研究人员开发出可检测人类生物标志物和有毒气体的传感器

气体传感技术的最新发展使得通过呼气或皮肤排汗监测代谢过程并检测人类周围环境中的有害或有毒气体成为可能,从而检测出人体中的气态生物标志物。

  宾夕法尼亚州大学公园市-宾夕法尼亚州立大学的研究人员说,对纳米材料,传感器设计和制造方法的新理解可以帮助开发可拉伸,可穿戴的气体传感器,以监测人体中的气态生物标记和暴露环境中的有毒气体。

  在宾夕法尼亚州工程科学与力学系的Dorothy Quiggle职业发展教授Huanyu" Larry" Cheng的带领下,研究小组最近发表了《分析化学趋势》中气体检测可拉伸传感器的当前状态综述。

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  气体传感技术的最新发展使得通过呼气或皮肤排汗监测代谢过程并检测人类周围环境中的有害或有毒气体成为可能,从而检测出人体中的气态生物标志物。人体剧烈拉伸皮肤会导致传感器退化或变形,使其无法准确检测气体。为了制造出更具弹性的传感器,Cheng及其团队研究了适用于各种应用的最有效的传感器制造方法。

  “随着呼吸分析的最新发展,我们开始为开发具有更大应用平台的气体传感器建立动力。” Cheng说。

  Cheng表示,气体传感器可以通过检测人呼吸中的挥发性有机化合物(VOC)来帮助提供更早的医学诊断,这可能表明存在多种疾病,包括阿米巴痢疾,肠道细菌感染和癌症。以前的传感器只能监视葡萄糖和pH值。

  “从人的皮肤汗液和呼出气中,我们有大约2,600种气体形式的生物标志物,” Cheng说。“这为我们提供了重要的信息,我们可以在疾病诊断的开发中加以利用。”

  除了监视这些生物标记外,传感器还可以检测可能存在于人类周围环境中的危险水平的有毒气体。例如,这些传感器可以检测煤矿中甲烷的危险水平,并潜在地监控煤矿工人的健康和安全。

  Cheng说,当前的气体传感器具有与团队正在研究的版本相似的特性,但它们也存在缺陷。例如,基于金属氧化物的气体传感器具有较高的工作温度,因此它们太热以至于无法佩戴。通过改善当前气体传感器的制造方式,Cheng说他计划开发一种更可靠,更安全的气体传感器。

  研究人员对一种新颖的平台特别感兴趣,该平台可通过简单的激光划刻工艺直接集成激光诱导的石墨烯(LIG)。Cheng认为,这是开发更灵敏,更具选择性的传感器的经济有效方式,该传感器能够以超低水平快速检测VOC和有害气体。

  LIG是高度多孔的,可以与对气体高度敏感的碳基或金属氧化物纳米材料集成在一起。Cheng的平台由LIG激光刻划而成,该LIG激光刻在薄膜上,然后转移到柔软的基板上并涂以导电金属以降低其电阻。由于通过这种方法产生的电阻减小,因此传感器很容易引起自热。与新型LIG气体传感平台集成的混合金属氧化物使其可工作温度大大低于以前的基于金属氧化物的气体传感器。

  Cheng和他的同事们还在研究包括可穿戴,可拉伸气体传感器在内的复合材料的形状如何影响其环境传感性能。

  “尽管可拉伸气体传感器已使用了多种纳米材料,但刚性气体传感器中仍广泛使用对气敏性纳米材料,而可拉伸气体传感器中却没有探索到,” Cheng说。“我们对开发这些新型纳米材料非常感兴趣,以为新型可拉伸气体传感器提供独特的选择性,高灵敏度,快速响应和宽检测限。”

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