麻省理工学院的化学家设计出一种无线检测危险气体和环境污染物的新方法：使用一种简单的传感器，可通过智能手机读取数据。
这些低成本传感器有望得到广泛部署，让人们更容易监测公共场所，或检测仓库中的食物变质情况。研究人员利用这一系统，已展示了检测气态氨、过氧化氢和环己酮等气体的能力。
“这些传感器的妙处在于，它们真的很便宜。你把它们装好，它们就在那里工作；之后你再过来读取数据即可。不需要布线，也不需要电源，”麻省理工学院约翰·D·麦克阿瑟化学教授蒂莫西·斯威格说。“对于这种技术能做什么，你可以有很多颇具想象力的设想。”
斯威格是介绍这款新型传感器的论文的资深作者。该论文于12月8日当周发表于《美国国家科学院院刊》。化学专业研究生约瑟夫·阿扎雷利是论文第一作者；其他作者包括博士后凯瑟琳·米里卡和麻省理工学院前博士后延斯·拉夫斯贝克。
多用途气体检测
几年来，斯威格的实验室一直在开发基于化学电阻器的气体检测传感器。这类器件由简单的电路构成，经过改造后，在接触特定化学物质时电阻会发生变化。测量电阻变化即可判断目标气体是否存在。
与市售化学电阻器不同，斯威格实验室开发的传感器几乎不需要能量，并且可在环境温度下工作。斯威格说：“这使我们能够把传感器放在许多不同的环境中，或装入各种设备。”
这些新型传感器由改装后的近场通信（NFC）标签制成。这类标签所需的少量电力由读取设备提供，可作为可无线读取的条形码，主要用于在供应链环节（如制造工厂或仓库）追踪汽车、药品等产品。
任何具备近场通信功能的智能手机都能读取NFC标签；许多较新的智能手机型号都配有这一功能。这些手机能够以射频（13.56兆赫）发射短促的磁场脉冲，在标签电路中感应出电流，标签随后将信息传送给手机。
为了让这些标签实现研究团队所需的功能，麻省理工学院团队首先在电子电路上打孔，使其断路。随后，他们用一种连接材料重新接通电路；这种材料由经过专门设计、可检测特定气体的碳纳米管制成。在本例中，研究人员用一支机械铅笔将碳纳米管“画”到标签上；这支铅笔 最初于2012年制作，以压缩碳纳米管粉末取代了通常的铅笔芯。团队将改装后的标签称为CARD，即化学致动谐振器件。
当碳纳米管与目标气体结合时，其导电能力会发生变化，从而改变可向器件传输电力的射频频率。智能手机向CARD发送信号时，只有在手机发射的射频频率下能够接收到足够电力，CARD才会作出响应。因此，手机可以据此判断电路是否发生变化，以及目标气体是否存在。
目前版本的CARD每个只能检测一种气体，但手机可以读取多个CARD，从而获取多种不同气体的信息，检测浓度可低至百万分之一。采用现有技术版本时，手机必须距离CARD 5厘米以内才能读取数据；阿扎雷利目前正利用蓝牙技术扩大读取范围。
观看新型传感器的实际演示：它通过无线方式向智能手机传输化学物质数据。
视频：梅兰妮·戈尼克/麻省理工学院
广泛部署
研究人员已为这项传感技术申请专利，目前正在探索其可能的应用。由于这些设备价格低廉，且可通过智能手机读取，它们几乎可以部署在任何地方：在室内检测爆炸物和其他有害气体，或在室外监测环境污染物。
斯威格说，单部手机收集数据后，可以将信息上传至无线网络，并与其他手机的传感器数据合并，从而覆盖非常广阔的区域。
研究人员还在探索将CARD集成到“智能包装”中的可能性，使人们能够检测食品是否可能变质或产品是否受到污染。斯威格的实验室 此前开发过传感器 ，能够检测乙烯——一种可表明水果成熟程度的气体。
“避免食物浪费目前是一个非常热门的话题；不过，这需要廉价、易用且可靠的化学物质传感器，例如检测氨等代谢物，以判断生鲜食品的品质或预制餐食的状况，”奥地利技术研究院常务董事沃尔夫冈·诺尔说。他没有参与这项研究。“本文提出的概念有望为食品质量控制这一长期需求带来解决方案。”
CARD还可集成到剂量计中，通过测量工人接触气体的量，帮助监测制造工厂的工人安全。阿扎雷利说：“由于它成本低、可一次性使用，而且能轻松连接手机，我们认为它可以做成徽章式设备，让人佩戴；早上签到时用手机读取一次，晚上下班时再读取一次。”
这项研究由美国陆军研究实验室和美国陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所资助；还获得了麻省理工学院德什潘德技术创新中心和美国国家癌症研究所的资助。
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。本文发表并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：安妮·特拉夫顿是麻省理工学院新闻的特邀撰稿人。
图片：人们举起多部手机。路透社