基于压印型比色传感器阵列的光电鼻用于检测真实的化学战剂和有毒工业化学品：一种利用现成试剂、热力学及动力学特征的实际方法

《ACS Sensors》：Embossed Colorimetric Sensor Array-Based Optoelectronic Nose for the Detection of Real Chemical Warfare Agents and Toxic Industrial Chemicals: A Practical Approach Using Off-the-Shelf-Reagents, Thermodynamic, and Kinetic Fingerprints

　　

摘要

在化学紧急情况下，实时监测化学战剂和有毒工业化学品对于有效应对至关重要。理想情况下，此类检测需要部署大量能够提供实时信息的传感器。尽管比色法系统具有制造简单、成本低、灵敏度高以及功耗低等优点，但目前还不存在一种能够检测多种化学战剂和有毒工业化学品的单一平台。为填补这一空白，我们提出了一种光电鼻装置，用于检测各种化学战剂，包括神经毒剂、起泡剂、窒息剂和血液剂，以及有毒工业化学品。该传感器由浸有比色指示剂的介孔二氧化硅微粒组成，使用市售试剂设计并制备。针对神经毒剂，通过系统地改变其成分，制备了1584个传感器单元并进行筛选。该系统的核心是一个压印式比色传感器阵列，通过将优化后的传感器单元集成到自粘纸上，利用市售的384孔板制成。此外，还开发了一种便携式手持读取设备，配备了微型空气泵、500万像素CMOS相机、珀尔帖冷却系统、加热垫以及用于自动数据采集和分析的处理器。利用这一平台，我们为两种不同浓度下的12种化学战剂和有毒工业化学品的气相状态生成了热力学指纹图谱。层次聚类分析表明，在低浓度、高浓度以及混合浓度条件下，所有样本都能被正确分类。此外，还结合动力学指纹图谱来训练支持向量机分类器，构建了更完善的数据库，实现了100%的分类准确率，并能更快发出警报。重要的是，除了硫芥和浓度在0.2–0.5 ppm范围内的神经毒剂外，其他所有分析物在暴露后0.5–3分钟内就能在低于其立即危及生命和健康的浓度下被检测出来。这种具备自动精确分类功能且得益于动力学数据库而响应速度快的手持读取设备，使得我们的方法具有实际应用价值，可在现场使用。我们认为，我们的工作为开发基于压印式化学传感器的光电鼻装置，用于在化学紧急情况下现场监测化学战剂和有毒工业化学品，迈出了重要一步。