麻省理工學院在氣體檢測技術方面取得了突破性進展，實現了高靈敏度和連續監測的完美結合。這種材料可以製成薄塗層，用於分析工業或家庭環境中的空氣品質。大多數用於檢測工業或家庭環境中有毒氣體的系統都僅限於單一用途或最小用途。然而，麻省理工學院的研究人員創造了一種探測器，能夠對這些氣體進行持續、低成本的監測。

新系統結合了兩種現有技術，既保留了各自的優點，也避免了它們的限制。研究小組使用了一種被稱為金屬有機框架（MOF）的材料，這種材料對微量氣體非常敏感，但其性能很快就會退化，研究小組將其與一種聚合物材料相結合，這種材料非常耐用，更易於加工，但敏感度要低得多。

麻省理工學院教授Aristide Gumyusenge、Mircea Dinca、Heather Kulik 和Jesus del Alamo、研究生Heejung Roh 以及博士後Dong-Ha Kim、Yeongsu Cho 和Young-Moo Jo 今天在《先進材料》（Advanced Materials）雜誌上發表了一篇論文，報告了這項研究成果。

麻省理工學院的研究人員開發出一種探測器，可以低成本持續監測有毒氣體的存在。研究團隊使用了一種名為金屬有機框架（MOF）的材料（圖中為黑色晶格），這種材料對微量氣體高度敏感，但其性能很快就會退化。他們將MOF 與一種聚合物材料（如圖中的茶色半透明鏈）相結合，這種材料非常耐用，但靈敏度要低得多。圖片來源：研究人員提供

MOFs多孔性強，表面積大，有多種成分。有些可能是絕緣體，但本研究中使用的MOFs 具有很強的導電性。它們的形狀像海綿，能有效捕捉各種氣體分子，其孔隙的大小可以定制，使它們對特定種類的氣體具有選擇性。 “論文的資深作者、材料科學與工程系Merton C. Flemings 職業發展助理教授Gumyusenge 說：”如果把它們用作感測器，只要氣體對MOF 的電阻率有影響，就能識別出氣體是否存在。

這些材料用作氣體檢測器的缺點是容易飽和，無法再檢測和量化新輸入的氣體。 “這不是你想要的。你想要的是能夠檢測和重複使用，”Gumyusenge 說。 “因此，我們決定使用聚合物複合材料來實現這種可逆性。”

研究小組使用了一類導電聚合物，Gumyusenge 和他的同事們之前已經證明，這類聚合物可以對氣體做出反應，而不會與氣體永久結合。 “他說：”這種聚合物雖然沒有MOFs 那樣的高表面積，但至少可以提供這種識別-釋放型現象。

研究人員在一個實驗室規模的小型裝置中展示了這種材料檢測一氧化二氮（一種由多種燃燒產生的有毒氣體）的能力。經過100 次檢測後，這種材料仍能保持其基線性能，誤差在5% 到10% 之間，證明了它具有長期使用的潛力。以下是感測裝置的佈局。圖片來源：研究人員提供

研究小組將液態溶液中的聚合物與粉末狀的MOF 材料結合在一起，然後將混合物沉積在基底上，乾燥後形成一層均勻的薄塗層。他說：”透過將具有快速檢測能力的聚合物和靈敏度更高的MOF 以一比一的比例結合在一起，我們突然得到了一種感測器，它既具有MOF 帶來的高靈敏度，又具有聚合物帶來的可逆性。

當氣體分子暫時滯留在材料中時，材料的電阻會改變。只要安裝歐姆表來追蹤電阻隨時間的變化，就能持續監測這些電阻變化。 Gumyusenge 和他的學生在一個實驗室規模的小型裝置中展示了這種複合材料檢測二氧化氮的能力。經過100 次檢測後，該材料仍能保持其基線性能，誤差在5% 到10% 之間，證明了其長期使用的潛力。

此外，研究小組報告說，這種材料的靈敏度遠高於目前使用的大多數二氧化氮偵測器。這種氣體經常在使用爐灶後被檢測到。而且，由於這種氣體最近與美國的許多氣喘病例有關，因此對低濃度的可靠檢測非常重要。研究團隊證明，這種新型複合材料可以可逆地檢測到濃度低至百萬分之二的氣體。

雖然他們的演示是專門針對二氧化氮的，但Gumyusenge 說：「我們可以調整化學成分，使其針對其他揮發性分子，只要它們是小的極性分析物，這往往是大多數有毒氣體」。

除了與簡單的手持式偵測器或煙霧警報裝置相容之外，這種材料的一個優點是，聚合物使其能夠沉積成極薄的均勻薄膜，而不像普通的MOFs 通常是低效的粉末狀。由於薄膜非常薄，因此所需的材料很少，生產材料成本可能很低；加工方法可以是典型的工業塗料加工方法。 Gumyusenge說：”因此，限制因素可能是聚合物合成規模的擴大，我們一直在少量合成聚合物。”

他說：”下一步將是在實際環境中對這些材料進行評估。例如，可以在煙囪或排氣管上塗上這種材料，透過附帶的電阻監測裝置讀取數據，對氣體進行連續監測。在這種環境下，我們需要進行測試，以檢查我們是否真正將其與實驗室環境中可能忽略的其他潛在污染物區分開來。如何”。

編譯來源：ScitechDaily