综述：“Smelltronics”—从气体到气味传感

《Advanced Materials》：“Smelltronics”—From Gas to Smell Sensing

　　

本综述讨论了气味和 odor 传感研究的最新趋势，包括材料、器件和接口。自化学传感器发明以来，特别是过去几十年中，针对小分子的气体传感器材料和器件已被广泛研究。最近，在人工智能（AI）和机器学习（ML）快速发展的推动下，气味信息的社会价值在不同研究领域中得到了强烈重申。与传统的气体传感相比，用于提取气味信息的传感材料和器件的要求有着根本性的不同。在健康诊断、食品检测和环境监测领域，表达气味信息的目标分子通常由分子量相对较大的分子组成。由于这些较大分子的结构异构体本质上表现出气味信息的变化，因此对其结构异构体的区分是气味/odor 传感的一个重要问题。研究人员从特性方面讨论了基于不同原理工作的各种传感器，包括电学、重学和光学传感器。此外，研究人员描述了用于气味/odor 传感的传感材料和接口——smelltronics。最后，研究人员讨论了 smelltronics 当前的挑战和前景。

1 引言

信息科学的最新发展正在提升我们周围各种信息感知的价值和意义。在各种化学信息数据中，气味信息因其非侵入性和信息内容的多样性而备受关注，其价值已在多个研究领域得到重申。与通常以波信息形式存在的图像和声音等物理信息数据不同，化学信息数据主要基于具有多个异构体的分子结构的多样性。这种分子结构的变化本质上创造了气味信息的价值和多样性，这在生物系统中可见一斑。尽管针对 H₂、H₂O、CH₄、CO、CO₂、NH₃、NO、NO₂、O₂、H₂S、SO₂ 等较小分子的传统气体传感已经得到充分发展和研究，但由于目标分子由分子量相对较大的分子组成，提取气味信息所需的传感材料和器件的要求与传统气体传感技术有着本质区别。在自然界中，生物嗅觉能有效提取多维信息。人类和动物的嗅觉受体利用范德华力（van der Waals forces）等弱非共价相互作用，选择性识别气味挥发性有机化合物（VOCs）的多种碳骨架，这些化合物通常包含分子量高达约 300 Da 的分子。然而，生物嗅觉的输出高度依赖于生理反应或主观语言，使其本质上难以客观处理、定量表达或数字化以无缝集成到现代信息网络中。因此，对于需要哪种类型的传感材料、器件和传感接口来客观、定量地充分提取气味信息的价值，仍存在争议。本文将最近的气味和 odor 传感研究趋势统称为“smelltronics”，这是一个独特的范式，旨在感知较大的 VOCs 并弥合传统气体传感与生物嗅觉之间的差距。Smelltronics 努力主动利用弱相互作用，以实现生物系统复杂的分子识别能力，同时提供人工器件固有的稳健性、可重复性和数字化能力。传统的电子鼻（e-noses）主要依赖系统级模式识别算法与交叉反应传感器阵列相结合。相比之下，smelltronics 采用面向材料科学的方法，强调传感接口的合理设计，以直接捕获气味信息或在进行算法处理之前增强分子识别。研究人员讨论并比较了基于不同原理的各种传感器，包括电学传感器（化学电阻器、化学电容器、电化学传感器和场效应晶体管（FETs））、重力传感器（石英晶体微天平（QCM）和表面声波（SAW））和光学传感器（比色、荧光和等离子体传感器）在气味检测方面的特点和特性。此外，还比较了各种传感材料和接口，包括金属、金属氧化物、有机分子、聚合物、共价有机框架（COFs）、金属有机框架（MOFs）、二维材料等在气味传感应用中的表现。最后，研究人员讨论了 volatile 化学传感的 smelltronics 当前问题和前景。

