氣體傳感器在人體健康監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，可用于對(duì)一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO?）以及多種揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）等有害氣體進(jìn)行早期檢測(cè)與持續(xù)監(jiān)測(cè)。將氣體傳感器集成至可穿戴健康設(shè)備中，有助于實(shí)現(xiàn)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知與主動(dòng)管理。然而，現(xiàn)有柔性氣體傳感器的制備工藝復(fù)雜，制約了其規(guī)模化生產(chǎn)。近年來(lái)，具有高度多孔結(jié)構(gòu)和豐富活性位點(diǎn)的激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG），開(kāi)始成為極具潛力的新型氣敏材料。基于LIG的氣體傳感器展現(xiàn)出卓越的通用性，是多種氣體檢測(cè)應(yīng)用的理想選擇，其對(duì)氮氧化物（NO?）等一類(lèi)有害空氣污染物的高靈敏度、高選擇性檢測(cè)能力，為空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、排放控制及環(huán)境保護(hù)開(kāi)辟了新的路徑。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)程寰宇研究團(tuán)隊(duì)在Advanced Science期刊上發(fā)表了題為“Recent Advances in Laser-Induced Graphene-Based Gas Sensors: From Sensing Mechanisms to Biomedical Applications”的綜述文章，系統(tǒng)回顧了基于激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）的氣體傳感器技術(shù)，剖析了LIG及其納米復(fù)合材料的氣敏機(jī)制，著重強(qiáng)調(diào)了無(wú)線及獨(dú)立式氣敏平臺(tái)在可穿戴傳感器中的應(yīng)用潛力，并展望了基于LIG的氣體傳感器未來(lái)發(fā)展方向，展示了其在革新氣敏技術(shù)、應(yīng)對(duì)環(huán)境與人體健康挑戰(zhàn)方面的巨大潛力。
圖1 基于LIG的可穿戴氣體傳感器在人體健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
通用氣體傳感方法
氣體傳感方法依賴多種不同的作用機(jī)制，具體取決于傳感材料、信號(hào)轉(zhuǎn)換原理以及敏感層與目標(biāo)氣體分子之間的相互作用。與傳統(tǒng)氣體傳感機(jī)制（例如光學(xué)式、電化學(xué)式、量熱式、聲表面波式、化學(xué)電阻式等）相比，基于LIG的氣體傳感器在室溫工作能力、機(jī)械柔性以及可調(diào)控的表面化學(xué)特性等方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠有效突破傳統(tǒng)氣體傳感技術(shù)的多項(xiàng)瓶頸。
（1）基于LIG的氣體傳感機(jī)理
基于LIG的氣體傳感行為可通過(guò)其能帶調(diào)制機(jī)制來(lái)解釋，包括本征p型LIG、n型摻雜LIG以及基于LIG的p–n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
圖2 基于LIG的氣體傳感機(jī)制
除化學(xué)電阻型氣敏機(jī)制外，LIG固有的自熱特性及其衍生的熱電阻行為，還可用于檢測(cè)高熱導(dǎo)率氣體（例如煙道氣中的N?和CO?）。這種熱電阻型機(jī)制為氣體檢測(cè)提供了一種替代路徑，將LIG的應(yīng)用范圍從單純的吸附驅(qū)動(dòng)型化學(xué)電阻傳感拓展至更廣泛的領(lǐng)域。
（2）LIG的結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性能表征
在理解和優(yōu)化氣體傳感應(yīng)用的多孔LIG性能方面，表征起著至關(guān)重要的作用，它還提供了有關(guān)其結(jié)構(gòu)、形態(tài)和性能的重要見(jiàn)解。
圖3 LIG的結(jié)構(gòu)與性能特征
（3）基于LIG的NO?氣體傳感器的性能
氣體傳感技術(shù)在環(huán)境與人體健康監(jiān)測(cè)及保護(hù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)準(zhǔn)確檢測(cè)并量化空氣中的污染物、有害物質(zhì)等各類(lèi)氣體，氣體傳感器可為空氣質(zhì)量評(píng)估、環(huán)境法規(guī)合規(guī)性檢測(cè)以及人體有害暴露防護(hù)提供寶貴數(shù)據(jù)支撐。由于NO?對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境均具有顯著危害性，對(duì)其進(jìn)行可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與早期預(yù)警具有重要意義。三維多孔LIG卓越的物理化學(xué)特性，使其成為NO?氣體傳感的理想候選材料。
圖4 基于LIG的NO?氣體傳感器
（4）其它基于LIG的氣體傳感器
通過(guò)調(diào)控基于LIG的氣體傳感器的表面特性，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)NO?的高效檢測(cè)，還在氨氣（NH?）、揮發(fā)性有機(jī)化合物、濕度、氫氣（H?）等多種氣體的檢測(cè)中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。
圖5 用于檢測(cè)NH?、H?和濕度的基于LIG的氣體傳感器
除靈敏度、檢測(cè)限和響應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性外，基于LIG的氣體傳感器的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，也是其實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用必須重點(diǎn)考量的關(guān)鍵因素。為解決這一挑戰(zhàn)，研究人員已提出多種優(yōu)化策略，包括表面工程、物理隔離（例如引入膜結(jié)構(gòu)）、工作參數(shù)調(diào)制以及濕度補(bǔ)償?shù)确椒ā＿@些策略有助于在提升靈敏度的同時(shí)顯著增強(qiáng)傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
