基于TENG的自供电呼气传感器，用于检测湿度和乙醇浓度
2024-01-27 16:32:36 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
呼吸是反映人体生理和病理健康状况的重要过程。呼气分析通过检测特定生物标志物的浓度变化，为诊断和监测疾病提供了一种简便、无创、快速和经济有效的方法。这种自供电的呼气传感器能够持续监测肺癌症状，并有助于检查是否符合法定饮酒限制。
呼吸是反映人体生理和病理健康状况的重要过程。呼气分析通过检测特定生物标志物的浓度变化，为诊断和监测疾病提供了一种简便、无创、快速和经济有效的方法。
据麦姆斯咨询报道，近日，谢里夫理工大学（Sharif University of Technology）的研究人员使用静电纺丝法合成的聚环氧乙烷/氧化亚铜复合纳米纤维（PCNF）作为传感材料，在呼气模拟器环境中测量乙醇浓度（1-200 ppm），并利用集成的接触分离式摩擦纳米发电机（TENG）为自供电的PCNF呼气传感器供电。在90%相对湿度（RH）且存在干扰气体的情况下，基于PCNF的气体传感器检测5 ppm和200 ppm乙醇的响应值分别为0.9和3.2，显示出良好的结果。这种自供电的呼气传感器能够持续监测肺癌症状，并有助于检查是否符合法定饮酒限制。相关研究成果以“Self-powered triboelectric nanogenerator sensor for detecting humidity level and monitoring ethanol variation in a simulated exhalation environment”为题发表在Scientific Reports期刊上。
在这项研究中，研究人员探索了在模拟与肺癌相关的人体呼出气体的环境中（包括在90% RH下不同的乙醇浓度）传感参数的变化。为了实现这一目标，采用静电纺丝法合成的纳米纤维结构被用作呼气传感器，其在间隙为100 μm、面积为2 cm × 2 cm的金溅射叉指电极基底上。两种类型的纳米纤维结构，即聚环氧乙烷纳米纤维（PNF）和聚环氧乙烷/氧化亚铜复合纳米纤维（PCNF），作为呼气传感器中的活性材料，并在不同条件下进行了测试。
呼气传感器的合成步骤：（a）PNF传感器，（b）PCNF传感器。
用于为呼气传感器供电的集成接触分离式摩擦纳米发电机（CS-TENG）由FTO玻璃和Kapton组成，其后面有铝带作为背接触层。集成TENG供电传感器的示意图如下所示。研究人员预测所开发的自供电湿度传感器与FTO/Kapton TENG相结合，将在各种频率下工作，而传感器的输出结果不会发生显著变化。
集成TENG供电传感器的表征
研究人员在三种不同的环境中评估了所开发传感器的性能：高湿度、干燥空气中的纯乙醇蒸汽和90 RH%下不同浓度的乙醇蒸汽（模拟呼出气体）。通过分析PCNF和PNF传感器在上述环境下电阻的变化来评估传感信号。与PNF传感器相比，PCNF传感器在所有测试环境中都表现出优异且一致的传感信号和响应水平，这主要是由于同时利用了亲水性聚环氧乙烷纳米纤维和氧化亚铜纳米颗粒，从而产生了更多的吸收位点。PCNF传感器在90 RH%、200 ppm纯乙醇和90 RH%下200 ppm乙醇中的响应值分别为9.1、2.5和3.2。
PNF传感器和PCNF传感器的传感性能测试
PCNF传感器的湿度吸附过程示意图
此外，还研究了基于PCNF的自供电呼气传感器在人体呼出气体传感环境中的性能，以在实际应用中测试传感响应值、响应/恢复时间和可重复性。
自然人体呼吸测试
总而言之，研究人员采用聚环氧乙烷/氧化亚铜复合纳米纤维和FTO/Kapton摩擦纳米发电机作为电源，开发了一种自供电呼气传感器，用于检测人体呼出气体中的乙醇水平。在三种不同的环境下评估了PCNF传感器的性能：高湿度、纯乙醇和90% RH下的乙醇（呼气模拟器）。PCNF传感器在90 RH%、200 ppm纯乙醇和90 RH%下的200 ppm乙醇中的响应值分别为9.1、2.5和3.2。值得注意的是，基于PCNF的传感器表现出显著的特性，例如一致的输出信号、持久的稳定性、优异的选择性和快速的响应/恢复时间。呼气传感器通过提供一种非侵入性的快速诊断工具，有可能彻底改变疾病诊断和监测领域。该呼气传感器在各种疾病领域的应用仍在探索中，需要进一步研究以了解该技术的潜力。尽管如此，这种呼气传感器的发展代表了一个有前途的研究领域，有可能提高疾病诊断和监测的准确性、速度和便利性。
论文信息：https://www.nature.com/articles/s41598-024-51862-6
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