研究簡介

最近，科學家們開了一種化學傳感材料，當暴露于有毒氣體中時，其電導率會動態增加。另外，研究小組將傳感器材料集成進近場通訊 （NFC）標簽的電子電路中，類似嵌入智能卡中。通過此項技術，智能手機在5秒鐘內，就可以快速監測到低濃度有毒氣體（10 ppm）。

有毒氣體監測的必要性和目前瓶頸

當今社會中，有毒氣體有著各種來源，例如自然界中的火山氣體，人為事故造成的有毒氣體泄露等等。為了減少有毒氣體的危害，一般需要通過傳感器設備對其進行監測。目前，監測有毒氣體的傳感器比較昂貴，笨重，龐大，難以操作，也難以在公共區域安裝，且也不便于攜帶。所以。這意味著需要更簡單、快速檢測有毒氣體的傳感器和方法。

監測使用的化學傳感材料

研 究小組所開發的化學傳感器材料，主要是碳納米管（CNTs）。IntelligentThings之前也在文章中，提到過這種材料，例如在“‘水凝膠’觸 摸板誕生：未來應用前景廣闊”一文（點此閱讀）中就提及：“碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學，電學和化學性 能。” 然而，這種材料除了具有CNTs，在CNTs外部還包裹著超分子聚合物，這些單體簇通過弱相互作用結合在一起。

該化學材料監測有毒氣體的原理

當材料暴露于親電子的有毒氣體中，它的電導率會增加至原來的3000倍。CNTs自身就是高導電物質，但是當它們被超分子聚合物包裹時，就像絕緣體，變成不良導體。超分子聚合物的設計，讓位于分子中的弱束縛，在遇到有毒氣體時分離，從而拆分開包裹的分子。所以，原來高導電狀態的CNTs恢復功能。電導率的變化程度，和有毒氣體濃度以及接觸持續時間成正比，并且電導率很容易通過普通商用電阻表進行測量。

傳感器的制作和NFC技術的應用

有毒氣體傳感器，就是通過集成化學傳感材料到商用NFC標簽中而制成，然后在智能手機上讀取測量值。用戶可以通過持有NFC兼容的智能手機，與嵌入傳感器的NFC標簽通信，來判斷是否存在有毒氣體。但是，前提是確保兩個設備之間通信完好。傳感器是一次性的，1克化學感知物質可制成400萬個傳感器。所以，它具有低成本量產的可行性。

未來展望

在未來的研究中，研究人員計劃通過對于超分子聚合物的結構進行修改，從而開發監測各種有毒化學物質的傳感器，且靈敏度更高、更快速、更容易。

他們也開發一種系統，可以選擇和化學傳感器應用兼容的無線通信技術類型（根據通信的距離，功耗等等），并且將化學傳感器和云技術相結合，更好的監測有毒氣體。

研究團隊

這個研究小組由前沿分子組，國際納米結構材料研究所（MANA），日本國立材料研究所 （NIMS）的 Shinsuke Ishihara 高級研究員，和麻省理工學院（MIT）的Timothy M. Swager教授等科學家構成。這項研究由MIT開展，日本社會科學促進會的國外研究博士后項目支持。研究發表在2016年6月23日的美國化學學會雜志上。

研究簡介

最近，科學家們開了一種化學傳感材料，當暴露于有毒氣體中時，其電導率會動態增加。另外，研究小組將傳感器材料集成進近場通訊 （NFC）標簽的電子電路中，類似嵌入智能卡中。通過此項技術，智能手機在5秒鐘內，就可以快速監測到低濃度有毒氣體（10 ppm）。

有毒氣體監測的必要性和目前瓶頸

當今社會中，有毒氣體有著各種來源，例如自然界中的火山氣體，人為事故造成的有毒氣體泄露等等。為了減少有毒氣體的危害，一般需要通過傳感器設備對其進行監測。目前，監測有毒氣體的傳感器比較昂貴，笨重，龐大，難以操作，也難以在公共區域安裝，且也不便于攜帶。所以。這意味著需要更簡單、快速檢測有毒氣體的傳感器和方法。

監測使用的化學傳感材料

研 究小組所開發的化學傳感器材料，主要是碳納米管（CNTs）。IntelligentThings之前也在文章中，提到過這種材料，例如在“‘水凝膠’觸 摸板誕生：未來應用前景廣闊”一文（點此閱讀）中就提及：“碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學，電學和化學性 能。” 然而，這種材料除了具有CNTs，在CNTs外部還包裹著超分子聚合物，這些單體簇通過弱相互作用結合在一起。

該化學材料監測有毒氣體的原理

當材料暴露于親電子的有毒氣體中，它的電導率會增加至原來的3000倍。CNTs自身就是高導電物質，但是當它們被超分子聚合物包裹時，就像絕緣體，變成不良導體。超分子聚合物的設計，讓位于分子中的弱束縛，在遇到有毒氣體時分離，從而拆分開包裹的分子。所以，原來高導電狀態的CNTs恢復功能。電導率的變化程度，和有毒氣體濃度以及接觸持續時間成正比，并且電導率很容易通過普通商用電阻表進行測量。

傳感器的制作和NFC技術的應用

有毒氣體傳感器，就是通過集成化學傳感材料到商用NFC標簽中而制成，然后在智能手機上讀取測量值。用戶可以通過持有NFC兼容的智能手機，與嵌入傳感器的NFC標簽通信，來判斷是否存在有毒氣體。但是，前提是確保兩個設備之間通信完好。傳感器是一次性的，1克化學感知物質可制成400萬個傳感器。所以，它具有低成本量產的可行性。

未來展望

在未來的研究中，研究人員計劃通過對于超分子聚合物的結構進行修改，從而開發監測各種有毒化學物質的傳感器，且靈敏度更高、更快速、更容易。

他們也開發一種系統，可以選擇和化學傳感器應用兼容的無線通信技術類型（根據通信的距離，功耗等等），并且將化學傳感器和云技術相結合，更好的監測有毒氣體。

研究團隊

這個研究小組由前沿分子組，國際納米結構材料研究所（MANA），日本國立材料研究所 （NIMS）的 Shinsuke Ishihara 高級研究員，和麻省理工學院（MIT）的Timothy M. Swager教授等科學家構成。這項研究由MIT開展，日本社會科學促進會的國外研究博士后項目支持。研究發表在2016年6月23日的美國化學學會雜志上。