让界面气体“动起来”的传感器学术资讯

来源：X一MOL资讯

流体更大的运动速度意味着更高效的传质，这对促进气体传感器表面物质吸附、提升气体传感器的灵敏度有着重要意义。那么，怎样才能让传感器界面处的分子“动起来”？近日，中国科学院化学研究所的王铁研究员团队和天津理工大学生命健康检测研究院合作，通过表面图案化的传感器提升气流在传感器界面处的运动速度，促进了传质，增强了气体传感器的灵敏度。
气体样品的分析检测对于检测爆炸物、有毒有害物质等发挥着重要作用。固态传感器常用于气体检测。气体在固态传感器界面处的反应通常包括气体反应物扩散、吸附、反应、气体产物脱附和扩散五步。理论上，气体在浓度差驱使下向固态传感器表面扩散，并在此过程中实现传质。但实际状态下，气体物质传质速度比分子运动速度更慢，这是由于传质过程受到传感器界面处的气体分子扩散层的阻碍，较慢的传质降低了气体传感器的灵敏度。
王铁研究员团队在前期研究成果（Anal. Chem., 2017, 89, 1416-1420, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 22506-22511, J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 1857-1863）的基础上，提出促进气体分子局域扰动，以克服表面扩散层的限制。在中国科学院化学研究所车延科研究员团队协助下，他们以荧光型气体传感器为探针传感器，在模板辅助下制备一系列不同密度（0.00<密度<1.00）的传感器阵列，以非阵列型的薄膜型传感器（密度=1.00）为对照，用以检测爆炸物分子2,4-二硝基甲苯（DNT），并用阵列传感器对应的密度将荧光淬灭结果归一化。结果证明，从归一化后的荧光淬灭、线性检测范围及其拟合曲线的斜率、检测限这四方面，均说明阵列化后的传感器，其灵敏度比未阵列化的薄膜显著增强。并且灵敏度呈现跟阵列密度相关的趋势，阵列密度越小，传感器越灵敏。以传感器密度0.3为临界值，传感器阵列可以分为两组。

模拟计算结果证明，两组传感器阵列以及薄膜型传感器，其界面处分子运动速度有差异，传感器阵列界面处分子运动速度比薄膜传感器界面处提高几个数量级。其原因在于，传感器阵列界面处有多维度气体浓度差，而薄膜传感器界面处气体浓度差只有一个方向。因此，传感器阵列界面处，气体分子沿多方向扩散，产生局域扰动，从而提升气体分子运动速度，促进传质。两组传感器阵列灵敏度的差异则归因于气体分子平均自由程的差异。

将该探针传感器检测其它三种气体，并将其他三种检测器分子用相同方法图案化，并分别检测对应气体分子，所得结果均与前述规律一致。证明该灵敏度增强方法具有普适性。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。工作受到国家自然科学基金、中国国家重点研发计划和中国科学院的资金支持。

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