基于一种可以用于人体健康与环境监测的可穿戴气体传感器介绍

据麦姆斯咨询报道，美国宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University，简称PSU）和东北大学（Northeastern University，简称NEU）的研究人员于近日发表了一篇论文，介绍了一款或将很快投入商用的高灵敏度可穿戴气体传感器，可用于人体健康与环境监测。

该传感器对现有的可穿戴传感器进行了改良，添加了增强灵敏度的自加热机制，可让传感器快速恢复和重复使用，其它同类型设计则需要单独的加热器。此外，其它可穿戴传感器需要在无尘环境中光刻加工，成本高昂且耗时长。

用于人体健康与环境监测的可穿戴气体传感器

PSU工程科学与力学、材料科学与工程学助理教授Huanyu Cheng介绍称：“科学家都喜欢使用纳米材料作为传感器的敏感元件，因为纳米的高比表面积使其具有高灵敏度。但问题在于，纳米材料无法直接连接电线以接收信号，因此需要叉指电极，其作用如同人类交叉的手指。”

Cheng教授和他的团队使用激光图案化了一种类似石墨烯的高度多孔单线纳米材料，以用于监测气体、生物分子和化学物质。该团队还在传感器的非感应区域创建银涂层的蛇形线条，通过向银涂层施加电流，气体感应区域将由于电阻的逐渐增大而局部加热，从而无需单独的加热器。蛇形线条能够让这款可穿戴传感器像弹簧一样拉伸，以适应身体的不同弯曲变化。

这项研究中所使用的纳米材料分为两类，一类是还原氧化石墨烯和二硫化钼，或者两者的组合；一类是由氧化锌芯和氧化铜壳组成的金属氧化物复合材料，这两类也是被广泛使用、较具代表性的气体传感器材料，即低维复合金属氧化物纳米材料。

Cheng教授说：“使用在机械车间中常见的二氧化碳激光器，我们可以轻松地在我们的平台上制造出多个传感器。我们计划制造数十至上百个传感器，每个传感器可识别不同的分子，就像电子鼻一样解码复杂混合物中的多种成分。”

研究人员称，美国国防威胁降低局（U.S. Defense Threat Reduction Agency，简称DTRA）对这种可穿戴传感器很感兴趣，因其可监测损伤神经和肺部的化学与生物制剂。一家医疗设备公司也正与该团队展开合作，扩大用于监测患者健康情况的传感器生产规模，包括监测人体气体生物标志物以及可能对肺部造成损伤的环境污染物。

相关研究成果在线发表于《材料化学A》（Journal of Materials Chemistry A）杂志，Cheng教授实验室博士生Ning Yi是论文的第一作者，他说道：“在本文中，我们表明该传感器可以监测由汽车排放产生的二氧化氮，也可以监测二氧化硫，两者结合会导致酸雨。所有这些气体都可能为工业安全带来隐患。”

研究人员下一步计划创建高密度阵列，并尝试改善信号接收，使传感器更具选择性，这也将涉及使用机器学习来识别气体感应区域中单个分子的不同信号。

该论文题目为《基于可拉伸激光诱导石墨烯自加热模式的新型气体传感平台》，论文其他作者包括访问科学家、共同第一作者Li Yang，Cheng教授实验室纳米材料博士生Jia Zhu、NEU助理教授Hongli Zhu和她的学生Zheng Cheng、PSU化学工程助理教授Xueyi Zhang和他的博士生Xinyang Yin。研究人员已为这项研究成果递交了临时专利申请。

这项研究由PSU和NEU启动基金与种子基金、美国国家科学基金会（National Science Foundation, United States，简称NSF）提供支持。