河北工业大学Li Yang课题组–基于激光诱导石墨烯的耐湿可伸缩NOx气体传感器，用于环境监测和呼吸分析

对于低成本、可伸缩的气体传感设备来说，在潮湿环境中准确、连续地分析与医疗保健相关的气体，如氮氧化物（NOx）仍然是难以实现的。 本研究提出了一种基于激光诱导石墨烯(LIG)的耐湿、可伸缩的NOx气体传感器的设计与演示。 LIG传感和电极层夹在柔软的弹性体衬底和防潮半透密封剂之间，首先通过调整激光加工参数如功率、图像密度和离焦距离来优化。 采用最佳激光加工工艺制备的针状LIG气敏元件，对NO和NO2的响应分别为4.18‰ppm-1和6.66‰ppm-1,对NO和NO2的超低检测限分别为8.3ppb和4.0ppb,响应/回收率快，选择性好。 在LIG电极中设计了一个可伸展的蛇形结构，并与刚性岛隔离了应变，使得气体传感器可以伸展30%。 结合相对湿度为90%的防潮性能，该气体传感器进一步被证明可在一天中的不同时间监测个人局部环境，并分析人体呼吸样本，以将呼吸系统疾病患者与健康志愿者分类。 防潮、可伸展的NOx气体传感器可以扩展可穿戴设备的能力，以检测来自人类和暴露环境的生物标志物，用于早期疾病诊断。

Figure 1. a.用于环境监测和病人呼吸分析的基于激光诱导石墨烯(LIG)泡沫的防潮可伸缩气体传感系统。 图示NO_x(NO₂或NO)相关的空气污染和使用NOx气体作为典型人类疾病的生物标志物。 b分解图的LIG基防潮，可伸缩气体传感器，以显示其结构布局。 c一个具有代表性的LIG气体传感器的光学图像，该传感器的放大视图和针状LIG的扫描电子显微镜(SEM)图像如插图所示。 d可拉伸LIG气体传感器在不同变形（即拉伸、扭转和卷绕到手指上）前后的三维图像。

Figure 2. 对不同激光加工参数制备的LIG进行了表征。 在激光功率为a0.15W、b0.6W、c1.2W、d1.8W,扫描速度为2.54mm/s,图像密度为500 ppi的条件下，制备了LiG的a-d扫描电镜图像。 在激光功率为0.60W,扫描速度为2.54mm/s,扫描密度为e750ppi和f1000ppi的条件下，制备了LiG的扫描电镜图像。 各种LiG样品在a-d中的g拉曼光谱。 h用X射线光电子能谱(XPS)对激光功率为0.6W、图像密度为500 ppi、扫描速度为2.54mm/s)制备的LiG进行了研究。

Figure 3. 激光加工参数对气敏性能的影响。 用不同a功率和b像密度制备的LIG基气体传感器对1 ppm NO气体的传感性能，其比表面积用c和d表示。

Figure 4. 用最佳激光加工参数制备的LIG基气敏元件的气敏性能评价。a 气体传感器对1 ppm NO的典型响应曲线。 b气体传感器对NO的动态响应曲线随浓度从0.5～2.5ppm的增加而增加。 c连续8个循环对1 ppm NO气体传感器的重复性测试。 从传感器对NO的响应从200到1000 ppb得到线性拟合的d校准曲线。e 实验演示了传感器对20 ppb NO的响应。f 气敏元件对NO_x的选择性测试。

Figure 5. LIG气敏元件的传感机理及等效电路图。a 化学电阻型LiG气敏元件对NOx的传感机理。b 气体传感器等效电路图。

Figure 6. LiG基气敏元件的抗湿性和伸缩性能。a 显示潮湿条件下无湿度气体传感的示意图。 气敏元件在不同相对湿度环境中的响应，如插图所示为水接触角，b无半透PDMS膜和c有半透PDMS膜。 d半透膜厚度(10-20μm)对气敏响应的影响。e LIG气敏元件在0～30%拉伸下对1 ppm NO响应。

Figure 7. 用于环境监测和呼吸分析的基于LIG的气体传感器的演示。a 一种基于LIG的气体传感器的电阻变化，用于监测一天中不同时间（即，早上、中午和晚上）的室外空气。 b环境中实际NO₂浓度（上）与气体传感器响应（下）之间的比较。 无半透膜气体传感器c和有半透膜气体传感器d对呼吸系统疾病患者和健康志愿者呼气样本的响应。

相关研究工作由河北工业大学Li Yang课题组于2022年在线发表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊上，原文：Moisture-resistant, stretchable NOx gas sensors based on laser-induced graphene for environmental monitoring and breath analysis。