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傳感器“鼻子”能嗅萬億分之一爆炸物

[2017/2/20]

爆炸相關(guān)的恐怖襲擊對全球安全和穩(wěn)定造成了巨大的威脅，探索可靠的痕量爆炸物氣氛檢測方法是遏制爆炸恐怖襲擊的有效手段之一。中國科學院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學與技術(shù)研究室科研人員開發(fā)了基于氧化鋅插層調(diào)節(jié)的高靈敏硝基爆炸物氣氛肖特基結(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對TNT、DNT、PNT、PA、RDX及尿素等爆炸物在十億分之一甚至萬億分之一濃度范圍的檢測。


 
　　目前，用于痕量爆炸物檢測的方法主要有離子遷移譜、熒光、拉曼光譜和氣敏傳感。其中，基于電學傳感器的氣敏檢測方法以非接觸、采樣簡單、可靠性高等優(yōu)勢而備受關(guān)注。然而，在實際場景中，爆炸物蒸氣濃度會低于十億分之一甚至千萬億分之一級別，因此，吸附在納米材料表面的爆炸物分子極少，這就需要傳感器在實際檢測時具有極高的靈敏度。此款基于氧化鋅插層調(diào)節(jié)的高靈敏硝基爆炸物氣氛肖特基結(jié)就是針對此問題而開發(fā)。
 
　　不過，單個電學傳感器只能檢測但不能識別爆炸物，需要傳感器陣列才能使爆炸物的識別成為可能。因為自然嗅覺系統(tǒng)在氣體檢測方面具有超高的靈敏度，可達到0.1飛摩爾，對設(shè)計和構(gòu)建痕量氣氛傳感器具有十分重要的借鑒作用。所以傳感器陣列的構(gòu)建類似于人工嗅覺系統(tǒng)，將有利于爆炸物蒸氣的識別檢測。按照這個邏輯，傳感器陣列可以通過一組實體傳感器協(xié)同工作來實現(xiàn)。然而，傳統(tǒng)意義上的傳感器陣列其中的一個傳感器如果不能工作，整個傳感器陣列的識別能力都會受到影響。因此，如何簡化傳感器陣列的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對爆炸物氣氛的高靈敏識別檢測，具有十分重要的現(xiàn)實意義，而且頗具挑戰(zhàn)。
 
　　這只“鼻子”的高靈敏傳感材料由石墨烯/氧化鋅/硅納米線三元肖特基結(jié)組成。在此基礎(chǔ)上，巧妙地通過調(diào)節(jié)單色LED光源的光強調(diào)制傳感器性能。因此，對于同一種爆炸物氣氛，在8種不同光強下，肖特基結(jié)會產(chǎn)生8個不同的響應(yīng)值。另外，由于不同的爆炸物分子得到電子和失去電子的能力不同，因而，對于不同的爆炸物，肖特基結(jié)即使在同一種光強下呈現(xiàn)出的響應(yīng)大小也不一樣。最后，通過主成分分析方法對響應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)了對TNT、DNT、PNT、PA、RDX、Urea、BP(黑火藥)和AN(硝銨)等8種制式及非制式爆炸物的高靈敏、快速識別檢測。
 
　　與傳統(tǒng)的傳感器陣列相比，該傳感器陣列基于單個傳感器即可實現(xiàn)陣列檢測的功能，同時，大大節(jié)約了傳感器陣列的制備工序，并從原理上顯著提升了陣列的穩(wěn)定性。不僅如此，利用該光電肖特基結(jié)傳感器檢測未知的爆炸物，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)爆炸物的識別，而且可以實現(xiàn)半定量分析。
 
　　該研究中的基于一個傳感器構(gòu)建傳感器陣列，亦即人工嗅覺系統(tǒng)的方案為簡化傳感器陣列構(gòu)建步驟，開發(fā)具有識別功能的爆炸物氣氛傳感器提供了新的思路。同時，該研究思路亦可為其它痕量氣氛傳感器的設(shè)計提供借鑒。