新型无线传感器可检测危险化学品或食品残渣

日期:2018-05-16 人气:20

em来自MIT的研究人员开发了一种新型无线传感器,可将有关危险化学品或食品腐败的信息传输至智能手机。 < / EM>

麻省理工学院的化学家们已经设计出了一种使用智能手机可以读取的简单传感器来无线探测有害气体和环境污染物的新方法。

这些便宜的传感器可以被广泛部署,使得更容易监控公共空间或检测仓库中的食物变质。研究人员使用该系统证明,他们可以检测气态氨,过氧化氢和环己酮等气体。

“这些传感器的美妙之处在于它们非常便宜。你把它们放在那里,他们坐在那里,然后你来看看它们。不涉及任何布线。没有力量,“麻省理工学院John D. MacArthur化学教授Timothy Swager说。 “你可以想像得到你想用这样的技术做什么。”

Swager是12月8日那周在美国国家科学院院刊上发表的描述新型传感器的论文的高级作者。化学研究生Joseph Azzarelli是该论文的主要作者;其他作者是博士后凯瑟琳米里卡和前麻省理工学院博士后延斯·拉文斯贝克。

多功能气体检测

多年来,Swager的实验室一直在开发基于称为chemiresistors的设备的气体检测传感器,该设备由简单的电路组成,这些电路经过修改,使其电阻在暴露于特定化学品时发生变化。测量电阻的变化可以揭示目标气体是否存在。

与商用化学电阻不同,Swager实验室开发的传感器几乎不需要能量,并且可以在环境温度下工作。 “这将使我们能够将传感器放置在许多不同的环境中或许多不同的设备中,”Swager说。

新型传感器由改进的近场通信(NFC)标签制成。这些标签从读取设备获得所需的小功率,可用作无线可寻址条形码,主要用于跟踪汽车或制药等产品在供应链中移动时(如制造工厂或仓库)的跟踪。

任何具有近场通信功能的智能手机都可以读取NFC标签,这些智能手机型号中包含NFC标签。这些电话可以发射射频(13.56兆赫兹)的短脉冲磁场,在标签上的电路中产生电流,从而将信息传递给手机。

为了适应这些标签是为了他们自己的目的,麻省理工学院的团队首先打破了电子电路的打孔。然后,他们重新连接了一个由专门用于检测特定气体的碳纳米管制成的连接器。在这种情况下,研究人员通过2012年首次创建的自动铅笔将它们“拉”到标签上添加了碳纳米管,其中通常的铅笔铅被压缩的碳纳米管粉末取代。该团队将修改后的标签称为CARD:化学致动的共振装置。

当碳纳米管结合到目标气体时,它们传导电力的能力发生变化,这会改变电力传输到设备的射频。当智能手机播放CARD时,只有在智能手机传输的无线电频率下可以获得足够的电量时,CARD才会做出响应,从而允许手机确定电路是否已经改变并且气体是否存在。

当前版本的CARD每个都只能检测一种气体类型,但手机可以读取多个CARD以获得许多不同气体的输入,最低可达百万分之几。使用该技术的最新版本,手机必须在CARD的5厘米内才能获得读数,但Azzarelli目前正在使用蓝牙技术来扩展范围。

广泛的部署

研究人员已经申请了关于传感技术的专利,并正在研究可能的应用。由于这些设备如此便宜并且可以通过智能手机读取,因此可以将它们部署到几乎任何地方:在室内检测爆炸物和其他有害气体,或者在室外监控环境污染物。

Swager表示,一旦个人手机收集到数据,信息就可以上传到无线网络,并与来自其他手机的传感器数据相结合,从而覆盖非常大的区域。

研究人员也在追求将CARD集成到“智能包装”中的可能性,这种智能包装将允许人们检测可能的食物变质或产品污染。 Swager的实验室先前开发了可以检测乙烯的传感器,乙烯是一种能够发出水果成熟信号的气体。

“目前避免食物浪费是一个非常热门的话题。然而,它需要便宜,易用和可靠的化学品传感器,例如氨等代谢物,可以显示生食的质量或预制餐的状态,“奥地利的董事总经理沃尔夫冈诺尔说。技术研究所,谁不是研究小组的成员。 “本文提出的概念可以为解决食品质量控制中的长期需求提供解决方案。”

CARDs也可以结合到剂量计中,通过测量工人接触到多少气体来帮助监控制造工厂的工人安全。 “由于它是低成本的,一次性的,并且可以很容易地与电话连接,我们认为它可能是某人可能佩戴的徽章类型,并且他们可以在早上登记时对其进行打平,然后对其进行打平再次当他们在晚上退房时,“阿扎雷利说。

该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; MIT Deshpande技术创新中心;和国家癌症研究所。

出版物:Joseph M. Azzarelli等人,“无线气体检测与智能手机通过射频通信”,PNAS,2014; doi:10.1073 / pnas.1415403111

来源:麻省理工学院新闻Anne Trafton

图片:Melanie Gonick