可穿戴无线气体传感器因其能够提供精准、实时的医疗健康与环境监测，并且不受时间和空间的限制，因而备受关注。在各种有毒气体中，氨气（NH₃）的检测尤为重要，因其具有极高的危害性。此外，氨气还可以作为诊断健康状况的无创生物标志物。
据麦姆斯咨询报道，近期，韩国庆北大学（Kyungpook National University）、延世大学（Yonsei University）等机构的研究团队开发出一种对氨气具有高选择性和稳定响应的可穿戴无线实时有毒气体监测系统。该系统能够及时对危险气体发出警报，同时也为更精准地进行与呼吸系统疾病相关的无创医疗诊断奠定了基础。相关研究成果以“A Wireless Wearable Sensor System Based on a Silver Nanowire-Decorated Silicon Nanomembrane for Precise and Continuous Hazardous Gas Monitoring”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。
这项研究提出的可穿戴无线实时有毒气体监测系统由银纳米线修饰硅纳米膜（AgNW-SiNM）气体传感器、用于提高气体传感性能的超薄柔性焦耳加热器、基于蓝牙低能耗（BLE）芯片的无线通信系统组成。通过将AgNW修饰在超薄SiNM上，形成了具有高比表面积的柔性气体传感器，该过程产生了肖特基势垒并增强了溢出效应，从而实现了对氨气的高灵敏度和高选择性。进一步地，将AgNW-SiNM气体传感器与柔性加热器和无线通信系统集成在一块柔性基板上，构成了完整的可穿戴系统。根据输入电压的不同，加热器可在室温至120℃范围内轻松稳定地运行。AgNW-SiNM气体传感器的理想工作温度为85℃，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）隔热层能够避免对皮肤表面造成有害的热损伤。得益于加热器的运行，该气体传感器在氨气暴露下的恢复时间得到了提升。
图1 本研究提出的可穿戴无线实时有毒气体监测系统
图2 AgNW-SiNM气体传感器的传感机制以及AgNW-SiNM量的优化
图3 超薄柔性加热器的性能以及加热引起的AgNW-SiNM气体传感器性能变化
经验证，该AgNW-SiNM气体传感器对浓度为10 ppm、5 ppm和1 ppm的氨气暴露响应分别约为1.83、1.47和1.19，响应可靠且可区分。此外，即使在机械变形的情况下，该传感器也无明显变化，展示了其作为可穿戴气体传感器的优异适用性。通过BLE通信，传感器的动态响应能够成功传输到便携式电子设备，基于安卓应用程序的用户界面可以实时监控有毒气体浓度。该系统中集成的触觉界面还能根据用户周围环境中有毒气体的浓度发出预警，提醒用户从危险环境中撤离。同时，所有实时监测数据都会被记录下来，以用于临床研究。
图4 AgNW-SiNM气体传感器的动态响应
图5 可穿戴无线实时有毒气体监测系统的无线通信模块、系统操作和用户界面
综上所述，这项研究提出的可穿戴无线实时有毒气体监测系统对氨气具有高选择性和稳定响应。该系统集成了AgNW-SiNM气体传感器、用于提高气体传感器性能的加热器以及用于与便携式电子设备进行实时蓝牙通信的无线电路。这种集成设计实现了多方面优势：通过将柔性加热器集成到叠层结构中，能够加快AgNW-SiNM气体传感器的响应和恢复时间；通过智能手机应用，能够实现不受空间限制的准确、实时气体监测和信息存储；当检测到有害气体浓度时，可通过触觉界面发出警报，并且所存储的数据可用于临床研究。该系统为及时对危险气体发出警报，以及更准确地进行与呼吸系统疾病相关的无创医疗诊断奠定了基础。
论文信息：
https://doi.org/10.1002/adfm.202419110
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