基于石墨烯太赫兹吸收体的增强型人工智能电子鼻，用于检测一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO?）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO?）气体

《Sensors and Actuators A: Physical》：An AI-Enhanced Electronic Nose Based on a Graphene Terahertz Absorber for Detection of CO, CO?, NO, and NO? Gases

　　阿米尔·阿里·穆罕默德·卡尼 | 莫哈默德雷扎·内赫扎蒂 | 阿瓦·萨尔曼普尔 | 西耶德·穆罕默德·拉扎维 | 托克塔姆·阿加伊 电气工程系，伊斯兰阿扎德大学，萨韦赫，伊朗 **摘要** 本研究介绍了一种先进的双层吸收器结构，该结构利用基于石墨烯的图案能够灵敏地检测四种气体：一氧化碳（CO，有毒）、二氧化碳（CO?，温室气体/窒息性气体）、一氧化氮（NO，有毒）和二氧化氮（NO?，有毒）。基于全波电磁模拟（CST Microwave Studio）和对200 ppm浓度下阻抗谱及吸收图的分析，发现每种气体在特定太赫兹（THz）频率处存在明显的阻抗匹配峰值，这些峰值与最大吸收值相对应。吸收曲线显示出每种气体特有的浓度依赖性光谱位移和振幅变化，从而实现了选择性检测。此外，还引入了一种基于多任务深度神经网络的人工智能（AI）框架，用于解码复杂的气体混合物，实现对多种气体同时识别和定量分析。所报告的性能指标（F1 = 0.975，MAE = 8.9 ppm，R2 = 0.986）来自这些电磁模拟生成的合成数据，展示了其理论潜力。该系统有望在计算资源有限的情况下实现实时环境监测，为便携式、低成本和可扩展的传感器技术的发展提供了未来方向。 **引言** 随着对精确和实时危险气体监测需求的增加，人们大力研究能够检测一氧化碳（CO，有害）、二氧化碳（CO?，温室气体）、一氧化氮（NO，有害）和二氧化氮（NO?，有害）等气体的先进传感器技术。其中，CO、NO和NO?在低浓度下（通常< 50 ppm）具有毒性，而CO?在高浓度下（> 5,000 ppm）主要作为温室气体和窒息性气体[1]。这些气体在工业排放和城市环境中普遍存在，即使在微量浓度下也会对健康构成重大风险，因此需要高灵敏度、选择性和快速响应的传感器。传统的传感方法（包括电化学和半导体基探测器）常常面临交叉敏感性、响应时间慢和校准复杂等问题。利用太赫兹（THz）光谱范围的独特特性是一个非常有前景的替代方案，因为它能够探测分子的旋转和振动跃迁，为不同气体物种提供独特的光谱特征[2]。 除了THz超表面技术外，还成功开发了几种替代的光谱技术，可以在单个传感器系统中同时检测三种或更多气体。例如，基于量子级联激光器（QCL）的双光谱技术实现了高灵敏度的多气体分析[3]。自校准的2 f/1 f波长调制光谱技术简化了校准程序，同时保持了多种物种的准确性[4]。石英音叉（QTF）增强激光光谱技术利用机械共振实现了卓越的检测极限[5]。最近，多共振光声光谱技术通过利用不同的声学共振模式实现了多种气体的同时定量分析[6]。这些技术代表了实际气体传感应用中的重大技术突破。然而，它们通常需要复杂的光学对准、笨重的组件或低温冷却。相比之下，本研究探索了一种互补的方案：一种被动式的、芯片级的基于石墨烯的THz吸收器，结合了AI后处理框架。这种方法用计算智能替代了光学复杂性，可能提供更低的成本、更小的尺寸和更大的可扩展性，适用于分布式环境监测网络。 **设计方法** 根据图2所示的等效电路模型（ECM），通过将每一层建模为无限串联的R-L-C分支，将石墨烯图案转换为电路元件。石墨烯圆盘和环的具体实现分别由方程（1）和方程（2）给出，而石墨烯的表面导电率由方程（3）定义[19]。 **仿真结果** 图1展示了左侧的石墨烯吸收器单元格。该结构在CST（版本2020）中模拟了TE偏振的THz辐射。为了模拟超表面吸收，采用了具有Floquet端口边界条件的频域求解器。Floquet端口专门用于平面周期性结构，其中单元格沿x轴和y轴重复，而z轴设置为自由空间。沿z轴应用了PML以消除散射并确保... **结论** 本研究建立了一个智能的多功能传感平台，将可调的石墨烯-等离子体吸收器与先进的人工智能框架无缝结合，用于目标气体的鉴别检测和定量分析。所设计的两层吸收器表现出卓越的性能，通过定制的化学势实现了与目标气体的精确等离子体共振对齐（CO为0.35 eV，CO?为0.65 eV，NO为0.45 eV，CO?为0.90 eV）。 **作者贡献声明** 阿瓦·萨尔曼普尔：方法论、资金获取。 莫哈默德雷扎·内赫扎蒂：可视化、验证、研究。 托克塔姆·阿加伊：写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、监督、项目管理。 西耶德·穆罕默德·拉扎维：数据管理、概念化。 阿米尔·阿里·穆罕默德·卡尼：软件、资源。 **利益冲突声明** 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。 阿米尔·阿里·穆罕默德·卡尼出生于伊朗德黑兰。