用于檢測VOC和人體呼氣的化學電阻式氣體傳感器的最新進展

呼氣分析因其非侵入性和易于實時監(jiān)測而成為一種很有前景的醫(yī)學診斷方法。呼氣中的某些揮發(fā)性有機化合物（VOC）被認為是特定疾病的潛在生物標志物。以納米材料為傳感界面的化學電阻式氣體傳感器作為呼氣監(jiān)測各種疾病的無創(chuàng)篩查和診斷工具之一，近些年來被廣泛用于VOC檢測。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自紐約州立大學賓漢姆頓分校、復旦大學等機構的研究人員在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了題為“Flexible, Fibrous, and Rigid Chemiresistive VOC Sensors with Nanoparticle-Structured Interfaces”的綜述文章，重點介紹了用于檢測VOC和人體呼氣的化學電阻式氣體傳感器的最新進展，并探討了化學電阻式氣體傳感器技術在呼氣篩查和疾病監(jiān)測領域的應用進展，以及未來面臨的挑戰(zhàn)與機遇。

圖1 用于監(jiān)測人體呼氣VOC生物標志物的系統(tǒng)示意圖（包含檢測電子設備、化學電阻式氣體傳感器陣列、數(shù)據(jù)處理）

化學電阻式氣體傳感器響應特性和制造

具有納米顆粒結構界面的化學電阻式氣體傳感器的傳感特性主要由顆粒間分子相互作用決定，氣體的吸附會引起分子間相互作用的變化，從而改變傳感器的電性能。

化學電阻式氣體傳感器由兩個關鍵部件組成：敏感膜和電信號轉導電極。在傳統(tǒng)的電信號轉導電極制造工藝中，通常采用光刻圖案技術。然而，這種方法存在一定的局限性，包括成本高、材料限制和制造可擴展性有限。為了克服這些局限性，一種替代方法逐漸普及開來，即在低溫和卷對卷加工條件下印刷導電油墨。這種創(chuàng)新的方法有望徹底改變3D纖維傳感器的設計和制造，為該領域帶來新的可能性和進步。

用于VOC監(jiān)測的化學電阻式氣體傳感器

基于納米顆粒結構界面的化學電阻式氣體傳感器具有可調諧性，可用于檢測人體呼氣中的VOC。從傳感材料的開發(fā)（重點是納米材料和混合結構），到先進傳感系統(tǒng)的出現(xiàn)及其多樣化應用，這些領域都取得了重要的進展。

在利用呼氣檢測肺癌和胃癌的研究方面，Hossam Haick等人通過分析呼氣樣本，研究了帶有多種有機配體的金納米顆粒衍生的納米傳感器在肺癌和胃癌診斷測試中的應用。該研究所設計的分類模型在肺癌檢測實驗中表現(xiàn)出極高的準確性、靈敏度和特異性，在受試者工作特征（ROC）分析中，曲線下面積（AUC）達到0.99。同樣，在評估胃癌與對照組時，該分類模型也表現(xiàn)出卓越的性能，所有性能指標都達到了較高水平。該納米傳感器在更具挑戰(zhàn)性的肺癌與胃癌分類模型中也表現(xiàn)出高性能，雖然略低于以往的模型，但這些結果仍然可被臨床認可。

圖2 Hossam Haick等人基于納米傳感器進行肺癌和胃癌呼氣診斷研究

在基于納米顆粒結構界面的柔性傳感器研究方面，Hossam Haick等人提出了基于納米顆粒的多參數(shù)傳感系統(tǒng)，旨在識別、分類和分離VOC等常見的刺激物。該傳感器有望應用于可穿戴設備、人形機器人和健康監(jiān)測系統(tǒng)。利用基于金-單層金屬納米顆粒（Au-MCNP）的柔性傳感器（每個傳感器都帶有單一類型的配體），能夠實現(xiàn)對各種VOC的多參數(shù)傳感能力，并對器件拉伸和壓縮等彎曲狀態(tài)進行評估。

