安徵农业大学辜丽川、时国龙研究团队开发用于VOCs检测与模式识别

安徵农业大学辜丽川、时国龙研究团队在国际期刊《Sensors and Actuators: B. Chemical》上发表了题为“Cataluminescence Sensor Based on LaCO₃OH Microspheres for Volatile Organic Compounds Detection and Pattern Recognition”的研究成果（Sensors & Actuators: B. Chemical, 2024, 403, 135177）。该团队开发了一种基于LaCO3OH微球的催化发光（CTL）传感器，用于低浓度挥发性有机化合物（VOCs）的快速检测，该传感器具备良好的灵敏度、选择性和稳定性，在环境监测和模式识别中具有广泛应用前景。

一、背景介绍

VOCs广泛存在于日常环境中，尤其是工业废气和室内空气中，对人体健康构成严重威胁。传统的检测方法虽然灵敏，但设备复杂且成本高，难以满足实时监测需求。催化发光技术通过氧化反应产生发光信号，能快速检测气体，具备操作简便、灵敏度高等优点。该研究旨在开发基于LaCO3OH微球的新型催化发光传感器，用于高效检测多种VOCs。

二、主要研究内容

研究团队合成了LaCO3OH微球，材料具有较大的比表面积和多孔结构，能够有效提升气体吸附和催化效率。图1展示了LaCO3OH微球的形貌和结构，透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）图像显示出微球均匀且稳定的结构。此外，X射线衍射（XRD）图谱进一步验证了材料的晶体结构。

图1. (a) LaCO3OH微球的XRD图谱，(b) EDS，(c) SEM和(d) TEM图像.

在催化发光检测中，LaCO₃OH微球能够在100至1900 ppm的浓度范围内对乙醚、丙酮、甲醛等多种VOCs实现快速检测，检测限达到100 ppm研究还通过主成分分析（PCA）和径向基函数神经网络（RBFNN）实现了数据处理，有效提升了该系统对不同气体的识别精度。

图2. PCA区别不同VOCs结果：(a) 阈值滤波前，(b) S变换阈值滤波后（800 ppm, 480 nm, 180 ºC, 280 mL/min，重复10次）。

研究进一步通过探讨了LaCO3OH微球的催化发光机理。LaCO3OH微球中的氧化物催化剂能够在较低温度下活化氧分子，产生活性氧（ROS），这些活性氧与挥发性有机化合物反应，产生强烈的发光信号。研究表明，LaCO3OH的多孔结构不仅提升了气体的吸附效率，还通过调节催化活性位点增强了催化发光信号。该机制为其他催化发光材料的设计提供了新思路。

在催化发光反应过程中，有机物在LaCO3OH微球的表面被氧化，同时产生了激发态的中间体。这些中间体在返回基态时释放能量，以光的形式表现出来，产生催化发光信号。LaCO3OH催化发光传感器对乙醚、丙酮、氯仿、甲醛等挥发性有机化合物的选择性与其独特的催化机理密切相关。每种气体在氧化过程中都会产生特定的发光中间体，从而形成不同的催化发光信号，对于乙醚的检测，反应的主要发光中间体是CH3CHO*，甲醛和丙酮则生成二氧化碳和水，氯仿在氧化过程中产生了氢氯酸和二氧化碳，同时伴随着光的发射

图3. 不同VOCs可能的CTL反应.

三、结论

通过对LaCO3OH微球的创新设计，研究团队成功开发了具备高灵敏度和快速响应能力的催化发光传感器，能够用于多种VOCs的检测。该系统不仅在灵敏度和选择性方面表现出色，还通过PCA和RBFNN模型有效实现了复杂气体的模式识别。该研究为未来环境监测和污染物检测提供了新的技术支持和思路。

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