综述-智能气体传感器：近期发展与未来展望

研究背景

气体传感器是一种传感器，它将气体分析物与传感材料之间的相互作用转换成适合进一步处理的适当形式，提供气体组成和浓度信息。在过去的几十年里，气体传感器已成为现代生活不可或缺的一部分（图1），在大气和室内监测、医疗和保健、食品工业、公共安全、化学生产等领域有着广泛的应用。随着物联网（IoT）技术的蓬勃发展和智能应用需求的增加，智能气体传感器应运而生。智能气体传感器，也称为智能气体传感器或数字气体传感器，是一种以传感器为中心的模块集成，集成了通信技术和人工智能技术，并以便携式传感器、灵活和可穿戴传感器以及传感器阵列的形式出现。智能气体传感器预计将用于未来的数字家庭、早期诊断、非侵入性医疗治疗、健身追踪、食品质量评估、气体泄漏远程警告、个人身份验证、疫情早期预警、无接触交互面板、可见工业安全警示、活植物保健等。

在过去的十年中，智能气体传感器，特别是便携式和可穿戴气体传感器，已成为一种高效且灵活的精确分析工具，这种工具受到人员感知不可行性、复杂预处理程序以及不可避免使用有害化学试剂的限制。电子行业推动了微型化传感芯片与标准电子组件的集成，催生了可穿戴1.0，主要以智能手机、智能眼镜、智能手环、智能手表等刚性形式存在。近年来，随着对生物信息和可穿戴生物诊断的市场需求不断增长，以及物联网技术、大数据、人工智能（AI）、机器人技术的进步，当前的刚性可穿戴1.0已经发展到下一代可穿戴2.0时代。未来的可穿戴设备将超越当前刚性晶圆和平面电路平台技术的限制，变得柔软、可贴附于皮肤、可拉伸、可弯曲、可扭转、可卷曲，形式多样，如纺织品、贴片、纹身，甚至是组织杂交。物联网生态链包括：（1）用于感应和信号转换的柔性可穿戴传感器；（2）无线通信用于转换信号并将数据发送到云端存储和计算；以及（3）用于分析、解释、预测和生成早期警报的人工智能训练和警告系统。非可穿戴智能气体传感器和传感器阵列已被应用于高精度的废气排放监测、危险和有毒气体泄漏检测以发出早期警报，移动环境监测以执行；而智能可穿戴设备已在非侵入性诊断和智能农业中出现，并倾向于通过物联网发展在线医疗保健和疫情事件的早期预警。

研究成果

气体传感器是现代社会不可或缺的一部分，其应用广泛，包括环境监测、医疗保健、食品工业、公共安全等。随着传感器技术、无线通信、智能监控终端、云存储/计算技术以及人工智能的发展，智能气体传感器代表了气体传感的未来，因为它们具有实时多功能监测、预警功能以及智能化和自动化的特点。为了高性能的智能气体分析，已经开发了各种电子和光电气体传感器。随着智能终端的发展和集成技术的成熟，柔性可穿戴气体传感器在气体分析中扮演着越来越重要的角色。这篇综述突出了智能气体传感器在各种应用中的最新进展。描述了电子和光电气体传感器的结构组件和基本原理，并突出了柔性可穿戴气体传感器设备。此外，介绍了具有人工智能算法的传感器阵列和“物联网”范式中的智能气体传感器。最后，讨论了智能气体传感器面临的挑战和前景，关于未来智能城市和健康生活对气体传感器的需求。相关研究以“Smart Gas Sensors: Recent Developments and Future Prospective”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。同济大学毛舜&李秋菊教授为文章通讯作者。（https://doi.org/10.1007/s40820-024-01543-w）

研究亮点

1. 介绍了先进电子和光电气体传感器的最新发展。

2. 突出了人工智能算法和“物联网”范式中的智能气体传感器阵列。

3. 描述了智能气体传感器在环境监测、医疗保健、食品质量控制和公共安全等领域的应用。

图文导读

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).

总结与展望

在过去的几十年里，智能气体传感器技术受到了集成、物联网和高级算法的推动，并从当前的刚性便携设备转变为灵活的可穿戴电子产品。本综述介绍了电学和光电气体传感器的基本工作原理、智能可穿戴气体传感器的完整操作流程、传感器架构以及智能气体传感器在各种应用中的最新进展。使用无线通信技术并且利用机器学习技术赋能物联网，可以很好地识别各种应用中的气体，具有高灵敏度的传感性能。智能气体传感器依旧存在以下挑战：感测精度和检测区分度、数据完整性和可重复性、低噪声、内在一致性、材料科学与数字集成。

这篇综述讨论了智能气体传感器的当前发展和未来前景。智能气体传感器的最新跨学科概念汇集了材料科学、嵌入式计算技术、无线传感网络和物联网的进步，这强调了其多功能性和变革潜力。