呼吸道飞沫检测新突破：高瞬态响应石英晶体微天平湿度传感器

引言

呼吸道疾病一直是全球公共卫生的重大挑战，尤其是新冠疫情以来，人们对呼吸系统疾病的关注度达到了前所未有的高度。呼吸道飞沫作为这些疾病的主要传播媒介，其检测技术的研究显得尤为重要。传统的光学成像方法虽然能够可视化飞沫的传播路径，但设备昂贵且不便携，难以实现实时监测。为此，西南交通大学信息科学与技术学院的研究团队开发了一种基于二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒薄膜掺杂黑磷量子点（BPQDs）的高瞬态响应石英晶体微天平（QCM）湿度传感器。该传感器不仅具有超快响应速度，还能捕捉到距离达2.4米的微小飞沫，远超传统2米社交距离的标准，为实时监测呼吸道飞沫提供了新的解决方案。

正文

一、传感器的设计与制备

该研究团队采用雾化自然沉积法，在石英晶体表面沉积了不同比例的BPQDs/TiO₂复合材料。具体来说，纳米TiO₂溶胶（20 wt%，购自南京先丰纳米材料科技有限公司）被稀释至5 mg/mL，随后加入不同质量比（1:250、1:100、1:50、1:25）的BPQDs溶液（0.1 mg/mL）。经过超声混合后，这些混合液通过雾化器喷洒到QCM表面，形成均匀的薄膜。实验结果表明，BPQDs的引入显著增强了TiO₂的亲水性，使得传感器对水分子的吸附速率大大提高，从而实现了更快的响应速度和更高的灵敏度。

二、传感器性能测试

为了评估传感器的性能，研究人员将其暴露于不同相对湿度（RH）环境中，记录频率变化情况。实验结果显示，当BPQDs与TiO₂的质量比为1:100时，传感器的频率变化量约为纯TiO₂的四倍，响应时间仅为0.2秒，远低于其他同类传感器。此外，该传感器还表现出优异的线性度（R²=0.9825）和稳定性，在长达两小时的测试中最大频率波动仅为0.82 Hz。这表明，该传感器能够在长时间内保持稳定的性能，适用于实际应用中的持续监测。

三、飞沫检测实验

为了验证传感器的实际应用效果，研究人员设计了一系列飞沫检测实验。志愿者模拟咳嗽行为，传感器在不同距离下捕捉飞沫信号。实验发现，随着志愿者逐渐靠近传感器，检测到的飞沫信号强度逐渐增强。最令人惊讶的是，即使在240厘米的距离上，传感器仍能清晰地捕捉到飞沫信号，这远超过了传统静态观察方法所能达到的范围。这一结果表明，实际环境中飞沫的传播距离可能远远超过我们通常认为的2米社交距离标准。

四、机制分析

为了深入理解传感器的工作原理，研究人员通过Langmuir吸附等温模型对水分子在纯TiO₂和BPQDs/TiO₂薄膜上的吸附过程进行了研究。实验结果表明，BPQDs/TiO₂薄膜的吸附平衡常数（Kp）约为63，远高于纯TiO₂的34.27。这意味着BPQDs/TiO₂薄膜具有更强的吸附能力和更快的吸附速率，从而提高了传感器的响应速度和灵敏度。此外，BPQDs边缘暴露的氧原子可以与水分子形成氢键，进一步增加了吸附位点的数量，提升了传感器的整体性能。

结论

本文介绍了一种基于TiO₂纳米颗粒薄膜掺杂BPQDs的高瞬态响应QCM湿度传感器。该传感器具有超快的响应速度（0.2秒）、高灵敏度（-36.9 Hz/%RH）和优异的稳定性，能够在240厘米的距离上有效检测呼吸道飞沫。这一研究成果不仅为呼吸道传染病的预防和控制提供了新的技术手段，也为开发便携式、实时监测的穿戴设备奠定了基础。未来，研究团队将继续优化传感器的设计和性能，探索其在更多应用场景中的潜力，为保障公共健康贡献更多的智慧和力量。

未来展望

随着人们对呼吸道传染病传播机制认识的不断深入，开发高效、便捷的飞沫检测技术已成为公共卫生领域的迫切需求。该研究团队表示，下一步将致力于将这种高瞬态响应QCM湿度传感器集成到可穿戴设备中，实现对个体呼吸状态的实时监测。同时，他们还将探索传感器在医疗环境中的应用，如医院病房、隔离区等，帮助医护人员更及时、准确地掌握患者的健康状况，减少交叉感染的风险。此外，研究团队还计划与其他科研机构合作，共同推动这一技术的产业化进程，让更多人受益于这一创新成果。

Fig. 1. （a）通过喷雾自然沉积法制造传感器的过程。（b）QCM 传感器的照片和结构图。（c）BPQDs/TiO₂ 薄膜的 SEM 表征。（d）BPQDs/TiO₂ 薄膜的 TEM/HRTEM 表征。（e）传感薄膜的 EDS 光谱。（f）薄膜的 EDS 映射图像以及 P、O 和 Ti 元素的分布。（g）纯 TiO₂ 薄膜的水接触角以及（h）BPQDs/TiO₂ 薄膜的水接触角。

Fig. 2. （a）志愿者模拟咳嗽测试的示意图。（b）QCM3 检测到志愿者在 100 厘米处连续咳嗽的信号。（c）空白 QCM、QCM1 和 QCM3 在检测志愿者飞沫传播不同距离的能力的比较。（d）飞沫信号幅度与距离之间的关系。

Fig. 3. （a）纯 TiO₂ 和（b）BPQDs/TiO₂ 在 97%相对湿度环境中的吸附实验结果以及朗缪尔吸附模型的最小二乘法拟合。（c）纯 TiO₂ 和 BPQDs/TiO₂ 薄膜对水分子吸附过程的示意图。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161366