可调且高灵敏功能化碳纳米管集成系统用于化学气体传感

用微小导线嗅测危险与疾病

捕捉气体泄漏、受污染街道或医院感染的微弱气味通常需要笨重的仪器或缓慢的实验室检测。本文介绍了一种新型微芯片“电子鼻”，可在室温下检测多种气体的极微量，且采用的技术有望像当今的计算机芯片那样大规模生产。这类设备未来可能帮助医生通过病人的呼气识别感染，或让医院在不打开培养皿的情况下检测有害细菌。

为何更好的气体传感器很重要

空气中化学物质的检测对于监测空气质量、保护工人免受泄漏危害以及发现疾病早期迹象至关重要。现有传感器常在三方面受限：对痕量化学物质灵敏度不足、难以区分相似气体，以及难以低成本大规模制造。该研究团队通过将先进纳米材料与标准芯片制造工艺相结合，旨在同时解决这三类问题。

构建智能传感芯片

新平台的核心是碳纳米管场效应晶体管，一种由卷曲碳片制成的微小线状开关。由于纳米管的每个原子都位于表面，它对邻近分子极为敏感。然而，裸纳米管对多种气体的响应往往相似，限制了其作为精确“嗅觉”设备的实用性。研究人员通过在纳米管上涂覆一种多孔且导电的层——金属有机框架，然后在其上添加不同金属颗粒来解决这一问题。这种两步处理直接在大型工厂制造的芯片上完成，芯片包含2048个单独传感器，排列为32个重复模块，使得该工艺能够像普通电子产品那样实现规模化。

把微弱气味放大为强烈信号

多孔涂层像海绵一样吸附气体分子并将电荷引导到纳米管中，从而大幅放大信号。该团队展示了对于几种常见气体——包括二氧化氮、氨、硫化氢、乙醇、丙酮和氢气——经处理的传感器的响应可比未经处理的传感器高出约百倍。成像和光谱测量揭示了这一过程的机理：当气体分子与多孔层和金属颗粒相互作用时，会改变电荷流入纳米管及管间的方式。这既改变了纳米管与金属导线接触处的势垒高度，也改变了沿管和管间电荷移动的容易程度，从而产生更大且可调的电学响应。

创建数字气味指纹

由于不同金属和涂层配方会改变每个传感器的反应，研究人员能够有意制作出具有不同“个性”的传感器组。有的对酒精蒸气反应强烈，有的对氨反应更多，依此类推。通过在芯片上布置16种金属装饰，每种以多种负载量存在，他们在芯片暴露于不同气体时产生了斑块式的响应模式。随后使用统计工具将每种气体视为独特的“气味指纹”，仅根据传感器数组随时间的响应，就能将六种测试气体清晰分为不同簇。这种基于模式的方法类似于我们自身的嗅觉系统，利用许多广义调谐的传感器，其组合活动编码出特定气味。

嗅出细菌与酵母

为证明芯片可以处理真实的生物学问题，团队测试了三种在琼脂平板上培养的常见微生物释放的气体：一种常见的肠道细菌、一种有害的肺部细菌和一种致病酵母。他们不干扰培养物，仅将传感芯片置于平板上方，让天然蒸气在室温下飘向传感阵列。即便在微生物被稀释的情况下，芯片仍对每个物种产生了不同的电学模式，区分准确率约为95%。值得注意的是，该系统配备了紧凑、便携的读出电路，且无需加热元件或大型气体处理设备，显示出面向实际现场检测设备的潜力。

这对日常生活意味着什么

本质上，这项工作表明可以批量生产一种小型、低功耗的芯片，它能够“嗅测”复杂的化学混合物并高可靠性地区分其来源。通过在碳纳米管电子器件上精心叠加多孔涂层和金属颗粒，研究人员将微弱、非特异的气体信号转化为强烈且独特的模式，计算机可以轻易地进行分类。对非专业读者而言，核心信息很简单：这项技术最终可能把复杂的实验室气体分析器缩小为口袋大小的探测器，帮助监测空气污染、保护工厂安全，并在诊所快速标记感染——所有这些都可通过使现代微电子普及的那类可扩展制造来实现。

引用: Song, J., Kim, DH., Tiepelt, J. et al. Tunable and highly sensitive functionalized carbon-nanotube-based integrated systems for chemical gas sensing. Nat. Sens. 1, 252–260 (2026). https://doi.org/10.1038/s44460-026-00037-z

关键词: 电子鼻, 气体传感, 碳纳米管, 医学诊断, 金属有机框架