2 大挥发性分子在气味信息中的重要性

许多研究提出了各种能够检测 H₂、CO、NO、NO₂、NH₃、H₂S 和 SO₂ 等气体分子的化学传感器，以评估空气质量并识别潜在危险。尽管检测这些小气体物种的技术很重要，但最近的研究强调了传感含有多个碳原子的 VOCs 的重要性。鉴于包括微生物、植物、昆虫和人类在内的生物体会因其代谢过程排放大量 VOCs，这些挥发性分子在监测和影响其生理状态方面具有巨大潜力。因此，对具有相对较多碳原子的 VOCs 进行灵敏、选择性、快速和可靠的检测，有望实现实时和非侵入性评估，如健康诊断、食品检测和环境监测。此类 VOCs 还有助于通过早期检测爆炸物和化学战剂来加强公共安全。此外，个体排放的 VOC 模式的依赖性表明它们在个人认证中的潜在用途。然而，在实际应用中促进 VOCs 的检测必须解决几个挑战。例如，这些挥发性分子在气相中的浓度很低。这些气态分析物的极少量及其由于较大分子量导致的低挥发性阻碍了其灵敏检测。基于其物理化学性质，smelltronics 的传感目标与传统气体传感显著不同。传统气体传感器通常设计用于检测具有高挥发性的小气体，其沸点 ≤ 25°C，蒸气压 ≥ 100 kPa（25°C）。相反，smelltronics 专门设计用于靶向沸点超过 25°C 且蒸气压低于 100 kPa（25°C）的 VOCs。换句话说，它关注在环境压力和温度下处于气-液或固-气平衡状态的化学物种。此外，VOCs 的化学相似性限制了选择性传感；区分具有相同官能团的分子的碳骨架具有挑战性，但对于在真实混合物中精确识别和量化特定 VOCs 至关重要。可以利用传感材料与分析物之间不同强度的相互作用来检测 VOCs。尽管如此，识别碳骨架的差异依赖于弱相互作用，例如范德华力。相比之下，官能团可以与传感材料发生强烈相互作用，从而掩盖弱相互作用和 VOCs 化学结构的细微差异。类似于生物嗅觉受体通过紧密堆积相互作用区分结构相似的气味剂，smelltronics 必须精心设计传感接口以利用这些细微相互作用。在最困难的情况下，需要区分非对映异构体或对映异构体等异构体。因此，能够在十亿分之一（ppb）水平灵敏检测分析物并区分相似结构的 VOC 传感器对于在现实环境中传感 VOCs 和提取有价值信息是必要的。

2.1 健康诊断

人类从呼吸、皮肤、粪便、唾液、尿液和血液等各种生物流体中排放超过 1800 种 VOCs，这些可作为一系列疾病和障碍的丰富、非侵入性生物标志物。各种 VOCs，如碳氢化合物、醇类、醛类、酮类、酸和酯类，已被确定为人体排放物。持续监测这些挥发性特征为早期疾病诊断和个性化医疗提供了一种变革性方法。然而，由于这些生物标志物的痕量浓度（通常在 ppb 或万亿分之一（ppt）范围）、化学相似性以及生物矩阵的巨大复杂性，从这些生物标志物中提取临床可操作的信息存在重大挑战。例如，非极性碳氢化合物如异戊二烯（肌肉代谢的已知标志物）和萜烯如柠檬烯（肝硬化的公认标志物）很难选择性检测。它们通常以低 ppb 水平呼出，并且缺乏高反应性官能团。这种化学惰性使它们容易受到呼吸中固有的高浓度极性分子（如丙酮、氨或饱和水蒸气）的严重干扰。相比之下，含氧 VOCs 如丙酮已被更广泛地监测，主要用于糖尿病诊断，患者浓度通常超过 1.7 ppm，而健康个体低于 0.8 ppm。最近，具有多个碳原子的较大 VOCs 作为疾病的潜在指标越来越受到关注。直链脂肪族醛（例如戊醛到壬醛）源于氧化应激下的脂质过氧化途径，正在成为肺癌和其他氧化应激相关疾病的关键生物标志物。其他羰基化合物，包括较大的酮和羧酸，也与特定癌症和代谢紊乱有内在联系。尽管气相色谱-质谱（GC-MS）已经阐明了上述 VOCs 的存在和浓度变化，但这些生理矩阵的复杂性对旨在选择性检测特定生物标志物的传统气体传感器提出了重大挑战。为了克服这一限制并解决诊断相关 VOCs 之间的结构相似性，研究人员越来越多地采用受生物嗅觉系统启发的交叉反应传感器阵列与先进模式识别技术相结合。这些阵列不是以高特异性靶向单个分子（在复杂气体混合物中通常不可行），而是生成多维响应模式。例如，Nakhleh 等人使用基于功能化金纳米颗粒和碳纳米管（CNTs）的高灵敏度化学电阻阵列成功分类了 17 种不同的疾病，突出了结合机器学习（ML）算法从呼出气体中捕获“疾病指纹”如何克服单个传感器的局限性。

