纳米机械气体传感器阵列：迈向更智能、更安全的食品和环境

想象一下，走进你的厨房，立刻知道你昨天买的鱼是否还新鲜，或者进入一个有传感器的工业现场，传感器会立即提醒你危险气体泄漏。这不是科幻小说，而是我们新开发的纳米机械传感器阵列背后的承诺，这是我们创造的一种实时检测和分析复杂气体的强大工具

在我们最近发表在《微系统与纳米工程》上的研究中，我们介绍了一种基于硅和聚合物的微型传感器阵列，能够快速准确地检测各种气体

该阵列利用了一个简单而巧妙的原理：当气体分子进入传感器时，它们会扩散到特定的聚合物中，导致它们轻微膨胀。这种膨胀会产生机械应力，由嵌入硅中的微型压阻传感器检测到。这就像看着海绵在吸水时膨胀——但在微观尺度上，通过电学测量膨胀来检测和识别气体

我们精心选择了四种不同的聚合物——聚烯烃、氟碳化合物、丙烯酸树脂和氨基聚合物——每种聚合物都有不同的化学性质，确保我们的传感器可以检测到从水蒸气、乙醇到复杂有机蒸气的各种气体

为什么有四种不同的聚合物？将每种聚合物视为具有独特的嗅觉，能够感知特定的分子。它们一起形成了一个强大的阵列，可以同时准确地识别多种气体

在我们的测试中，我们将这些传感器暴露在各种气体混合物中，模仿现实生活中的场景，如湿度波动、乙醇蒸汽，甚至类似于手部摩擦酒精的混合物。值得注意的是，每种聚合物的反应不同，为每种气体或气体混合物创造了一个独特的信号模式或“指纹”

通过应用主成分分析这一统计技术，我们成功地区分了不同气体，甚至是不同浓度的气体，实现了令人印象深刻的灵敏度和选择性

但检测气体不仅关乎实验室精度，它还有实际的日常应用。为了证明这一点，我们使用传感器阵列在七天内监测了鲭鱼鱼片的新鲜度

随着鱼逐渐变质，微生物活动释放出独特的气体。我们的传感器准确地跟踪了这些变化，提供了关于新鲜度和变质过程的精确信息。这种实时监测可以显著提高食品安全，减少浪费，优化储存条件

除了食品安全，这些传感器阵列在各个行业都有巨大的潜力——从医疗保健到环境监测，在医疗保健中，分析人类呼吸可以导致早期疾病检测，在环境监测中，快速识别有害气体可以仅使用一个传感器阵列来保护社区

这项创新最让我兴奋的是它的简单性和融入日常生活的潜力。与传统的笨重气体检测系统不同，我们的纳米机械传感器阵列结构紧凑、灵敏度高、效率极高，仅需几秒钟即可提供可靠的结果

这个故事是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在其中报告他们发表的研究文章中的发现。访问此页面了解有关Science X Dialog以及如何参与的信息 More information: Md. Abdul Momin et al, Investigation towards nanomechanical sensor array for real-time detection of complex gases, Microsystems & Nanoengineering (2025). DOI: 10.1038/s41378-025-00899-2

Bios:

Dr. Md Abdul Momin conducted research at Tohoku University, Japan (2020–2022), collaborating with Mitsui Chemicals, Inc., under Prof. Takahito Ono's lab. His work focused on developing highly sensitive MEMS sensors integrated with specialized smart polymers. Currently, Dr. Momin continues his research at the University of Southern Mississippi's School of Polymer Science and Engineering, following his tenure at the University of Pittsburgh, where he developed wearable technologies, including a finger ring for blood pressure monitoring. His research emphasizes the versatility of MEMS technology in enhancing human health and safety.

Prof. Takahito Ono has been a professor in mechanical systems engineering at Tohoku University's Graduate School of Engineering. He served as Director of the Micro/Nanomachining Research and Education Center (2012–2014) and has been Co-Director of the Microsystem Integration Center (μSiC) since 2010. Additionally, since 2013, he has held a professorship (guest courses) in the Department of Mechanical Engineering at The University of Tokyo, focusing on nanomechanics. Prof. Ono is a recognized expert in MEMS, nanoelectromechanical systems (NEMS), silicon-based nanofabrication, and ultrasensitive NEMS/MEMS sensors.

Journal information: Microsystems and Nanoengineering