NML研究文章|自驱动呼气分析传感器:基于PANI/PVDF压电传感阵列

A Self-Powered Breath Analyzer Based on PANI/PVDF Piezo-Gas-Sensing Arrays for Potential Diagnostics Application

Yongming Fu, Haoxuan He, Tianming Zhao, Yitong Dai, Wuxiao Han, Jie Ma,Lili Xing, Yan Zhang, Xinyu Xue

Nano-Micro Lett. (2018) 10: 76

https://doi.org/10.1007/s40820-018-0228-y

本文亮点

构建基于PANI/PVDF压电阵列的自驱动呼气分析传感器,演示其在呼气检测诊断法中的潜在应用。

这种器件不需要外接电源,可直接将呼气气流的动能转化为传感电信号,并对外输出。

器件将PANI的室温气敏特性与PVDF的高压电效应结合在一起,在不同湿度、风速等环境条件下对特定呼气成份均表现出良好的分析传感性能。

内容简介

慢性病的早期诊断和筛查是提高治愈率的重要因素。相对于传统的血液检测诊断法,分析呼气成份的呼气检测诊断法因其安全无创、简单便捷、接受度高等特点,逐渐成为疾病早期诊断和预防领域的研究热点。

传统的呼气检测法大多采用气袋呼气取样、色谱分析方法,这种方法存在电源限制、过程繁琐、延迟分析等问题,难以满足现实需求。

东北大学薛欣宇教授课题组基于PANI/PVDF压电传感阵列,构建出自驱动呼气分析传感器,可用于对呼气成份的实时、便携、无源检测和分析。

该传感器不需要电源,可直接将呼气气流的动能转化并输出传感电信号,免除电源限制,便于携带,安全快捷。

实验表明,这种传感器可以在呼气中检测出多种疾病的标记物,并具有较好的稳定性和可重复性。这一研究提出了新型自驱动呼气分析传感器的概念,并进一步推动自驱动系统的发展。

图文导读

器件制作和材料表征

▲ 图1 (a)设计概念;(b)器件照片;(c)制作过程;(d)PANI/PVDF的SEM图像;(e) PANI/PVDF界面的放大SEM图像;(f)PVDF的SEM图像;(g)器件的等效工作电路图;(h)输出电流信号波形图。

通过电化学法制备5种不同传感性能的PANI室温传感电极阵列,以具备高压电特性的PVDF作为转量转化材料,构建出波纹管状的自驱动呼气分析传感器。该传感器不需要外部电源,可分析多种呼出气体标记物。

2 传感阵列对多种气体标记物的传感性能

▲ 图3 (a-e) PANI(SS)传感单元对多种标记气体的传感性能(a)丙酮;(b)一氧化碳;(c)乙醇;(d)甲烷;(e)氮氧化物;(f)响应值。

基本不同PANI电极的传感单元对丙酮、一氧化碳、酒精、甲烷、氮氧化物等多种呼出气体标记物表现出较好的灵敏性和选择性。这种优异的传感性能不受风速等因素影响,且随着湿度增加而变大。

3 工作机制分析

▲ 图8 工作原理示意图(a)没有气流通过器件时(b)空气气流通过时(c)带有响应气体的气流通过时。

PANI/PVDF压电传感阵列的传感性能是通过PANI的室温气敏特性与PVDF的高压电输出特性的耦合实现的。

当管内气流通过时,PVDF发生振动,产生压电输出。PANI作为传感电极,当气流中含有标记气体时,与PANI发生反应,改变PANI电阻,从而调制外电路中的输出电流。

自驱动呼气分析测试演示

▲ 图9 (a)测试平台;(b)未喝酒时,呼气产生电流;(c)喝一杯啤酒后呼气产生电流;(d)喝两杯啤酒后呼气产生电流

将自驱动呼气分析传感器应用于实时呼出酒精气体检测,以模拟脂肪肝患者的呼气诊断过程。

当呼气中含有不同含量的酒精气体时,检测到的输出电流随酒精浓度增加而减小。这一结论说明利用PANI/PVDF压电传感阵列进行自驱动呼气分析诊断的方法是可行的。

 

作者简介

主要研究领域:

纳米能源与自驱动传感系统

主页链接:

http://www.researcherid.com/rid/N-7444-2014

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