2.2 食品检测

VOC 检测技术对于食品检测不可或缺，因为它们在形成复杂多样的气味和风味特征中发挥作用。此外，由于各种植物、水果和昆虫根据其生理状况动态排放不同的 VOC 特征，这些挥发物能够在整个供应链中对农产品进行连续监测和非破坏性管理。因此，VOC 检测技术已用于评估多种食品的风味、成熟度、发酵、虫害和腐败。食品和饮料的感官品质主要由酯类、醇类、醛类和羧酸类的复杂多组分混合物决定。鉴于即使是细微的结构变化（如碳链长度或官能团位置）也会产生完全不同的感官印象和风味特征，交叉反应传感器阵列对于全面质量评估非常有效。例如，Li 等人采用金属氧化物传感器阵列对中国白酒进行分类，这是一种包含超过 2000 种不同 VOCs 的复杂饮料，完全基于其不同 VOC 类别的多维响应特征。除了细微的风味特征外，特定的 VOCs 作为生物降解和细菌污染的针对性指标。生物源脂肪族胺主要通过在微生物生长过程中氨基酸脱羧产生，是食品腐败的既定且可靠的生物标志物。这些挥发性胺的总和，广泛称为总挥发性盐基氮（TVB-N），是富含蛋白质食品新鲜度的稳健且普遍认可的指标。虽然传统的 TVB-N 分析方法耗时且需要笨重的实验室设备，但现代便携式化学电阻器（例如基于聚（3-己基噻吩）的传感器）可以在几分钟内快速量化 ppb 水平的这些挥发性胺，有效评估肉类和鱼类的新鲜度。同样，萜烯在农业监测中在生物学上至关重要，作为植物-生物交流、环境压力和虫害的主要指标。萜烯表现出多样的结构，有时由于其相对较多的碳原子数而显示手性。人类可以通过嗅觉受体阵列区分某些萜烯对映异构体的气味，这涉及手性和模式识别。然而，通过气体传感器区分萜烯具有挑战性，因为传感器必须基于分析物与传感材料之间的弱范德华力识别分子骨架的细微差异。为了系统解决这一挑战，合理设计的有机受体，如聚合物、MOFs 和肽，已被集成到先进传感平台中。例如，Paolesse 等人合成了基于手性卟啉的分子并用该受体修饰 QCM 传感器。功能化 QCM 传感器对柠檬烯对映异构体表现出选择性，(S)-(-)-柠檬烯引起的响应比 (R)-(+)-柠檬烯高 3.6 倍。

2.3 环境监测

VOCs 是有害空气污染物和毒素，对人类健康和环境构成重大风险。汽车尾气、石油产品蒸发和有机溶剂的使用是 VOC 形成的主要来源。脂肪族和芳香族碳氢化合物是通过各种人为活动排放的重要环境相关 VOCs，包括汽车尾气、燃料燃烧、石油炼制和其他化学过程。然而，检测挥发性碳氢化合物具有挑战性，因为由于其非极性性质，它们与传感材料的相互作用仅限于弱且非特异性的范德华力。芳香族碳氢化合物，特别是苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX），是一类关键的 VOCs，因为它们对环境和人类健康的不利影响。在 BTEX 中，开发苯的灵敏和选择性检测技术最为重要，因为其毒性和检测相关的挑战。苯被归类为所有暴露途径的致癌物，并与白血病和淋巴瘤有关。美国职业安全与健康管理局（OSHA）设定的苯暴露限值为 8 小时工作期百万分之一（ppm），这突出了实现 ppb 级苯检测的必要性。尽管苯具有高毒性，但 BTEX 化合物之间缺乏官能团和结构相似性使得苯的选择性检测复杂化。此外，苯的化学稳定性阻碍了传感材料表面的化学反应，从而限制了苯检测的灵敏度。爆炸性和有毒气体是安全和安保领域的关键化学实体。典型的爆炸性 VOCs 类别包括硝基芳香族化合物，其极低的挥发性对其气态检测提出了挑战。有毒气体通常在其化学结构中包含硫或磷。由于其危险性，通常使用模拟物来评估这些传感器的传感特性。