石英晶体微天平（QCM）是一种基于石英晶体谐振原理的高性能传感器件（如图1），主要用于测量非常微小质量变化。该传感器特征量的变化不依赖于敏感材料的电性能差异，而只取决于暴露材料的吸附能力。金属有机框架（MOF）/共价有机框架（COF）作为一种功能材料，具有独特的物理和化学性质，能够大量捕获和吸附气体。因此，基于MOF/COF的QCM气体传感器在二氧化碳（CO₂）气体传感中具有广阔的应用前景。
图1 石英晶体微天平（QCM）的工作原理和实验装置
据麦姆斯咨询报道，近日，吉林大学的研究团队总结了CO₂气体传感器的研究现状以及当前存在的问题和挑战。针对气体传感器的核心“4S”特性，即灵敏度、选择性、响应速度和稳定性，提出了不同的改进策略。并为基于MOF/COF的QCM CO₂气体传感器的未来发展提供一些思路和建议。该综述以“An Overview: A Design Strategy for Dioxide Carbon QCM Gas Sensor Based on MOFs or COFs”为题发表在Advanced Sensor Research期刊上。
CO₂气体传感器的研究现状
CO₂气体化学性质稳定，属于惰性气体，这极大地限制了其检测手段，例如金属氧化物半导体气体传感器、催化燃烧气体传感器、光致电离气体传感器等均不适合检测CO₂。目前用于检测CO₂气体的传感器主要有红外光谱传感器、固体电解质传感器以及电化学气体传感器。
基于光谱的CO₂气体传感技术通过从检测到的光学特征中提取有用信息而备受关注（如图2a）。固体电解质CO₂传感器是一种化学电池，其中使用离子导体作为电解质（如图2b）。根据测试信号的类型，电化学CO₂传感器还可分为电位型（如图2c）、电容型和电流型。这三种传感器均有其优点和尚未解决的问题。
图2 光学气体传感原理、含氧气体的固体电解质传感器的基本工作原理以及电位型气体传感器的传感原理
质量敏感型CO₂气体传感器的优势
质量敏感型CO₂传感器是一种其信号与该器件传感元件表面吸附的分析物CO₂气体的质量成正比的装置。当蒸汽-气体混合物接近该表面时，气体分子便会被吸附。传感器的分析信号主要由其静态弯曲或其声学特性变化所引起。在前一种情况下，该装置被称为微悬臂梁传感器（如图3b）；后一种情况对应两种传感器：QCM传感器（如图3c）和声表面波（SAW）传感器（如图3a）。这类传感器的显著特点是当敏感材料吸附CO₂气体时，传感器特征量的变化仅与吸附CO₂气体质量有关，而与敏感材料电性能差异无关。因此，这类传感器通常可在室温工作。
图3 三种质量敏感型CO₂传感器
CO₂气体传感器的设计方法
与室温兼容的CO₂传感器在许多应用中发挥着至关重要的作用，例如食品工业的过程控制、室内外空气质量控制以及生物技术的监控。具体来说，开发低功耗、高灵敏度、高选择性、高抗干扰的CO₂气体传感器可分为两个主要步骤：（1）传感器件的开发；（2）新型传感材料的探索和制备。
在上述三种质量敏感型气体传感器中，QCM气体传感器具有检测精度高、元件尺寸小、外围电路设计简单等优点，是应用最广泛的气体传感器。具有多孔结构和大比表面积的材料（如MOF/COF材料）是QCM传感层的理想候选材料，因为这类材料无需外部激活（即加热器或发光二极管）即可高效捕获CO₂。
气体传感器的核心“4S”特性（即灵敏度、选择性、响应/恢复速度和稳定性），在材料的设计和制备中必须综合考量。研究人员讨论了可以有效地提升MOF/COF材料的CO₂传感性能的策略（如图4）：（1）提高传感器灵敏度，包括优化金属位点（开放金属位点和掺杂外来金属）和调整有机配体（非配位N原子和胺官能团）。（2）调整合适的孔径/窗口来捕获CO₂，从而增强传感器选择性。（3）通过调整材料的吸附焓来改善响应/恢复时间，同时利用光和磁等辅助方法。（4）提高MOF在潮湿环境中的稳定性，以确保传感器不受湿度变化而影响性能。
图4 MOF/COF作为气体敏感材料的设计策略
综上所述，QCM具有成本低、尺寸小、易于集成等优势，是目前应用最广泛的质量敏感型气体传感器。MOF/COF材料凭借其极高的比表面积、较宽的工作温度范围（与实际应用相关）以及结构与化学的可调性，在CO₂吸附方面展现出巨大潜力。基于MOF/COF的QCM传感器有望同时满足大气环境CO₂检测的需求：低功耗、高灵敏度、高选择性和高抗干扰性。然而，尽管基于MOF/COF的QCM传感器在室温下具有优异的CO₂传感性能，但在实际应用前仍面临诸多挑战。MOF/COF材料仅具备高效气体捕获能力是不够的，对于气体传感器来说，这仅反映了其吸附能力；气体传感器的核心“4S”特性（即灵敏度、选择性、响应速度和稳定性）必须在材料设计时综合考量。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adsr.202400170
