无线、可穿戴的有毒气体探测器;士兵可以佩戴廉价的传感器来检测危险的化学制剂。麻省理工学院的研究人员开发了低成本的化学传感器,由化学改变的碳纳米管制成,使智能手机或其他无线设备能够检测微量的有毒气体。

利用这些传感器,研究人员希望设计出轻巧、廉价的射频识别(RFID)徽章,用于人身安全。战场上的士兵可以佩戴这种徽章,以快速检测化学武器(如神经毒气或窒息剂)的存在,以及在容易泄漏的危险化学品周围工作的人员。

“士兵们拥有所有这些额外的设备,最终重量太大,他们无法维持它,”约翰·麦克阿瑟化学教授蒂莫西·斯瓦格(Timothy Swager)说,他是发表在《美国化学学会杂志》上的一篇描述传感器的论文的主要作者。“我们有一些比信用卡还轻的东西。而且(士兵)已经拥有无线技术,因此可以很容易地将其集成到士兵的制服中,从而为他们提供保护能力。物联网科技新动态:无线、可穿戴的有毒气体探测器

传感器是一个装有碳纳米管的电路,碳纳米管通常具有高导电性,但被包裹在绝缘材料中,使它们保持在高电阻状态。当暴露于某些有毒气体时,绝缘材料会破裂,纳米管的导电性明显增强。这发送的信号可被采用近场通信 (NFC) 技术的智能手机读取,该技术允许设备在短距离内传输数据。

这些传感器足够灵敏,可以在大约五秒内检测到低于百万分之十的目标有毒气体。Swager 说:“我们正在匹配您可以使用台式实验室设备(例如气相色谱仪和光谱仪)的功能,这些设备要昂贵得多,并且需要熟练的操作员才能使用。

此外,每个传感器的制造成本约为一镍;大约400万个可以由大约1克的碳纳米管材料制成。“你真的不能让任何东西更便宜,”Swager说。“这是一种将分布式传感交到许多人手中的方式。

该论文的其他合著者来自Swager的实验室:Shinsuke Ishihara,博士后,也是日本国立材料科学研究所国际材料纳米建筑学中心的成员;以及博士生约瑟夫·阿扎雷利(Joseph Azzarelli)和马克雷特·克里科里安(Markrete Krikorian)。

包裹纳米管

近年来,Swager的实验室开发了其他廉价的无线传感器,称为化学电阻器,可以检测变质的肉类和水果的成熟度等。它们的设计都类似,碳纳米管经过化学修饰,因此当暴露于目标化学物质时,它们携带电流的能力会发生变化。

这一次,研究人员设计了对“亲电”或亲电子化学物质高度敏感的传感器,这些化学物质通常有毒并用于化学武器。

为此,他们创造了一种新型的金属超分子聚合物,一种由与聚合物链结合的金属制成的材料。聚合物起到绝缘作用,包裹在传感器的数以万计的单壁碳纳米管中的每一个,将它们分开并保持它们高度的耐电性。但是亲电物质会触发聚合物分解,使碳纳米管再次聚集在一起,从而导致电导率的增加。

在他们的研究中,研究人员将纳米管/聚合物材料滴铸到金电极上,并将电极暴露于氯磷酸二乙酯中,这是一种神经毒气的皮肤刺激物和反应性模拟物。使用一种测量电流的设备,他们观察到暴露五秒钟后电导率增加了2000%。对于微量的许多其他亲电物质,如氯化亚砜(SOCl2),窒息剂中的反应性模拟物。对常见挥发性有机化合物的电导率显着降低,并且暴露于大多数非目标化学物质实际上增加了电阻率。

Swager 说,创造聚合物是一种微妙的平衡行为,但对设计至关重要。作为聚合物,该材料需要将碳纳米管分开。但是当它分解时,它的单个单体需要更弱的相互作用,让纳米管重新组合。“我们达到了这个最佳点,只有当它们全部连接在一起时,它才会起作用,”Swager 说。无线传感器厂家 - 中国的传感器制造商

电阻是可读的

为了构建他们的无线系统,研究人员创建了一个NFC标签,当其电阻降至某个阈值以下时,该标签就会打开。

智能手机发出短脉冲电磁场,在射频下与NFC标签共振,感应出电流,将信息中继到手机。但是智能手机无法与电阻高于 1 欧姆的标签产生共鸣。

研究人员将他们的纳米管/聚合物材料应用于NFC标签的天线。当暴露于百万分之 10 的 SOCl 时2在五秒钟的时间里,这种材料的电阻下降到智能手机可以ping标签的程度。基本上,它是一个“开/关指示器”,用于确定是否存在有毒气体,Swager说。

据研究人员称,这种无线系统可用于检测Li-SOCl中的泄漏2(锂亚硫酰氯)电池,用于医疗器械、火灾报警器和军事系统。

匹兹堡大学(University of Pittsburgh)化学和生物工程以及临床和转化科学教授亚历山大·斯塔(Alexander Star)表示,研究人员设计的亲电物质无线传感器(或剂量计)可以提高士兵的安全性。

“作者能够合成一种对……一类对传感高度感兴趣的化学物质,“Star说。“这种类型的设备架构对于实际应用非常重要,因为军事和安全人员佩戴的化学武器剂量计需要快速读数。

Swager说,下一步是在实验室外的活化学试剂上测试传感器,这些试剂更分散,更难检测,特别是在痕量水平上。未来,人们还希望开发一款移动应用程序,可以对NFC标签的信号强度进行更复杂的测量:信号的差异将意味着更高或更低的有毒气体浓度。“但是创建新的手机应用程序现在有点超出了我们的范围,”Swager说。“我们是化学家。”

这项工作得到了美国国家科学基金会和日本科学振兴会的支持。