對(duì)于低成本、可伸縮的氣體傳感設(shè)備來(lái)說(shuō)，在潮濕環(huán)境中準(zhǔn)確、連續(xù)地分析與醫(yī)療保健相關(guān)的氣體，如氮氧化物（NOx）仍然是難以實(shí)現(xiàn)的。 本研究提出了一種基于激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)的耐濕、可伸縮的NOx氣體傳感器的設(shè)計(jì)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(guò)調(diào)整激光加工參數(shù)如功率、圖像密度和離焦距離來(lái)優(yōu)化。 采用最佳激光加工工藝制備的針狀LIG氣敏元件，對(duì)NO和NO2的響應(yīng)分別為4.18‰ppm-1和6.66‰ppm-1,對(duì)NO和NO2的超低檢測(cè)限分別為8.3ppb和4.0ppb,響應(yīng)/回收率快，選擇性好。 在LIG電極中設(shè)計(jì)了一個(gè)可伸展的蛇形結(jié)構(gòu)，并與剛性島隔離了應(yīng)變，使得氣體傳感器可以伸展30%。 結(jié)合相對(duì)濕度為90%的防潮性能，該氣體傳感器進(jìn)一步被證明可在一天中的不同時(shí)間監(jiān)測(cè)個(gè)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(lèi)。 防潮、可伸展的NOx氣體傳感器可以擴(kuò)展可穿戴設(shè)備的能力，以檢測(cè)來(lái)自人類(lèi)和暴露環(huán)境的生物標(biāo)志物，用于早期疾病診斷。
Figure 1. a.用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和病人呼吸分析的基于激光誘導(dǎo)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(guān)的空氣污染和使用NOx氣體作為典型人類(lèi)疾病的生物標(biāo)志物。 b分解圖的LIG基防潮，可伸縮氣體傳感器，以顯示其結(jié)構(gòu)布局。 c一個(gè)具有代表性的LIG氣體傳感器的光學(xué)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(zhuǎn)和卷繞到手指上）前后的三維圖像。
Figure 2. 對(duì)不同激光加工參數(shù)制備的LIG進(jìn)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(duì)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(jìn)行了研究。
Figure 3. 激光加工參數(shù)對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)。a 氣體傳感器對(duì)1 ppm NO的典型響應(yīng)曲線。 b氣體傳感器對(duì)NO的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線隨濃度從0.5～2.5ppm的增加而增加。 c連續(xù)8個(gè)循環(huán)對(duì)1 ppm NO氣體傳感器的重復(fù)性測(cè)試。 從傳感器對(duì)NO的響應(yīng)從200到1000 ppb得到線性擬合的d校準(zhǔn)曲線。e 實(shí)驗(yàn)演示了傳感器對(duì)20 ppb NO的響應(yīng)。f 氣敏元件對(duì)NO
x的選擇性測(cè)試。
Figure 5. LIG氣敏元件的傳感機(jī)理及等效電路圖。a 化學(xué)電阻型LiG氣敏元件對(duì)NOx的傳感機(jī)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(wú)濕度氣體傳感的示意圖。 氣敏元件在不同相對(duì)濕度環(huán)境中的響應(yīng)，如插圖所示為水接觸角，b無(wú)半透PDMS膜和c有半透PDMS膜。 d半透膜厚度(10-20μm)對(duì)氣敏響應(yīng)的影響。e LIG氣敏元件在0～30%拉伸下對(duì)1 ppm NO響應(yīng)。
Figure 7. 用于環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)一天中不同時(shí)間（即，早上、中午和晚上）的室外空氣。 b環(huán)境中實(shí)際NO
2濃度（上）與氣體傳感器響應(yīng)（下）之間的比較。 無(wú)半透膜氣體傳感器c和有半透膜氣體傳感器d對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病患者和健康志愿者呼氣樣本的響應(yīng)。
相關(guān)研究工作由河北工業(yè)大學(xué)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
