新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法使用石墨烯傳感器選擇性地識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，例如氮氣、干燥空氣或合成潮濕空氣。

雖然合成空氣中的濕度條件可用于實現(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。基于石墨烯的傳感器的這些缺點阻礙了大氣中的選擇性氣體檢測和分子種類識別，而這是環(huán)境監(jiān)測和疾病的無創(chuàng)醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用所必需的。

由日本高級科學(xué)技術(shù)研究所(JAIST)的ManoharanMuruganathan博士(前高級講師)和HiroshiMizuta教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊采用了機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)模型，該模型針對各種氣體吸附引起的摻雜和散射信號進(jìn)行訓(xùn)練使用單個設(shè)備實現(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來調(diào)節(jié)這些特性。

因此，他們錯過了氣體分子和石墨烯之間獨特的范德瓦爾斯(vdW)相互作用，這是單個氣體分子所獨有的。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vdW復(fù)雜特征用于監(jiān)測外部電場對石墨烯-氣體分子vdW相互作用的影響，并因此繪制了施加外部電場之前、期間和之后vdW鍵合的演變。

此外，盡管氣體傳感實驗是在不同的實驗條件下進(jìn)行的，例如氣室壓力、氣體濃度、環(huán)境溫度、大氣相對濕度、調(diào)諧時間和調(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)下的實驗條件。

此外，為了測試模型的通用性，他們接受了大氣環(huán)境以及通常用于氣體傳感的相對惰性環(huán)境(例如氮氣和干燥空氣)的訓(xùn)練。因此，實現(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、氮氣中的丙酮和干燥空氣中的氨氣)。

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