科研前言
人类生存环境中的气体种类繁多，它们在维持生命、工业生产、环境保护等多个方面发挥着重要作用。氧气等气体是人类生存所必需的，而一些化工原料和燃气等在生产生活中广泛使用，却可能对人类健康和环境造成危害。此外，废气如氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、一氧化碳(CO)和挥发性有机化合物(VOCs)等对环境和人类健康有害无益。气体泄漏在煤矿等领域可能导致严重的生产事故，威胁作业者的生命安全；在反恐和军事领域，剧毒气体的恶意使用也会威胁公共安全。气体检测在资源和能源探测方面同样至关重要，有助于判断矿藏的存在，同时，一些疾病患者的呼气中含有特殊成分，这些呼气标志物的检测可用于无痛诊断。气体检测技术的发展至关重要，主要包括仪器分析技术和传感器技术。仪器分析技术如气相色谱、质谱、光谱、离子迁移谱等，具有高灵敏度、高精度和高选择性的优点，但存在价格昂贵、体积大、维护困难等不足，不适合在线快速检测。与此同时，气体传感器以其小型化、低成本、在线和快速检测的优势，与大型气体分析仪器互补，满足不同场景的需求。
科技前沿
传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，与通信、计算机并列。气体传感器能够将气体体积分数转化为可识别的输出信号，如电信号、光信号、频率信号等。气体传感器种类繁多，包括电化学传感器、固体电解质传感器、光纤传感器、金属氧化物半导体传感器、导电聚合物传感器等。随着智慧城市、环境监测等物联网应用领域的推动，气体传感器迎来了智能化升级、种类拓展以及大规模应用。气体传感器的应用领域广泛，涉及工业生产、环境保护、宇宙开发、海洋探测、资源调查、医学诊断和文物保护等。因此，气体检测技术在保障人类健康、安全以及推动科技进步方面发挥着不可或缺的作用，而气体传感器作为这一领域的核心技术，正不断进步并拓展其应用范围。
1. 面向载人航天器内污染气体监测的传感器
在载人航天技术中，对于舱内的空气质量监控是保证宇航员生命、健康和安全的关键所在。针对载人航天器的高度密闭以及舱室内气体高度混合、成分复杂和局部区域富集等问题，利用气体传感器代替以质谱和光谱技术为主的分析仪器，可以实现多点监控，实时在线监测，并能与空气发生器和净化系统联动，实时监测空气净化效果，为舱室内的空气质量评估提供全面有效的数据。因此，研制全固态高性能的气体传感器对于推进载人航天器内空气质量监测与控制技术的进步，高质量保障乘载人员健康和生命安全具有十分重要的科学意义和应用价值。
面向国家在载人航天领域的重大需求，吉林大学卢革宇教授团队与中国电子科技集团公司第四十九研究所合作，在军委科技委重点项目的资助下，通过氧化物半导体功能改性技术优化传感材料表界面，研制出高性能的C6H6、CO、NH3和NO2微结构传感器（图2所示）。军品标准制定及测试单位，依据GB/T15653-1995《金属氧化物半导体气体传感器测试方法》、GJB 150.16-1986《军用设备环境试验方法》、ZR-TGJT015《天宫空间站产品环境设计及试验规范》等国标和军标对传感器进行了交变湿热试验、高低温试验、振动和冲击试验等可靠性试验，系统测试了传感器检测下限、响应时间、漂移量及寿命等关键技术指标。测试结果表明传感器综合性能指标达到实用化水平，并在中国航天员科研训练中心进行了应用验证。用户评价“在空间站环控生保系统地面试验舱进行了两个月稳定性试验，试用效果良好。该传感器具有灵敏度高、响应时间快等特点，性能和质量良好，基本满足使用要求。该产品可用于密闭环境内微量有害气体的检测”。
2. 面向燃料电池汽车安全监控的气体传感器
随着新能源汽车时代的到来，燃料电池汽车由于具有零污染、零排放、原料可再生以及能量转化效率高等优势，受到了广泛关注。燃料电池汽车除了以甲醇重整制氢方式提供燃料外，甲醇也可以直接作为燃料。甲醇具有很强的毒性，对人体的神经系统和血液系统会造成很大的伤害，甲醇蒸气能严重损害呼吸道黏膜和视力。此外，甲醇具有易燃性，其蒸气与空气在一定范围内可形成爆炸性混合物，因此，面向甲醇燃料电池汽车的安全管理，高性能甲醇传感器必不可少。
