人体胃肠道（GI）体外模拟器是研究食物对肠道微生物群影响的重要技术平台，可以对关键生物标志物进行连续和实时监测。然而，对胃肠道体外模拟器中气体生物标志物的全面和实时监测需要一种更加经济有效的方法，而迄今为止，这一目标的实现仍然具有一定的挑战性。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自意大利博岑-博尔扎诺自由大学（Free University of Bozen-Bolzano）和布鲁诺·凯斯勒基金会（Bruno Kessler Foundation）的研究人员开发了一种基于碳纳米管（CNT）的集成式在线化学气体传感器，该传感器表面涂覆有一层聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，可用于连续监测人体微生物生态系统模拟器（SHIME）中的气体。研究结果表明，这种气体传感器能够在恶劣的厌氧、高湿度和酸性环境下长时间（16 h）连续监测不同阶段产生的气体，而不会出现饱和现象。因此，该研究开发的气体传感器平台是实时监测体外系统（如SHIME）中气体生物标志物的有效工具。相关研究成果以“In vitro gastrointestinal gas monitoring with carbon nanotube sensors”为题发表在Scientific Reports期刊上。
该研究开发的气体传感器照片及剖面示意图如图1所示。研究人员首先采用先前工作（Sahira Vasquez et al 2023 Flex. Print. Electron. 8 035012）中概述的方法对碳纳米管（CNT）进行了制备和沉积。在该研究中，研究人员通过使用空气辅助原子喷嘴（Krautzberger GmbH）对单壁碳纳米管（SWCNT）水悬浮液进行喷涂，在经过氧等离子体处理的聚酰亚胺（PI）表面沉积上一层单壁碳纳米管薄膜。
图1 基于碳纳米管的化学气体传感器照片及其对应的剖面材料图，以及在传感器制备过程中每个步骤所使用的技术
接着，研究人员使用自动丝网印刷机将银（Ag）电极印刷在12层碳纳米管上，随后将其在120℃的烤箱中烧结15 min。该研究设计的传感器具有两组由一系列宽度（300 μm）恒定的指状结构构成的平行共面电极，叉指状结构之间的间距恒定（300 μm），且每个叉指状结构都有特定的长度。此外，该研究制备的部分传感器上涂覆有PDMS薄膜（涂覆PDMS薄膜的碳纳米管），而另一部分传感器上则没有涂覆（裸碳纳米管）。随后，研究人员在制备的传感器上表面以130 rps/3 s/20 s的方式旋涂3层PDMS薄膜（Quantum Design Srl），并在100℃烘箱中烧结30 min，随后在室温下冷却。最后，通过将传感器水平浸入溶液中的方式将另一层PDMS薄膜沉积在PI下方，随后将该传感器按照先前所述的方法进行干燥。除了涂覆在碳纳米管上的PDMS薄膜之外，PI衬底下的这层额外的PDMS薄膜为整个传感器提供了额外的封装，从而形成了一道坚固的屏障，使传感器与外部环境隔绝，这也是与研究人员先前的工作和现有技术相比的一个显著特征。
图2 人体微生物生态系统模拟器（SHIME）实验装置示意图及相应照片
随后，研究人员分别展示了未涂覆和涂覆PDMS薄膜的碳纳米管气体传感器在持续数日的SHIME运行实验中的动态响应。研究结果表明，这种碳纳米管气体传感器能够在恶劣的厌氧、高湿度和酸性环境中长时间（16 h）连续监测不同阶段产生的气体，而不会出现饱和与明显的漂移。这是该传感系统标准化和控制方面的一大优势和改进，同时也证明了碳纳米管是一种适合在完全厌氧条件下进行传感的材料。
图3 两个涂覆PDMS薄膜的碳纳米管气体传感器在有/无恢复被动传感过程中的归一化响应随时间的变化
此外，研究结果还表明，在复杂的环境中，与裸碳纳米管气体传感器相比，涂覆PDMS薄膜的碳纳米管气体传感器表现出更高的响应，证明PDMS薄膜具有保护传感层免受周围恶劣环境条件影响的功能。
图4 气体传感器在短时间测试中的响应
综上所述，在这项初步研究工作中，研究人员证明了在线实时监测人体胃肠道模型微生物群中产生的气体生物标志物的可能性。这项研究的后续改进工作包括提高气体传感器的选择性，以及将所有电子器件和电极集成到一个传感单元中。此外，有必要在各种条件下对气体传感器的性能进行全面测试，包括但不限于涉及弯曲或其它物理应力的场景，以确保气体传感器的耐用性和多功能性。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-50134-z
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