1 前言与背景
气体传感技术在安全防护、生态保护以及生命科学等领域扮演着重要角色。近年来，神经形态嗅觉系统因其潜在的应用价值，如电子鼻、机器人及神经形态数据处理系统等，受到了广泛关注与研究。然而，传统的气体传感器通常只具有检测有害气体水平的能力，但缺乏记忆和气体累积识别等突触功能。针对这一局限，本文设计并报道了一种无缝架构的神经形态嗅觉系统，该系统能够在连续气体暴露下检测并记忆二氧化氮（NO2）的当前浓度和累积浓度，并伴随连续气体暴露（分别为20 ppm和40 ppm ）能够在在147秒和85秒后触发自动报警装置。该系统利用碳纳米管吸附NO2气体分子以实现记忆与气体累积等突触功能，展现了与神经形态兴奋性应用的兼容性。并通过可编程紫外光（UV）照射使得气体脱附，从而实现了神经形态抑制性能，展示了该系统的稳态恢复功能。总之，该方法提供了一种具备复杂生物突触功能的人工嗅觉系统（图1）。
图1. 人类生物学嗅觉系统和神经形态学嗅觉系统的比较概述
2 工作原理
该系统主要是由信号转换器以及信号指示器组成（图2）。信号转换器主要是由单壁碳纳米管（CNT）神经晶体管和CNT负载晶体管组成。在CNT神经晶体管中，CNT通道直接暴露于环境气氛中以进行反应，而CNT负载晶体管的表面则使用SU-8光刻胶进行钝化，以阻止与环境气体分子的相互作用。CNT神经晶体管和负载晶体管连接形成信号转换器，并连接到气体指示器的输入端。受到生物嗅觉系统呼吸冲模式的启发，将气体刺激以脉冲形式提供给CNT神经晶体管。随着对气体的重复刺激，CNT神经晶体管的输出电流水平可以实现逐渐提高并保持稳定。同时，在神经形态嗅觉系统中，稳态是通过周期性光学稳态信号（OHS）实现的，该信号通过UV照射CNT神经晶体管，吸附的NO2分子通过吸收光子的能量实现脱附。在反复或过度暴露于有毒气体环境的情况下，由于气体刺激导致的CNT神经晶体管增强的兴奋性传导大于光学稳态信号导致的抑制性传导，CNT神经晶体管可以自动通过信号转换器向气体指示器发送动作电位，当超过阈值水平的动作电位被提供给气体指示器时，则信号指示器以可见光的形式向外报警。当消除或显著减少有毒气体的暴露时，这种警报信号可以因稳态信号而自动停止（图2）。
图2. (a）类脑嗅觉系统的电路布局；(b）整个类脑嗅觉系统的图像，以及用于信号传输的电路的光学显微镜图像；(c）类脑嗅觉检测系统的输入（气体刺激，光学稳态信号）和输出示意图。
3 实验及结果
如图3-a所示，CNT半导体层由均匀的二维CNT网络构成，具有较大的比表面积，可以有效实现对NO2的气体吸附。如图3-b所示，气体的暴露导致CNT神经晶体管输出电流增大，并且在气体暴露停止后，增大后的电流水平依旧可以保持不变，这表明该系统对先前流入的气体具有记忆行为。这主要是因为CNT是P型半导体，当暴露于NO2气氛时导致空穴累积层厚度增加，从而使得CNT电阻降低，电流增大。而记忆特性归因于极性NO2分子在CNT表面的化学吸附，导致CNT表面能带结构中的能带弯曲，以及在没有外部能量供应的情况下，气体分子不易脱附，如图3-d所示。此外，当继续暴露于NO2气体后，CNT表面更多的电子被捕获，形成更宽的空穴积累区域，并进一步导致带弯曲，从而增强CNT层的导电性。因此，随着重复气体暴露，神经晶体管的输出电流逐渐增加，并表现出记忆特性。
