Trends in Analytical Chemistry：用于检测人体和暴露环境中的生物标志物的可拉伸气体传感器

背景介绍

可伸缩气体传感器通过将气敏纳米材料集成到软弹性基底或者可伸展结构上，因而具备一定的变形能力，不会因机械变形而损坏。纳米颗粒、纳米线或具有纳米厚度的薄膜常被用作传感材料。而典型的结构设计策略则包括直接沉积气敏纳米材料到可拉伸薄膜或多孔模板（如织物、海绵或纤维网）上，岛桥预应变设计中的褶皱结构布局和蛇形互连，以及各种应变隔离方法。由于可拉伸气体传感器在生物标志物实时监测方面的巨大潜力，对传感器感应材料和结构设计方面的总结显得十分必要。

近期，来自宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组总结了近年来用于可伸缩气体传感器制作的纳米材料的种类、传感器设计和制造方法上的创新之处，并在《Trends in Analytical Chemistry》期刊上发表题为“Stretchable gas sensors for detecting biomarkers from humans and exposed environments"的研究论文。宾夕法尼亚州立大学博士生衣宁和沈鸣洲为该论文的共同第一作者，程寰宇助理教授为该论文的通讯作者。这项研究得到了国家科学基金会（ECCS-1933072）、美国化学学会石油研究基金（59021-DNI7）、美国国立卫生研究院心脏、肺和血液研究所（R61HL154215）和宾夕法尼亚州立大学启动基金的资助。

研究的主要内容

该综述表明可伸缩气体传感器的发展往往依赖于将纳米材料直接集成在可拉伸基底或多孔网络上，或者使用可伸缩的结构设计（图1）。硅弹性体（如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex）和纺织品是两种常用于可穿戴电子产品的基底材料。聚氨酯（PU）弹性体因其较好的杨氏模量和其纤维或泡沫的电纺形式，也逐渐成为另一种有前途的基底材料。常用的纳米感应材料则包括纳米颗粒、纳米线或具有纳米厚度的薄膜。这些材料易于在可拉伸基板上集成，这也使得对上述四种传感材料的不同形式纳米几何结构的金属氧化物的合成有了广泛的研究。除了直接涂层，TMD和碳基2D材料可以通过化学气相沉积来制造。化学或电化学沉积可以很容易地制备薄膜导电聚合物。通过这些方法制备的可伸缩气体传感器具有高灵敏度和高选择性，快速响应/恢复，超低检出限的优良性能。这些特点使其能够准确、连续地检测各类生物标志物。柔性的特性也使其可以被放置在人体上实现对健康状况地实时监测。

图1 通过纳米材料直接集成在可拉伸基底（模板）上和可伸展结构设计制成的各类可拉伸气体传感器

图2 微构造氧化锌气体传感器

图3 织在布料上的NO₂传感器

图4 单轴预应变设计的气体传感器

图5 岛桥结构布置的石墨烯NO₂传感器

图6 蛇形互连设计的rGO/MoS₂气体传感器

小结

文章最后讨论了进一步发展可拉伸气体传感器潜在的挑战（如多种气体混合物中气体的识别等）。通过文献调研，作者提出了相应的解决方案，如使用高度选择性薄膜或催化过滤器预先过滤混合气体中的其它气体以及应用人工神经网络对检测结果进行优化等。应用方面，可拉伸传感器还可以用于工业安全和军事方面的气体安全监测。

文章链接

https://doi.org/10.1016/j.trac.2020.116085

本文由作者投稿。