（5）氣體傳感器中的膜結(jié)構(gòu)策略
呼出氣體中較高的相對(duì)濕度給氣體檢測(cè)帶來(lái)了顯著挑戰(zhàn)，其根本原因在于水分子吸附會(huì)嚴(yán)重影響敏感層的反應(yīng)活性，這一影響在親水性LIG中尤為突出。盡管超疏水涂層可賦予傳感器優(yōu)異的防水性能，但往往會(huì)降低氣體滲透性，并引發(fā)耐久性問(wèn)題。相比之下，在LIG敏感區(qū)域引入半透性聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，可通過(guò)其硅氧烷主鏈（Si-O）為NO?分子提供有效的擴(kuò)散通道。
圖6 基于LIG的氣體傳感器的膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用策略
（6）面向遠(yuǎn)程應(yīng)用的下一代獨(dú)立式基于LIG的氣體傳感器
基于LIG的氣體傳感器在構(gòu)建面向環(huán)境與人體健康的全方位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面展現(xiàn)出巨大潛力。無(wú)線供能與數(shù)據(jù)通信技術(shù)是該類(lèi)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心支撐，各類(lèi)無(wú)線通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無(wú)纜線數(shù)據(jù)交互，具體包括：基于電磁波的藍(lán)牙技術(shù)、采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的ZigBee技術(shù)、基于無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)短距離非接觸式信息識(shí)別的射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，以及基于電磁感應(yīng)原理的近場(chǎng)通信（NFC）技術(shù)。
圖7 下一代解耦型氣體傳感器與獨(dú)立式氣體傳感器示意圖
結(jié)論與未來(lái)展望
LIG作為一種高度敏感和選擇性的活性材料，可用于連續(xù)氣體監(jiān)測(cè)應(yīng)用?；贚IG的氣體傳感器具備低成本、可規(guī)模化生產(chǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，非常適用于公共健康監(jiān)測(cè)設(shè)備。然而，基于LIG的氣體傳感器在可植入器件領(lǐng)域的研究仍處于空白階段，而該領(lǐng)域有望為血管舒張、神經(jīng)遞質(zhì)以及呼吸系統(tǒng)等生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)開(kāi)辟全新應(yīng)用場(chǎng)景。可植入器件面臨的主要難題之一是需要通過(guò)多次手術(shù)完成器件的植入與取出。近十年來(lái)，瞬態(tài)電子器件的概念應(yīng)運(yùn)而生，其可通過(guò)被動(dòng)或主動(dòng)方式隨時(shí)間自行降解，從而避免二次手術(shù)，為基于LIG的可植入傳感器的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑。
目前，大多數(shù)氣體傳感器僅專注于單一氣體（例如NO?、NH?或H?）的檢測(cè)，難以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人體鼻腔的多氣體協(xié)同檢測(cè)功能。為突破這一局限，可開(kāi)發(fā)“電子鼻（E-nose）”系統(tǒng)：通過(guò)傳感器陣列收集不同溫度下多種氣體的響應(yīng)信號(hào)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)解析傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多氣體的解卷積識(shí)別與濃度量化。
圖8 穩(wěn)健且智能化氣體傳感的實(shí)現(xiàn)策略
要實(shí)現(xiàn)真正可部署的無(wú)線傳感系統(tǒng)，目前主要有兩大發(fā)展策略：（1）將主動(dòng)無(wú)線通信模塊集成到傳統(tǒng)電路中；（2）開(kāi)發(fā)無(wú)源或自供電傳感平臺(tái)。每種策略都具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用限制。集成主動(dòng)無(wú)線模塊（例如藍(lán)牙、ZigBee）可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，適用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等分布式網(wǎng)絡(luò)，但其功耗較高，需優(yōu)化電源管理與電磁屏蔽。相比之下，NFC、RFID或太陽(yáng)能輔助平臺(tái)等無(wú)源無(wú)線方案具有超低功耗特性，甚至無(wú)需電池，維護(hù)成本低，但無(wú)源系統(tǒng)也存在固有挑戰(zhàn)，包括傳輸距離短、易受環(huán)境干擾，以及天線—傳感器協(xié)同設(shè)計(jì)復(fù)雜等挑戰(zhàn)。
綜合來(lái)看，LIG在降低制造成本、提升環(huán)境穩(wěn)定性、支持大面積部署以及加速數(shù)字化集成等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有望真正打通從實(shí)驗(yàn)室演示到工業(yè)級(jí)傳感基礎(chǔ)設(shè)施之間的鴻溝。
論文信息：
https://doi.org/10.1002/advs.202521138
《氣體和顆粒物傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2024版》
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