一種基于聚合物的化學(xué)電阻式傳感器使患者檢測更容易

呼吸分析是一種用于醫(yī)學(xué)診斷的非侵入性（無創(chuàng)）檢測工具。然而，目前的呼吸分析儀價(jià)格昂貴、耗時(shí)，并且需要進(jìn)行樣本氣體分離。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，澳大利亞悉尼大學(xué)（The University of Sydney）、新南威爾士大學(xué)（The University of New South Wales）等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了題為“A Polymer-Based Chemiresistive Gas Sensor for Selective Detection of Ammonia Gas”的論文，提出了一種基于聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸）（PAMPSA）的簡單、有效、低成本的氨氣傳感器，用于無創(chuàng)醫(yī)療診斷。所設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)氨氣濃度的檢測范圍很寬，最高可達(dá)1000 ppm，檢測限為30 ppb。這是一種性能穩(wěn)定的傳感器，可在高相對(duì)濕度（RH > 90%）下工作，并能在不同的測試條件下表現(xiàn)出一致的電響應(yīng)。盲測的結(jié)果驗(yàn)證了該傳感器在二氧化碳等其它氣體存在的情況下對(duì)氨氣的選擇性響應(yīng)。此外，將該傳感器集成到口罩中可準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測氨氣。總之，這項(xiàng)研究證實(shí)了開發(fā)一種簡單、無創(chuàng)、經(jīng)濟(jì)高效的氨氣實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器的可行性，其在醫(yī)療診斷、食品安全和環(huán)境條件檢測等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。

該P(yáng)AMPSA傳感器的傳感機(jī)理基于磺酸根官能團(tuán)與不同pH下帶電離子物種之間的相互作用，如圖1所示。在高濕度條件下，NH?和CO?等極性氣體溶解在水中，分別形成銨離子、碳酸氫根離子和碳酸根離子等帶電離子。解離離子的濃度影響該傳感器的電響應(yīng)。

圖1 PAMPSA傳感器的傳感機(jī)理示意圖

在高濕度環(huán)境中（例如，人類呼出的氣體），由于PAMPSA具有吸濕性，因此它容易吸收水分。當(dāng)NH?進(jìn)入PAMPSA傳感器的直接環(huán)境并與傳感器系統(tǒng)中的濕氣接觸時(shí)，氣體會(huì)解離形成NH??離子，這些離子會(huì)通過靜電作用與傳感器表面PAMPSA的SO??相互作用，而其余離子會(huì)在聚合物鏈周圍形成簇，如圖1A所示。圖1B和1C分別顯示了PAMPSA溶液暴露于加濕NH?和CO?氣體后pH值的變化。

研究人員評(píng)估了PAMPSA傳感器在各種濃度的加濕CO?氣體（103–10? ppm/1–100% CO2）下的性能，如圖2所示。這種對(duì)CO?的低敏感性對(duì)于設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)氣體傳感器具有重要價(jià)值，該傳感器可在CO?存在的情況下選擇性地檢測氨氣，用于呼氣分析等應(yīng)用。在這種情況下，無需對(duì)呼吸樣本進(jìn)行預(yù)處理，傳感器可以實(shí)時(shí)分析呼出的氣體。

圖2 PAMPSA傳感器在各種濃度的加濕CO?氣體（103–10? ppm/1–100% CO?）下的性能評(píng)估

為了驗(yàn)證PAMPSA氣體傳感器在各種條件下準(zhǔn)確檢測氨濃度的可行性，研究人員選擇了使用該傳感器進(jìn)行呼氣測試的場景。他們測量了PAMPSA傳感器對(duì)加濕NH?氣體的響應(yīng)、其響應(yīng)時(shí)間、長期穩(wěn)定性以及不同條件下的選擇性，如圖3所示。

圖3 PAMPSA傳感器對(duì)NH?氣體的性能評(píng)估

研究人員進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（ANOVA）以評(píng)估不同的測試條件是否會(huì)影響傳感器的整體性能。由于p > 0.05，平均值的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（ns），這表明外部測試條件，如干擾氣體、高濕度和溫度變化，并沒有影響傳感器的性能。

為了減少偏差并驗(yàn)證傳感器對(duì)氨氣的響應(yīng)，研究人員進(jìn)行了隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)（盲測），如圖4所示。他們評(píng)估了PAMPSA傳感器準(zhǔn)確預(yù)測未知介質(zhì)中NH?氣體的能力。圖4A和4C顯示電阻下降，表明這些溶液中存在NH??；趥鞲衅鲗?duì)CO?氣體的低敏感性，可以解釋為溶液2和4中含有CO?氣體（分別為圖4B和4D），而溶液5中不存在氣體介質(zhì)（圖4E）。這些結(jié)果與實(shí)際溶液配方的對(duì)比（圖4F）表明，本研究設(shè)計(jì)的PAMPSA傳感器可用于準(zhǔn)確測量NH?濃度。

圖4 PAMPSA傳感器對(duì)不同溶液的盲測

研究人員將PAMPSA傳感器集成到口罩中，然后安裝在人臉模型上，以驗(yàn)證其在無創(chuàng)醫(yī)療診斷應(yīng)用中的潛力。如圖5所示，當(dāng)NH?氣體進(jìn)入傳感器的直接環(huán)境時(shí)，傳感器的電阻瞬間下降，圖中以黃色突出顯示。氣體循環(huán)在N?/CO?和N?/CO?/NH?之間交替進(jìn)行，這些交替氣體循環(huán)重復(fù)了6次，以演示傳感器在存在和不存在NH?氣體時(shí)的響應(yīng)和恢復(fù)情況。該演示展示了傳感器通過呼吸分析實(shí)時(shí)、無創(chuàng)檢測氨氣的能力。

圖5 通過模擬呼吸測試評(píng)估傳感器的響應(yīng)

綜上所述，本研究開發(fā)了一種基于聚合物的化學(xué)電阻式傳感器，該傳感器通過PAMPSA的磺酸基團(tuán)與銨離子之間的相互作用來檢測NH?氣體。所開發(fā)的PAMPSA傳感器對(duì)各種NH?濃度（0.03–1000 ppm）表現(xiàn)出高靈敏度，并且在不同干擾氣體（例如N?和CO?）存在的情況下表現(xiàn)出相似的響應(yīng)。該P(yáng)AMPSA傳感器對(duì)NH?氣體的選擇性不受干擾氣體、高濕度和溫度變化等外部測試條件的影響。在隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)中，盲測成功地證明了傳感器檢測NH?氣體的能力。最后，呼吸分析測試表明，該P(yáng)AMPSA傳感器可集成到口罩中進(jìn)行實(shí)時(shí)NH?氣體檢測，這代表了通過呼吸分析進(jìn)行無創(chuàng)醫(yī)療診斷的潛力。該器件的實(shí)用性還可以通過使系統(tǒng)無線化來進(jìn)一步提高，這將使患者檢測更容易，并將改善終端用戶的數(shù)據(jù)分析。

審核編輯：彭菁