近年來，信息時代的爆炸式發展，使物聯網（IoT）、人工智能（AI）、大數據和云計算吸引了全世界的廣泛關注。智能氣體傳感器已成為人機交互（HMI）的重要接口，以及與外界交互的重要手段。

氣體傳感器在作為HMI接口時，需要具備可穿戴以及皮膚貼合的特性，以感知人體及周圍環境的各種生理信號。常見的氣體傳感器通常由傳統襯底（包括玻璃、陶瓷管、硅、剛性傳感材料和電極）制成，這些材料往往缺乏柔性和機械順應性以響應人體運動。因此，傳統的剛性氣體傳感器的彎曲性能和透氣性較差，限制了人體活動，導致佩戴舒適性較差。此外，傳統的氣體傳感器還需要依賴高溫工作，這阻礙了可穿戴氣體傳感系統的制造，并且在檢測易燃易爆氣體時，會不可避免地增加發生爆炸或火災的潛在風險。

最近報道的可穿戴氣體傳感器為解決上述挑戰提供了一種有效的方案。隨著工業化和城市化的進程加速，有害氣體排放對人類健康構成了重大威脅。例如，過度暴露于氨氣會對呼吸器官和眼睛造成不可逆轉的嚴重刺激，長期暴露于含甲醛的空氣中會導致肺功能下降和慢性肺炎，而長時間暴露于低濃度的氮氧化物會誘發慢性咽炎和支氣管炎。

因此，在日常生活中使用便攜式可穿戴氣體傳感器即時檢測周圍的有害氣體正變得至關重要。不僅如此，有些氣體還可以用作某些疾病的生物標志物，實現人體健康狀況的即時監測、診斷及治療。

根據應用場景和實際呼吸中檢測到的氣體類型，可穿戴氣體傳感器可用于環境監測、醫療保健、智能家居、工業安全、食品安全以及公共安全等領域。此外，可穿戴氣體傳感器體積小，可以舒適地粘附在人體皮膚上，并能隨著人體運動而變形，不改變傳感器的響應性能。

因此，選擇并設計柔性襯底及敏感材料，已成為提高氣體傳感器室溫傳感性能及機械柔性的當務之急。與傳統剛性襯底相比，新興的聚合物和織物基材不僅表現出可彎曲和可拉伸的特性，而且重量輕、價格低廉。

為了實時檢測人體生理信號以及監測周圍環境的潛在威脅，離子液體、聚合物、碳基納米材料、二維半導體材料以及其它柔性敏感材料可以作為柔性傳感材料提供有吸引力的解決方案。這些材料憑借卓越的柔韌性和室溫下的高敏感特性相比其它材料更具優勢。此外，相較傳統的氣體傳感器，可穿戴氣體傳感器還具有更低的功耗。

據麥姆斯咨詢報道，吉林大學電子科學與工程學院劉方猛教授研究團隊近日在Advanced Sensor Research期刊上發表了一篇題為“Room Temperature Wearable Gas Sensors for Fabrication and Applications”的綜述，全面總結了室溫下具有卓越氣體傳感性能的材料及其制備。文章還討論了室溫工作的可穿戴氣體傳感器的各種應用和未來前景。

室溫工作的可穿戴氣體傳感器的傳感機理、制造及應用

室溫工作的可穿戴氣體傳感器的傳感機理

目前，氣體傳感器有四種主要類型，包括光學式氣體傳感器、機械式氣體傳感器、電磁式氣體傳感器和電學/電化學式氣體傳感器，它們能夠響應目標氣體分子和傳感器之間的相互作用而產生不同的信號。其中，基于電學/電化學原理的氣體傳感器可以通過監測氣體分子與傳感器反應時的電學特性變化來檢測目標氣體的濃度。本文通過氧吸附模型、直接吸附模型、質子轉移模型和離子傳導模型對其傳感機理進行了解釋。

柔性敏感材料

氣體傳感器的柔性，已成為可穿戴智能設備的應用瓶頸。因此，敏感材料和襯底的機械柔性吸引了廣泛研究。本文簡要介紹了被用作柔性氣敏材料的離子液體、聚合物、碳基納米材料以及過渡金屬化合物，以取代智能設備應用中的傳統剛性材料。

碳基納米材料制備示例

二維半導體納米材料制備示例

可穿戴氣體傳感器的廣泛應用

與傳統的剛性氣體傳感器相比，可穿戴氣體傳感器提供了更靈活的裝配選擇，不需要像剛性傳感器那樣限制于固定的位置。可穿戴氣體傳感器可以無縫貼合人體皮膚，也可以作為電子織物集成在衣服中，能夠隨人體運動自由彎曲，而不會改變氣體傳感性能。重要的是，可穿戴氣體傳感器可以即時檢測周圍的環境信息和人體的生理信號，通過結合物聯網或深度學習等相關技術，能夠在檢測到有害氣體濃度或呼吸標志物超標時第一時間發出警告。此外，憑借其舒適性和便攜性，可穿戴氣體傳感器能夠全天佩戴，實時監測。因此，可穿戴氣體傳感器已經在環境監測、醫療保健、智能家居、食品安全甚至公共安全等需要實時監測和即時警報的應用領域發揮重要作用。

可穿戴氣體傳感器的環境監測應用示例

可穿戴氣體傳感器的食品安全應用示例

下一步研究展望

盡管可穿戴氣體傳感器擁有廣泛的新機遇，但在它們獲得實際應用之前，仍有許多問題有待解決。首先，與在高溫工作的材料相比，可穿戴氣體傳感器中使用的敏感材料通常表現出更低的響應和更長的響應/恢復時間。因此，迫切需要研究現有敏感材料的摻雜和結構，以提高其在室溫工作下的傳感性能。此外，Ti3C2Tx和PANI等室溫傳感材料的穩定性相對較差，并且易氧化，限制了它們在可穿戴氣體傳感器中的進一步應用。其次，在器件制造方面，確保氣體傳感性能在大機械形變下的穩定性，實現小型化和集成化，以滿足可穿戴智能設備的要求至關重要。最后，開發與大數據、人工智能、機器學習等技術相結合的氣體傳感應用是極具前景的研究方向，可以加速可穿戴氣體傳感器的集成化、數字化和智能化。

審核編輯：劉清