如图3-c所示，当以脉冲形式周期性地提供光学自稳信号时，神经晶体管的输出电流会逐步下降，这表明通过施加光学信号可以有效地减少由于NO2分子吸附产生的输出电流。光学稳态信号的这种抑制行为归因于NO2分子从CNT表面的部分脱附。正如之前提到的，吸附在CNT表面的NO2分子几乎不能在在没有外部能量供应的情况下脱附。因此在多次气体暴露后，通过照射紫外光（波长为365 nm）传递光子能量到CNT表面，吸附在CNT表面的NO2吸收光子能量并释放电子，导致空穴累积层厚度减小，从而使电阻升高输出电流减小实现神经形态气体传感器的恢复，如图3-d所示。其原理可以用下述方程描述：
图3.（a）用于神经晶体管的CNT的AFM图像；（b）20 ppm NO2气体（c）365 nm波长OHS（光学稳态信号）照明的4个脉冲的动态响应，间隔为10 s，读取电压为-10V。
如图4-a、b所示，信号预警取决于气体刺激的暴露历史的信号累积，例如暴露浓度、暴露次数和暴露持续时间，从而通过指示器预警有毒气体。同时，通过光学稳态信号实现对指示器预警的解除。
在图4 c-e中，在气体积聚的情况下，开启报警系统的气体指示器所需的阈值电流水平在每次测量中由虚线表示。受到人体呼吸之间间隔的启发，暴露于神经晶体管的气体刺激以脉冲的形式呈现。如图4-c所示，在8至40 ppm的不同气体浓度下（10个脉冲，脉冲宽度为10 s），经脉冲暴露处理后，电流变化与气体浓度呈现正相关。当NO2气体浓度为20 ppm和40 ppm时，他们分别在147s以及85s超过气体指示器激活的阈值水平。然而，在其他情况下，10个气体暴露脉冲不足以达到激活指示器的阈值水平。因此，该神经形态嗅觉系统在较高浓度下比在较低浓度下响应更迅速。如图4-d所示，当气体输入超过10个脉冲时，暴露后电流均可超过阈值水平。同样地，如图4-e所示，在较长的气体脉冲宽度（40 ppm，10个脉冲）下亦可观察到较高的响应。综合来看，暴露浓度、暴露次数和暴露时间不会相互干扰，从而可以防止在NO2浓度不足时意外激活气体指示器。正如上文所讲，通过光学稳态信号，吸附的NO2分子从CNT表面解吸，从而可以实现报警解除。图4 f-h展现了CNT神经晶体管在光学稳态信号输入下的抑制特性。如图4-f所示，当施加365 nm UV光时，输出电流从0.41 mA逐渐减小到0.18 mA，而当使用385和405 nm紫外光时，电流仅分别减小到0.28和0.37 mA。这表明，365 nm紫外光诱导的脱吸附速率高于385和405 nm紫外光，这归因于该波长的紫外光具有更高的能量。因此，用于气体解吸的光学稳态信号的波长固定为365 nm。图4- g、h分别显示了脉冲数（5-20个循环）以及脉冲宽度（5-20 s）的抑制行为，表明在较大的脉冲数和较长的脉冲宽度下均可观察到较大的电流降，这证明了该人工神经嗅觉系统与生物嗅觉系统的相似性。
图4.（a）通过连续气体积累的风险意识和（b）通过周期性OHS（光学稳态信号）的稳态的过程；（c-e）神经晶体管a的动态气体感测结果；（f-h）预吸附的CNT神经晶体管的动态气体解吸结果。
4 结论
综上所述，作者开发了一种人工神经形态嗅觉系统，该系统能够感知和处理NO2的连续积累，并在达到阈值危险水平时实现自主报警。该系统的CNT神经晶体管通过载流子捕获检测NO2气体分子，并在没有外部元件的情况下表现出长期保留特性，从而具有神经形态应用的相似性。此外作者还提出了一种应用于气体脱附的光学稳态信号，来实现该系统的自主稳态与恢复功能。总之，该人工神经形态嗅觉系统可以实现有效的自主神经形态性能和对气体积聚的准确监测。这些结果为开发一种简单人工嗅觉系统提供了有前景的策略，展示了复杂生物突触功能的无缝简化系统架构。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202400614
编 辑：王静文
