對于低成本、可伸縮的氣體傳感設備來說，在潮濕環境中準確、連續地分析與醫療保健相關的氣體，如氮氧化物（NOx）仍然是難以實現的。 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，首先通過調整激光加工參數如功率、圖像密度和離焦距離來優化。 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測個人局部環境，并分析人體呼吸樣本，以將呼吸系統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境的生物標志物，用于早期疾病診斷。
Figure 1. a.用于環境監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。 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的動態響應曲線隨濃度從0.5～2.5ppm的增加而增加。 c連續8個循環對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基氣敏元件的抗濕性和伸縮性能。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. 用于環境監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，用于監測一天中不同時間（即，早上、中午和晚上）的室外空氣。 b環境中實際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大學Li Yang課題組于2022年在線發表于《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
