氣體傳感器是一種傳感器，它將氣體分析物與傳感材料之間的相互作用轉換成適合進一步處理的適當形式，提供氣體組成和濃度信息。在過去的幾十年里，氣體傳感器已成為現代生活不可或缺的一部分（圖1），在大氣和室內監測、醫療和保健、食品工業、公共安全、化學生產等領域有著廣泛的應用。隨著物聯網（IoT）技術的蓬勃發展和智能應用需求的增加，智能氣體傳感器應運而生。智能氣體傳感器，也稱為智能氣體傳感器或數字氣體傳感器，是一種以傳感器為中心的模塊集成，集成了通信技術和人工智能技術，并以便攜式傳感器、靈活和可穿戴傳感器以及傳感器陣列的形式出現。智能氣體傳感器預計將用于未來的數字家庭、早期診斷、非侵入性醫療治療、健身追蹤、食品質量評估、氣體泄漏遠程警告、個人身份驗證、疫情早期預警、無接觸交互面板、可見工業安全警示、活植物保健等。

在過去的十年中，智能氣體傳感器，特別是便攜式和可穿戴氣體傳感器，已成為一種高效且靈活的精確分析工具，這種工具受到人員感知不可行性、復雜預處理程序以及不可避免使用有害化學試劑的限制。電子行業推動了微型化傳感芯片與標準電子組件的集成，催生了可穿戴1.0，主要以智能手機、智能眼鏡、智能手環、智能手表等剛性形式存在。近年來，隨著對生物信息和可穿戴生物診斷的市場需求不斷增長，以及物聯網技術、大數據、人工智能（AI）、機器人技術的進步，當前的剛性可穿戴1.0已經發展到下一代可穿戴2.0時代。未來的可穿戴設備將超越當前剛性晶圓和平面電路平臺技術的限制，變得柔軟、可貼附于皮膚、可拉伸、可彎曲、可扭轉、可卷曲，形式多樣，如紡織品、貼片、紋身，甚至是組織雜交。物聯網生態鏈包括：（1）用于感應和信號轉換的柔性可穿戴傳感器；（2）無線通信用于轉換信號并將數據發送到云端存儲和計算；以及（3）用于分析、解釋、預測和生成早期警報的人工智能訓練和警告系統。非可穿戴智能氣體傳感器和傳感器陣列已被應用于高精度的廢氣排放監測、危險和有毒氣體泄漏檢測以發出早期警報，移動環境監測以執行；而智能可穿戴設備已在非侵入性診斷和智能農業中出現，并傾向于通過物聯網發展在線醫療保健和疫情事件的早期預警。

研究成果

氣體傳感器是現代社會不可或缺的一部分，其應用廣泛，包括環境監測、醫療保健、食品工業、公共安全等。隨著傳感器技術、無線通信、智能監控終端、云存儲/計算技術以及人工智能的發展，智能氣體傳感器代表了氣體傳感的未來，因為它們具有實時多功能監測、預警功能以及智能化和自動化的特點。為了高性能的智能氣體分析，已經開發了各種電子和光電氣體傳感器。隨著智能終端的發展和集成技術的成熟，柔性可穿戴氣體傳感器在氣體分析中扮演著越來越重要的角色。這篇綜述突出了智能氣體傳感器在各種應用中的最新進展。描述了電子和光電氣體傳感器的結構組件和基本原理，并突出了柔性可穿戴氣體傳感器設備。此外，介紹了具有人工智能算法的傳感器陣列和“物聯網”范式中的智能氣體傳感器。最后，討論了智能氣體傳感器面臨的挑戰和前景，關于未來智能城市和健康生活對氣體傳感器的需求。相關研究以“Smart Gas Sensors： Recent Developments and Future Prospective”為題發表在Nano-Micro Letters期刊上。同濟大學毛舜&李秋菊教授為文章通訊作者。

研究亮點

1. 介紹了先進電子和光電氣體傳感器的最新發展。

2. 突出了人工智能算法和“物聯網”范式中的智能氣體傳感器陣列。

3. 描述了智能氣體傳感器在環境監測、醫療保健、食品質量控制和公共安全等領域的應用。

圖文導讀

Fig. 1 Smart gas sensors with widespread use in multiple scenes of human life. Adapted illustration 81383831. Copyright Elenabsl Dream-stime.com

Fig. 2 Full-spectrum operation procedures of smart gas sensors

Fig. 3 Substrate and conductive materials and the fabrication methods for fexible and wearable sensing devices.

Fig. 4 Scheme mechanism of electrochemical and optoelectronic gas sensor.

Fig. 5 Flexible and wearable metal/metal oxide and hydrogel-based electronical gas sensors for environmental pollutants monitoring.

Fig. 6 Multi-functional gas sensor of pathological biomarkers for disease diagnoses.

Fig. 7 Smart gas sensors for food freshness and spoilage of protein-rich food.

Fig. 8 Smart explosive and nerve agent sensors for public safety.

Fig. 9 Scheme illustration of two target sensing modes （take the disease detection as examples）。///

總結與展望在過去的幾十年里，智能氣體傳感器技術受到了集成、物聯網和高級算法的推動，并從當前的剛性便攜設備轉變為靈活的可穿戴電子產品。本綜述介紹了電學和光電氣體傳感器的基本工作原理、智能可穿戴氣體傳感器的完整操作流程、傳感器架構以及智能氣體傳感器在各種應用中的最新進展。使用無線通信技術并且利用機器學習技術賦能物聯網，可以很好地識別各種應用中的氣體，具有高靈敏度的傳感性能。智能氣體傳感器依舊存在以下挑戰：感測精度和檢測區分度、數據完整性和可重復性、低噪聲、內在一致性、材料科學與數字集成。

這篇綜述討論了智能氣體傳感器的當前發展和未來前景。智能氣體傳感器的最新跨學科概念匯集了材料科學、嵌入式計算技術、無線傳感網絡和物聯網的進步，這強調了其多功能性和變革潛力。