综述：激光诱导石墨烯气体传感器技术的最新进展
在健康监测领域，气体传感器扮演着至关重要的角色，尤其在检测一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO₂）以及多种挥发性有机化合物（VOCs）等有害气体方面具有重要意义。将这类传感器整合到可穿戴设备中，有助于实现对人体健康状态的持续感知与主动干预。然而，当前柔性气体传感器的制造工艺较为复杂，限制了其大规模应用。
近年来，激光诱导石墨烯（LIG）作为一种具备高度多孔结构与丰富活性位点的材料，逐渐成为气敏传感领域的新星。基于LIG的气体传感器在通用性方面表现优异，尤其在检测氮氧化物（NOₓ）等空气污染物方面展现出高灵敏度和高选择性，为环境监测、排放控制以及生态治理提供了新的可能性。
据麦姆斯咨询报道，美国宾夕法尼亚州立大学程寰宇团队在《Advanced Science》期刊上发表了一篇题为“Recent Advances in Laser-Induced Graphene-Based Gas Sensors: From Sensing Mechanisms to Biomedical Applications”的综述文章。该文全面回顾了LIG气体传感器的研究进展，深入分析了其传感机制，并探讨了无线与自供电系统在可穿戴传感中的应用前景。同时，文章还展望了未来发展方向，强调LIG气体传感器在改善环境与健康监测方面的重要潜力。
图1 基于LIG的可穿戴气体传感器在人体健康监测中的应用
通用气体传感方法
气体传感机制多种多样，具体取决于所使用的传感材料、信号转换方式以及气体分子与敏感层之间的相互作用。相比光学、电化学、声表面波等传统方法，LIG基气体传感器在常温运行、机械柔性及表面化学调控方面展现出显著优势，为突破传统传感技术限制提供了可能。
（1）LIG气体传感机制
基于LIG的气敏行为主要由其能带结构调制机制决定，包括本征p型LIG、n型掺杂LIG以及构建的p–n异质结。这些结构变化对气体分子的吸附和解离过程具有重要影响。
图2 基于LIG的气体传感机制
除了常见的化学电阻型传感方式，LIG的自加热能力也使其可用于热电阻型气体检测，尤其适用于N₂和CO₂等高热导率气体的识别。这种机制扩展了LIG在气体传感领域中的应用边界。
（2）LIG的结构与物理化学特性分析
为了更好地理解并优化LIG在气体传感中的表现，研究人员对其结构、形貌以及物理化学性能进行了系统表征。这些数据为后续传感性能的提升提供了理论支撑。
图3 LIG的结构与性能特征
（3）LIG基NOₓ气体传感器的性能
气体传感器在空气质量评估、人体健康防护以及环境监管中发挥关键作用。NOₓ因其对人体和生态系统的双重危害，成为气体监测的重点目标。三维多孔结构的LIG凭借其优异的物理化学性质，成为NOₓ检测的理想材料。
图4 基于LIG的NOₓ气体传感器
（4）LIG在其他气体检测中的应用
通过调控LIG表面结构，其气体检测能力可拓展至氨气（NH₃）、挥发性有机化合物、湿度以及氢气（H₂）等多种气体，展现出广泛的应用前景。
图5 LIG在NH₃、H₂和湿度检测中的应用
在推进实际应用过程中，传感器的稳定性是关键因素之一。为此，研究人员提出了多种优化策略，如表面改性、引入保护膜结构、调节工作参数以及湿度补偿方法等。
（5）膜结构策略在气体传感器中的应用
高湿环境会对气体检测带来干扰，尤其当水分子吸附在敏感层上时，可能影响传感效率。尽管疏水涂层可以改善这一问题，但通常会牺牲气体渗透性并带来耐久性问题。相比之下，采用半透性PDMS膜可为NOₓ分子提供更有效的扩散路径。
图6 膜结构在LIG气体传感器中的应用
（6）下一代独立式LIG气体传感器的发展
基于LIG的气体传感器在构建远程健康与环境监测系统方面具有巨大潜力。无线供能与通信技术是实现这一目标的关键，包括蓝牙、ZigBee、RFID和NFC等多种方案。
图7 下一代独立式气体传感器架构
未来展望与发展趋势
作为一种低成本、可大规模制造的传感材料，LIG在连续气体监测系统中展现出独特优势。目前，基于LIG的传感器多集中于单一气体检测，而“电子鼻”系统则有望通过传感器阵列与机器学习算法，实现多气体的协同识别。
在构建真正可部署的无线传感系统方面，存在两种主要策略：一种是将主动通信模块嵌入系统，另一种是采用无源或自供电平台。前者适合高带宽场景，但功耗较高；后者虽然能耗低，但面临传输距离和环境干扰等挑战。
图8 智能化气体传感系统的实现路径
此外，LIG在可植入传感器领域的应用仍处于起步阶段。瞬态电子技术的发展为这类器件提供了新思路，使得器件可在一定时间后自动降解，从而减少对患者的二次干预。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202521138
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