近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系杨志团队在便携式无线传感领域取得重要进展，相关研究成果以“Wide-range and high-accuracy wireless sensor with self-humidity compensation for real-time ammonia monitoring（用于实时氨气监测的具有湿度自补偿功能的宽量程和高精度无线传感器）”为题在国际著名期刊《Nature Communications》上发表。
研究背景
在工业生产领域，工业场合的危险气液泄漏造成的生命财产损失等负面影响引起了人们的高度关注。例如，工业场合的氨气泄漏对人类生命造成了极大的威胁，长期暴露于氨气氛围中可能对中枢神经系统和呼吸系统产生不良影响。研究表明，人体在25 ppm氨气环境中可接受的暴露时间极限为8 h。在工业环境中，危险气液通常使用大型管道输送，管道异常升压和老化通常是造成泄漏的主要原因。宏观的气液泄漏通常源于不明显的微裂缝，这些故障很难用肉眼和常用的固定报警系统观察到。因此，通过高灵敏度的气体传感器能及时监测危险气液输送管道因微裂纹导致的气液泄漏，有效避免灾害事故发生。
在食品安全领域，由于食品管理效率低下，全球每年产生约13亿吨的食物垃圾。仅在欧盟，每年浪费的食物就超过8800万吨，造成的损失约为1430亿欧元。除了环境和经济成本外，当食用变质的食物时，食源性疾病暴发也会增加。据估计，不安全食品消费对低收入和中等收入经济体的经济影响为每年1100亿美元。资源的大量浪费以及相关的健康和环境影响亟需发展可持续的食品质量监管工具，以降低食物浪费和食源性疾病带来的财政负担。自然条件下贮存的食品在微生物分解作用下，可释放出氨气、三乙胺等各种总挥发性碱性氮（虾：<20 mg/100 g；鸡肉：<15 mg/100 g；牛肉：<15 mg/100 g），在食品配送链布置便携式生物标志物检测设备可以实现实时的食品腐败检测，从而预防食源性疾病并消除食物浪费。
在医学领域，人体呼出气体中含有许多代谢产物和挥发性有机化合物，这些成分可以反映人体健康状况，例如，某些肾病患者呼出气体中存在异常氨气浓度（健康：<1 ppm；患病：>1.5 ppm；终末期肾病：>4.88 ppm）。目前通过分析呼出气体的成分能够诊断包括哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺癌和胃肠道疾病在内的多种疾病。相比于传统的侵入性检测方法，呼出气体检测是一种无创和快速的诊断工具。呼出气体检测为疾病的早期诊断、病情监测、代谢评估和个人健康管理提供了重要手段，可显著提升医疗诊断的精准性和效率。
然而，使用现有技术实现实时和高精度氨气检测仍然具有挑战性。尽管传统的气相色谱-质谱仪器可以准确检测氨气，但是具有体积大、成本高和启动时间长等缺陷。荧光检测技术虽然具有良好的移动性，但难以定量化检测。此外，化学阻敏器件通常依赖专门的外部有线设备进行数据采集，并且易受到湿度干扰。开发一种不依赖专门设施和专业人员操作的氨气检测技术具有重要意义。
研究亮点
该研究展示了一种基于铂掺杂部分去质子化聚吡咯（Pt-PPy⁺和PPy⁰）的电感-电容（LC）无线传感器，用于实时和精确的氨气检测。利用PPy的化学电导率宽范围可调特性，通过调制电感-电容阻抗使LC无线传感器实现了高达180%回波损耗提升。采用Pt掺杂的PPy⁺和PPy⁰表现出p型半导体特性，对氨气的吸附-电荷转移动力学显著提升，展现出宽的氨气传感范围。借助于该LC无线传感器的回波损耗和频率对湿度和氨气的区别响应行为，首次实现了无须外部校准补偿的高精度氨气检测。最后，该研究验证了一种结合LC无线传感器和手持仪器的便携式检测系统，该系统在危险气液泄漏预警、食品新鲜度监测和个人即时医疗诊断等应用中展现出良好的应用前景。
研究内容
图1 具有自湿度补偿功能的宽量程和高精度LC无线传感器的设计
该研究的LC无线传感器依赖于询问天线与器件电感之间的电磁耦合效应，以无线方式供应能量及感知氨气分子。首次利用导电聚合物电导率直接调制LC无线传感器阻抗，从而实现宽范围回波损耗调节。使用过渡金属Pt掺杂PPy⁺和PPy⁰增强敏感材料对氨气吸附-电荷转移动力学，从而实现宽范围无线氨气传感。利用基于Pt-PPy⁺和PPy⁰的LC无线传感器的回波损耗参数（S11）和频率参数（f）对湿度和氨气的特异性响应规律，使用S11参数和f参数分别检测氨气和湿度，从而实现复杂环境中湿度自补偿的精准氨气传感。
图2 基于Pt-PPy⁺和PPy⁰ LC无线传感器的传感性能
基于Pt-PPy⁺和PPy⁰的LC无线传感器具有宽的氨气检测范围（125 ppb–2000 ppm），优于目前报道的无线氨气传感器。得益于显著的吸附-电荷转移动力学特性，基于10 Pt-PPy⁺和PPy⁰的LC无线传感器对氨气具有125 ppb的极低检测下限，并且在高氨气浓度下（2000 ppm）仍然能实现快速响应平衡（响应时间为19 s）。
图3 基于Pt-PPy⁺和PPy⁰ LC无线传感器的湿度自补偿策略
利用水分子和氨气分子对Pt-PPy⁺和PPy⁰的LC无线传感器频率响应的差异，实现湿度自补偿策略。研究结果表明，器件对湿度具有0.5 MHz/% RH的线性高灵敏度响应，并且在100 ppm氨气条件下通过自补偿策略得到的测试结果与真实的氨气浓度误差只有几个ppm。此外，基于Pt-PPy⁺和PPy⁰ LC无线传感器，在传感选择性方面，除了对生物胺（三乙胺、二乙醇胺和三甲胺）有明显的响应外，对其他气体（烷类、醇类、酯类和硫化氢）的响应可以忽略不计。
图4 基于Pt-PPy⁺和PPy⁰ LC无线传感器在各种场景下的应用演示
该论文采用基于Pt-PPy⁺和PPy⁰ LC无线传感器和手持式网络分析仪构成便携式检测系统，验证了该传感器在食物新鲜度、疾病诊断和危险气液泄漏检测等场景中的可行性，表明基于Pt-PPy⁺和PPy⁰ LC无线传感器便携式检测系统可作为复杂场景定制化检测的重要工具。
研究团队
上海交通大学电子信息与电气工程学院博士生吕文为该论文的第一作者，上海交通大学电子信息与电气工程学院杨志长聘教授和杨建华长聘教轨副教授为该论文的共同通讯作者，上海交通大学为该论文的唯一通讯单位。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51279-9
