用于檢測VOC和人體呼氣的化學(xué)電阻式氣體傳感器的最新進(jìn)展

呼氣分析因其非侵入性和易于實(shí)時(shí)監(jiān)測而成為一種很有前景的醫(yī)學(xué)診斷方法。呼氣中的某些揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）被認(rèn)為是特定疾病的潛在生物標(biāo)志物。以納米材料為傳感界面的化學(xué)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(bào)道，近期，來自紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校、復(fù)旦大學(xué)等機(jī)構(gòu)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(diǎn)介紹了用于檢測VOC和人體呼氣的化學(xué)電阻式氣體傳感器的最新進(jìn)展，并探討了化學(xué)電阻式氣體傳感器技術(shù)在呼氣篩查和疾病監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，以及未來面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

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

化學(xué)電阻式氣體傳感器響應(yīng)特性和制造

具有納米顆粒結(jié)構(gòu)界面的化學(xué)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(xué)電阻式氣體傳感器由兩個(gè)關(guān)鍵部件組成：敏感膜和電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)電極。在傳統(tǒng)的電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)電極制造工藝中，通常采用光刻圖案技術(shù)。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(kuò)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(dǎo)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(shè)計(jì)和制造，為該領(lǐng)域帶來新的可能性和進(jìn)步。

用于VOC監(jiān)測的化學(xué)電阻式氣體傳感器

基于納米顆粒結(jié)構(gòu)界面的化學(xué)電阻式氣體傳感器具有可調(diào)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(diǎn)是納米材料和混合結(jié)構(gòu)），到先進(jìn)傳感系統(tǒng)的出現(xiàn)及其多樣化應(yīng)用，這些領(lǐng)域都取得了重要的進(jìn)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(jī)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(yīng)用。該研究所設(shè)計(jì)的分類模型在肺癌檢測實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出極高的準(zhǔn)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(dá)到0.99。同樣，在評估胃癌與對照組時(shí)，該分類模型也表現(xiàn)出卓越的性能，所有性能指標(biāo)都達(dá)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(jié)果仍然可被臨床認(rèn)可。

圖2 Hossam Haick等人基于納米傳感器進(jìn)行肺癌和胃癌呼氣診斷研究

在基于納米顆粒結(jié)構(gòu)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(yīng)用于可穿戴設(shè)備、人形機(jī)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(gè)傳感器都帶有單一類型的配體），能夠?qū)崿F(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(jìn)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(yīng)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(xué)電阻傳感器。通過對比分析柔性化學(xué)電阻傳感器在己烷、乙醇和丙酮蒸氣存在下的不同應(yīng)變條件下表現(xiàn)出的響應(yīng)靈敏度，證明了該器件響應(yīng)靈敏度的可調(diào)諧性。

圖4 Chuan-Jian Zhong等人提出的用于檢測VOC和器件應(yīng)變的柔性化學(xué)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(diào)的金納米顆粒和結(jié)構(gòu)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(fù)用能力對于檢測肺癌呼氣或其他生物標(biāo)志物中存在的各種異構(gòu)醇VOC至關(guān)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(jié)構(gòu)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(shè)備、呼吸采樣組件、數(shù)據(jù)處理和基于納米顆粒結(jié)構(gòu)界面的化學(xué)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(biāo)志物相關(guān)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(yīng)用方面，建立一種將納米結(jié)構(gòu)化學(xué)電阻傳感器陣列與數(shù)據(jù)分析集成的有效方法至關(guān)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(shè)備組成，能夠從化學(xué)電阻式氣體傳感器陣列對VOC和人體呼氣樣本的響應(yīng)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(shí)現(xiàn)高效管理和分析。該系統(tǒng)有望用于實(shí)時(shí)護(hù)理和遠(yuǎn)程監(jiān)測應(yīng)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(jié)構(gòu)界面的化學(xué)電阻式氣體傳感器應(yīng)用于各領(lǐng)域的巨大潛力。隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，下一代化學(xué)電阻式氣體傳感器的研究重點(diǎn)應(yīng)該是將增強(qiáng)的靈敏度和選擇性與人工智能相結(jié)合。這可以通過采用先進(jìn)的材料和結(jié)構(gòu)，或使用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法有效地提取目標(biāo)信號來實(shí)現(xiàn)，從而為更準(zhǔn)確、更可靠的VOC傳感解決方案鋪平道路，以滿足更多關(guān)鍵應(yīng)用需求。

目前，研究人員正致力于進(jìn)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(shù)最重要和變革性的應(yīng)用之一，將有助于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的化學(xué)電阻式氣體傳感器，以滿足各種可穿戴應(yīng)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(shí)檢驗(yàn)等篩查和診斷應(yīng)用領(lǐng)域也將取得重大進(jìn)展。

審核編輯：彭菁