基于碳納米管的氣體傳感器用于人體胃腸道體外模擬器中氣體監(jiān)測(cè)

人體胃腸道（GI）體外模擬器是研究食物對(duì)腸道微生物群影響的重要技術(shù)平臺(tái)，可以對(duì)關(guān)鍵生物標(biāo)志物進(jìn)行連續(xù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。然而，對(duì)胃腸道體外模擬器中氣體生物標(biāo)志物的全面和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要一種更加經(jīng)濟(jì)有效的方法，而迄今為止，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自意大利博岑-博爾扎諾自由大學(xué)（Free University of Bozen-Bolzano）和布魯諾·凱斯勒基金會(huì)（Bruno Kessler Foundation）的研究人員開發(fā)了一種基于碳納米管（CNT）的集成式在線化學(xué)氣體傳感器，該傳感器表面涂覆有一層聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，可用于連續(xù)監(jiān)測(cè)人體微生物生態(tài)系統(tǒng)模擬器（SHIME）中的氣體。研究結(jié)果表明，這種氣體傳感器能夠在惡劣的厭氧、高濕度和酸性環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間（16 h）連續(xù)監(jiān)測(cè)不同階段產(chǎn)生的氣體，而不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因此，該研究開發(fā)的氣體傳感器平臺(tái)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體外系統(tǒng)（如SHIME）中氣體生物標(biāo)志物的有效工具。相關(guān)研究成果以“In vitro gastrointestinal gas monitoring with carbon nanotube sensors”為題發(fā)表在Scientific Reports期刊上。

該研究開發(fā)的氣體傳感器照片及剖面示意圖如圖1所示。研究人員首先采用先前工作（Sahira Vasquez et al 2023 Flex. Print. Electron. 8 035012）中概述的方法對(duì)碳納米管（CNT）進(jìn)行了制備和沉積。在該研究中，研究人員通過使用空氣輔助原子噴嘴（Krautzberger GmbH）對(duì)單壁碳納米管（SWCNT）水懸浮液進(jìn)行噴涂，在經(jīng)過氧等離子體處理的聚酰亞胺（PI）表面沉積上一層單壁碳納米管薄膜。

圖1 基于碳納米管的化學(xué)氣體傳感器照片及其對(duì)應(yīng)的剖面材料圖，以及在傳感器制備過程中每個(gè)步驟所使用的技術(shù)

接著，研究人員使用自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)將銀（Ag）電極印刷在12層碳納米管上，隨后將其在120℃的烤箱中燒結(jié)15 min。該研究設(shè)計(jì)的傳感器具有兩組由一系列寬度（300 μm）恒定的指狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的平行共面電極，叉指狀結(jié)構(gòu)之間的間距恒定（300 μm），且每個(gè)叉指狀結(jié)構(gòu)都有特定的長(zhǎng)度。

此外，該研究制備的部分傳感器上涂覆有PDMS薄膜（涂覆PDMS薄膜的碳納米管），而另一部分傳感器上則沒有涂覆（裸碳納米管）。隨后，研究人員在制備的傳感器上表面以130 rps/3 s/20 s的方式旋涂3層PDMS薄膜（Quantum Design Srl），并在100℃烘箱中燒結(jié)30 min，隨后在室溫下冷卻。最后，通過將傳感器水平浸入溶液中的方式將另一層PDMS薄膜沉積在PI下方，隨后將該傳感器按照先前所述的方法進(jìn)行干燥。除了涂覆在碳納米管上的PDMS薄膜之外，PI襯底下的這層額外的PDMS薄膜為整個(gè)傳感器提供了額外的封裝，從而形成了一道堅(jiān)固的屏障，使傳感器與外部環(huán)境隔絕，這也是與研究人員先前的工作和現(xiàn)有技術(shù)相比的一個(gè)顯著特征。

圖2 人體微生物生態(tài)系統(tǒng)模擬器（SHIME）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及相應(yīng)照片

隨后，研究人員分別展示了未涂覆和涂覆PDMS薄膜的碳納米管氣體傳感器在持續(xù)數(shù)日的SHIME運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。研究結(jié)果表明，這種碳納米管氣體傳感器能夠在惡劣的厭氧、高濕度和酸性環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間（16 h）連續(xù)監(jiān)測(cè)不同階段產(chǎn)生的氣體，而不會(huì)出現(xiàn)飽和與明顯的漂移。這是該傳感系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化和控制方面的一大優(yōu)勢(shì)和改進(jìn)，同時(shí)也證明了碳納米管是一種適合在完全厭氧條件下進(jìn)行傳感的材料。

圖3 兩個(gè)涂覆PDMS薄膜的碳納米管氣體傳感器在有/無恢復(fù)被動(dòng)傳感過程中的歸一化響應(yīng)隨時(shí)間的變化

此外，研究結(jié)果還表明，在復(fù)雜的環(huán)境中，與裸碳納米管氣體傳感器相比，涂覆PDMS薄膜的碳納米管氣體傳感器表現(xiàn)出更高的響應(yīng)，證明PDMS薄膜具有保護(hù)傳感層免受周圍惡劣環(huán)境條件影響的功能。

圖4 氣體傳感器在短時(shí)間測(cè)試中的響應(yīng)

綜上所述，在這項(xiàng)初步研究工作中，研究人員證明了在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體胃腸道模型微生物群中產(chǎn)生的氣體生物標(biāo)志物的可能性。這項(xiàng)研究的后續(xù)改進(jìn)工作包括提高氣體傳感器的選擇性，以及將所有電子器件和電極集成到一個(gè)傳感單元中。此外，有必要在各種條件下對(duì)氣體傳感器的性能進(jìn)行全面測(cè)試，包括但不限于涉及彎曲或其它物理應(yīng)力的場(chǎng)景，以確保氣體傳感器的耐用性和多功能性。

審核編輯：劉清