用于精神压力监测的纳米薄片型氧化锡气体传感器阵列
2022-09-03 08:57:38   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

人类精神压力管理在预防疾病和改善健康质量等医疗保健中至关重要。精神压力可以通过测量人体释放的不同精神压力生物标志物的水平来量化。近年来，研究人员已经发现了与精神压力相关的多种生物标志物。其中一种生物标志物是烯丙基硫醇，通过对烯丙基硫醇的监测，可以帮助被测者获取初始的情绪紧张状态，以预防慢性精神压力。

据麦姆斯咨询报道，近日，日本产业技术综合研究所（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology，AIST）的研究人员开发出一种纳米薄片型氧化锡（SnO₂）气体传感器阵列，基于传感器阵列信号响应的主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），采用监督学习算法构建出气体分类模型，该分类模型提供的综合数据可用于高精度地预测烯丙基硫醇。相关研究成果已发表于Scientific Reports期刊。

研究表明，与氧化锡纳米颗粒相比，纳米薄片型氧化锡对烯丙硫醇表现出更高的催化氧化活性，该特性归因于纳米薄片型氧化锡具有高反应活性的亚稳态表面结构。

（a）纳米薄片型氧化锡和（b）商用氧化锡纳米颗粒的透射电子显微镜（TEM）图像，以及具有相应的快速傅里叶变换（FFT）。

研究人员制备了纳米薄片型氧化锡气体传感器，在氧化铝（Al₂O₃）衬底上印刷了两个梳状电极，电极间距约为100 μm。纳米薄片型氧化锡在传感器芯片衬底上形成良好的分散状态，并未重叠或者立在衬底上，而是具有相当的定向性。鉴于该气体传感器对烯丙基硫醇表现出较高的气体选择性，研究人员进一步制备了纳米薄片型氧化锡气体传感器阵列，利用经过0.5小时、1小时、3小时和6小时合成的纳米薄片型氧化锡组成该传感器阵列。

纳米薄片型氧化锡气体传感器芯片的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像（蓝色区域为电极）。（a）氧化铝衬底上的铂（Pt）电极；（b）铂电极之间，在经过（c）0.5小时、（d）1小时、（e）3小时和（f）6小时合成后的纳米薄片型氧化锡。

与同类商用气体传感器相比，该纳米薄片型氧化锡气体传感器对烯丙基硫醇的响应速度更快。研究人员还测量了该传感器阵列对其他生物标志物气体的响应情况，以进行气体鉴别，利用收集到的多种生物标志物气体（烯丙基硫醇、丙酮、乙醛、乙醇、氢气、异戊二烯、甲苯和对二甲苯）的传感器阵列响应信号，对其进行主成分分析，实验证明，在所测生物标志物气体中，纳米薄片型氧化锡对烯丙基硫醇的传感器信号响应最高。在气体鉴别测试中，该传感器阵列也能很好地将空气和烯丙基硫醇气体进行区分。

（a）不同空气流量下的电阻变化。（b）54 ppm烯丙基硫醇气体的传感器信号响应。（c）11 ppm烯丙基硫醇在300°C时的电阻变化。

（a）传感器信号对各种气体的响应。（b）各种气体主成分分析结果。（c）空气和烯丙基硫醇气体在主成分分析结果的坐标图。

研究人员称，虽然在潮湿条件下，该纳米薄片型氧化锡气体传感器阵列的传感性能略有下降，但该分类模型的综合数据仍可有效用于预测烯丙基硫醇，并且具有很高的精度。在气体识别和预测研究中，该纳米薄片型氧化锡有望成为提高人类精神应激监测的预测精度的关键材料。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-18117-8

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