新型气凝胶传感器，十亿分之八浓度甲醛也难逃法眼
研究人员开发了一种由“冷冻烟雾”制成的传感器，该传感器使用人工智能技术实时检测浓度低至十亿分之八的甲醛，灵敏度远超大多数室内空气质量传感器。
剑桥大学的研究人员开发了由高度多孔的气凝胶材料制成的传感器。通过精确设计气凝胶中孔的形状，传感器能够在室温下检测甲醛的痕迹。这种传感器功率小，适用于检测各种危险气体，也可以小型化用于可穿戴和医疗保健应用。相关研究结果发表在《科学进展》杂志上。
挥发性有机化合物（VOCs）是室内空气污染的主要来源，会导致流泪、眼睛和喉咙灼烧，以及呼吸困难等。高浓度VOCs会导致哮喘患者发作，长期暴露其中可能导致某些癌症。甲醛是一种常见的挥发性有机物，由家用物品排放，包括压制木制品（如MDF）、壁纸和油漆以及一些合成织物。在大多数情况下，这些物品释放的甲醛水平很低，但随着时间的推移，甲醛水平会不断上升，尤其是在车库里，油漆和其他甲醛排放产品更容易保留。根据Clean Air Day组织2019年的一份报告，英国五分之一的家庭甲醛浓度显著，13%的住宅超过了世界卫生组织设定的建议限值。
主导这项研究的剑桥石墨烯中心的Tawfique Hasan教授表示：“甲醛等挥发性有机物即使在低浓度下长时间暴露也会导致严重的健康问题，但目前的传感器没有灵敏度或选择性来区分对健康有不同影响的挥发性有机物。”
该论文的第一作者陈卓表示：“我们想开发一种体积小、功耗低，但能选择性检测低浓度甲醛的传感器。”
研究人员以气凝胶为基础设计了这种传感器。气凝胶也被被称为“液体烟雾”，因为它们的体积超过99%是空气。气凝胶的开放结构使气体可以很容易地进出。通过精确地设计孔的形状或形态，气凝胶可以设计厂高效的传感器。
剑桥大学的研究人员与华威大学合作，优化了气凝胶的成分和结构，以提高其对甲醛的敏感性，使其变成大约人类头发宽度三倍的细丝。研究人员3D打印了由石墨烯制成的糊状物的线条，然后冷冻干燥石墨烯糊状物，在最终的气凝胶结构中形成孔。这种气凝胶还含有被称为量子点的微小半导体。他们开发的传感器能够检测浓度低至十亿分之八的甲醛，这是英国工作场所安全水平的0.4%。传感器也在室温下工作，功耗非常低。
陈卓表示：“传统的气体传感器需要加热，但由于我们设计材料的方式，我们的传感器在室温下工作得非常好，因此它们比其他传感器功耗低10到100倍。”
为了提高选择性，研究人员随后将机器学习算法融入传感器中。这些算法经过训练，可以检测不同气体的“指纹”，因此传感器能够将甲醛与其他挥发性有机物区分开来。
Hasan教授表示：“现有的挥发性有机物探测器手段生硬——你只能得到一个空气中总浓度的数字。而构建一种可以实时检测极低浓度特定挥发性有机物的传感器，它可以让家庭和企业更准确地了解空气质量和任何潜在的健康风险。”
研究人员表示，同样的技术也可以用于开发检测其他挥发性有机物的传感器。理论上，标准家用一氧化碳探测器大小的设备可以包含多个不同的传感器，提供一系列不同危险气体的实时信息。来自华威大学的合著者Julian Gardner教授表示：“在华威大学，我们正在开发一个低成本的多传感器平台，该平台将结合这些新的气凝胶材料，并与人工智能算法相结合，检测不同的挥发性有机物。”
陈卓表示：“通过使用高度多孔的材料作为传感元件，我们正在开辟检测环境中有害物质的全新方法。”
这项研究得到了亨利·罗伊斯研究所和英国研究与创新所下属的工程与物理科学研究委员会（EPSRC）的部分支持。
参考文献
Zhuo Chen et al. ‘Real-time, noise and drift resilient formaldehyde sensing at room temperature with aerogel filaments.’ Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk6856
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