由賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系 Dorothy Quiggle 職業(yè)發(fā)展教授 Huanyu “Larry” Cheng 領(lǐng)導的賓夕法尼亞州立大學研究團隊正在探索各種納米材料、傳感器設(shè)計和制造方法，這將有助于推動可拉伸、可穿戴氣體傳感器。圖片來源：環(huán)宇程

賓夕法尼亞州立大學的研究人員表示，對納米材料、傳感器設(shè)計和制造方法的新理解有助于推進可拉伸、可穿戴的氣體傳感器，這些傳感器可以監(jiān)測人體中的氣體生物標志物和暴露環(huán)境中的有毒氣體。

由賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系 Dorothy Quiggle 職業(yè)發(fā)展教授 Huanyu “Larry” Cheng 領(lǐng)導的研究團隊最近在Trends in Analytical Chemistry 上發(fā)表了一篇關(guān)于氣體檢測可拉伸傳感器現(xiàn)狀的綜述。

氣體傳感技術(shù)的最新發(fā)展使得通過監(jiān)測呼出氣或皮膚排汗的代謝過程以及檢測人類周圍環(huán)境中的有害或有毒氣體來檢測人體中的氣體生物標志物成為可能。顯著拉伸皮膚的人體運動會使傳感器退化或變形，使其無法準確檢測氣體。為了制造更具彈性的傳感器，Cheng 和他的團隊研究了適用于各種應(yīng)用的最有效的傳感器制造方法。

“隨著呼吸分析的最新發(fā)展，我們開始推動開發(fā)具有更大應(yīng)用平臺的氣體傳感器，”Cheng 說。

據(jù) Cheng 介紹，氣體傳感器可以通過檢測人體呼吸中的揮發(fā)性有機化合物(VOC)來幫助提供早期醫(yī)學診斷，這可能表明存在多種疾病，包括阿米巴痢疾、腸道細菌感染和癌癥。以前的傳感器只能監(jiān)測葡萄糖和 pH 值。

“從人類皮膚的汗水和呼出的氣中，我們有大約 2,600 種氣體形式的生物標志物，”程說�！斑@為我們提供了重要的信息，我們可以利用這些信息來開發(fā)疾病診斷。”

除了監(jiān)測這些生物標志物外，傳感器還可以檢測人類周圍環(huán)境中可能存在的有毒氣體的危險水平。例如，傳感器可以檢測煤礦中危險的甲烷水平，并可能監(jiān)測煤礦工人的健康和安全。

Cheng 表示，當前的氣體傳感器表現(xiàn)出與團隊正在研究的版本相似的特征，但它們存在缺陷。例如，基于金屬氧化物的氣體傳感器具有很高的工作溫度，使人們無法佩戴它們。通過改進當前氣體傳感器的制造方式，Cheng 表示他計劃開發(fā)一種更可靠、更安全的氣體傳感器。

研究人員對通過簡單的激光劃線工藝直接集成激光誘導石墨烯 (LIG) 的新型平臺特別感興趣。據(jù) Cheng 介紹，這是開發(fā)更靈敏、更具選擇性的傳感器的一種具有成本效益的方法，能夠快速檢測超低水平的 VOC 和有害氣體。

LIG 具有高度多孔性，可以與對氣體高度敏感的碳基或金屬氧化物納米材料集成。Cheng 的平臺由刻在薄膜上的 LIG 激光組成，薄膜被轉(zhuǎn)移到軟基板上，并涂上導電金屬以降低其電阻。由于通過這種方法產(chǎn)生的電阻降低，傳感器很容易引起自熱。與新型 LIG 氣體傳感平臺集成的混合金屬氧化物使其工作溫度明顯低于以前的基于金屬氧化物的氣體傳感器。

Cheng 和他的同事還在研究包含可穿戴、可拉伸氣體傳感器的復合材料的形狀如何影響它們的環(huán)境傳感性能。

“雖然多種納米材料已被應(yīng)用于可拉伸氣體傳感器，但仍然有廣泛的氣敏納米材料常用于剛性氣體傳感器，但在可拉伸的同類材料中尚未探索，”Cheng 說�！拔覀儗μ剿鬟@些新型納米材料非常感興趣，以便為一類新型可拉伸氣體傳感器提供獨特的選擇性、高靈敏度、快速響應(yīng)和寬檢測限�！