Fortschrittlicher selbstheizender Wearable-Gassensor für präzises Gesundheits- und Umweltmonitoring

Ein tragbarer Gassensor wurde entwickelt, der bestehende Wearable-Sensoren verbessert, da er einen Selbstheizmechanismus nutzt, der die Empfindlichkeit erhöht. Er ermöglicht schnelle Erholung und Wiederverwendung des Geräts. Andere Geräte dieser Art benötigen einen externen Heizer. Zudem erfordern andere Wearable-Sensoren einen teuren und zeitaufwändigen Lithografieprozess unter Reinraumbedingungen.

Laserstrukturierte Nanomaterialien und serpentine Heizleitungen

Frühere Arbeiten nutzten Nanomaterialien zum Sensieren, da ihr großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis sie hochempfindlich macht; jedoch kann das Nanomaterial kein Signal empfangen, was den Bedarf an interdigitierten Elektroden – ähnlich den Fingern einer Hand – erforderlich macht.

Die Forscher nutzten einen Laser, um eine hochporöse Einzellinie aus nanomaterial, ähnlich Graphen, für Sensoren zu strukturieren, die Gase, Biomoleküle und künftig Chemikalien detektieren. Im nicht-sensierenden Bereich der Geräteplattform erstellte das Team eine Reihe von serpentinen Linien, die mit Silber beschichtet sind. Wird ein elektrischer Strom durch das Silber geleitet, heizt sich der Gassensorbereich lokal aufgrund des deutlich höheren elektrischen Widerstands auf, wodurch ein separater Heizer entfällt.

Die serpentinen Linien ermöglichen dem Gerät, sich wie Federn zu dehnen, um sich der Körperbewegung für Wearable-Sensoren anzupassen.

Verwendete Nanomaterialien und Skalierbarkeit

Die verwendeten Nanomaterialien sind reduziertes Graphenoxid und Molybdändisulfid oder eine Kombination beider, oder ein Metalloxid-Komposit aus Zinkoxid-Kern und Kupferoxid-Schale – die zwei Klassen weit verbreiteter Gassensor-Nanomaterialien: niedrigdimensionale und Metalloxid-Nanomaterialien. Mittels CO₂-Laser können mehrere Sensoren auf der Plattform gefertigt werden. Ziel sind Dutzende bis hunderte Sensoren, jeweils selektiv für ein anderes Molekül wie eine elektronische Nase, ummultiple Komponenten in komplexen Mischungen zu dekodieren.

Anwendungen: Gesundheit, Umwelt, Industriesicherheit

Anwendungen umfassen einen Wearable-Sensor zur Detektion chemischer und biologischer Agenzien, die Nerven oder Lunge schädigen könnten, sowie Patientenmonitoring einschließlich gasförmiger Biomarker-Detektion aus dem menschlichen Körper und Umweltdetektion von Schadstoffen, die die Lunge beeinträchtigen.

Der Sensor kann Stickstoffdioxid detektieren, das durch Fahrzeugemissionen entsteht, und Schwefeldioxid, das zusammen mit Stickstoffdioxid sauren Regen verursacht. Diese Gase können in der Industriesicherheit ein Problem darstellen.

Der nächste Schritt der Forscher ist die Erstellung hochdichter Arrays, die Signalverbesserung und Erhöhung der Selektivität der Sensoren. Dies könnte den Einsatz von maschinellem Lernen zur Identifikation distinkter Signale einzelner Moleküle auf der Plattform beinhalten.