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王輝, 陳睿鵬, 余志雪, 賀越, 張帆, 熊本海. 基於卟啉和半導體單壁碳納米管的場效應氣體傳感器檢測草莓惡疫霉[J]. 智慧農業(中英文), 2022, 4(3): 143-151.
WANG Hui, CHEN Ruipeng, YU Zhixue, HE Yue, ZHANG Fan, XIONG Benhai. Porphyrin and semiconducting single wall carbon nanotubes based semiconductor field effect gas sensor for determination of phytophthora strawberries[J]. Smart Agriculture, 2022, 4(3): 143-151.
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基於卟啉和半導體單壁碳納米管的場效應氣體傳感器檢測草莓惡疫霉
王輝1， 陳睿鵬1， 余志雪1， 賀越1，2， 張帆1，2， 熊本海1*
（1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所 動物營養國家重點實驗室，北京 100193；2.中國農業大學 動物科技學院，北京 100193）
摘要：草莓惡疫霉會引起草莓革腐病和冠腐病，影響草莓的經濟效益，但感染惡疫霉早期植株沒有明顯的症狀，無法被及時準確地診斷，因此迫切需要低成本診斷方法實現早期預防。草莓植株感染惡疫霉會釋放一種獨特的有機揮發性氣體4-乙基苯酚，可作為該疾病快速診斷的標誌性氣體。本研究使用半導體單壁碳納米管（Single-Wall Carbon Nanotube，SWNT）和場效應傳感器（Field Effect Transistor，FET）製備半導體場效應氣體傳感器（SWNT/FET），進而修飾對4-乙基苯酚靈敏度高、選擇性好的金屬卟啉MnOEP獲得MnOEP-SWNT/FET。通過拉曼光譜、紫外光譜、伏安分析法研究MnOEP-SWNT/FET，分析理化性能及優化檢測條件，提高MnOEP-SWNT/FET對4-乙基苯酚的氣體敏感性能。在最優檢測條件下，MnOEP-SWNT/FET對0.25%~100%的4-乙基苯酚飽和蒸汽（20 ℃），檢出限為0.15%的4-乙基苯酚飽和蒸氣（S/N =3），測定不同濃度的相對標準誤差低於10%。通過測定實際樣本，表明MnOEP-SWNT/FET檢測草莓健康植株會存在假陽性，但對感染惡疫霉的草莓植株有較高的檢測精度。
關鍵詞：草莓；真菌感染檢測；氣體傳感器；納米複合材料；場效應電晶體；4-乙基苯酚；半導體單壁碳納米管；場效應傳感器
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」
圖1 半導體場效應氣體傳感器製備示意圖
Fig.1 Schematic diagram of semiconducting field effect gas sensor
圖2 有機揮發性氣體稀釋裝置
Fig. 2 Organic volatile gas dilution device
圖3 Bare SWNT（黑色）和MnOEP-SWNT（紅色）的光譜特性
Fig.3 Spectral characteristics of Bare SWNT （black） and MnOEP SWNT （red）
圖4 SWNT/FET修飾MnOEP前後電化學性能變化
Fig. 4 Changes of electrochemical properties of MnOEP modified by SWNT/FET
註：VDS=0.1V， VG=0 V
圖5 不同MPs-SWNT/FET檢測4-乙基苯酚飽和蒸氣性能對比
Fig.5 Performance comparison of different MPs SWNT/FET for detecting saturated vapor of 4-Ethylphenol
註：VDS=0.1V， VG=0 V
圖6 MnOEO-SWNT/FET暴露在不同濃度的4-乙基苯酚飽和蒸氣中相對電阻與時間的變化
Fig. 6 Changes of relative resistance and time of MnOEO-SWNT/FET exposed to saturated vapor of 4-Ethylphenol at different concentrations
圖7 SWNT/FET和MnOEP-SWNT/FET的電壓-電阻變化（VG=0 V）
Fig.7 Voltage resistance change of SWNT/FET and MnOEP-SWNT/FET（VG=0 V）
註：4-乙基苯酚飽和蒸氣濃度分別為（0、0.25%、0.5%、1.0%、2.5%、5%、10%、20%、40%、60%、80%和100%
圖8 場效應氣體傳感器對不同濃度4-乙基苯酚飽和蒸氣的響應變化
Fig. 8 Response of field effect gas sensor to saturated vapor of 4-ethylphenol with different concentrations
註：VDS=0.1V， VG=0 V
註：VDS=0.1V， VG=0 V
圖9 不同MnOEO-SWNT/FET檢測4-乙基苯酚飽和蒸氣後相對電阻變化
Fig. 9 Change of relative resistance after detecting saturated vapor of 4-ethylphenol with different MnOEO-SWNT/FET
通信作者簡介
熊本海 研究員
熊本海，博士，中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所二級研究員，博士生導師。主要從事飼料與動物營養、飼料資料庫及畜禽智能裝備與信息技術研究。現任北京畜牧獸醫研究所畜牧信息中心主任，農業農村部「中國飼料資料庫情報網中心」主任，中國畜牧獸醫學會信息技術分會理事長，中國農學會計算機農業應用分會副理事長等，《智慧農業（中英文）》編委。是國務院政府特貼專家，農業農村部有突出貢獻中青年專家。國家「十三五」「十四五」重大專項項目首席專家。發表論文100餘篇，主編著作20餘部，取得計算機軟體著作權登記100多項，獲得授權專利40餘項。
來源：《智慧農業（中英文）》2022年第3期
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