由賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)系 Dorothy Quiggle 職業(yè)發(fā)展教授 Huanyu “Larry” Cheng 領(lǐng)導(dǎo)的賓夕法尼亞州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)正在探索各種納米材料、傳感器設(shè)計(jì)和制造方法，這將有助于推動(dòng)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(xué)的研究人員表示，對(duì)納米材料、傳感器設(shè)計(jì)和制造方法的新理解有助于推進(jìn)可拉伸、可穿戴的氣體傳感器，這些傳感器可以監(jiān)測(cè)人體中的氣體生物標(biāo)志物和暴露環(huán)境中的有毒氣體。

由賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)系 Dorothy Quiggle 職業(yè)發(fā)展教授 Huanyu “Larry” Cheng 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)最近在Trends in Analytical Chemistry 上發(fā)表了一篇關(guān)于氣體檢測(cè)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(cè)呼出氣或皮膚排汗的代謝過程以及檢測(cè)人類周圍環(huán)境中的有害或有毒氣體來檢測(cè)人體中的氣體生物標(biāo)志物成為可能。顯著拉伸皮膚的人體運(yùn)動(dòng)會(huì)使傳感器退化或變形，使其無法準(zhǔn)確檢測(cè)氣體。為了制造更具彈性的傳感器，Cheng 和他的團(tuán)隊(duì)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(dòng)開發(fā)具有更大應(yīng)用平臺(tái)的氣體傳感器，”Cheng 說。

據(jù) Cheng 介紹，氣體傳感器可以通過檢測(cè)人體呼吸中的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)來幫助提供早期醫(yī)學(xué)診斷，這可能表明存在多種疾病，包括阿米巴痢疾、腸道細(xì)菌感染和癌癥。以前的傳感器只能監(jiān)測(cè)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(biāo)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(cè)這些生物標(biāo)志物外，傳感器還可以檢測(cè)人類周圍環(huán)境中可能存在的有毒氣體的危險(xiǎn)水平。例如，傳感器可以檢測(cè)煤礦中危險(xiǎn)的甲烷水平，并可能監(jiān)測(cè)煤礦工人的健康和安全。

Cheng 表示，當(dāng)前的氣體傳感器表現(xiàn)出與團(tuán)隊(duì)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(jìn)當(dāng)前氣體傳感器的制造方式，Cheng 表示他計(jì)劃開發(fā)一種更可靠、更安全的氣體傳感器。

研究人員對(duì)通過簡(jiǎn)單的激光劃線工藝直接集成激光誘導(dǎo)石墨烯 (LIG) 的新型平臺(tái)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(cè)超低水平的 VOC 和有害氣體。

LIG 具有高度多孔性，可以與對(duì)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(tái)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(dǎo)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(tái)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(fù)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。“我們對(duì)探索這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(dú)特的選擇性、高靈敏度、快速響應(yīng)和寬檢測(cè)限。”