甲醛气体传感器 十亿分之八浓度甲醛也难逃法眼，科学家开发出新型气凝胶传感器
十亿分之八浓度甲醛也难逃法眼，科学家开发出新型气凝胶传感器
IT之家 2 月 10 日消息，研究人员开发了一种由“冷冻烟雾（"frozen smoke）”制成的传感器，利用 AI 技术实时检测浓度低至十亿分之八的甲醛，远远超出了大多数室内空气质量传感器的灵敏度。
剑桥大学的研究人员开发了这一新型传感器，采用气凝胶多孔材料制成。通过精确设计气凝胶孔的形状，传感器能够在室温下检测甲醛浓度，研究成果发表在《Science Advances》杂志上。
剑桥石墨烯研究所的 Tawfique Hasan 教授表示：“甲醛等挥发性有机化合物即使在低浓度下，长时间接触也会导致严重的健康问题，但目前的传感器不具备这样的灵敏度。”
该论文的第一作者 Zhuo Chen 补充道：“我们希望开发一种体积小、功耗低、可以选择性检测低浓度甲醛的传感器。”
该传感器基于气凝胶技术，气凝胶超轻材料有时被称为“液体烟雾”，因为按体积计算，它们的 99% 以上是空气，气凝胶的开放结构使气体能够轻松地进出。通过精确设计孔的形状或形态，气凝胶可以充当高效的传感器。
剑桥研究人员与华威大学合作，优化了气凝胶的成分和结构，以提高其对甲醛的敏感性，使它们成为大约人类头发宽度三倍的细丝。
接着，研究人员对由石墨烯制成的糊剂进行了 3D 打印，然后将石墨烯糊剂冷冻干燥，从而在最终的气凝胶结构中形成孔洞。气凝胶还包含被称为量子点（quantum dots）的微小半导体。
论文介绍称，该传感器可在室温下对甲醛进行高灵敏度和实时识别。通过优化印刷结构的形态和掺杂，传感器仅消耗约 130 微瓦的功率，就实现了百万分之一甲醛的 15.23% 的创纪录高稳定响应和十亿分之 8.02 的超低浓度检测。在测量的动态响应快照的基础上，研究人员还开发了智能计算算法，以实现稳健而准确的实时检测。
IT之家注意到，华威大学的团队正在开发一种低成本的多传感器平台，该平台将整合这些新型气凝胶材料，并与 AI 算法相结合，检测不同的挥发性有机化合物。
剑桥团队开发丝状气凝胶传感器，可在几秒内高灵敏准确检测甲醛
如今，越来越多的人认识到甲醛对人体的危害。
在室温条件下，它作为一种无色气体，带有浓烈的刺鼻味道，不仅普遍地存在于日常生活的环境中，还会从建筑材料和许多家用产品中逐渐释放。
虽然它本身浓度并不高，但如果在室内等相对密闭的空间，浓度就会慢慢上升。
一旦浓度达到一定程度，会对人们的身体健康造成不良影响，比如短期产生疲劳、头痛、过敏等症状，长期则可能引起鼻咽癌，甚至导致白血病。
市面上现有的甲醛传感器，是检测和监测室内甲醛气体浓度的有效工具。
遗憾的是，多数甲醛传感器并不足够达到精准检测，除了对甲醛有响应，还可能误识别到其他的气体。同时，它的功耗也非常高，需要升高到一定温度，才能实现良好的甲醛传感。
为了提供更好的解决方案，近期，来自英国剑桥大学的研究团队用 3D 打印开发了一种基于石墨烯和量子点材料的气凝胶传感器，能够在室温和低功耗的条件下，实时高灵敏度地准确识别甲醛气体。
图丨具有不同层数和表面孔隙率的气凝胶（来源：Science Advances）
近日，相关论文以《使用气凝胶长丝在室温下进行实时、抗噪音和抗基线漂移甲醛传感》（Real-time, noise and drift resilient formaldehyde sensing at room temperature with aerogel filaments）为题在 Science Advances 上发表[1]。
图丨相关论文（来源：Science Advances）
剑桥大学博士研究生陈卓是第一作者，剑桥大学陶菲克·哈桑（Tawfique Hasan）教授担任通讯作者，英国华威大学朱利安·加德纳（Julian Gardner）教授为合作者。
图丨陶菲克·哈桑教授和陈卓（来源：陈卓）
该甲醛传感器具备两大优势，其一是能够有选择性地准确识别甲醛，其二是拥有良好的抗噪声和抗基线漂移的性能。
为了实现前者的优势，该课题组主要采用一种叫做丝状气凝胶的材料，来提高传感器响应甲醛的灵敏度。这种材料基于量子点所修饰的石墨烯并由 3D 打印制备。
虽然该材料属于固态，但大约 99% 的体积都由空气组成，所以具有疏松多孔的结构特性，非常适合甲醛气体向内扩散。
在提高灵敏度的同时，研究人员也需要克服交叉响应的问题，即排除酒精、甲苯、丙酮等其他以气体形式存在的挥发性有机化合物的干扰，以进一步提高传感器的准确性。
对此，研究人员将不同的传感器组成一个阵列，使其面临不同的气体能够产生不同的响应。
“不同的气体在经过传感器响应之后，会产生类似人的不同的指纹，我们通过这个指纹就能准确地探测出到底是甲醛还是其他气体。”陈卓解释道。
而后者的优势则通过基于动态特征的算法来实现。
据了解，现有的大部分甲醛传感器在室温下运行时存在很多不同的噪声，这会给传感器读数的准确度带来影响。并且，读数也将伴随着时间慢慢地漂移。
“比如，我们今天读到的是一个数值，等到一个月后，即便环境中的浓度并未发生改变，但由于传感器的信号本身发生了漂移，也会造成读数不准确。”陈卓说。
利用该团队开发的算法，当传感器对气体发生响应时，会通过分析动态响应的过程来提取变化率和傅里叶变换的频谱特征这两种不同的特征，这不仅有助于过滤噪声，也能清除掉来自基线漂移的影响。
“通过传统方法监测传感器的响应度，可能在 50 天内会产生约 20% 的基线漂移；但基于我们的算法，动态响应特征值在这个时间段之内不会有任何漂移发生。”陈卓表示。
目前，从体积上看，该传感器的长度、宽度和厚度分别为 4 毫米、5 毫米和 0.2 毫米，比较适用于室内这种空气流动比较差的场景，至少可以覆盖 100 平方米房屋面积的甲醛监测和测量，并能在几秒之内告诉用户室内是否存在甲醛、以及浓度是多少。
其中，值得一提的是，此前传感器的响应可能要等到 10 至 20 分钟气体扩散之后才能达到稳态，并提供相应的读数信息，而该传感器的响应速度能从数十分钟缩短到秒钟这一数量级。
在目前成果的基础上，该课题组打算在未来继续降低传感器的体积和功耗，以便能够将它集成在可穿戴设备或健康监测设备上。
“我们会进一步智能化该传感器，让它测量的范围拓展至二氧化氮、二氧化硫、甲苯等更多室内污染性气体，并实现在不同湿度下的准确监测，从而为用户提供更加全面的室内空气安全信息。”陶菲克表示。
参考资料：
1.Z., Chen, B., Zhou. et al. Real-time, noise and drift resilient formaldehyde sensing at room temperature with aerogel filaments. Science Advances（2024）. DOI: 10.1126/sciadv.adk6856
https://www.cam.ac.uk/research/news/sensors-made-from-frozen-smoke-can-detect-toxic-formaldehyde-in-homes-and-offices
运营/排版：何晨龙
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