《Microchemical Journal》：Machine vision-assisted spectral fingerprinting of VOCs using reconfigurable plasmonic sensor arrays
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•本研究介绍了一种可调节且极为灵敏的等离子体传感器。•在压电基底上制备了金纳米天线阵列，并将其与电压源相连。•研究表明，该传感器对苯、甲苯、甲醛和丙酮等挥发性有机化合物有强烈反应。•通过引入可调纳米技术和人工智能，这项研究打造出了多功能系统。引言机器视觉技术与可重构等离子体传感器
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本研究介绍了一种可调节且极为灵敏的等离子体传感器。
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在压电基底上制备了金纳米天线阵列，并将其与电压源相连。
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研究表明，该传感器对苯、甲苯、甲醛和丙酮等挥发性有机化合物有强烈反应。
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通过引入可调纳米技术和人工智能，这项研究打造出了多功能系统。
引言
机器视觉技术与可重构等离子体传感器阵列的结合，为识别挥发性有机化合物提供了强大手段，满足了环境监测、工业和医学领域的关键需求。传统的气体检测方法往往难以检测弱信号、选择性信号以及气体混合物。研究结果表明，将人工智能与纳米光波导相结合，可通过中红外吸收光谱准确检测挥发性有机化合物混合物[1]；而将等离子体纳米天线与SEIRA技术结合，则提升了它们检测微量挥发性有机化合物的能力[2]。此外，现在还有具备等离子体技术的可编程微系统，通过结合微流控技术与SERS技术，相比传统设备具有更高的准确度和灵敏度[3]。
在数字光谱微芯片上应用神经网络，使得大量光谱数据的快速分析成为可能，进而推动了简单便携型传感器的发展[4]。另外，所谓CRSA的等离子体交叉反应传感器阵列的出现，使得电子鼻和电子舌的研制成为可能，这类装置能够快速准确地检测多种分析物[5]。所有这些进展都表明，基于机器视觉的等离子体传感器阵列有望通过提供可靠、灵活且多用途的系统，改变挥发性有机化合物的分析与检测方式。
将机器视觉技术与可重构等离子体传感器阵列相结合，显著提升了挥发性有机化合物检测的灵敏度、特异性和实时性。随着等离子体超传感器的不断发展，通过增强吸收导致的透明度，现已可实现同时检测多种挥发性有机化合物[6]。研究发现，采用Kretschmann构型的自组装等离子体金纳米薄膜，能大幅提升对挥发性有机化合物的检测灵敏度，尤其是在检测甲醇方面[7]。将机器学习应用于多重纳米等离子体生物传感器，可让抗体在无需标记的情况下被快速检测出来，这一技术有望用于检测生物样本中的挥发性有机化合物[8]。
在引导模式共振传感器阵列中运用Ta?O?:WO?材料，借助光谱探测技术进一步提升了无标记检测挥发性有机化合物的能力[9]。在LSPR传感器中应用金属-有机框架材料后，当暴露于挥发性有机化合物时，其共振波长会显著降低，这体现了该传感器的高灵敏度以及良好的恢复能力[10]。此外，机器学习方法也在不断提升挥发性有机化合物的检测、分类及浓度估算效率，尤其在医学相关领域应用广泛[11]。借助人工智能技术，工程师们能够构建出能够及时监测挥发性有机化合物的医疗系统[12]。而太赫兹可重构超传感器则提升了各种混合化学物质的检测与识别能力，进一步提高了挥发性有机化合物检测的准确度和实用性[13]。
在纳米结构中应用等离子体生物传感器，为医疗监测开辟了新途径，尤其有助于识别不同疾病中的气相生物标志物[14]。研究人员利用机器学习技术和基于石墨烯的可变电容器，证明了可以快速且选择性地检测多种浓度级别的挥发性有机化合物[15]。科学家们还利用D形光子晶体纤维，开发出了可重构的表面等离子体滤波器和传感器，从而实现了高灵敏度且可灵活调整的挥发性有机化合物检测系统[16]。
本研究旨在构建并优化一种基于机器视觉与可重构等离子体传感器的系统，以实现高效、灵敏且快速的挥发性有机化合物检测。研究希望通过采用先进的纳米天线，并借助人工智能算法处理复杂数据，进一步提升挥发性有机化合物检测的准确性和选择性。此外，研究还致力于开发一种灵活且可扩展的传感器平台，能够在工业、环境和医疗等领域同时检测多种挥发性有机化合物。同时，根据不同使用环境调整和优化传感器性能也至关重要。最终目标是打造出实用的挥发性有机化合物检测仪器，服务于环境保护、工作场所安全以及医疗保健领域。
章节摘要
表面等离子体共振与局域表面等离子体共振
表面等离子体共振是指光线照射到金属-介质界面时产生的现象，比如金或银表面与周围介质接触时的情况。在适当的光学激发条件下，入射光的光电场会与金属表面的自由电子集体振荡产生相互作用，从而形成表面等离子体。共振条件对局部环境的细微变化极为敏感
材料与传感器制备
等离子体传感器阵列的制备是决定挥发性有机化合物检测系统灵敏度和精确度的关键环节（见图2）。选择金作为材料，是因为它在特定光谱范围内具有强烈的等离子体共振特性，同时还具备化学稳定性和生物相容性。在透明玻璃表面涂覆金纳米结构，既能避免玻璃干扰光学信号和等离子体共振，也能便于后续的光学处理
传感器性能表征
在制备出基于金的等离子体纳米天线阵列后，人们在严格控制的实验室环境中测试了它们检测挥发性有机化合物的性能。光学传感依赖于LSPR位移值（Δλ）的测量，即由于分子吸附在传感器表面的纳米结构上而导致的共振峰波长变化。这种变化是由于挥发性有机化合物与金表面发生相互作用，使得局部折射率发生变化所引起的。
图6展示了典型的实验结果
讨论
人工合成的金基纳米天线阵列在接触挥发性有机化合物时，其LSPR值会出现明显变化。例如，甲苯的Δλ值为15纳米，这说明甲苯具有较好的极化率，能够与等离子体材料产生有效相互作用。这里的观测结果与[17]的研究结论一致，即挥发性有机化合物与等离子体场的耦合能够提升纳米结构表面传感器的灵敏度。同样，我们的传感器完成检测所需的时间也有所变化
结论
本研究展示了基于金的等离子体器件如何以高灵敏度检测挥发性有机化合物，同时还具备适应不同工作环境的能力以及强大的数据处理功能。该传感器通过对不同挥发性有机化合物的反应，表现出可检测的LSPR位移变化。其最低检测浓度可达6ppb，在低于ppm级别的浓度范围内也表现出良好的线性响应特征。所设计的传感器不仅灵敏度高、响应速度快，而且检测限较低
作者贡献说明
拉文德拉·普拉萨普·辛格：撰写原始稿件、负责可视化工作。N.纳加布沙南：负责数据整理与概念设计。约根德拉·塔库尔：负责资金申请与数据分析。阿比拉莎·贾达夫：负责方法设计与实验研究。C.拉梅什·库马尔：负责软件开发与资源协调。G.维贾亚·拉克希米：负责项目监督与软件相关工作。A.拉贾拉姆：负责资源调配与项目管理工作。
伦理审批与参与同意
在本研究中并未涉及任何人类参与。
人类与动物权利保护
本研究未违反任何人类与动物权利相关规定。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。
拉文德拉·普拉萨普·辛格|N.纳加布沙南|约根德拉·塔库尔|阿比拉莎·贾达夫|C.拉梅什·库马尔|G.维贾亚·拉克希米|A.拉贾拉姆
