En ny förståelse för nanomaterial, sensordesign och tillverkningsmetoder kan bidra till att förbättra töjbar, bärbara gassensorer som övervakar gasformiga biomarkörer hos människor och giftig gas i en exponerad miljö, enligt forskare från Penn State.

Leds av Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Karriärutvecklingsprofessor vid Penn State Department of Engineering Science and Mechanics, forskargruppen publicerade nyligen en översyn av det nuvarande tillståndet för gasdetekterande töjbara sensorer i Trender inom analytisk kemi .

Den senaste utvecklingen inom gasavkänningsteknologier har gjort det möjligt att upptäcka gasformiga biomarkörer hos människor genom att övervaka den metaboliska processen genom utandningsandning eller hudsvett och upptäcka skadliga eller giftiga gaser i människans omgivande miljö. Mänskliga rörelser som avsevärt sträcker ut huden kan försämra eller deformera sensorerna, vilket gör att den inte kan detektera gaser exakt. För att göra en mer motståndskraftig sensor, Cheng och hans team undersökte de mest effektiva sensortillverkningsmetoderna som kunde fungera för en mängd olika applikationer.

"Med den senaste utvecklingen inom andningsanalys, vi börjar bygga fart mot att utveckla en gassensor som kan ha en större plattform av applikationer, " sa Cheng.

Enligt Cheng, gassensorerna kan hjälpa till att ge en tidigare medicinsk diagnos genom att detektera flyktiga organiska föreningar (VOC) från mänskliga andetag, vilket kan indikera förekomsten av flera sjukdomar, inklusive amöbisk dysenteri, tarmbakteriella infektioner och cancer. Tidigare sensorer kunde bara övervaka glukos- och pH-nivåer.

"Från mänsklig hudsvett och andedräkt, vi har ca 2, 600 biomarkörer i gasform, ", sa Cheng. "Detta ger oss viktig information som vi kan dra nytta av i utvecklingen av sjukdomsdiagnostik."

Förutom att övervaka dessa biomarkörer, sensorerna kan upptäcka farliga nivåer av giftiga gaser som kan finnas i en människas omgivande miljö. Till exempel, sensorerna kan upptäcka farliga nivåer av metan i kolgruvor och potentiellt övervaka kolgruvarbetarnas hälsa och säkerhet.

Nuvarande gassensorer uppvisar liknande egenskaper som de versioner som teamet studerar, men de har brister, enligt Cheng. Till exempel, metalloxidbaserade gassensorer har höga arbetstemperaturer, gör dem för varma för folk att bära. Genom att förbättra hur nuvarande gassensorer tillverkas, Cheng sa att han planerar att utveckla en mer pålitlig och säkrare gassensor.

Forskarna är särskilt intresserade av en ny plattform som direkt integrerar laserinducerad grafen (LIG) via en enkel laserritningsprocess. Enligt Cheng, detta är ett kostnadseffektivt sätt att utveckla en mer känslig, mer selektiv sensor som snabbt kan upptäcka VOC och skadlig gas vid ultralåga nivåer.

LIG är mycket poröst och kan integreras med kolbaserade eller metalloxid-nanomaterial, som är mycket känsliga för gaser. Chengs plattform består av LIG -laser som skrivs ut på en film som överförs till ett mjukt underlag och belagd med ledande metall för att minska dess motstånd. På grund av det minskade motståndet som skapas genom denna metod, sensorn kan lätt inducera självuppvärmning. Den blandade metalloxiden integrerad med den nya gasavkänningsplattformen LIG gör att dess arbetstemperaturer är betydligt lägre än den tidigare metalloxidbaserade gassensorn.

Cheng och hans kollegor studerar också hur formerna på kompositmaterial som består av bärbara, töjbara gassensorer kan påverka deras miljöavkänningsprestanda.

"Även om en mängd olika nanomaterial har använts för töjbara gassensorer, det finns fortfarande ett brett utbud av gaskänsliga nanomaterial som vanligtvis används i stela gassensorer som inte utforskas i sina töjbara motsvarigheter, ", sa Cheng. "Vi är mycket intresserade av att utforska dessa nya nanomaterial för att ge distinkt selektivitet, hög känslighet, snabba svar och breda detektionsgränser för en ny klass av töjbara gassensorer."