新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法使用石墨烯傳感器選擇性地識(shí)別十億分之一的分子

石墨烯的二維性質(zhì)、單分子靈敏度、低噪聲和高載流子濃度使其在氣體傳感器中的應(yīng)用引起了極大的興趣。然而，由于其固有的非選擇性以及大氣中大量的p摻雜，其在氣體傳感中的應(yīng)用通常僅限于受控環(huán)境，例如氮?dú)?、干燥空氣或合成潮濕空氣?/p>

雖然合成空氣中的濕度條件可用于實(shí)現(xiàn)石墨烯通道的受控空穴摻雜，但這并不能充分反映大氣中的情況。此外，大氣中含有多種濃度與分析氣體相似或更高的氣體?；谑┑膫鞲衅鞯倪@些缺點(diǎn)阻礙了大氣中的選擇性氣體檢測(cè)和分子種類識(shí)別，而這是環(huán)境監(jiān)測(cè)和疾病的無創(chuàng)醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用所必需的。

由日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所(JAIST)的ManoharanMuruganathan博士(前高級(jí)講師)和HiroshiMizuta教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)采用了機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)模型，該模型針對(duì)各種氣體吸附引起的摻雜和散射信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練使用單個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)高靈敏度和選擇性氣體傳感。

ML模型的性能通常取決于輸入特征。OsazuwaGabrielAgbonlahor博士(前博士后研究員)說：“傳統(tǒng)的基于石墨烯的ML模型在輸入特征方面受到限制”?，F(xiàn)有的ML模型僅監(jiān)測(cè)氣體吸附引起的石墨烯轉(zhuǎn)移特性或電阻/電導(dǎo)率的變化，而無需通過施加外部電場(chǎng)來調(diào)節(jié)這些特性。

因此，他們錯(cuò)過了氣體分子和石墨烯之間獨(dú)特的范德瓦爾斯(vdW)相互作用，這是單個(gè)氣體分子所獨(dú)有的。因此，與傳統(tǒng)的電子鼻(e-nose)模型不同，我們可以映射外部電場(chǎng)調(diào)制的石墨烯-氣體相互作用，從而能夠?qū)Υ髿獾葟?fù)雜氣體環(huán)境進(jìn)行更有選擇性的特征提取。

我們用于識(shí)別大氣氣體的ML模型是使用多孔活性炭薄膜功能化的石墨烯傳感器開發(fā)的。八個(gè)vdW復(fù)雜特征用于監(jiān)測(cè)外部電場(chǎng)對(duì)石墨烯-氣體分子vdW相互作用的影響，并因此繪制了施加外部電場(chǎng)之前、期間和之后vdW鍵合的演變。

此外，盡管氣體傳感實(shí)驗(yàn)是在不同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的，例如氣室壓力、氣體濃度、環(huán)境溫度、大氣相對(duì)濕度、調(diào)諧時(shí)間和調(diào)諧電壓，但開發(fā)的模型顯示出足夠的魯棒性以適應(yīng)這些變化通過不將模型暴露在這些參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)條件。

此外，為了測(cè)試模型的通用性，他們接受了大氣環(huán)境以及通常用于氣體傳感的相對(duì)惰性環(huán)境(例如氮?dú)夂透稍锟諝?的訓(xùn)練。因此，實(shí)現(xiàn)了一種高性能大氣氣體“電子鼻”，能夠以100%的準(zhǔn)確率區(qū)分四種不同環(huán)境(大氣中的氨氣、大氣中的丙酮、氮?dú)庵械谋透稍锟諝庵械陌睔?。

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