传感器平台使用纳米孔“高速摄像机”来精确定位复杂混合物中的气体

摘要：从呼吸分析到爆炸物检测，许多应用都需要可靠的电子“鼻”。遗憾的是，目前的技术往往存在不足。因此，鲁汶大学的研究人员开发了一种灵活的传感器平台，它不仅可以检测气体，还能像测速摄像头一样记录气体的速度。

鲁汶大学

从呼吸分析到爆炸物检测，许多应用都需要可靠的电子“鼻”。遗憾的是，目前的技术往往存在不足。因此，鲁汶大学的研究人员开发了一种灵活的传感器平台，它不仅可以检测气体，还能像测速摄像头一样记录气体的速度。

这项技术发表在《自然通讯》杂志上，并已获得专利，用于测量分子在特殊纳米材料中的移动速度。这为广泛的应用打开了大门。

传统的化学传感器通常测量特定物质在表面的附着量。但空气中含有数百种挥发性有机化合物(VOC)，这些化合物通常浓度较低且混合在一起。更复杂的是，水蒸气的含量通常比目标物质多出一千倍，这使得许多传感器难以进行精确测量。结果导致可靠性和精度不佳。

鲁汶大学的新型传感器平台采用金属有机骨架(MOF)：一种具有纳米孔网络的材料，这些纳米孔的尺寸完全相同。它们就像分子测速相机一样。当气体分子在略微升高的温度下穿过这些孔隙时，它们会根据其结构以不同的特定速度移动。这种速度就像指纹一样。通过测量速度，研究人员即使在传统传感器失效的严苛条件下也能区分不同的气体。

“你可以将我们的方法与分子速度监测进行比较，”鲁汶大学 Ameloot 研究小组的生物科学工程师兼博士后研究员 Margot Verstreken 说道。“我们不仅观察有多少分子穿过纳米孔，还观察速度的差异。我们称之为动力学选择性。这些额外的信息至关重要。”

可扩展平台

鲁汶大学方法的独特之处在于它是一个可扩展的平台。“通过调整金属有机框架，我们可以在不改变底层技术的情况下，定制传感器以适应特定气体，”Verstreken 解释道。“该系统仍然保持紧凑、节能和高性能。即使在潮湿环境或复杂的气体混合物和低浓度条件下，它的性能也优于商用电子鼻。”

由于该技术具有广泛的潜在应用，该特定传感器结构已提交专利申请。例如，用于早期糖尿病诊断的呼气测试；用于检测化工行业的泄漏和锂离子电池故障，监测室内外空气质量；或用于追踪储存中水果和蔬菜的新鲜度。即使是隐藏的爆炸物或毒品，也能通过这项技术更快、更准确地检测到。由于采用模块化设计，该传感器可以适应各种任务：选择合适的MOF，平台即可使其运行。

“这不是一个为特定任务而打造的传感器，而是一个模块化平台，”Verstreken强调道。“通过选择合适的MOF或MOF组合，你可以根据想要检测的内容定制传感器。这种灵活性使我们的平台适用于从医疗保健到安全等广泛的领域。”

凭借这项研究，玛戈特·维斯特雷肯赢得了比利时站的国际科学传播大赛“倒塌的墙”（Falling Walls）。今年11月，她将代表比利时参加在柏林举行的全球总决赛，与来自一百多个国家的青年研究人员同台竞技。