【CMT&CHTV 文獻精粹】

導語：本文介紹了一種新型的可擴展光學鼻技術，通過化學電阻調製的發光二極管陣列實現了對氣體分子的高靈敏度檢測。

研究背景

在生物嗅覺係統中，大約400種不同的嗅覺受體以組合工作方式維持嗅覺功能，以區分各種氣味化合物。模擬這種複雜的人工嗅覺係統極具挑戰，尤其是製造包含大量傳感材料的化學電阻陣列，所以人工電子鼻的製造極為困難。以往的電子鼻技術多依賴於與氣體分子接觸時，電阻發生變化的化學電阻材料，但隨著傳感器數量的增加，單獨布線每個傳感器的複雜性也隨之增加。此外，現有的光學氣體傳感器陣列雖然避免了複雜的布線，但對傳感材料的光學特性提出了更高的要求。

2024年5月，Advanced Materials發表了題為“Scalable Optical Nose Realized with a Chemiresistively Modulated Light-Emitter Array”一文，通過創新的材料加工和傳感器設計，試圖克服了這些限製，為人工嗅覺係統的開發開辟了新路徑。

研究設計

研究設計了一種新型的化學電阻光學鼻，該係統由100個化學電阻調製的發光二極管(ChemLEDs)組成。研究團隊利用組合物材料加工和物理氣相沉積技術，製造了大型的化學電阻傳感器陣列。這些傳感器與發光二極管結合，能夠在接觸到分析物時產生獨特的光學讀數。研究中使用了金屬氧化物和有機化合物等多種材料作為傳感元素，並通過模式識別技術對不同氣體及其混合物的濃度和組成進行了定量預測。實驗部分詳細描述了傳感器陣列的製造過程、材料特性分析以及氣體傳感測量設置。

研究結果

獨特的氣體傳感模式

本研究成功開發了一種新型光學鼻技術，通過化學電阻調製的發光二極管陣列(ChemLEDs)，實現了對不同氣體分子的高靈敏度檢測。實驗結果表明，該傳感器陣列能夠對八種單一氣體(包括丙酮、一氧化碳、二氧化氮、乙醇、氨、甲苯、硫化氫和氫氣)產生獨特的光強度響應模式。每種氣體的敏感性圖譜均顯示出特定的變化模式，這些模式對於氣體的識別和分類具有重要意義。

精確的氣體濃度定量預測

研究中，傳感器陣列對不同濃度的單一氣體表現出了良好的濃度依賴性。通過線性回歸分析結合留一交叉驗證(LOOCV)，研究團隊展示了傳感器在預測氣體濃度方麵的高準確性，平均絕對誤差達到0.019。這一結果對醫學檢測領域，尤其是需要精確定量分析的臨床檢測中，具有顯著的應用價值。

複雜氣體混合物的有效辨識

在對由氫氣、丙酮、氨和乙醇組成的複雜氣體混合物的測試中，采用自動編碼器與多層感知器結合的模型(AE-MLP)，傳感器陣列能夠準確預測混合物中各組分的濃度，平均絕對誤差為0.051。這一能力對於環境監測和醫療診斷中的呼吸分析等應用至關重要，能夠為臨床醫生提供更準確的診斷信息。

快速響應與穩定性能

傳感器陣列在接觸到不同氣體混合物後的幾秒內即顯示出顯著的光強度變化，並在不到2分鍾內達到飽和，顯示出了快速的響應時間。此外，經過長時間的連續測量和氣體暴露後，傳感器仍能恢複到原始狀態，證明了其良好的穩定性和可重複使用性，這對於臨床應用中的長期監測尤為重要。

總結討論

本研究成功展示了一種新型的光學人工鼻技術，該技術通過化學電阻調製的發光二極管陣列實現了對氣體的高靈敏度和選擇性檢測。與傳統的電子鼻相比，該技術簡化了係統設計，消除了對每個傳感器單獨布線的需求，並通過並行光學讀出顯著提高了檢測效率。研究還證明了該係統在實際應用中的潛力，尤其是在環境監測、食品質量和醫療診斷等需要高靈敏度氣體檢測的領域。盡管在靈敏度和檢測限方麵還有改進的空間，但本研究為未來人工嗅覺係統的發展提供了重要的理論和實踐基礎。

參考文獻

KWON H, KAMBOJ O, SONG A, et al. Scalable Optical Nose Realized with a Chemiresistively Modulated Light-Emitter Array[J].Adv Mater, 2024, 36(29):e2402287. DOI:10.1002/adma.202402287.

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編輯：且行

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三審：清揚

排版：半夏