圖3 Hossam Haick等人提出的基于納米顆粒的多參數(shù)傳感系統(tǒng)

在用于檢測VOC和器件應變的柔性傳感器研究方面，Chuan-Jian Zhong等人利用微電極圖案化聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）作為基底，涂覆金納米顆粒的薄膜作為組件，制備了一種柔性化學電阻傳感器。通過對比分析柔性化學電阻傳感器在己烷、乙醇和丙酮蒸氣存在下的不同應變條件下表現(xiàn)出的響應靈敏度，證明了該器件響應靈敏度的可調諧性。

圖4 Chuan-Jian Zhong等人提出的用于檢測VOC和器件應變的柔性化學電阻傳感器

在用于檢測VOC的納米纖維紡織傳感器研究方面，Benjamin S. Hsiao等人提出一種靜電紡織聚合物纖維基板，該基板嵌入了由尺寸可調的金納米顆粒和結構敏感的樹狀分子作為交聯(lián)劑的納米纖維。納米纖維傳感器所表現(xiàn)出的多路復用能力對于檢測肺癌呼氣或其他生物標志物中存在的各種異構醇VOC至關重要。

圖5 Benjamin S. Hsiao等人提出的靜電紡織聚合物纖維基板

在利用呼氣VOC評估肺癌的研究方面，基于納米結構傳感器陣列在呼氣VOC傳感方面的卓越性能，Susan Lu等人展示了一種緊湊型無線呼氣傳感器系統(tǒng)。該集成系統(tǒng)由傳感器電子設備、呼吸采樣組件、數(shù)據(jù)處理和基于納米顆粒結構界面的化學電阻式氣體傳感器陣列組成，可用于檢測人類呼氣樣本中與肺癌生物標志物相關的VOC。

圖6 Susan Lu等人提出的緊湊型無線呼氣傳感器系統(tǒng)

在傳感器系統(tǒng)集成與人工智能（AI）數(shù)據(jù)分析應用方面，建立一種將納米結構化學電阻傳感器陣列與數(shù)據(jù)分析集成的有效方法至關重要，尤其是用于創(chuàng)建便攜式和無線傳感器系統(tǒng)。Chuan-Jian Zhong等人提出一種便攜式無線傳感器集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器硬件和電子設備組成，能夠從化學電阻式氣體傳感器陣列對VOC和人體呼氣樣本的響應中收集數(shù)據(jù)。此外，該系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)無縫傳輸并存儲在云數(shù)據(jù)庫中，以實現(xiàn)高效管理和分析。該系統(tǒng)有望用于實時護理和遠程監(jiān)測應用，特別是用于肺癌呼氣篩查。

圖7 Chuan-Jian Zhong等人提出的便攜式無線傳感器系統(tǒng)

上述這些研究表明了基于納米顆粒結構界面的化學電阻式氣體傳感器應用于各領域的巨大潛力。隨著技術進一步發(fā)展，下一代化學電阻式氣體傳感器的研究重點應該是將增強的靈敏度和選擇性與人工智能相結合。這可以通過采用先進的材料和結構，或使用先進的機器學習算法有效地提取目標信號來實現(xiàn)，從而為更準確、更可靠的VOC傳感解決方案鋪平道路，以滿足更多關鍵應用需求。

目前，研究人員正致力于進一步提高基于納米顆粒的柔性傳感器的靈敏度、選擇性和耐久性。未來，基于納米顆粒的柔性傳感器有望成為納米技術最重要和變革性的應用之一，將有助于設計實現(xiàn)更先進的化學電阻式氣體傳感器，以滿足各種可穿戴應用的需求，包括疾病的快速呼氣篩查和有毒氣體的環(huán)境監(jiān)測。此外，在即時檢驗等篩查和診斷應用領域也將取得重大進展。

審核編輯：彭菁