氧气是生命所必需的，也是许多化学过程中的反应性因素。因此，精确测量氧气的方法与众多工业和医疗应用息息相关，它们可以分析燃烧过程中产生的废气、实现食品和药品的无氧加工、监测呼吸的空气中的氧气含量或血液中的氧饱和度。

氧气分析在环境监测中也发挥着越来越重要的作用。

苏黎世联邦理工学院功能配位化学教授Máté Bezdek表示：“然而，这种测量通常需要体积庞大、耗电且价格昂贵的设备，几乎不适合移动应用或持续户外使用。”他的团队使用分子设计方法，来寻找新的环境气体传感器。

在氧气方面，Bezdek团队现在已经取得了成功。在发表于《先进科学》杂志的一项研究中，研究人员展示了一种光激活高性能传感器，它可以精确检测复杂气体混合物中的氧气，并且还具有现场使用的相关特性。

全能型产品

Bezdek团队的博士生兼这项研究的第一作者Lionel Wettstein解释说：“传统的测量方法往往会以牺牲其他标准为代价来降低高灵敏度。”

例如，有些传感器对氧气反应非常敏感，但功耗大，而且容易受到湿度等环境因素的干扰；有些传感器对干扰气体有耐受性，但灵敏度较低，而且很快就会被消耗。

“固定设备、复杂样品和高成本也限制了可能的应用，”Wettstein说。

而新传感器则是一款实用的全能型产品：它灵敏度极高，能够从一百万个气体粒子中检测出氧气分子，即使在较高浓度下也能可靠地检测。它还具有选择性，也就是说，它能够耐受水分和其他干扰气体，并且使用寿命长。最后，它体积小巧，价格低廉，易于使用，功耗极低。

这使得微型传感器成为便携式设备和现场移动实时测量的理想选择，例如，分析汽车尾气或早期检测变质食品。该检测器还适用于使用分布式传感器网络对湖泊、河流和土壤进行连续监测。

Wettstein称，“这些生态系统中的氧气含量是生态健康的重要指标”。

利用纳米管传感分子

为了实现所需的特性，Bezdek团队专门用分子元件设计了传感器。它属于化学电阻器类，这些是带有活性传感器材料的微型电路，可直接与要分析的分子相互作用，从而改变其电阻。

Bezdek称，“最大的优点是这种信号可以非常容易地测量”。

研究人员选择二氧化钛和碳纳米管的复合材料作为传感器材料的基础。二氧化钛可以用作化学电阻器，但缺点是它通常只能在极高的温度下工作。

Bezdek称，“为此，我们将碳纳米管融入复合材料中”。

纳米管构成了节能平台，它们确保传感器反应在室温下进行，不需要加热。最后，为了确保传感器材料能够可靠地区分氧气和其他气体，该团队受到了染料敏化太阳能电池的启发，在这种电池中，被称为光敏剂的特殊染料分子收集光能并将其转化为电流。

研究人员将这一功能原理转移到他们的传感器上：在绿光下，光敏剂将电子转移到由二氧化钛和纳米管制成的复合材料上。这激活了这种材料，使其对氧气特别敏感。

Wettstein称，“与其他气体不同，氧气会阻碍激活传感器中的电荷转移，从而改变其电阻”。

从实验室到现场应用

研究人员已经为该传感器提交了专利申请，目前正在寻找工业合作伙伴以进一步开发该技术。专门测量混合气体中氧气的耐用可靠的传感器估计每年的市场规模约为14亿美元。

该团队目前正致力于将其传感器概念扩展到氧气之外，以涵盖在生态学中发挥重要作用的其他环境气体。

Bezdek称，“我们的传感器材料具有模块化结构，想探索如何通过改变其化学成分来检测其他目标分子”。

他的研究小组当前的研究课题之一是检测导致农业过度施肥并污染土壤和水的氮基污染物。Bezdek称“为了减少农业部门的生态足迹，我们需要能够精确施肥的传感器”。