全球空气污染和呼吸系统疾病的急剧增长，对于低成本与规模化制备柔性气体传感器提出更高的要求。氮氧化物气体作为环境中典型的有毒气体之一，过量地吸入会对人体造成伤害，另一方面一氧化氮(NO)作为气道炎症的重要疾病标志物，对于肺癌和呼吸系统等疾病的无创诊断和监测具有重要意义，因此对于氮氧化物气体进行长期实时监测是十分必要的。
近日，河北工业大学杨丽副研究员团队与宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种新型防水气体传感器，用于在潮湿环境中准确、连续地监测二氧化氮和其他气体。该研究以“Moisture-resistant, stretchable NOX gas sensors based on laser-induced graphene for environmental monitoring and breath analysis”为题，被 Nature 旗下仪器仪表领域高水平期刊 Microsystems & Nanoengineering 收录。
该研究工作在大气环境下采用激光直写技术一步制备了兼具柔性可拉伸、湿度阻隔功能的三维多孔石墨烯气体传感器，实现了室温下氮氧化物气体的高精度检测。同时引入半透膜进行传感器的封装，提出了传感器的防潮策略，实现了室外环境中二氧化氮气体的高精度监测，并采集健康人群与慢阻肺、哮喘患者呼吸样气，实现了慢阻肺、哮喘患者的有效筛选。
宾夕法尼亚州立大学的 Huanyu “Larry” Cheng 之前开发了一种防水传感器，但该传感器只能检测温度和运动。Cheng 还开发了一种高度可定制的微型气体传感器，以及一种灵活、多孔和灵敏的气体传感器。然而，湿度、汗水或其他湿气暴露会使传感器无法使用。“我们无法避免环境中的湿度水平，这就是我们想要强调防潮性能的原因，”Cheng 说。
研究人员使用了相同的激光诱导石墨烯(LIG)，这是一种快速、经济、环保的制造方法，使用激光书写来组装二维石墨烯层，就像他们对之前的气体传感器所做的那样。然而，这一次，他们还在LIG传感层的两侧添加了柔软的弹性体聚合物基底和防潮、半透膜。
新的防水气体传感器可以戴在鼻子下面，检测呼吸中的二氧化氮，二氧化氮的浓度可能预示着潜在的肺部疾病。
“激光诱导的石墨烯是亲水的，所以它本质上是一种吸水材料，” Cheng 说。“水会自然地进入材料并改变其特性。如果传感器吸收了水分子，那将改变响应。通过在 LIG 中使用半透膜，我们可以阻挡外部的水或湿气，但仍允许目标气体分子渗透。由于新材料具有弹性和柔软性，因此可以长时间佩戴在皮肤上而不会造成刺激。”
为了测试传感器，研究人员用它们来评估 30 个人的呼吸。他们发现，患有慢性阻塞性肺病 (COPD) 或哮喘的患者的传感器响应值是未患慢性阻塞性肺病 (COPD) 或哮喘患者的四倍以上，这意味着在患有慢性阻塞性肺病或哮喘的人的呼气中二氧化氮含量是其四倍以上。
“有了这种传感器，我们更接近于帮助患者的实际应用，”该研究的合著者、河北工业大学生命科学与健康工程学院杨丽副研究员说。“这种传感器可以用于早期筛查过程，让人们意识到可能在以后发展成更大问题的潜在状况，也可以让现有的COPD或哮喘患者监测环境中可能暴露于二氧化氮的情况，这样他们就可以采取早期预防措施，比如避免在二氧化氮水平较高的特定区域。”
Cheng说，最终这种传感器不仅可以用于监测个人健康，还可以更好地了解人群的健康状况。“这可以用于大规模研究，以提供以前用其他类型的传感器设备无法访问的信息，这让我很兴奋，”他说。
原文链接：DOI:10.1038/s41378-022-00414-x
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