英研製出新型感應器 可探測出微量甲醛

英國最近開發出一種由「冷凍煙霧」製成的感測器，可以快速偵測到極微量的甲醛，且靈敏度要高於多數室內空氣品質感測器。

甲醛是一種常見的揮發性有機化合物，是已知的致癌物之一。在合成木製（中密度纖維板）的傢俬、壁紙、油漆、玩具以及一些合成織物等家居用品中都可測到甲醛。如果室內甲醛濃度過高，會導致人出現流淚、眼睛刺痛、喉嚨灼燒、疲勞以及呼吸困難等症狀，且高濃度的甲醛還會引發哮喘，甚至癌症。

據清潔空氣日（Clean AirDay）運動組織在2019年的一份報告中提到，英國五分之一的家庭甲醛濃度高，其中13%的住宅超過了世界衛生組織設定的建議量。因此研發一款更好的毒性檢測器，就變得至關重要。

英國劍橋大學石墨烯研究中心（Cambridge Graphene Centre,CGC）與英國華威大學（University of Warwick），共同開發一款由高度多孔材料「氣凝膠」製成的感測器，它透過精確設計的孔的形狀或形態，可在室溫下監測到濃度極低的甲醛和其它危險氣體。

這種氣凝膠製成的感測器不僅所需功率很小（130微瓦），還可以製成穿戴式的器具，用於醫療保健上。該項研究結果於今年2月發表在《科學》（Science）刊上。

新型製造工藝

這種氣凝膠感測器，主要是由三維（3D）多孔石墨烯或還原氧化石墨烯（rGO）製成。氣凝膠除了碳原子之外，其它99%以上都是空氣，擁有極高的孔隙率和開放結構，能使氣體輕鬆穿過，再加上超輕和導熱率極低的特性，被用於航太材料。

氣凝膠又被稱為「冷凍煙霧」，因為它的外型酷似固體煙霧，且呈半透明或透明狀。

研究人員先是對由石墨烯（一種二維形式的碳）加熱製成糊劑，用3D列打機打印一塊電路板上，然後再將打印成品進行冷凍乾燥和清洗，最終打印出的細絲垂直於底部電極，以獲得更好的電氣接觸和導電性。

之後，實驗人員將打印好的石墨烯氣凝膠，放進含有氯化銅（CuCl2）、或氯化鎳（NiCl2）或氯化鈷（CoCl2）金屬溶液的乙醇中，讓金屬附著在氣凝膠的表面。最後用己烷洗滌多餘的物品，使得氣凝膠表面附上一層金屬氧化物半導體量子點，讓感測器能快速吸收那些空氣中擴散極快的氣體。

研究人員表示，之所以選用這三種金屬，主要是這些金屬氧化物被廣泛用於氣體感應檢測上，且使用酒精這種弱張力的有機溶劑，是為了避免原本打印好的氣凝膠從電路板基板上剝離。

研究人員還表示，選用3D打印是為了打印出多種尺度的感應物件，方便對氣凝膠結構進行微調，同時還可獲得額外的維度和可區分的特徵，讓感測器在偵測不同氣體時，更具有可調性。

研究團隊經過多方面的測試和調整，最終做出了一款能在幾秒鐘內，在室溫下對甲醛和其它揮發性有機化合物進行「高靈敏度檢測」和「即時識別」的氣凝膠感測器。這款氣凝膠感測器可以檢測濃度低至8ppb的甲醛，該數值相當於英國工作場所可暴露安全水平的0.4%。試驗過程中，他們發現，影響氣凝膠氣靈敏性能的主要有三個關鍵因素，即打印結構的表面孔隙率、絲直徑和表面陣列排序。細絲越細，表面孔隙率越大，感應效果和對氣體的識率越高。