Forskere udvikler sensorer, der registrerer menneskelige biomarkører og giftig gas

En ny forståelse af nanomaterialer, sensordesign og fabrikationstilgange kunne hjælpe med at fremme strækbar, Bærbare gassensorer, der overvåger gasformige biomarkører i mennesker og giftig gas i et udsat miljø, ifølge forskere fra Penn State.

Anført af Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Karriereudviklingsprofessor i Penn State Department of Engineering Science and Mechanics, forskerholdet har for nylig offentliggjort en gennemgang af den nuværende tilstand af gasdetekterende strækbare sensorer i Tendenser i analytisk kemi .

Den seneste udvikling inden for gassensing-teknologier har gjort det muligt at detektere gasformige biomarkører hos mennesker ved at overvåge den metaboliske proces gennem udåndet åndedræt eller hudsved og detektere skadelige eller giftige gasser i menneskers omgivende miljø. Menneskelige bevægelser, der strækker huden betydeligt, kan nedbryde eller deformere sensorerne, gør den ude af stand til at detektere gasser nøjagtigt. For at lave en mere modstandsdygtig sensor, Cheng og hans team undersøgte de mest effektive sensorfremstillingsmetoder, der kunne fungere til en række forskellige applikationer.

"Med den seneste udvikling inden for åndedrætsanalyse, vi er begyndt at opbygge momentum i retning af at udvikle en gassensor, der kunne have en større platform af applikationer, " sagde Cheng.

Ifølge Cheng, gassensorerne kan hjælpe med at give en tidligere medicinsk diagnose ved at detektere flygtige organiske forbindelser (VOC'er) fra menneskelig ånde, hvilket kan indikere tilstedeværelsen af ​​flere sygdomme, herunder amøbe dysenteri, bakterielle tarminfektioner og kræft. Tidligere sensorer kunne kun overvåge glukose- og pH-niveauer.

"Fra menneskelig hudsved og den udåndede ånde, vi har omkring 2, 600 biomarkører i gasform, "Cheng sagde. "Dette giver os vital information, som vi kan udnytte i udviklingen af ​​sygdomsdiagnostik."

Ud over at overvåge disse biomarkører, sensorerne kan registrere farlige niveauer af giftige gasser, der kan være til stede i et menneskes omgivende miljø. For eksempel, sensorerne kunne registrere farlige niveauer af metan i kulminer og potentielt overvåge kulminearbejdernes sundhed og sikkerhed.

Nuværende gassensorer udviser lignende egenskaber som de versioner, som holdet studerer, men de har fejl, ifølge Cheng. For eksempel, metaloxidbaserede gassensorer har høje arbejdstemperaturer, gør dem for varme til, at folk kan bære dem. Ved at forbedre, hvordan nuværende gassensorer fremstilles, Cheng sagde, at han planlægger at udvikle en mere pålidelig og sikrere gassensor.

Forskerne er specifikt interesseret i en ny platform, der direkte integrerer laser-induceret grafen (LIG) via en simpel laserskriveproces. Ifølge Cheng, dette er en omkostningseffektiv måde at udvikle en mere følsom, mere selektiv sensor, der er i stand til hurtigt at detektere VOC'er og skadelig gas ved ultralave niveauer.

LIG er meget porøs og kan integreres med kulstofbaserede eller metaloxid nanomaterialer, som er meget følsomme over for gasser. Chengs platform består af LIG-laser, der er skrevet på en film, der overføres til et blødt substrat og belægges med ledende metal for at reducere dets modstand. På grund af den reducerede modstand skabt gennem denne metode, sensoren kan nemt fremkalde selvopvarmning. Den blandede metaloxid, der er integreret med den nye LIG gasfølende platform, gør dens brugbare temperaturer betydeligt lavere end den tidligere metaloxidbaserede gassensor.

Cheng og hans kolleger studerer også, hvordan formerne af kompositmaterialer, der omfatter bærbare, strækbare gassensorer kan påvirke deres miljøfølende ydeevne.

"Selvom en række forskellige nanomaterialer er blevet anvendt til strækbare gassensorer, der er stadig en lang række gasfølsomme nanomaterialer, der almindeligvis anvendes i stive gassensorer, som ikke er udforsket i deres strækbare modstykker, " sagde Cheng. "Vi er meget interesserede i at udforske disse nye nanomaterialer for at give tydelig selektivitet, høj følsomhed, hurtige reaktioner og brede detektionsgrænser for en ny klasse af strækbare gassensorer."