Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

En bærbar gassensor til sundheds- og miljøovervågning

En bærbar gassensor kan overvåge miljømæssige og medicinske forhold. Kredit:Cheng Lab/Penn State

En meget følsom, Bærbar gassensor til miljø- og sundhedsovervågning kan snart blive kommercielt tilgængelig, ifølge forskere ved Penn State og Northeastern University.

Sensorenheden er en forbedring af eksisterende bærbare sensorer, fordi den bruger en selvopvarmende mekanisme, der øger følsomheden. Det giver mulighed for hurtig gendannelse og genbrug af enheden. Andre anordninger af denne type kræver en ekstern varmelegeme. Ud over, andre bærbare sensorer kræver en dyr og tidskrævende litografiproces under renrumsforhold.

Hånd og arm viser sensor påført indvendig skrivning med mobiltelefonstørrelse læst ved siden af.

"Folk kan lide at bruge nanomaterialer til sansning, fordi deres store overflade-til-volumen-forhold gør dem meget følsomme, " sagde Huanyu Cheng, assisterende professor i ingeniørvidenskab og mekanik og materialevidenskab og teknik, Penn State. "Problemet er, at nanomaterialet ikke er noget, vi nemt kan tilslutte os med ledninger for at modtage signalet, nødvendiggør behovet for noget, der kaldes interdigiterede elektroder, som er ligesom cifrene på din hånd."

Cheng og hans team bruger en laser til at mønstre en meget porøs enkelt linje af nanomateriale svarende til grafen til sensorer, der detekterer gas, biomolekyler, og i fremtiden, kemikalier. I den ikke-følende del af enhedsplatformen, holdet skaber en række serpentinlinjer, som de beklæder med sølv. Når de tilfører en elektrisk strøm til sølvet, gasfølerområdet vil lokalt varme op på grund af væsentligt større elektrisk modstand, eliminerer behovet for et separat varmelegeme. Serpentine-linjerne tillader enheden at strække sig, som fjedre, at tilpasse sig kroppens bøjning for bærbare sensorer.

De nanomaterialer, der anvendes i dette arbejde, er reduceret grafenoxid og molybdændisulfid, eller en kombination af de to; eller en metaloxidkomposit bestående af en kerne af zinkoxid og en skal af kobberoxid, repræsenterer de to klasser af udbredte gassensormaterialer - lavdimensionelle og metaloxidnanomaterialer.

"Ved at bruge en CO 2 laser, findes ofte i maskinværksteder, vi kan nemt lave flere sensorer på vores platform, " sagde Cheng. "Vi planlægger at have ti til hundrede sensorer, hver selektiv til et andet molekyle, som en elektronisk næse, at afkode flere komponenter i en kompleks blanding."

U.S. Defense Threat Reduction Agency er interesseret i denne bærbare sensor til at detektere kemiske og biologiske midler, der kan beskadige nerver eller lunger, ifølge forskerne. Et medicinsk udstyrsfirma arbejder også sammen med teamet om at opskalere produktionen til patientsundhedsovervågning, herunder påvisning af gasformige biomarkører fra menneskekroppen og miljøpåvisning af forurenende stoffer, der kan påvirke lungerne.

Ning Yi, en ph.d.-studerende i Chens laboratorium og co-lead forfatter af papiret, der er lagt ud online i Journal of Materials Chemistry A , sagde, "I denne avis, vi viste, at vi kunne påvise nitrogendioxid, som er produceret af køretøjers emissioner. Vi kan også påvise svovldioxid, hvilken, sammen med nitrogendioxid, forårsager sur regn. Alle disse gasser kan være et problem i industriel sikkerhed."

Forskerne sagde, at deres næste skridt er at skabe højdensitetsarrays og prøve nogle ideer til at forbedre signalet og gøre sensorerne mere selektive. Dette kan involvere at bruge maskinlæring til at identificere de forskellige signaler fra individuelle molekyler på platformen.