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近年来，电子鼻在医疗诊断、环境监测、公共安全和农业等领域得到了广泛应用。与传统分析手段相比，它具有检测范围广、检测速度快、体积小、易携带和操作简单等优点。电子鼻优异的气体识别能力主要依赖于传感器采集的高质量特征信号和数据处理算法。高质量信号特征值的获取不仅依赖于性能良好的敏感材料，还与采样系统的结构密切相关。腔室的结构直接影响内部流场的均匀度，因此设计具有高度均匀浓度场的腔室对于电子鼻的发展至关重要。
西安电子科技大学吴巍炜教授团队联合以色列理工学院和之江实验室等单位的研究人员，在应用物理领域著名期刊《Applied PhysicsReviews》(IF=19.5)上发表了一篇题为“Controllingfluidic behaviorforultra-sensitive volatilesensing”的研究论文。该工作从传感器特征值的角度出发，通过设计轴对称气体传感器腔体和气体分流装置，解决了传感器在测试腔体中由于位置不同而引入的伪特征值问题。这对于传感器腔体的结构设计和流体力学行为调控提供了良好的研究范例。西安电子科技大学硕士研究生朱玉瑾和博士研究生刘天晴为论文的共同第一作者，西安电子科技大学吴巍炜教授、西安电子科技大学胡文文博士、以色列理工学院HossamHaick教授和之江实验室王镝研究员为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0141840。
https://doi.org/10.1063/5.0141840
图1(a)展示了腔室分体结构设计图，(b)是腔室内部结构实物及传感器位置图。
本文设计了一种小型化仿生腔室，其结构如图1(a)所示。它主要由上壳体、分流装置和底座组成，能够同时容纳18个传感器。这种腔室的外观形似花洒，模拟了哺乳动物鼻腔嗅觉区的层流环境。其对称的结构设计保证了均匀的流场和浓度场环境。图2展示了基于层流和稀物质物理场耦合的模拟计算结果。气流到达分流装置后，经过底部气孔和侧面凹槽被分散至各个方向。这直观地显示了传感器上方流速和压力分布均匀度明显提升。分流装置在本设计中对气流的均匀性起到了重要作用。多孔型分流装置有效降低了腔室中的再循环区和死体积，提高了传感器阵列周围的浓度场均匀性。在实际湿度传感测试中，如图3所示，传感器阵列上方的浓度分布也呈现均匀分布情况。理论模拟和湿度测试结果表明，该腔室具有均匀的流场和浓度场。
图2展示了有分流装置(上行)与无分流装置(下行)腔室中传感器阵列附近的速度分布(a，d)，归一化速度箭头(b，e)以及压力分布(c，f)。
图3(a)显示了传感器阵列上方的模拟浓度分布(2秒)，而(b)-(f)则展示了传感器阵列上方的实际水蒸气浓度分布。
最后，使用该腔体进行了VOCs动态传感测试。我们采用不同种类的酸掺杂聚苯胺自支撑膜作为敏感材料，检测对2-己酮的响应。结果如图4所示，3号和15号分别是内圈和外圈传感器的位置。在50-250ppm的浓度测试范围内，当有分流装置时(ChamberA)，内圈和外圈传感器的最大响应度及响应/恢复速度均有明显提高。这表明分流装置对腔室内流体行为起到了良好的调节作用。
图4显示了反式丁烯二酸掺杂聚苯胺传感器对2-己酮响应特性的比较。在不同腔室中，3号和15号传感器的响应-恢复曲线图(a和b)以及响应一阶导数变化图(c和d)显示，3号传感器在响应阶段和恢复阶段都表现出最大和最小的一阶导数直方图(e和g)，而15号传感器则相反(f和h)。
总之，该工作成功地实现了腔室内流体行为的有效控制，解决了腔室中传感器位置不同引起的测量误差问题。这为电子鼻腔室的设计提供了有益的参考，并为多物理场耦合模拟设计与实际应用相结合提供了新思路。
