Een nieuw begrip van nanomaterialen, sensorontwerp en fabricagebenaderingen kunnen rekbare, draagbare gassensoren die gasvormige biomarkers bij mensen en giftig gas in een blootgestelde omgeving bewaken, volgens onderzoekers van Penn State.

Onder leiding van Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professor in loopbaanontwikkeling bij het Penn State Department of Engineering Science and Mechanics, het onderzoeksteam publiceerde onlangs een overzicht van de huidige staat van gasdetecterende rekbare sensoren in Trends in analytische chemie .

Recente ontwikkelingen in gasdetectietechnologieën hebben het mogelijk gemaakt om gasvormige biomarkers bij mensen te detecteren door het metabolische proces te volgen via uitgeademde adem of huidtranspiratie en om schadelijke of giftige gassen in de omgeving van de mens op te sporen. Menselijke bewegingen die de huid aanzienlijk uitrekken, kunnen de sensoren aantasten of vervormen, waardoor het niet in staat is om gassen nauwkeurig te detecteren. Om een ​​meer veerkrachtige sensor te maken, Cheng en zijn team onderzochten de meest effectieve methoden voor sensorfabricage die voor verschillende toepassingen zouden kunnen werken.

"Met recente ontwikkelingen in ademanalyse, we beginnen momentum op te bouwen in de richting van de ontwikkeling van een gassensor die een groter aantal toepassingen zou kunnen hebben, ' zei Chen.

Volgens Chen, de gassensoren kunnen helpen een eerdere medische diagnose te stellen door vluchtige organische stoffen (VOS) uit de menselijke adem te detecteren, die kunnen wijzen op de aanwezigheid van verschillende ziekten, waaronder amoebendysenterie, bacteriële darminfecties en kanker. Eerdere sensoren konden alleen glucose- en pH-waarden bewaken.

"Van transpiratie op de menselijke huid en de uitgeademde adem, we hebben er ongeveer 2, 600 biomarkers in gasvorm, " zei Cheng. "Dit geeft ons essentiële informatie die we kunnen gebruiken bij de ontwikkeling van ziektediagnostiek."

Naast het monitoren van deze biomarkers, de sensoren kunnen gevaarlijke niveaus van giftige gassen detecteren die aanwezig kunnen zijn in de omgeving van een mens. Bijvoorbeeld, de sensoren kunnen gevaarlijke hoeveelheden methaan in kolenmijnen detecteren en mogelijk de gezondheid en veiligheid van mijnwerkers bewaken.

Huidige gassensoren vertonen vergelijkbare kenmerken als de versies die het team bestudeert, maar ze hebben gebreken, volgens Chen. Bijvoorbeeld, op metaaloxide gebaseerde gassensoren hebben hoge werktemperaturen, waardoor ze te warm zijn voor mensen om te dragen. Door te verbeteren hoe de huidige gassensoren worden gefabriceerd, Cheng zei dat hij van plan is een betrouwbaardere en veiligere gassensor te ontwikkelen.

De onderzoekers zijn specifiek geïnteresseerd in een nieuw platform dat laser-geïnduceerd grafeen (LIG) direct integreert via een eenvoudig laserschrijfproces. Volgens Chen, dit is een kosteneffectieve manier om een ​​gevoeliger, selectievere sensor die snel VOC's en schadelijk gas kan detecteren op ultralage niveaus.

LIG is zeer poreus en kan worden geïntegreerd met op koolstof gebaseerde of metaaloxide nanomaterialen, die zeer gevoelig zijn voor gassen. Het platform van Cheng bestaat uit een LIG-laser die op een film is geschreven die wordt overgebracht naar een zacht substraat en wordt gecoat met geleidend metaal om de weerstand te verminderen. Vanwege de verminderde weerstand die door deze methode wordt gecreëerd, de sensor kan gemakkelijk zelfverhitting veroorzaken. Het gemengde metaaloxide dat is geïntegreerd in het nieuwe LIG-gasdetectieplatform maakt de werkbare temperaturen aanzienlijk lager dan de voormalige op metaaloxide gebaseerde gassensor.

Cheng en zijn collega's bestuderen ook hoe de vormen van composietmaterialen bestaande uit draagbare, rekbare gassensoren kunnen hun omgevingswaarnemingsprestaties beïnvloeden.

"Hoewel er verschillende nanomaterialen zijn toegepast voor rekbare gassensoren, er is nog steeds een breed scala aan gasgevoelige nanomaterialen die vaak worden gebruikt in stijve gassensoren die niet worden onderzocht in hun rekbare tegenhangers, " zei Cheng. "We zijn erg geïnteresseerd in het verkennen van deze nieuwe nanomaterialen om duidelijke selectiviteit te bieden, hoge gevoeligheid, snelle reacties en brede detectielimieten voor een nieuwe klasse rekbare gassensoren."