基于一种黑硅的超灵敏探测器介绍

据麦姆斯咨询报道，近日，远东联邦大学、俄罗斯科学院远东分院（FEB RAS）、斯威本科技大学和墨尔本纳米加工中心的科学家们联合开发了一种基于黑硅的超灵敏探测器。该探测器能够检测痕量芳香族硝基化合物，并识别多种爆炸物或剧毒污染物，以进行法医学评估。

（a）制造工艺流程示意图。（b）功能化b-Si侧面SEM图像（视角为40°），右侧图片为未功能化的b-Si，用于对比。（c）具有三种组分或化学态（虚线）的Si 2p的高分辨率XPS光谱（实线）。（d）cbz-bSi的归一化零级吸收（1-R）FTIR光谱，左侧图片为咔唑分子的结构，彩色区域突出显示了多个已识别的咔唑振动带

据麦姆斯咨询报道，近日，远东联邦大学（Far Eastern Federal University，FEFU）、俄罗斯科学院远东分院（FEB RAS）、斯威本科技大学和墨尔本纳米加工中心的科学家们联合开发了一种基于黑硅的超灵敏探测器。该探测器能够检测痕量芳香族硝基化合物，并识别多种爆炸物或剧毒污染物，以进行法医学评估。目前相关文章发表在期刊ACS Sensors上。

该新型传感器基于所谓的“黑硅”材料，黑硅是通过对商用硅衬底进行高性能反应刻蚀而制成。这种经过刻蚀后的硅具有纳米结构的尖峰表面，并表现出独特的光学性质。刻蚀后，其表面覆有咔唑分子的单分子层。该过程称为化学功能化，因为附着的分子会赋予衬底某些重要功能，即在表面上集合并浓缩芳香族硝基化合物的功能。咔唑单分子层可使传感器对诸如硝基苯、邻硝基甲苯以及2.4-二硝基甲苯等广泛分布的芳香族硝基分子比较敏感。但不会对其它分子（例如苯、甲苯、四氯甲烷、甲醇、乙醇等）有反应。

“芳香族硝基化合物主要分布于油漆厂或军工设施的废水中，对环境危害极大。此外，它们还是许多炸药的组成部分。对于它们的痕量浓度检测是一项重要而复杂的任务。我们的传感器平台通过记录可选择性地与芳香族硝基分子反应的咔唑功能层的发光光谱变化来识别芳香族硝基化合物的存在。”FEFU的VR和AR科学与技术中心的研究人员Alexander Kuchmizhak说道。

根据这位科学家的说法，纳米结构黑硅赋予了这款新型传感器高灵敏度和前所未有的动态测量范围。在实验室中，该传感器在几分钟内就能够提供液体或气体中是否有有毒分子存在的信息。

“将黑硅独特的形态和光学特性与易于实施的表面化学处理方法相结合，利用咔唑分子对硅表面进行功能化，可实现前所未有的灵敏度。我们的传感器甚至能够检测低至ppt级（part per trillion，万亿分之一或10-12%）浓度的芳香族硝基化合物。黑硅独特的尖峰形态使得咔唑分子的局部浓度不均匀，从而形成了具有不同灵敏度的表面位点，因此动态测量范围非常宽。”该传感器的设计者，同时也是FEB RAS化学研究所的高级研究员Alexander Mironenko解释道。

科学家们表示，与现有的类似产品相比，新型传感器平台的制造成本预计将非常低。此外，同一传感器可多次使用，是保证公共和生态安全的气体传感器系统中不可或缺的一员。

该项工作的研发团队包括远东联邦大学、俄罗斯科学院远东分院的化学研究所和自动化与过程控制研究所、斯威本科技大学和墨尔本纳米加工中心。