據麥姆斯咨詢報道，美國賓夕法尼亞州立大學（The Pennsylvania State University，簡稱PSU）和東北大學（Northeastern University，簡稱NEU）的研究人員于近日發表了一篇論文，介紹了一款或將很快投入商用的高靈敏度可穿戴氣體傳感器，可用于人體健康與環境監測。

該傳感器對現有的可穿戴傳感器進行了改良，添加了增強靈敏度的自加熱機制，可讓傳感器快速恢復和重復使用，其它同類型設計則需要單獨的加熱器。此外，其它可穿戴傳感器需要在無塵環境中光刻加工，成本高昂且耗時長。

用于人體健康與環境監測的可穿戴氣體傳感器

PSU工程科學與力學、材料科學與工程學助理教授Huanyu Cheng介紹稱：“科學家都喜歡使用納米材料作為傳感器的敏感元件，因為納米的高比表面積使其具有高靈敏度。但問題在于，納米材料無法直接連接電線以接收信號，因此需要叉指電極，其作用如同人類交叉的手指。”

Cheng教授和他的團隊使用激光圖案化了一種類似石墨烯的高度多孔單線納米材料，以用于監測氣體、生物分子和化學物質。該團隊還在傳感器的非感應區域創建銀涂層的蛇形線條，通過向銀涂層施加電流，氣體感應區域將由于電阻的逐漸增大而局部加熱，從而無需單獨的加熱器。蛇形線條能夠讓這款可穿戴傳感器像彈簧一樣拉伸，以適應身體的不同彎曲變化。

這項研究中所使用的納米材料分為兩類，一類是還原氧化石墨烯和二硫化鉬，或者兩者的組合；一類是由氧化鋅芯和氧化銅殼組成的金屬氧化物復合材料，這兩類也是被廣泛使用、較具代表性的氣體傳感器材料，即低維復合金屬氧化物納米材料。

Cheng教授說：“使用在機械車間中常見的二氧化碳激光器，我們可以輕松地在我們的平臺上制造出多個傳感器。我們計劃制造數十至上百個傳感器，每個傳感器可識別不同的分子，就像電子鼻一樣解碼復雜混合物中的多種成分。”

研究人員稱，美國國防威脅降低局（U.S. Defense Threat Reduction Agency，簡稱DTRA）對這種可穿戴傳感器很感興趣，因其可監測損傷神經和肺部的化學與生物制劑。一家醫療設備公司也正與該團隊展開合作，擴大用于監測患者健康情況的傳感器生產規模，包括監測人體氣體生物標志物以及可能對肺部造成損傷的環境污染物。

相關研究成果在線發表于《材料化學A》（Journal of Materials Chemistry A）雜志，Cheng教授實驗室博士生Ning Yi是論文的第一作者，他說道：“在本文中，我們表明該傳感器可以監測由汽車排放產生的二氧化氮，也可以監測二氧化硫，兩者結合會導致酸雨。所有這些氣體都可能為工業安全帶來隱患。”

研究人員下一步計劃創建高密度陣列，并嘗試改善信號接收，使傳感器更具選擇性，這也將涉及使用機器學習來識別氣體感應區域中單個分子的不同信號。

該論文題目為《基于可拉伸激光誘導石墨烯自加熱模式的新型氣體傳感平臺》，論文其他作者包括訪問科學家、共同第一作者Li Yang，Cheng教授實驗室納米材料博士生Jia Zhu、NEU助理教授Hongli Zhu和她的學生Zheng Cheng、PSU化學工程助理教授Xueyi Zhang和他的博士生Xinyang Yin。研究人員已為這項研究成果遞交了臨時專利申請。

這項研究由PSU和NEU啟動基金與種子基金、美國國家科學基金會（National Science Foundation, United States，簡稱NSF）提供支持。