到0.1飛摩爾，對設(shè)計(jì)和構(gòu)建痕量氣氛傳感器具有十分重要的借鑒作用。傳感器陣列的構(gòu)建類似于人工嗅覺系統(tǒng)，將有利于爆炸物蒸氣的識別檢測。一般意義上，傳感器陣列通過一組實(shí)體傳感器協(xié)同工作，如課題組前期通過ZnS納米晶結(jié)構(gòu)調(diào)控構(gòu)建的傳感器陣列可實(shí)現(xiàn)爆炸物氣氛的識別（Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 4578–4586）。然而，傳統(tǒng)意義上的傳感器陣列如果其中的一個(gè)傳感器不能工作，整個(gè)傳感器陣列的識別能力都會受到影響。因此，如何簡化傳感器陣列的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對爆炸物氣氛的高靈敏識別檢測，不僅具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且頗具挑戰(zhàn)。

　　基于此，課題組首先構(gòu)建了石墨烯/氧化鋅/硅納米線三元肖特基結(jié)作為檢測爆炸物氣氛的高靈敏傳感材料。在此基礎(chǔ)上，巧妙地通過調(diào)節(jié)單色LED光源的光強(qiáng)調(diào)制傳感器性能。例如，通過調(diào)節(jié)468 nm單色LED光源形成8種不同光強(qiáng)周期性照射肖特基結(jié)，即可得到由8個(gè)傳感器組成的傳感器陣列。該設(shè)計(jì)中，光的施加會產(chǎn)生三種作用：1）調(diào)控肖特基勢壘的高度；2）調(diào)控載流子濃度；3）調(diào)控分析物的吸附-脫附平衡。因此，對于同一種爆炸物氣氛，在8種不同光強(qiáng)下，肖特基結(jié)會產(chǎn)生8個(gè)不同的響應(yīng)值。另外，由于不同的爆炸物分子得到電子和失去電子的能力不同，因而，對于不同的爆炸物，肖特基結(jié)即使在同一種光強(qiáng)下呈現(xiàn)出的響應(yīng)大小也不一樣。最后，通過主成分分析方法對響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了對TNT、DNT、PNT、PA、RDX、Urea、BP（黑火藥）和AN（硝銨）等8種制式及非制式爆炸物的高靈敏、快速識別檢測。相比于傳統(tǒng)的傳感器陣列，該傳感器陣列基于單個(gè)傳感器即可實(shí)現(xiàn)陣列檢測的功能，同時(shí)，大大節(jié)約了傳感器陣列的制備工序，并從原理上顯著提升了陣列的穩(wěn)定性。不僅如此，該方案在檢測不同濃度的同一種爆炸物時(shí)，其響應(yīng)數(shù)據(jù)在主成分空間中會落在一個(gè)線性區(qū)，因此，利用該光電肖特基結(jié)傳感器檢測未知的爆炸物，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)爆炸物的識別，而且可以實(shí)現(xiàn)半定量分析。

　　該研究中的基于一個(gè)傳感器構(gòu)建傳感器陣列，亦即人工嗅覺系統(tǒng)的方案為簡化傳感器陣列構(gòu)建步驟，開發(fā)具有識別功能的爆炸物氣氛傳感器提供了新的思路。同時(shí)，該研究思路亦可為其它痕量氣氛傳感器的設(shè)計(jì)提供借鑒。

　　日前，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院“百人計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。

基于石墨烯/氧化鋅/硅納米線光電肖特基結(jié)的爆炸物人工嗅覺系統(tǒng)