爆炸物檢測對于反恐防暴和維護國家安全具有重要意義。爆炸物分為兩大類，即制式和非制式。因二者的飽和蒸氣濃度均較低，難以實現(xiàn)對其氣氛檢測。因此，制備高靈敏度響應(yīng)的氣敏材料對于爆炸物氣氛檢測具有重要意義。近年來，一系列理論及實驗結(jié)果表明，金屬氧化物摻雜能夠提高材料對目標(biāo)分子的響應(yīng)大小，其原因歸結(jié)于表面缺陷的存在。然而，摻雜對氣敏材料響應(yīng)快慢的影響鮮有研究。眾所周知，快速響應(yīng)的傳感器才能實現(xiàn)爆炸物的現(xiàn)場檢測需求。因此，是否可以通過元素摻雜調(diào)控材料結(jié)構(gòu)和表面缺陷，從而實現(xiàn)對爆炸物氣氛的快速超靈敏檢測具有重要研究價值。

　　近期，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室科研人員為了探究氣敏響應(yīng)快慢與材料的結(jié)構(gòu)和表面缺陷的關(guān)系，采用溶膠-凝膠法制備了富含表面缺陷的氧化鋅（ZnO）納米顆粒。通過電子順磁共振表征發(fā)現(xiàn)，納米顆粒的表面缺陷濃度與氣敏響應(yīng)大小存在重要聯(lián)系，證明單電子氧空位對氣敏性能起決定性作用。同時，過渡金屬摻雜使得ZnO納米顆粒中心的外部產(chǎn)生了一個局部電荷聚集層，能夠顯著縮短對爆炸物氣氛的響應(yīng)時間和回復(fù)時間。以該過渡金屬摻雜的ZnO納米顆粒為敏感膜組成的氣體傳感器陣列對室溫下硝基爆炸物飽和蒸氣和兩種非制式爆炸物原料的蒸氣均表現(xiàn)出良好的響應(yīng)與區(qū)分能力，可以在13秒內(nèi)將9.1 ppb的三硝基甲苯（TNT）和4.9 ppt的黑索金（RDX）從高濃度的結(jié)構(gòu)類似物，如12.5%的苯，3.85%的甲苯和394.7 ppm的硝基苯中很好地分辨出來。通過與近年來相關(guān)文獻報道比較發(fā)現(xiàn)，該傳感材料的響應(yīng)速度和大小能與目前世界上最靈敏的爆炸物氣氛傳感材料相媲美。

　　該研究工作首次通過摻雜將材料的結(jié)構(gòu)和響應(yīng)速度聯(lián)系起來，為傳感器的實用化提供有力的保障。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Small上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院“百人計劃”、新疆維吾爾自治區(qū)杰青等項目的資助。

過渡金屬摻雜ZnO納米顆粒對爆炸物氣氛的快速響應(yīng)機理圖