你是否想過，未來用手機就能隨時檢測身邊的有害氣體？我國東南大學團隊近日在《Engineering》期刊上公布一項突破：研發出全球最小的“氣敏芯片”——僅1.8厘米×1.2厘米（比一元硬幣還小），能通過藍牙連接手機，精準檢測丙酮等揮發性氣體，為工業安全、家居環境監測提供了“口袋級”解決方案。

傳統氣體檢測的“痛點”：大、笨、難普及

氣體檢測在工業、醫療、環保領域至關重要。比如，丙酮蒸汽濃度超過1.8%就可能爆炸，早期檢測能避免事故；家庭裝修后甲醛超標也需要快速監測。但傳統設備要么是實驗室里的“大塊頭”（依賴昂貴的矢量網絡分析儀），要么是體積大、精度低的便攜設備，難以滿足物聯網時代“小型化、低成本、高靈敏”的需求。

如何讓氣敏芯片“又小又準”？兩個關鍵創新

團隊的秘訣在于兩個核心技術：
一是“仿表面等離子體諧振器（SSPR）”。傳統微波傳感器因波長較長，靈敏度低且體積大。SSPR通過特殊金屬圖案（類似“微縮版光表面等離子體”），將電磁波壓縮到遠小于波長的尺度（直徑僅為波長的1/14.2），就像給傳感器裝了“信號放大器”，讓它對氣體的微小變化更敏感。實驗顯示，它的靈敏度是普通微帶環諧振器的108倍，能精準捕捉氣體引起的介電常數變化。

二是“軟件定義的共振跟蹤方案”。傳統諧振檢測需要掃描整個頻段，耗時且占資源。團隊用手機控制的微控制器（MCU）算法，實現了類似激光穩頻的“鎖頻”技術——通過動態調整電壓控制振蕩器（VCO），實時鎖定諧振頻率的變化。就像給傳感器裝了“智能追蹤器”，不僅將電路體積壓縮到極致（僅硬幣大小），還能自適應不同氣體的諧振特性，數據率高達2272點/秒，比傳統掃描快得多。

實驗驗證：手機測丙酮，精度達“爆炸下限1/58”

團隊用丙酮蒸汽測試了這套系統。實驗中，傳感器通過藍牙連接手機，實時顯示氣體濃度變化：當丙酮濃度從0增加到10000 ppm（約24 mg/m3），手機屏幕上的電壓信號穩定下降；通入空氣后，信號又回升，說明PDMS薄膜（傳感材料）能可逆吸附丙酮。更關鍵的是，檢測限僅425 ppm，不到丙酮爆炸下限（25000 ppm）的1/58，足夠提前預警風險。

未來：從實驗室到“萬物互聯”，氣體監測更“聰明”

目前，這套系統已能通過手機實現“一鍵檢測”：打開APP，選擇“頻率掃描”可查看完整諧振曲線，切換“共振跟蹤”則實時鎖定氣體濃度。團隊表示，未來可通過更換不同傳感材料（如針對甲醛的納米材料），讓它成為“萬能氣敏芯片”，應用于工業管道泄漏監測、智能家居甲醛報警、醫療呼氣檢測等場景。

從“實驗室大設備”到“手機小芯片”，這項技術的突破不僅是尺寸的縮小，更是物聯網時代“智能傳感”的一次跨越——當氣體檢測變得像用手機拍照一樣簡單，我們對身邊環境的掌控也將更精準、更及時。

來源: Engineering