石英晶體微天平（QCM）是一種基于石英晶體諧振原理的高性能傳感器件（如圖1），主要用于測量非常微小質量變化。該傳感器特征量的變化不依賴于敏感材料的電性能差異，而只取決于暴露材料的吸附能力。金屬有機框架（MOF）/共價有機框架（COF）作為一種功能材料，具有獨特的物理和化學性質，能夠大量捕獲和吸附氣體。因此，基于MOF/COF的QCM氣體傳感器在二氧化碳（CO?）氣體傳感中具有廣闊的應用前景。
圖1 石英晶體微天平（QCM）的工作原理和實驗裝置
據麥姆斯咨詢報道，近日，吉林大學的研究團隊總結了CO?氣體傳感器的研究現狀以及當前存在的問題和挑戰。針對氣體傳感器的核心“4S”特性，即靈敏度、選擇性、響應速度和穩定性，提出了不同的改進策略。并為基于MOF/COF的QCM CO?氣體傳感器的未來發展提供一些思路和建議。該綜述以“An Overview: A Design Strategy for Dioxide Carbon QCM Gas Sensor Based on MOFs or COFs”為題發表在Advanced Sensor Research期刊上。
CO?氣體傳感器的研究現狀
CO?氣體化學性質穩定，屬于惰性氣體，這極大地限制了其檢測手段，例如金屬氧化物半導體氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、光致電離氣體傳感器等均不適合檢測CO?。目前用于檢測CO?氣體的傳感器主要有紅外光譜傳感器、固體電解質傳感器以及電化學氣體傳感器。
基于光譜的CO?氣體傳感技術通過從檢測到的光學特征中提取有用信息而備受關注（如圖2a）。固體電解質CO?傳感器是一種化學電池，其中使用離子導體作為電解質（如圖2b）。根據測試信號的類型，電化學CO?傳感器還可分為電位型（如圖2c）、電容型和電流型。這三種傳感器均有其優點和尚未解決的問題。
圖2 光學氣體傳感原理、含氧氣體的固體電解質傳感器的基本工作原理以及電位型氣體傳感器的傳感原理
質量敏感型CO?氣體傳感器的優勢
質量敏感型CO?傳感器是一種其信號與該器件傳感元件表面吸附的分析物CO?氣體的質量成正比的裝置。當蒸汽-氣體混合物接近該表面時，氣體分子便會被吸附。傳感器的分析信號主要由其靜態彎曲或其聲學特性變化所引起。在前一種情況下，該裝置被稱為微懸臂梁傳感器（如圖3b）；后一種情況對應兩種傳感器：QCM傳感器（如圖3c）和聲表面波（SAW）傳感器（如圖3a）。這類傳感器的顯著特點是當敏感材料吸附CO?氣體時，傳感器特征量的變化僅與吸附CO?氣體質量有關，而與敏感材料電性能差異無關。因此，這類傳感器通常可在室溫工作。
圖3 三種質量敏感型CO?傳感器
CO?氣體傳感器的設計方法
與室溫兼容的CO?傳感器在許多應用中發揮著至關重要的作用，例如食品工業的過程控制、室內外空氣質量控制以及生物技術的監控。具體來說，開發低功耗、高靈敏度、高選擇性、高抗干擾的CO?氣體傳感器可分為兩個主要步驟：（1）傳感器件的開發；（2）新型傳感材料的探索和制備。
在上述三種質量敏感型氣體傳感器中，QCM氣體傳感器具有檢測精度高、元件尺寸小、外圍電路設計簡單等優點，是應用最廣泛的氣體傳感器。具有多孔結構和大比表面積的材料（如MOF/COF材料）是QCM傳感層的理想候選材料，因為這類材料無需外部激活（即加熱器或發光二極管）即可高效捕獲CO?。
氣體傳感器的核心“4S”特性（即靈敏度、選擇性、響應/恢復速度和穩定性），在材料的設計和制備中必須綜合考量。研究人員討論了可以有效地提升MOF/COF材料的CO?傳感性能的策略（如圖4）：（1）提高傳感器靈敏度，包括優化金屬位點（開放金屬位點和摻雜外來金屬）和調整有機配體（非配位N原子和胺官能團）。（2）調整合適的孔徑/窗口來捕獲CO?，從而增強傳感器選擇性。（3）通過調整材料的吸附焓來改善響應/恢復時間，同時利用光和磁等輔助方法。（4）提高MOF在潮濕環境中的穩定性，以確保傳感器不受濕度變化而影響性能。
圖4 MOF/COF作為氣體敏感材料的設計策略
綜上所述，QCM具有成本低、尺寸小、易于集成等優勢，是目前應用最廣泛的質量敏感型氣體傳感器。MOF/COF材料憑借其極高的比表面積、較寬的工作溫度范圍（與實際應用相關）以及結構與化學的可調性，在CO?吸附方面展現出巨大潛力。基于MOF/COF的QCM傳感器有望同時滿足大氣環境CO?檢測的需求：低功耗、高靈敏度、高選擇性和高抗干擾性。然而，盡管基于MOF/COF的QCM傳感器在室溫下具有優異的CO?傳感性能，但在實際應用前仍面臨諸多挑戰。MOF/COF材料僅具備高效氣體捕獲能力是不夠的，對于氣體傳感器來說，這僅反映了其吸附能力；氣體傳感器的核心“4S”特性（即靈敏度、選擇性、響應速度和穩定性）必須在材料設計時綜合考量。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adsr.202400170
