基于一種黑硅的超靈敏探測(cè)器介紹

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)東分院（FEB RAS）、斯威本科技大學(xué)和墨爾本納米加工中心的科學(xué)家們聯(lián)合開發(fā)了一種基于黑硅的超靈敏探測(cè)器。該探測(cè)器能夠檢測(cè)痕量芳香族硝基化合物，并識(shí)別多種爆炸物或劇毒污染物，以進(jìn)行法醫(yī)學(xué)評(píng)估。

（a）制造工藝流程示意圖。（b）功能化b-Si側(cè)面SEM圖像（視角為40°），右側(cè)圖片為未功能化的b-Si，用于對(duì)比。（c）具有三種組分或化學(xué)態(tài)（虛線）的Si 2p的高分辨率XPS光譜（實(shí)線）。（d）cbz-bSi的歸一化零級(jí)吸收（1-R）FTIR光譜，左側(cè)圖片為咔唑分子的結(jié)構(gòu)，彩色區(qū)域突出顯示了多個(gè)已識(shí)別的咔唑振動(dòng)帶

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)（Far Eastern Federal University，F(xiàn)EFU）、俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)東分院（FEB RAS）、斯威本科技大學(xué)和墨爾本納米加工中心的科學(xué)家們聯(lián)合開發(fā)了一種基于黑硅的超靈敏探測(cè)器。該探測(cè)器能夠檢測(cè)痕量芳香族硝基化合物，并識(shí)別多種爆炸物或劇毒污染物，以進(jìn)行法醫(yī)學(xué)評(píng)估。目前相關(guān)文章發(fā)表在期刊ACS Sensors上。

該新型傳感器基于所謂的“黑硅”材料，黑硅是通過對(duì)商用硅襯底進(jìn)行高性能反應(yīng)刻蝕而制成。這種經(jīng)過刻蝕后的硅具有納米結(jié)構(gòu)的尖峰表面，并表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)?？涛g后，其表面覆有咔唑分子的單分子層。該過程稱為化學(xué)功能化，因?yàn)楦街姆肿訒?huì)賦予襯底某些重要功能，即在表面上集合并濃縮芳香族硝基化合物的功能。咔唑單分子層可使傳感器對(duì)諸如硝基苯、鄰硝基甲苯以及2.4-二硝基甲苯等廣泛分布的芳香族硝基分子比較敏感。但不會(huì)對(duì)其它分子（例如苯、甲苯、四氯甲烷、甲醇、乙醇等）有反應(yīng)。

“芳香族硝基化合物主要分布于油漆廠或軍工設(shè)施的廢水中，對(duì)環(huán)境危害極大。此外，它們還是許多炸藥的組成部分。對(duì)于它們的痕量濃度檢測(cè)是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的任務(wù)。我們的傳感器平臺(tái)通過記錄可選擇性地與芳香族硝基分子反應(yīng)的咔唑功能層的發(fā)光光譜變化來識(shí)別芳香族硝基化合物的存在?！盕EFU的VR和AR科學(xué)與技術(shù)中心的研究人員Alexander Kuchmizhak說道。

根據(jù)這位科學(xué)家的說法，納米結(jié)構(gòu)黑硅賦予了這款新型傳感器高靈敏度和前所未有的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。在實(shí)驗(yàn)室中，該傳感器在幾分鐘內(nèi)就能夠提供液體或氣體中是否有有毒分子存在的信息。

“將黑硅獨(dú)特的形態(tài)和光學(xué)特性與易于實(shí)施的表面化學(xué)處理方法相結(jié)合，利用咔唑分子對(duì)硅表面進(jìn)行功能化，可實(shí)現(xiàn)前所未有的靈敏度。我們的傳感器甚至能夠檢測(cè)低至ppt級(jí)（part per trillion，萬億分之一或10-12%）濃度的芳香族硝基化合物。黑硅獨(dú)特的尖峰形態(tài)使得咔唑分子的局部濃度不均勻，從而形成了具有不同靈敏度的表面位點(diǎn)，因此動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍非常寬?！痹搨鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)者，同時(shí)也是FEB RAS化學(xué)研究所的高級(jí)研究員Alexander Mironenko解釋道。

科學(xué)家們表示，與現(xiàn)有的類似產(chǎn)品相比，新型傳感器平臺(tái)的制造成本預(yù)計(jì)將非常低。此外，同一傳感器可多次使用，是保證公共和生態(tài)安全的氣體傳感器系統(tǒng)中不可或缺的一員。

該項(xiàng)工作的研發(fā)團(tuán)隊(duì)包括遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)東分院的化學(xué)研究所和自動(dòng)化與過程控制研究所、斯威本科技大學(xué)和墨爾本納米加工中心。