基于一種黑硅的超靈敏探測器介紹

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，遠東聯(lián)邦大學、俄羅斯科學院遠東分院（FEB RAS）、斯威本科技大學和墨爾本納米加工中心的科學家們聯(lián)合開發(fā)了一種基于黑硅的超靈敏探測器。該探測器能夠檢測痕量芳香族硝基化合物，并識別多種爆炸物或劇毒污染物，以進行法醫(yī)學評估。

（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，用于對比。（c）具有三種組分或化學態(tài)（虛線）的Si 2p的高分辨率XPS光譜（實線）。（d）cbz-bSi的歸一化零級吸收（1-R）FTIR光譜，左側(cè)圖片為咔唑分子的結(jié)構(gòu)，彩色區(qū)域突出顯示了多個已識別的咔唑振動帶

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

該新型傳感器基于所謂的“黑硅”材料，黑硅是通過對商用硅襯底進行高性能反應刻蝕而制成。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)出獨特的光學性質(zhì)?？涛g后，其表面覆有咔唑分子的單分子層。該過程稱為化學功能化，因為附著的分子會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。但不會對其它分子（例如苯、甲苯、四氯甲烷、甲醇、乙醇等）有反應。

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

根據(jù)這位科學家的說法，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態(tài)測量范圍。在實驗室中，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。

“將黑硅獨特的形態(tài)和光學特性與易于實施的表面化學處理方法相結(jié)合，利用咔唑分子對硅表面進行功能化，可實現(xiàn)前所未有的靈敏度。我們的傳感器甚至能夠檢測低至ppt級（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，因此動態(tài)測量范圍非常寬?！痹搨鞲衅鞯脑O計者，同時也是FEB RAS化學研究所的高級研究員Alexander Mironenko解釋道。

科學家們表示，與現(xiàn)有的類似產(chǎn)品相比，新型傳感器平臺的制造成本預計將非常低。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。

該項工作的研發(fā)團隊包括遠東聯(lián)邦大學、俄羅斯科學院遠東分院的化學研究所和自動化與過程控制研究所、斯威本科技大學和墨爾本納米加工中心。