對于低成本、可伸縮的氣體傳感設備來說，在潮濕環(huán)境中準確、連續(xù)地分析與醫(yī)療保健相關的氣體，如氮氧化物（NOx）仍然是難以實現(xiàn)的。 本研究提出了一種基于激光誘導石墨烯(LIG)的耐濕、可伸縮的NOx氣體傳感器的設計與演示。 LIG傳感和電極層夾在柔軟的彈性體襯底和防潮半透密封劑之間，首先通過調(diào)整激光加工參數(shù)如功率、圖像密度和離焦距離來優(yōu)化。 采用最佳激光加工工藝制備的針狀LIG氣敏元件，對NO和NO2的響應分別為4.18‰ppm-1和6.66‰ppm-1,對NO和NO2的超低檢測限分別為8.3ppb和4.0ppb,響應/回收率快，選擇性好。 在LIG電極中設計了一個可伸展的蛇形結構，并與剛性島隔離了應變，使得氣體傳感器可以伸展30%。 結合相對濕度為90%的防潮性能，該氣體傳感器進一步被證明可在一天中的不同時間監(jiān)測個人局部環(huán)境，并分析人體呼吸樣本，以將呼吸系統(tǒng)疾病患者與健康志愿者分類。 防潮、可伸展的NOx氣體傳感器可以擴展可穿戴設備的能力，以檢測來自人類和暴露環(huán)境的生物標志物，用于早期疾病診斷。
Figure 1. a.用于環(huán)境監(jiān)測和病人呼吸分析的基于激光誘導石墨烯(LIG)泡沫的防潮可伸縮氣體傳感系統(tǒng)。 圖示NO
x(NO
2或NO)相關的空氣污染和使用NOx氣體作為典型人類疾病的生物標志物。 b分解圖的LIG基防潮，可伸縮氣體傳感器，以顯示其結構布局。 c一個具有代表性的LIG氣體傳感器的光學圖像，該傳感器的放大視圖和針狀LIG的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像如插圖所示。 d可拉伸LIG氣體傳感器在不同變形（即拉伸、扭轉和卷繞到手指上）前后的三維圖像。
Figure 2. 對不同激光加工參數(shù)制備的LIG進行了表征。 在激光功率為a0.15W、b0.6W、c1.2W、d1.8W,掃描速度為2.54mm/s,圖像密度為500 ppi的條件下，制備了LiG的a-d掃描電鏡圖像。 在激光功率為0.60W,掃描速度為2.54mm/s,掃描密度為e750ppi和f1000ppi的條件下，制備了LiG的掃描電鏡圖像。 各種LiG樣品在a-d中的g拉曼光譜。 h用X射線光電子能譜(XPS)對激光功率為0.6W、圖像密度為500 ppi、掃描速度為2.54mm/s)制備的LiG進行了研究。
Figure 3. 激光加工參數(shù)對氣敏性能的影響。 用不同a功率和b像密度制備的LIG基氣體傳感器對1 ppm NO氣體的傳感性能，其比表面積用c和d表示。
Figure 4. 用最佳激光加工參數(shù)制備的LIG基氣敏元件的氣敏性能評價。a 氣體傳感器對1 ppm NO的典型響應曲線。 b氣體傳感器對NO的動態(tài)響應曲線隨濃度從0.5～2.5ppm的增加而增加。 c連續(xù)8個循環(huán)對1 ppm NO氣體傳感器的重復性測試。 從傳感器對NO的響應從200到1000 ppb得到線性擬合的d校準曲線。e 實驗演示了傳感器對20 ppb NO的響應。f 氣敏元件對NO
x的選擇性測試。
Figure 5. LIG氣敏元件的傳感機理及等效電路圖。a 化學電阻型LiG氣敏元件對NOx的傳感機理。b 氣體傳感器等效電路圖。
Figure 6. LiG基氣敏元件的抗?jié)裥院蜕炜s性能。a 顯示潮濕條件下無濕度氣體傳感的示意圖。 氣敏元件在不同相對濕度環(huán)境中的響應，如插圖所示為水接觸角，b無半透PDMS膜和c有半透PDMS膜。 d半透膜厚度(10-20μm)對氣敏響應的影響。e LIG氣敏元件在0～30%拉伸下對1 ppm NO響應。
Figure 7. 用于環(huán)境監(jiān)測和呼吸分析的基于LIG的氣體傳感器的演示。a 一種基于LIG的氣體傳感器的電阻變化，用于監(jiān)測一天中不同時間（即，早上、中午和晚上）的室外空氣。 b環(huán)境中實際NO
2濃度（上）與氣體傳感器響應（下）之間的比較。 無半透膜氣體傳感器c和有半透膜氣體傳感器d對呼吸系統(tǒng)疾病患者和健康志愿者呼氣樣本的響應。
相關研究工作由河北工業(yè)大學Li Yang課題組于2022年在線發(fā)表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊上，原文：Moisture-resistant, stretchable NOx gas sensors based on laser-induced graphene for environmental monitoring and breath analysis。
轉自《石墨烯研究》公眾號
