由宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系 Dorothy Quiggle 职业发展教授 Huanyu “Larry” Cheng 领导的宾夕法尼亚州立大学研究团队正在探索各种纳米材料、传感器设计和制造方法，这将有助于推动可拉伸、可穿戴气体传感器。图片来源：环宇程

宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示，对纳米材料、传感器设计和制造方法的新理解有助于推进可拉伸、可穿戴的气体传感器，这些传感器可以监测人体中的气体生物标志物和暴露环境中的有毒气体。

由宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系 Dorothy Quiggle 职业发展教授 Huanyu “Larry” Cheng 领导的研究团队最近在Trends in Analytical Chemistry 上发表了一篇关于气体检测可拉伸传感器现状的综述。

气体传感技术的最新发展使得通过监测呼出气或皮肤排汗的代谢过程以及检测人类周围环境中的有害或有毒气体来检测人体中的气体生物标志物成为可能。显着拉伸皮肤的人体运动会使传感器退化或变形，使其无法准确检测气体。为了制造更具弹性的传感器，Cheng 和他的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，我们开始推动开发具有更大应用平台的气体传感器，”Cheng 说。

据 Cheng 介绍，气体传感器可以通过检测人体呼吸中的挥发性有机化合物(VOC)来帮助提供早期医学诊断，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测葡萄糖和 pH 值。

“从人类皮肤的汗水和呼出的气中，我们有大约 2,600 种气体形式的生物标志物，”程说。“这为我们提供了重要的信息，我们可以利用这些信息来开发疾病诊断。”

除了监测这些生物标志物外，传感器还可以检测人类周围环境中可能存在的有毒气体的危险水平。例如，传感器可以检测煤矿中危险的甲烷水平，并可能监测煤矿工人的健康和安全。

Cheng 表示，当前的气体传感器表现出与团队正在研究的版本相似的特征，但它们存在缺陷。例如，基于金属氧化物的气体传感器具有很高的工作温度，使人们无法佩戴它们。通过改进当前气体传感器的制造方式，Cheng 表示他计划开发一种更可靠、更安全的气体传感器。

研究人员对通过简单的激光划线工艺直接集成激光诱导石墨烯 (LIG) 的新型平台特别感兴趣。据 Cheng 介绍，这是开发更灵敏、更具选择性的传感器的一种具有成本效益的方法，能够快速检测超低水平的 VOC 和有害气体。

LIG 具有高度多孔性，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。Cheng 的平台由刻在薄膜上的 LIG 激光组成，薄膜被转移到软基板上，并涂上导电金属以降低其电阻。由于通过这种方法产生的电阻降低，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工作温度明显低于以前的基于金属氧化物的气体传感器。

Cheng 和他的同事还在研究包含可穿戴、可拉伸气体传感器的复合材料的形状如何影响它们的环境传感性能。

“虽然多种纳米材料已被应用于可拉伸气体传感器，但仍然有广泛的气敏纳米材料常用于刚性气体传感器，但在可拉伸的同类材料中尚未探索，”Cheng 说。“我们对探索这些新型纳米材料非常感兴趣，以便为一类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。”