在過去的幾十年里，生物標志物檢測由于其在早期疾病診斷和個性化健康監(jiān)測方面的潛力，而受到醫(yī)療和健康領域的廣泛關注，有望在即將到來的云醫(yī)療（CMT）時代發(fā)揮關鍵作用。大量研究表明，人體呼出氣體中有800多種化合物，其中一些與不同器官的代謝密切相關，并且在患者和健康人之間呈現(xiàn)出不同的濃度水平，使其成為理想的體外生物標志物，以用于非侵入性診斷。其中，硫化氫（H2S）是一種由舌苔、牙周病、粘膜病等口腔疾病中積累的細菌的有機物代謝產(chǎn)生的典型生物標志物。一項臨床研究表明，口臭患者呼出的氣體中硫化氫的平均濃度為20.64 ppb，遠高于健康志愿者（3.36 ppb），這表明硫化氫可以作為口臭的非侵入性診斷指標。此外，硫化氫也可以作為細菌滋生后肉類變質的早期鑒別生物標志物。因此，精確監(jiān)測ppb級硫化氫對于從醫(yī)療健康到食品安全的各種應用都是非常必要的。此外，由于硫化氫的毒性，對相對較高濃度的硫化氫進行持續(xù)監(jiān)測是必要的。長期暴露在硫化氫濃度超過10 ppm的環(huán)境中會對人體健康產(chǎn)生嚴重的有害影響。目前，在醫(yī)學診斷中準確檢測硫化氫的方法有氣相色譜/質譜法、離子色譜法等。然而，這些方法繁瑣、成本高，并且耗時長，無法實現(xiàn)實時檢測。因此，迫切需要開發(fā)能夠檢測低濃度硫化氫的便攜式氣體傳感器。

為了適應可穿戴電子產(chǎn)品的要求，最重要的是使氣體傳感器具有柔性，甚至可拉伸性，從而使其與衣服或皮膚良好貼合。實現(xiàn)柔性氣體傳感器的一種策略是將傳感材料集成在柔性襯底上（例如聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺和Ecoflex）。然而，通過上述方法獲得的傳感器的可拉伸性受到襯底的極大限制，并且剛性傳感材料在受到外部機械應力后會受到損傷?？紤]到傳感器在人體運動過程中不可避免的變形、磨損和碰撞，另一種更有效的策略受到了廣泛關注，即開發(fā)具有內(nèi)在可拉伸性的傳感材料。水凝膠由水和三維聚合物網(wǎng)絡組成，由于其固有的可拉伸性、透明性、生物相容性和刺激響應性，近年來已被證明是可穿戴應用中最有潛力的傳感組件之一。然而，基于水凝膠的氣體傳感器的研究相對較少，而基于水凝膠的硫化氫傳感器的開發(fā)迄今為止尤其有限。

可穿戴或便攜式電子產(chǎn)品的另一個長期挑戰(zhàn)是需要持續(xù)的外部電源。受此驅動，基于各種能量收集技術，包括摩擦電、壓電、熱電、光電等的自供電傳感裝置應運而生。然而，這些技術很難用于靜態(tài)環(huán)境氣體的檢測，因為它們總是需要特定的能量源（運動、熱或光）來驅動，并且傳感性能也容易受到它們的干擾。為此，探索用于連續(xù)氣體監(jiān)測的自發(fā)自供電氣體傳感器是非常必要的。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自中山大學和天津理工大學的研究人員合作開發(fā)了一種基于原電池結構的低成本、柔性自供電傳感裝置，以用于各種應用場景下硫化氫生物標志物的分析。該傳感裝置的傳感機制歸因于氣體分子在電極表面的化學吸附所引起的電極電位的變化。固有可拉伸的有機水凝膠被用作固態(tài)電解質，以使傳感裝置在拉伸變形或各種環(huán)境下穩(wěn)定和長期工作。該研究最終開發(fā)出的開路傳感裝置具有高靈敏度、低檢測限（LOD）和對硫化氫的優(yōu)異選擇性。相關研究成果以“Design of stretchable and self-powered sensing device for portable and remote trace biomarkers detection”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

圖1 鋅（Zn）/銀（Ag）/雙網(wǎng)絡水凝膠（DNH）傳感器的制備與應用示意圖

該傳感器由兩個金屬電極和源自原電池的固體水凝膠電解質組成，其設計具有簡單和經(jīng)濟高效的特點，并且由于水凝膠電解質固有的柔性，該氣體傳感器可以承受任意拉伸和彎曲。在利用該傳感器檢測硫化氫的過程中，在沒有外部電源的情況下，研究人員首先對該傳感器的開路電壓（OCV）進行了測量，其值為水凝膠表面兩個電極之間的電極電勢之差。隨后，當傳感器暴露于目標氣體時，傳感器的開路電壓隨之發(fā)生變化，其響應機制歸因于氣體在電極表面的可逆弱化學吸附。

圖2 鋅（Zn）/銀（Ag）/雙網(wǎng)絡有機水凝膠（DNO）傳感器對硫化氫（H2S）的傳感性能

通過采用銀線作為活性電極，該傳感器具有高靈敏度（23.7 mV/ppm）、低檢測限（LOD = 0.79 ppb）、優(yōu)良的選擇性、良好的重復性和穩(wěn)定性。此外，該傳感器具有良好的抗干擾能力，在零下溫度、厭氧環(huán)境和拉伸變形下仍能保持功能，這與現(xiàn)有的硫化氫傳感器相比具有很強的競爭力。

圖3 該硫化氫傳感器在不同環(huán)境條件和場景下的傳感性能

最后，研究人員設計并開發(fā)了小尺寸的無線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過藍牙或云共享技術將檢測到的信號無線傳輸?shù)接脩艚K端，實現(xiàn)實時、遠程硫化氫監(jiān)控。

圖4 硫化氫檢測應用場景

總體而言，該工作為未來開發(fā)低成本、自供電、在室溫條件下具有高性能的可穿戴氣體傳感器提供了一個開創(chuàng)性的概念和基礎。這一重大進展在增強人類健康和安全方面有著巨大的前景，有助于傳感器技術領域的不斷進步。

審核編輯：劉清