呼气分析因其非侵入性和易于实时监测而成为一种很有前景的医学诊断方法。呼气中的某些挥发性有机化合物（VOC）被认为是特定疾病的潜在生物标志物。以纳米材料为传感界面的化学电阻式气体传感器作为呼气监测各种疾病的无创筛查和诊断工具之一，近些年来被广泛用于VOC检测。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自纽约州立大学宾汉姆顿分校、复旦大学等机构的研究人员在Advanced Sensor Research期刊上发表了题为“Flexible, Fibrous, and Rigid Chemiresistive VOC Sensors with Nanoparticle-Structured Interfaces”的综述文章，重点介绍了用于检测VOC和人体呼气的化学电阻式气体传感器的最新进展，并探讨了化学电阻式气体传感器技术在呼气筛查和疾病监测领域的应用进展，以及未来面临的挑战与机遇。
图1 用于监测人体呼气VOC生物标志物的系统示意图（包含检测电子设备、化学电阻式气体传感器阵列、数据处理）
化学电阻式气体传感器响应特性和制造
具有纳米颗粒结构界面的化学电阻式气体传感器的传感特性主要由颗粒间分子相互作用决定，气体的吸附会引起分子间相互作用的变化，从而改变传感器的电性能。
化学电阻式气体传感器由两个关键部件组成：敏感膜和电信号转导电极。在传统的电信号转导电极制造工艺中，通常采用光刻图案技术。然而，这种方法存在一定的局限性，包括成本高、材料限制和制造可扩展性有限。为了克服这些局限性，一种替代方法逐渐普及开来，即在低温和卷对卷加工条件下印刷导电油墨。这种创新的方法有望彻底改变3D纤维传感器的设计和制造，为该领域带来新的可能性和进步。
用于VOC监测的化学电阻式气体传感器
基于纳米颗粒结构界面的化学电阻式气体传感器具有可调谐性，可用于检测人体呼气中的VOC。从传感材料的开发（重点是纳米材料和混合结构），到先进传感系统的出现及其多样化应用，这些领域都取得了重要的进展。
在利用呼气检测肺癌和胃癌的研究方面，Hossam Haick等人通过分析呼气样本，研究了带有多种有机配体的金纳米颗粒衍生的纳米传感器在肺癌和胃癌诊断测试中的应用。该研究所设计的分类模型在肺癌检测实验中表现出极高的准确性、灵敏度和特异性，在受试者工作特征（ROC）分析中，曲线下面积（AUC）达到0.99。同样，在评估胃癌与对照组时，该分类模型也表现出卓越的性能，所有性能指标都达到了较高水平。该纳米传感器在更具挑战性的肺癌与胃癌分类模型中也表现出高性能，虽然略低于以往的模型，但这些结果仍然可被临床认可。
图2 Hossam Haick等人基于纳米传感器进行肺癌和胃癌呼气诊断研究
在基于纳米颗粒结构界面的柔性传感器研究方面，Hossam Haick等人提出了基于纳米颗粒的多参数传感系统，旨在识别、分类和分离VOC等常见的刺激物。该传感器有望应用于可穿戴设备、人形机器人和健康监测系统。利用基于金-单层金属纳米颗粒（Au-MCNP）的柔性传感器（每个传感器都带有单一类型的配体），能够实现对各种VOC的多参数传感能力，并对器件拉伸和压缩等弯曲状态进行评估。
图3 Hossam Haick等人提出的基于纳米颗粒的多参数传感系统
在用于检测VOC和器件应变的柔性传感器研究方面，Chuan-Jian Zhong等人利用微电极图案化聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为基底，涂覆金纳米颗粒的薄膜作为组件，制备了一种柔性化学电阻传感器。通过对比分析柔性化学电阻传感器在己烷、乙醇和丙酮蒸气存在下的不同应变条件下表现出的响应灵敏度，证明了该器件响应灵敏度的可调谐性。
图4 Chuan-Jian Zhong等人提出的用于检测VOC和器件应变的柔性化学电阻传感器
在用于检测VOC的纳米纤维纺织传感器研究方面，Benjamin S. Hsiao等人提出一种静电纺织聚合物纤维基板，该基板嵌入了由尺寸可调的金纳米颗粒和结构敏感的树状分子作为交联剂的纳米纤维。纳米纤维传感器所表现出的多路复用能力对于检测肺癌呼气或其他生物标志物中存在的各种异构醇VOC至关重要。
图5 Benjamin S. Hsiao等人提出的静电纺织聚合物纤维基板
在利用呼气VOC评估肺癌的研究方面，基于纳米结构传感器阵列在呼气VOC传感方面的卓越性能，Susan Lu等人展示了一种紧凑型无线呼气传感器系统。该集成系统由传感器电子设备、呼吸采样组件、数据处理和基于纳米颗粒结构界面的化学电阻式气体传感器阵列组成，可用于检测人类呼气样本中与肺癌生物标志物相关的VOC。
图6 Susan Lu等人提出的紧凑型无线呼气传感器系统
在传感器系统集成与人工智能（AI）数据分析应用方面，建立一种将纳米结构化学电阻传感器阵列与数据分析集成的有效方法至关重要，尤其是用于创建便携式和无线传感器系统。Chuan-Jian Zhong等人提出一种便携式无线传感器集成系统。该系统由传感器硬件和电子设备组成，能够从化学电阻式气体传感器阵列对VOC和人体呼气样本的响应中收集数据。此外，该系统将采集的数据无缝传输并存储在云数据库中，以实现高效管理和分析。该系统有望用于实时护理和远程监测应用，特别是用于肺癌呼气筛查。
图7 Chuan-Jian Zhong等人提出的便携式无线传感器系统
上述这些研究表明了基于纳米颗粒结构界面的化学电阻式气体传感器应用于各领域的巨大潜力。随着技术进一步发展，下一代化学电阻式气体传感器的研究重点应该是将增强的灵敏度和选择性与人工智能相结合。这可以通过采用先进的材料和结构，或使用先进的机器学习算法有效地提取目标信号来实现，从而为更准确、更可靠的VOC传感解决方案铺平道路，以满足更多关键应用需求。
目前，研究人员正致力于进一步提高基于纳米颗粒的柔性传感器的灵敏度、选择性和耐久性。未来，基于纳米颗粒的柔性传感器有望成为纳米技术最重要和变革性的应用之一，将有助于设计实现更先进的化学电阻式气体传感器，以满足各种可穿戴应用的需求，包括疾病的快速呼气筛查和有毒气体的环境监测。此外，在即时检验等筛查和诊断应用领域也将取得重大进展。
论文信息：
https://doi.org/10.1002/adsr.202300119
