市政和工业废水系统是产生硫化氢(H2S)的最常见场所。由于H2S具有剧毒，且易燃易爆。若污水系统作业人员防范措施不当，难以避免发生恶性H2S中毒事件。为了保证现场人员的健康安全，开发智能便携性的H2S检测系统十分重要。然而在现实应用与产业化推广中，实现H2S检测系统的低功耗、高精度、适应性强、简单便携与智能化面临着巨大的挑战。
近日，中国石油大学（华东）张冬至教授团队在传感器领域著名期刊《ACS Sensors》上，发表了最新研究成果“Deep Learning-Assisted Colorimetric/Electrical Dual-Sensing System for Ultrafast Detection of Hydrogen Sulfide”。研究者将醋酸铅/聚乙烯醇（Pb(Ac)2/PVA）纳米纤维薄膜通过静电纺丝法制备在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）柔性基底上，构筑了具有视觉/电阻双响应互补机制、抗光干扰、瞬时检测与实时监测能力的比色/电学传感器(图1a)。与单一响应的比色传感器和电学传感器相比，所制备的比色/电学传感器的双响应机制可最大化H2S检测的适应性、检测精度、抗干扰性。
此外，构建了深度学习辅助的比色/电学双传感系统(CEDS)，包括气室、H2S比色/电学传感器、电阻响应模块、变色监控平台、分析模块以及智能终端(图1b)。CEDS可同时记录传感器的视觉和电响应，并采用改进的曼哈顿分割算法和深度神经网络（DNN）作为其智能算法辅助工具，实现对H2S的定量检测。CEDS可以实现0.1-100 ppm的H2S的宽检测范围，最快在4 s内识别出H2S浓度。该传感器具有良好的稳定性，高选择性和低检测限(LOD)至 0.1 ppm H2S。此外，还验证了CEDS测量地下水道H2S浓度的可行性。该工作为适应性强、应用范围广、低功耗、高精度的H2S气体检测提供了新方法。
图1： 比色/电传感器的制备与CEDS的结构和功能。
图2： Pb(Ac)2/PVA纳米纤维膜的SEM与XPS表征分析。
图2a和2b为Pb(Ac)2/PVA纳米纤维膜的SEM图像。由于醋酸铅的加入增加纺丝液中的离子浓度，从而增加溶液电导率，因此溶液射流在电场中的不稳定性增加，导致亚纳米纤维从主纤维中分离出来，从而在静电纺丝中形成蜘蛛网状结构。较小的纤维尺寸将产生更多的孔隙结构，从而实现更快、更充分的响应，并提高器件的灵敏度。图2c-2f为高浓度PVA与高浓度Pb2+下的二维网络结构。与图2a和图2b的良好纺丝结构相比，高浓度PVA参与的纤维膜的平均孔径更小，有效表面孔隙率和孔隙率降低，气体渗透性变差，响应时间增加。通过XPS表征表明Pb(Ac)2/PVA纳米纤维膜对H2S的有效吸附与结合。
图3：比色/电学传感器的颜色响应特性研究。图4：传感器的电阻响应特性研究。
图3和图4展示了比色/电学传感器的颜色/电阻响应特性测试结果。传感器在浓度增加的H2S气氛中的颜色/电阻响应变化具有良好的区分度，且检测时间小于10s/30s。传感器颜色响应与电阻响应的理论LOD分别为0.043 ppm和0.079 ppm，在0-5 ppm和0.1-0.5 ppm浓度下仍然具有明显的响应，实际区分度可达0.1ppm。该比色/电传感器在复杂气体环境中对H2S气体具有高选择性和稳定性。
图5：CEDS内的“图像处理与预测算法”模块的设计与功能。
图6：CEDS依托智能手机模拟检测地下管道中的H2S结果。
通过CEDS结合自主开发的图像处理与智能算法模块，可实现响应实时传输、智能动态分析以及秒级浓度预测。开发了手机应用App以搭载深度神经网络模型，实现了便携性检测H2S。此外，在模拟检测地下管道中成功验证其可行性。深度学习辅助的比色/电学双传感系统具有优越的传感性能，能实现H2S检测的低功耗，高精度，适应性强，简单便携与智能化，在多领域H2S高性能检测中拥有巨大潜力。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssensors.3c02793
通讯作者：张冬至，中国石油大学（华东）教授，博士生导师，控制科学与工程学院副院长，山东省泰山学者，全球高被引科学家，山东省电工技术学会副理事长，山东省高等学校青年创新团队带头人。主要从事微纳检测与先进传感技术、电子器件与智能感知技术、智能检测技术与微系统、柔性可穿戴电子传感技术等研究。近年来主持国家自然科学基金项目、山东省重点研发计划项目等30余项课题研究，在国际著名期刊上发表SCI收录论文210余篇(SCI一区TOP论文130篇)，先后入选ESI高被引论文34篇，ESI热点论文5篇，正面引用1.3万余次，H指数66，出版教材/学术专著2部，授权国家发明专利/软件著作权40余项，荣获中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖、中国商业联合会科技进步奖一等奖、山东省自然科学奖二等奖、中国电子学会自然科学二等奖等多项科技奖励，荣获中国石油和化学工业联合会青年科学技术突出贡献奖、中国石油和化工自动化行业协会青年科技突出贡献奖、中国高校矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才奖等称号，入选全国石油和化工优秀科技工作者，中国电子学会优秀科技工作者，担任Nano-Micro Letters、Rare Metals期刊青年编委。
