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新型透气且柔性的气体传感器可实现连续且长期的人体健康监测
2022-06-17    来源:麦姆斯咨询  浏览次数:
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研究人员表示,最新开发的透气、柔性、高灵敏度的二氧化氮(NO2)传感器可应用于皮肤和服装,在医疗保健、环境健康监测和军事用途等方面具有潜在的发展前景。


全球空气污染和呼吸系统疾病的激增激发了人们对通过低成本和可扩展的制造方法生产柔性气体传感器的浓厚兴趣。然而,常用衬底材料的透气性有限,会减少空气和湿气的交换,从而导致皮肤刺激和舒适度降低。


在美国宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)工程科学与力学助理教授Huanyu Larry Cheng的带领下,研究人员们研发出一种新型透气且柔性的二氧化氮传感器,并在ACS Applied Materials and Interfaces期刊上发表了以“Intrinsically Breathable and Flexible NO2 Gas Sensors Produced by Laser Direct Writing of Self-Assembled Block Copolymers”为题的论文。该论文介绍了基于银(Ag)修饰的激光诱导石墨烯(LIG)泡沫的透气、灵活和高灵敏度的二氧化氮气体传感器设计和演示。


利用气体传感器监测二氧化氮,如果附着在鼻子下方,则可监测呼吸;如果附着在身体其他部位,则可监测汗液。与采集血样不同,直接皮肤附着允许对气体进行连续、长期的在线监测。Huanyu Larry Cheng表示:“虽然存在类似的气体传感器,但是我们最新设计的气体传感器的一个关键区别在于透气性。”


Huanyu Larry Cheng继续说:“尽管气体传感器采用的衬底材料可以是柔性的,但不是多孔的。皮肤表面水分的积累可能会导致皮肤表面的刺激或损伤。因此,我们需要确保传感器的透气性,这样水分可以通过传感器挥发而不会在皮肤表面积聚。”


研究人员使用一种称为激光直写的制造方法开发了这款新型具有透气性的气体传感器。“激光直写与增材制造类似,易于实施、成本低、应用广泛。”Huanyu Larry Cheng说道,“该工艺相对稳定、快速,并且可实现大规模生产制造。”


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Huanyu Larry Cheng及其团队通过激光直写将具有不同质量比的自组装嵌段共聚物和树脂混合物(block copolymer)转化为具有不同孔径的高度多孔LIG。多孔LIG上的Ag纳米颗粒的装饰进一步增加了比表面积和电导率,从而形成了一种高灵敏度和选择性的复合材料来检测氮氧化合物。“嵌段共聚物集成超出了我们一直使用的材料,因此我们探索将衬底材料从典型的薄膜扩展到几乎任何东西。这可以为我们提供透气性和孔径的可调性。”Huanyu Larry Cheng解释说,“将Ag/LIG复合材料集成到不同的织物衬底上,进一步产生了透气的气体传感器和智能服装,其允许空气和水分的挥发,有益于长期使用并提高舒适度。”


这款新型气体传感器可以监测诸如慢性阻塞性肺病等疾病,二氧化氮可能导致或加重这些疾病。虽然该气体传感器是专门为检测二氧化氮而开发的,但是它们还可以检测各种气体和生物标志物——例如确定葡萄糖水平以监测糖尿病,或者识别工业或战斗环境中的危险。


“该气体传感器可用于监测环境中的气体。”Huanyu Larry Cheng说,“例如,我们可以监测空气质量并告知患者对汽车尾气过多的潜在担忧。然后,他们可以利用这些信息在某些日子避开污染区域。”


该论文的其他作者包括天津河北工业大学的Li Yang、Huadong Ji、Chuizhou Meng、Guanhao Zheng、Xue Chen、Guangyu Niu、Jiayi Yan、Ye Xue和Shijie Guo;北京航空航天大学的Yuhang Li。这项研究工作获得了中国国家自然科学基金委、河北省重点研发项目、中国国家自然科学基金委、美国国立卫生研究院和宾夕法尼亚州立大学的资助。