简易变色传感器可快速识别有毒气体

这张色彩斑斓的贴片上，一个个小方格中含有二氧化硅纳米颗粒 —— 当接触有毒气体时，这些颗粒会发生颜色变化。图片来源：改编自《ACS 传感器》（2025 年），DOI：10.1021/acssensors.5c01026

并非所有有毒气体都有气味或颜色。但一块布满柔和马卡龙色小方格的微型传感装置，却能有效 “嗅出” 空气中的有害化学物质（如剧毒神经毒剂氯沙林），助力有毒气体检测。研究人员在《ACS 传感器》（ACS Sensors）期刊中报告称，这种基于纸张的传感阵列成本低廉且耐用，其彩色图案在接触有毒气体后会发生变化，可在几分钟内实现快速、准确的检测。

传统 “电子鼻” 的局限与新型方案

“电子鼻”（e-noses）是一类用于检测有害化学蒸汽的设备，但其电子元件成本较高，且在潮湿环境中难以实用。而 “光电鼻”（optoelectronic noses）或许能解决这些局限 —— 它用染料分子替代电子元件，这类染料分子与特定化学物质反应时会发生颜色变化。

维贾伊塔克（Vijay Tak）及其团队设计并测试了一款新型光电鼻：这是一个可检测并测量致命气体的传感阵列。阵列中的每个传感器都是一个微型纸方格，内部含有微米级二氧化硅颗粒，颗粒表面包裹着染料；当与特定分子或离子接触后，这些染料的颜色和浓度会发生改变。

传感阵列的制备过程

为验证概念可行性，塔克团队通过以下步骤制备传感器：首先将二氧化硅微米颗粒浸泡在 36 种不同的变色染料溶液中；待颗粒风干后，将其放入微孔板，在板上覆盖一张粘性试纸，随后翻转微孔板，使含染料的二氧化硅颗粒压印在试纸上，最终形成一个 12×3 的变色传感阵列。为给阵列提供结构支撑，研究人员还在试纸的粘性底面贴上了一张薄金属片。

五分钟暴露实验：展示压印式传感阵列（CSA）对浓度为 25ppm 的氯化氢（HCl）气体的响应。图片来源：《ACS 传感器》（2025 年），DOI：10.1021/acssensors.5c01026

性能测试与优势

为测试阵列的准确性，研究人员将其暴露在 12 种有毒气体中，每种气体设置两个浓度梯度。团队对比了气体暴露 5 分钟前后，方格颜色和浓度的变化照片，由此形成可识别气体种类与浓度的特征图案。

重复实验结果显示：该变色传感器对化学威胁类型的识别准确率达 99%，对气体样本浓度的检测准确率达 96%。此外，另一项验证实验证实，湿度环境不会影响该阵列的检测准确性。

据估算，每个传感阵列的制造成本仅需 20 美分（约合 1.4 元人民币）。研究人员表示，这种设计为现实环境中的环境监测提供了经济高效且可定制的方案。下一步，他们计划研发一款手持式光电鼻原型机，用于户外有害化学物质检测。

更多信息：

罗希特施里瓦斯（Rohit Shrivas）等，《通过自粘试纸与介孔变色二氧化硅微米颗粒集成，简易低成本制备压印式比色传感阵列用于光电鼻》，《ACS 传感器》（2025 年）。DOI：10.1021/acssensors.5c01026

期刊信息：《ACS 传感器》（ACS Sensors）

本文由美国化学会（American Chemical Society）提供

若本文收录的图片文字侵犯了您的权益，请邮件联系我们，我们将在24小时内予以删除。