“智能传感”前沿交叉研究中心长期致力于人工嗅觉相关研究。在挥发物组学(分析化学与基础医学交叉)、敏感材料设计与制备(材料与化学交叉)、传感腔体设计与制造(力学与仪器科学交叉)、精确中医“闻诊”应用(医学与人工智能)等方面取得了系列研究成果。其中包括：1在AdvancedFunctionalMaterials发表了题为“大规模批量化制备VOCs传感器关键材料技术”(1703147)的研究工作;2在AdvancedHealthcareMaterials发表了题为“水汽干扰屏蔽”(1800232)的研究工作;3在ECS Journalof SolidState ScienceandTechnology发表了题为“二维MXene材料可控、高产率制备技术”(1-13)及其气体传感器应用设计原则(505-517)的研究工作;4在Frontiersof ChemicalScience andEngineering发表了题为“接触带电型VOCs传感器阵列技术”(1720-1731)的研究工作;5在ACSSensors发表了题为“临床尿液的电子鼻气味诊断技术”(1800488)的研究工作;6在Applied PhysicsReviews发表了题为“电子鼻腔体设计和流体力学行为调控原理”(1900066)的研究工作;7在AdvancedSensorResearch发表了题为“呼气监测口罩技术”(1800232)的研究工作;8在Nano-MicroLetters发表了题为“电子鼻气味诊断呼气监测口罩技术”(12)的研究工作;9在NanoResearch发表了题为“电子鼻腔体设计和流体力学行为调控原理”(8185-8213)的研究工作;10在SensorsandActuatorsB:Chemical发表了题为“呼气监测口罩技术”(8185-8213)的研究工作;11在IntelligentComputing发表了题为“电子鼻气味诊断呼气监测口罩技术”(8185-8213)的研究工作;12在Applied PhysicsReviews发表了题为“呼气监测口罩技术”(8185-821
“智能传感”前沿交叉研究中心长期从事人工嗅觉相关研究，在挥发物组学（分析化学与基础医学交叉）、敏感材料设计与制备（材料与化学交叉）、传感腔体设计与制造（力学与仪器科学交叉）、精确中医“闻诊”应用（医学与人工智能）等方面开展了系列的研究工作，先后在以下几方面取得进展：①大规模批量化制备VOCs传感器关键材料技术（Advanced Functional Materials, 2017, 27 (40), 1703147）；②水汽干扰屏蔽（Advanced Healthcare Materials, 2018, 7 (15), 1800232; ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2022, 11 (3), 037001）；③二维MXene材料可控、高产率制备技术（Nano-Micro Letters, 2021, 13, 1-13）及其气体传感器应用设计原则（Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2021, 15, 505-517）;④接触带电型VOCs传感器阵列技术（Advanced Intelligent Systems, 2019, 1 (6), 1900066）;⑤临床尿液的电子鼻气味诊断技术（ACS Sensors, 2022, 7 (6), 1720-1731）；⑥呼气监测口罩技术（Advanced Sensor Research，2023, online）；⑦电子鼻腔体设计和流体力学行为调控原理（Applied Physics Reviews, 2023, online）。此外，团队多次受邀在领域Top期刊撰写电子鼻综述，①Chemical Reviews, 2019, 119 (22), 11761-11817(高被引，IF=72.09)；②Nano-Micro Letters, 2020, 12, 1-43(高被引，IF=23.655)；③Advanced Materials Technologies, 2019, 4 (2), 1800488（杂志年度最佳论文，IF=8.856）；④Nano Research, 2022, 15 (9), 8185-8213（国产卓越期刊，IF=10.269）；⑤Sensors and Actuators B: Chemical, 2022, 353, 131133（IF=9.221）；⑥Intelligent Computing, 2023, 2, 0012（Science Partner Journal）。
感谢论文作者团队对本文的大力支持！
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