吉林大学卢革宇教授团队利用Nafion质子交换膜和PtCu/CF复合敏感电极制作了燃料电池型甲醇传感器。通过优化Pt-Cu原子比进一步提升了传感器的敏感特性，当合金中Pt-Cu原子比为1：1时，制作的传感器具有最好的甲醇气敏性能。传感器在室温条件下对500 ppm甲醇的响应为-36 μA，灵敏度为0.07 μA/ppm，且具有良好的抗CO中毒能力、较高的选择性和抗湿性（图3）。在燃料电池汽车甲醇实时在线检测领域具有良好的应用前景。
3. 面向大气环境监测的气体传感器
随着人类社会信息化程度的提高，特别是第五代移动通信技术（5G）和可穿戴电子技术的快速发展，万物互联的构想正在逐步实现。万物感知是万物互联的前提和基础，作为感知层的重要组成部分，传感器在物联网领域发挥了极其关键的作用。在大气环境监测物联网构建方面，气体传感器是获取大气环境中污染气体信息的关键器件。NO2作为一种有毒有害的大气污染气体，来源于闪电、微生物生命活动等自然因素和化石燃料燃烧，如火力发电站、炼钢厂等工业排放及汽车尾气排放等人为因素。排放到大气中的NO2不仅是造成大气光化学污染的元凶之一，也是硝酸型酸雨的罪魁祸首。此外，人体吸入过多的NO2容易产生中毒现象，轻者会气急、咳嗽、恶心呕吐等，严重者还会出现支气管痉挛、肺炎、甚至死亡。研制面向NO2检测的高性能气体传感器构建大气环境监测物联网，对于大气污染防治、大气环境科学具有重要研究意义。
卢革宇教授团队利用杂原子掺杂的GQDs （N-GQDs和Fe,N-GQDs）对In2O3表面进行修饰，利用脉冲温度调制（PTM）策略，设计和构建了基于Fe、N共掺杂GQDs修饰In2O3的脉冲驱动NO2传感器（图4）。与传统恒温模式（50℃）相比，所研制的传感器在脉冲驱动模式下（高温225℃，低温50℃）对1 ppm NO2响应增强了1.7倍，高达717.5，响应/恢复时间分别缩短了42.5%和60.1%（330 s/208 s）。此外，利用该脉冲驱动传感器测定汽车尾气中NO2浓度，验证了该传感器在实际环境中定量检测NO2的可靠性。在气体污染物的新型传感平台的开发上具有良好的应用前景。
4. 面向疾病呼气诊断的气体传感器
大量的研究表明人体呼出气中的成分和含量与人体的代谢和健康状况密切相关，其中一些气体可以作为某些疾病的呼吸标志物，例如，丙酮的含量可以作为判定糖尿病的依据、NO则能反映罹患哮喘的可能性。因此，利用气体传感器对人体呼气成分进行分析检测已成为疾病无创、无痛、早期诊断的重要方法。
针对哮喘患者呼气中NO的检测，研究团队开发了基于K2Fe4O7固体电解质和金属有机框架（MOF）敏感电极的混成电位型NO传感器。传感器在室温条件下对NO的检测下限低至20ppb，基本可以满足对哮喘患者无创、在宅、连续诊断的需求（图5（a））。此外，开发了基于稳定氧化锆和氧化物敏感电极的混成电位型丙酮传感器，对呼气中丙酮含量进行实时、快速检测，可用于糖尿病的早期筛查和诊断（图5（b）和（c））。
5. 面向复杂环境的可重构芯片式波导微波气体传感器
微波气体传感器由于其无源检测和易于集成的潜力而逐渐受到广泛关注。然而，微波传感器的性能受到敏感材料和微波电路的限制。以平面谐振器为核心的第一代微波传感器受限于其电磁场分布特性，品质因数较低，导致灵敏度有限。与平面谐振器相比，波导谐振腔具有更强的电磁场、更高的品质因数和更大的敏感区域，有利于构建高灵敏度的微波气体传感器。此外，波导腔体可作为气室，在气敏实验中起到了简化系统的作用。
卢革宇教授团队在矩形波导之间设计谐振窗口（图6（a）），优化波导电路的频率选择特性和品质因数的同时，使电磁场分布在谐振窗口处高度集中（图6（b））。利用具有三维互连的大孔、中孔和微孔整体材料In2O3/Al2O3作为敏感材料，实现了对于氨气在10 ppb ~ 10ppm范围内的精确检测，且在浓度低于50 ppb时展现出高灵敏度(116.1 dB ppm-1)。为了证明矩形波导气体传感器的可重构性，研究人员通过更换三种组分的整体材料实现对NH3的连续响应，结果表明其显著的可重构性，即更换对不同目标气体敏感的整体材料可以检测不同气体，且实现了芯片式传感。这种可重构芯片式传感器在实际气体传感应用中具有巨大的潜力，该设计原则可以扩展到其他整体材料用于气体传感。
