碳纳米管传感器在光照下有效测量混合气体中的氧气

氧气对生命至关重要，在许多化学过程中起着反应性作用。因此，精确测量氧气的方法与许多工业和医疗应用有关：它们分析燃烧过程中的废气，实现食品和药品的无氧处理，监测我们呼吸的空气中的氧气含量或血液中的氧饱和度

氧气分析在环境监测中也发挥着越来越重要的作用。

苏黎世联邦理工学院功能配位化学教授MátéBezdek说：“然而，此类测量通常需要笨重、耗电且昂贵的设备，这些设备几乎不适合移动应用或连续户外使用。”。他的团队使用分子设计方法来寻找环境气体的新传感器

在氧气的情况下，Bezdek的团队现在已经成功了。在《高级科学》杂志上发表的一项研究中，研究人员提出了一种光激活高性能传感器，可以精确检测复杂气体混合物中的氧气，并且具有在该领域使用的相关特性

Bezdek团队的博士生、该研究的第一作者Lionel Wettstein解释说：“传统的测量方法往往以牺牲其他标准为代价来牺牲高灵敏度。”例如，有些传感器对氧气反应非常敏感，但消耗大量电力，并受湿度等环境因素的干扰。其他一些则能容忍干扰气体，但不太敏感，很快就会被消耗掉

Wettstein说：“固定设备、复杂的样品和高成本也限制了可能的应用。”

另一方面，这种新型传感器是一种实用的全能型传感器：它非常灵敏，可以检测一百万个气体颗粒中的氧气分子，即使在更高的浓度下也能可靠地检测到。它还具有选择性，即它能耐受水分和其他干扰气体，使用寿命长。最后，它很小，但价格低廉，易于使用，耗电量很小

这使得小型化传感器对便携式设备和现场移动实时测量很感兴趣，例如分析汽车尾气或早期检测变质的食物。该探测器也适用于使用分布式传感器网络对湖泊、河流和土壤进行连续监测

Wettstein说：“这些生态系统中的氧气含量是生态健康的重要指标。”

用纳米管传感分子

为了实现所需的性能，Bezdek的团队专门从分子组件设计了传感器。它属于化学电阻类：这些是带有活性传感器材料的微小电路，直接与待分析的分子相互作用，从而改变其电阻

Bezdek说：“最大的优势是这个信号可以很容易地测量。”

研究人员选择了二氧化钛和碳纳米管的复合材料作为传感器材料的基础。二氧化钛可以用作化学电阻器，但缺点是它通常只在非常高的温度下工作

“因此，我们将碳纳米管掺入复合材料中，”Bezdek继续说道

纳米管形成了节能平台——它们确保传感器反应在室温下发生，不需要加热。最后，为了确保传感器材料能够可靠地区分氧气和其他气体，该团队受到了染料敏化太阳能电池的启发，在这种电池中，被称为光敏剂的特殊染料分子收集光能并将其转化为电流

研究人员将这一功能原理转移到了他们的传感器上：在绿光存在的情况下，光敏剂将电子转移到由二氧化钛和纳米管制成的复合材料上。这会激活材料，使其对氧气特别敏感

Wettstein说：“与其他气体相比，氧气会阻碍激活传感器中的电荷转移，从而改变其电阻。”

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从实验室到现场应用

研究人员已经提交了传感器的专利申请，现在正在寻找工业合作伙伴来进一步开发该技术。专门测量混合气体中氧气的耐用可靠传感器估计年市场容量约为14亿美元

该团队目前正在努力将其传感器概念扩展到氧气之外，以包括其他在生态中发挥重要作用的环境气体

Bezdek说：“我们的传感器材料具有模块化结构，我们想探索如何改变其化学成分来检测其他目标分子。”

他的团队目前的主题之一是检测导致农业过度施肥和污染土壤和水的氮基污染物

“为了减少农业部门的生态足迹，我们需要能够精确施肥的传感器，”Bezdek说 More information: Lionel Wettstein et al, A Dye‐Sensitized Sensor for Oxygen Detection under Visible Light, Advanced Science (2024). DOI: 10.1002/advs.202405694

Journal information: Advanced Science