中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
研究人員表示，最新開(kāi)發(fā)的透氣、柔性、高靈敏度的二氧化氮（NO2）傳感器可應用于皮膚和服裝，在醫療保健、環(huán)境健康監測和軍事用途等方面具有潛在的發(fā)展前景。
全球空氣污染和呼吸系統疾病的激增激發(fā)了人們對通過(guò)低成本和可擴展的制造方法生產(chǎn)柔性氣體傳感器的濃厚興趣。然而，常用襯底材料的透氣性有限，會(huì )減少空氣和濕氣的交換，從而導致皮膚刺激和舒適度降低。
在美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State University）工程科學(xué)與力學(xué)助理教授Huanyu Larry Cheng的帶領(lǐng)下，研究人員們研發(fā)出一種新型透氣且柔性的二氧化氮傳感器，并在ACS Applied Materials and Interfaces期刊上發(fā)表了以“Intrinsically Breathable and Flexible NO2 Gas Sensors Produced by Laser Direct Writing of Self-Assembled Block Copolymers”為題的論文。該論文介紹了基于銀（Ag）修飾的激光誘導石墨烯（LIG）泡沫的透氣、靈活和高靈敏度的二氧化氮氣體傳感器設計和演示。
利用氣體傳感器監測二氧化氮，如果附著(zhù)在鼻子下方，則可監測呼吸；如果附著(zhù)在身體其他部位，則可監測汗液。與采集血樣不同，直接皮膚附著(zhù)允許對氣體進(jìn)行連續、長(cháng)期的在線(xiàn)監測。Huanyu Larry Cheng表示：“雖然存在類(lèi)似的氣體傳感器，但是我們最新設計的氣體傳感器的一個(gè)關(guān)鍵區別在于透氣性?！?/p>
Huanyu Larry Cheng繼續說(shuō)：“盡管氣體傳感器采用的襯底材料可以是柔性的，但不是多孔的。皮膚表面水分的積累可能會(huì )導致皮膚表面的刺激或損傷。因此，我們需要確保傳感器的透氣性，這樣水分可以通過(guò)傳感器揮發(fā)而不會(huì )在皮膚表面積聚?！?/p>
研究人員使用一種稱(chēng)為激光直寫(xiě)的制造方法開(kāi)發(fā)了這款新型具有透氣性的氣體傳感器?！凹す庵睂?xiě)與增材制造類(lèi)似，易于實(shí)施、成本低、應用廣泛?！盚uanyu Larry Cheng說(shuō)道，“該工藝相對穩定、快速，并且可實(shí)現大規模生產(chǎn)制造?！?/p>
Huanyu Larry Cheng及其團隊通過(guò)激光直寫(xiě)將具有不同質(zhì)量比的自組裝嵌段共聚物和樹(shù)脂混合物（block copolymer）轉化為具有不同孔徑的高度多孔LIG。多孔LIG上的Ag納米顆粒的裝飾進(jìn)一步增加了比表面積和電導率，從而形成了一種高靈敏度和選擇性的復合材料來(lái)檢測氮氧化合物?！扒抖喂簿畚锛沙隽宋覀円恢笔褂玫牟牧?，因此我們探索將襯底材料從典型的薄膜擴展到幾乎任何東西。這可以為我們提供透氣性和孔徑的可調性?！盚uanyu Larry Cheng解釋說(shuō)，“將Ag/LIG復合材料集成到不同的織物襯底上，進(jìn)一步產(chǎn)生了透氣的氣體傳感器和智能服裝，其允許空氣和水分的揮發(fā)，有益于長(cháng)期使用并提高舒適度?！?/p>
這款新型氣體傳感器可以監測諸如慢性阻塞性肺病等疾病，二氧化氮可能導致或加重這些疾病。雖然該氣體傳感器是專(zhuān)門(mén)為檢測二氧化氮而開(kāi)發(fā)的，但是它們還可以檢測各種氣體和生物標志物——例如確定葡萄糖水平以監測糖尿病，或者識別工業(yè)或戰斗環(huán)境中的危險。
“該氣體傳感器可用于監測環(huán)境中的氣體?！盚uanyu Larry Cheng說(shuō)，“例如，我們可以監測空氣質(zhì)量并告知患者對汽車(chē)尾氣過(guò)多的潛在擔憂(yōu)。然后，他們可以利用這些信息在某些日子避開(kāi)污染區域?！?/p>
該論文的其他作者包括天津河北工業(yè)大學(xué)的Li Yang、Huadong Ji、Chuizhou Meng、Guanhao Zheng、Xue Chen、Guangyu Niu、Jiayi Yan、Ye Xue和Shijie Guo；北京航空航天大學(xué)的Yuhang Li。這項研究工作獲得了中國國家自然科學(xué)基金委、河北省重點(diǎn)研發(fā)項目、中國國家自然科學(xué)基金委、美國國立衛生研究院和賓夕法尼亞州立大學(xué)的資助。
