集成有毒气体传感器的NFC标签和智能手机进行通信
  (图片来源于:NIMS)

引言

无论是从个人安全,还是公共安全的角度,对于有毒气体的监测,都十分重要。然而,现有的有毒气体监测设备,通常昂贵,笨重,庞大,难操作,不便携。所以,科学家们开发了一种新型化学材料,通过电导率的变化,监测有毒气体,并通过NFC技术,让智能手机读取测量值。

研究简介

最近,科学家们开了一种化学传感材料,当暴露于有毒气体中时,其电导率会动态增加。另外,研究小组将传感器材料集成进近场通讯 (NFC)标签的电子电路中,类似嵌入智能卡中。通过此项技术,智能手机在5秒钟内,就可以快速监测到低浓度有毒气体(10 ppm)。

有毒气体监测的必要性和目前瓶颈

当今社会中,有毒气体有着各种来源,例如自然界中的火山气体,人为事故造成的有毒气体泄露等等。为了减少有毒气体的危害,一般需要通过传感器设备对其进行监测。目前,监测有毒气体的传感器比较昂贵,笨重,庞大,难以操作,也难以在公共区域安装,且也不便于携带。所以。这意味着需要更简单、快速检测有毒气体的传感器和方法。

监测使用的化学传感材料

研究小组所开发的化学传感器材料,主要是碳纳米管(CNTs)。IntelligentThings之前也在文章中,提到过这种材料,例如在“‘水凝胶’触摸板诞生:未来应用前景广阔”一文(点此阅读)中就提及:“碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学,电学和化学性能。” 然而,这种材料除了具有CNTs,在CNTs外部还包裹着超分子聚合物,这些单体簇通过弱相互作用结合在一起

该化学材料监测有毒气体的原理

当材料暴露于亲电子的有毒气体中,它的电导率会增加至原来的3000倍。CNTs自身就是高导电物质,但是当它们被超分子聚合物包裹时,就像绝缘体,变成不良导体。超分子聚合物的设计,让位于分子中的弱束缚,在遇到有毒气体时分离,从而拆分开包裹的分子。所以,原来高导电状态的CNTs恢复功能。电导率的变化程度,和有毒气体浓度以及接触持续时间成正比,并且电导率很容易通过普通商用电阻表进行测量。

传感器的制作和NFC技术的应用

有毒气体传感器,就是通过集成化学传感材料到商用NFC标签中而制成,然后在智能手机上读取测量值。用户可以通过持有NFC兼容的智能手机,与嵌入传感器的NFC标签通信,来判断是否存在有毒气体。但是,前提是确保两个设备之间通信完好。传感器是一次性的,1克化学感知物质可制成400万个传感器。所以,它具有低成本量产的可行性。

未来展望

在未来的研究中,研究人员计划通过对于超分子聚合物的结构进行修改,从而开发监测各种有毒化学物质的传感器,且灵敏度更高、更快速、更容易

他们也开发一种系统,可以选择和化学传感器应用兼容的无线通信技术类型(根据通信的距离,功耗等等),并且将化学传感器和云技术相结合,更好的监测有毒气体。

研究团队

这个研究小组由前沿分子组,国际纳米结构材料研究所(MANA),日本国立材料研究所 (NIMS)的 Shinsuke Ishihara 高级研究员,和麻省理工学院(MIT)的Timothy M. Swager教授等科学家构成。这项研究由MIT开展,日本社会科学促进会的国外研究博士后项目支持。研究发表在2016年6月23日的美国化学学会杂志上。

参考资料

【1】http://www.nims.go.jp/eng/news/press/2016/08/201608240.html

【2】“Ultratrace Detection of Toxic Chemicals: Triggered Disassembly of Supramolecular Nanotube Wrappers”; Shinsuke Ishihara, Joseph M. Azzarelli, Markrete Krikorian, Timothy M. Swager; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138 (26), pp 8221–8227, DOI: 10.1021/jacs.6b03869


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新型化学传感材料结合NCF技术 让有毒气体监测更有效便捷
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