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激光书写展身手，打造可同时探测多种气体的灵敏“电子鼻”

时间：2022-07-01 16:16:07 来源： OFweek激光网

气体检测在各个领域都至关重要，包括污染监测、公共安全保障和个人卫生保健。为了满足这些需求，传感设备必须体积小、重量轻、价格低廉、易于使用，并适用于各种环境和基材，如服装或管道。

而近日，来自美国宾夕法尼亚州立大学的联合团队就成功地合作开发出了一种新型的环境传感器，这种传感器未来将有望用于同时探测多种可能预示疾病或污染的气体，而其关键在于结合一种特殊的激光书写技术。

（图片来源：The Pennsylvania State University）

据悉，该大学工程学院工程科学与力学助理教授Huanyu Larry Cheng和埃伯利理学院化学助理教授Lauren Zarzar及其团队将激光书写（Laser Writing）技术和响应式传感器技术结合起来，制造了第一个高度可定制的微型气体传感设备。

在研发过程中，他们面临的最大挑战就是创造出具有预期性能的设备，同时这种设备还需要能够根据所需的基础设施进行定制，以精确地同时感知不同的目标气体。

而借助激光书写技术，研究人员能够扩大他们对如何直接合成、设计和集成新材料(尤其是纳米材料和纳米材料复合材料)到复杂系统中的理解，从而能够创造越来越复杂和有用的传感技术。

据悉，Lauren Zarzar的研究小组开发了激光诱导热体素（laser-induced thermal voxel）技术工艺，这使得他们能够同时、直接地创建金属氧化物并使其集成到传感器平台上。金属氧化物是一种能够与各种化合物发生反应，从而触发传感机制的材料。使用激光书写时，研究人员将金属盐溶解在水中，然后将激光聚焦到溶液中。高温会分解溶液，留下金属氧化物纳米颗粒，可以烧结到传感器平台上。

该工艺在流程设计上得到了简化，不再需要规划好固定的预定义掩模。在以往的方法中，任何改变或调整都需要创造一个新的掩模版，既费时又费钱。根据Lauren Zarzar的说法，激光书写技术是“无掩模的”，且与热体素工艺相结合时能够对多种设计或材料进行快速迭代和测试，以找到最有效的组合。

据介绍，精确的图案化刻印（patterning）也非常关键，它让电子鼻能够在同一时间内精确地检测多种气体。该论文的共同第一作者亚历山大·卡斯顿奎(Alexander Castonguay)表示：“这种精确的检测需要在最薄的微观尺度上，将不同的材料近距离地拼接在一起。以往，很少有图案化技术能够产生这样的分辨率，但我们的方法可以做到这一点。我们计划使用上述技术和材料来开发电子鼻原型。”

在近期的实验中，研究人员测试了目前用于传感器的五种不同金属与金属组合。根据Alexander Castonguay的说法，不同金属氧化物接触的点被称为异质结（heterojunction），在两种材料的界面上形成了一个独特的环境，从而增强了气体传感器的响应。研究小组发现，氧化铜和氧化锌的异质结对测试气体(乙醇、丙酮、二氧化氮、氨和硫化氢)的反应，比单纯的氧化铜要强出5-20倍。

研究团队指出，这一发现支持了科学文献中其他报告的观点，即创建混合的氧化物系统能够显著地提高传感器的响应效率。除此之外，这一发现还证明了激光诱导热体素技术在混合氧化物气体传感器制造中的有效性，未来有助于创造出新颖的、可定制的传感器。

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