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封面文章:基于独立式纳米传感器的远程气体监测系统

已有 1527 次阅读 2021-6-18 23:02 |系统分类:论文交流

Remote Tracking Gas Molecular via the Standalone-Like Nanosensor-Based Tele-Monitoring System

Han Jin*, Junkan Yu, Daxiang Cui, Shan Gao, Hao Yang, Xiaowei Zhang, Changzhou Hua, Shengsheng Cui, Cuili Xue, Yuna Zhang, Yuan Zhou, Bin Liu, Wenfeng Shen, Shengwei Deng, Wanlung Kam, Waifung Cheung

Nano-Micro Letters (2021)13: 32 

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00551-w

本文亮点
1构建了一种可用于远程监测空气污染物浓度变化的低功耗独立式传感器;

2. 以金属有机框架为模板合成了空心多面体氧化锌,实现了对大气中二氧化氮的高选择性、高灵敏度检测;

3. 提出了一种荧光增强型Li-Fi光通讯技术,有效增长了系统光通讯距离。

内容简介
远程监测室外空气质量可有效降低大气污染物对市民身体健康的损害。然而高功耗、对特定污染物检测性能不足依然是大气监测设备亟待解决的问题,并限制了大气监测网络的大规模覆盖。因此,本工作着眼于研究新型气体监测系统,为远程、连续监测室外空气质量提供一条思路。上海交通大学崔大祥教授、金涵副教授团队提出了一种低功耗独立式传感器及气体远程监测系统。研究者基于空心多面体氧化锌构建了低功耗微纳传感器,达到了对二氧化氮的精准检测的目标。所构建的微纳传感器通过太阳能电池供电,结合间歇工作模式可在无人未充电的条件下连续工作。在此基础上,研究者进一步提出了荧光增强型Li-Fi光通讯技术,并利用摄像头捕捉传感器发送的光信号,实现了大气中二氧化氮含量的远程、低功耗实施监测。相关成果为今后大规模发展大气环境无线监测网提供了新策略。
图文导读
I 空心多面体氧化锌

利用Zn-MOF为模板,合成了空心多面体氧化锌(图1)。该空心多面体氧化锌(长×宽×高: 0.25 μm×0.25 μm×0.25 μm)有多个粒径为50 nm的氧化锌组成。BET测试显示氧化锌的比表面积为38.6 m2/g,孔径为40 nm。

图1. 多面体氧化锌(a-d)扫描电镜图;(e-h)投射电镜与选区散射图;(i)粉末衍射图谱;(j)比表面积与孔径。

II 传感器结构与驱动电路

图2显示的是基于多面体中空结构氧化锌构建的微纳传感器与驱动电路。传感器运行过程中,传感器信号会立即转化为二进制的光信号,并通过紫外灯发送。之后通过摄像头采集紫外灯发出的光信号,并在后台还原为十进制信号。传感器工作模式为间歇式,并通过太阳能电池供能和锂电池储能,因此该传感器可在不需要人为充电的情况下连续工作。

图2. (a)传感器整体器件。(b)器件驱动电路。(c)光通信算法流程图。

III 荧光增强型Li-Fi通信技术

Li-Fi通信距离显著依赖于光源功率。为增加光通讯的距离,研究者提出了一种基于荧光增强的Li-Fi通信技术(图3)。研究者将钙钛矿量子点旋涂在传感器封装外壳上,利用LED灯中的紫外光激发钙钛矿量子点产生可见光,从而增强了可见光总体光强。与传统Li-Fi通信技术相比,荧光增强型Li-Fi有效演延长了通信距离,为远程监测提供了保障。

图3. (a)传统Li-Fi和荧光增强Li-Fi工作示意图;(b-d)钙钛矿量子点发光性能;(e)传统Li-Fi和荧光增强Li-Fi有效通信距离对比。

IV 大气中二氧化氮远程监测性能

基于所构建的传感器和通信系统,研究者评估了传感器对大气环境中二氧化氮的远程监测性能(图4)。实验结果证实该传感器对二氧化氮有良好的检测限、线性浓度信号关系和选择性。此外,连续测试结果表明该传感系统可在无人为干预的前提下远程、实时、精准监测环境中的二氧化氮。

图4. (a)微纳传感器实物照片;(b-e)传感系统对大气中二氧化氮的动态监测效果;(f)传感系统远程监测效果对比。

作者简介

金涵

本文通讯作者

上海交通大学 副教授

主要研究领域

从事高性能气敏传感器的构建及其在环境监测及人体呼气诊断中的应用研究。包括人体呼吸成分的变化与特定肿瘤疾病的关联探索、人体呼吸成分中肿瘤标记物的高效识别以及面向肿瘤疾病早期诊断的可穿戴传感器研发。

主要研究成果

在ACS Nano、Nano Lett.、Chem Eng. J. 等期刊发表学术论文四十余篇,相关研究成果被英国科技杂志Research Features专题采访,授权专利6项(含2项PCT专利)其中1项已转化,获Chemistry Award of Foreign Researcher(排名第一)与上海市职工技能竞赛三等奖(排名第二)。

Email: jinhan10@sjtu.edu.cn

崔大祥

上海交通大学 讲席教授

主要研究领域

纳米功能材料的制备与表征;基于纳米效应的胃癌预警与早期诊断系统;智能响应的纳米机器与传感器技术;智能响应的的纳米药物递送系统、纳米免疫治疗与干细胞治疗技术。

主要研究成果

在Nature Protocols, Adv Mater., ACS Nano, JACS, Cancer Research, Biosensors & Bioelectronics等国际专业杂志上发表SCI论文380多篇,论文被Science, Nature Nanotechnology, Chem. Review 等杂志引用与评论,他引次数已超过16000多次,H-index为68,在国际学术会议上作邀请报告50多次,获国家科技进步二等奖1项,教育部高等学校优秀成果奖技术发明一等奖1项,上海市技术发明一等奖1项,中国发明协会1等奖2项,华夏医学科技奖二等奖1项,中国电子学会技术发明二等奖1项,军队科技进步二等奖1项,主编专著2部,参与编写出版专著8部, 授权发明专利65项,参与开发的部分产品获医疗器械证。

Email: dxcui@sjtu.edu.cn

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2020 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

E-mail:editor@nmletters.org
Tel:021-34207624



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