一種基于聚合物的化學電阻式傳感器使患者檢測更容易

呼吸分析是一種用于醫(yī)學診斷的非侵入性（無創(chuàng)）檢測工具。然而，目前的呼吸分析儀價格昂貴、耗時，并且需要進行樣本氣體分離。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，澳大利亞悉尼大學（The University of Sydney）、新南威爾士大學（The University of New South Wales）等機構的研究人員組成的團隊在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了題為“A Polymer-Based Chemiresistive Gas Sensor for Selective Detection of Ammonia Gas”的論文，提出了一種基于聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸）（PAMPSA）的簡單、有效、低成本的氨氣傳感器，用于無創(chuàng)醫(yī)療診斷。所設計的傳感器對氨氣濃度的檢測范圍很寬，最高可達1000 ppm，檢測限為30 ppb。這是一種性能穩(wěn)定的傳感器，可在高相對濕度（RH > 90%）下工作，并能在不同的測試條件下表現(xiàn)出一致的電響應。盲測的結果驗證了該傳感器在二氧化碳等其它氣體存在的情況下對氨氣的選擇性響應。此外，將該傳感器集成到口罩中可準確地實時檢測氨氣?？傊?，這項研究證實了開發(fā)一種簡單、無創(chuàng)、經(jīng)濟高效的氨氣實時監(jiān)測傳感器的可行性，其在醫(yī)療診斷、食品安全和環(huán)境條件檢測等領域具有很大的應用潛力。

該PAMPSA傳感器的傳感機理基于磺酸根官能團與不同pH下帶電離子物種之間的相互作用，如圖1所示。在高濕度條件下，NH?和CO?等極性氣體溶解在水中，分別形成銨離子、碳酸氫根離子和碳酸根離子等帶電離子。解離離子的濃度影響該傳感器的電響應。

圖1 PAMPSA傳感器的傳感機理示意圖

在高濕度環(huán)境中（例如，人類呼出的氣體），由于PAMPSA具有吸濕性，因此它容易吸收水分。當NH?進入PAMPSA傳感器的直接環(huán)境并與傳感器系統(tǒng)中的濕氣接觸時，氣體會解離形成NH??離子，這些離子會通過靜電作用與傳感器表面PAMPSA的SO??相互作用，而其余離子會在聚合物鏈周圍形成簇，如圖1A所示。圖1B和1C分別顯示了PAMPSA溶液暴露于加濕NH?和CO?氣體后pH值的變化。

研究人員評估了PAMPSA傳感器在各種濃度的加濕CO?氣體（103–10? ppm/1–100% CO2）下的性能，如圖2所示。這種對CO?的低敏感性對于設計實時氣體傳感器具有重要價值，該傳感器可在CO?存在的情況下選擇性地檢測氨氣，用于呼氣分析等應用。在這種情況下，無需對呼吸樣本進行預處理，傳感器可以實時分析呼出的氣體。

圖2 PAMPSA傳感器在各種濃度的加濕CO?氣體（103–10? ppm/1–100% CO?）下的性能評估

為了驗證PAMPSA氣體傳感器在各種條件下準確檢測氨濃度的可行性，研究人員選擇了使用該傳感器進行呼氣測試的場景。他們測量了PAMPSA傳感器對加濕NH?氣體的響應、其響應時間、長期穩(wěn)定性以及不同條件下的選擇性，如圖3所示。

圖3 PAMPSA傳感器對NH?氣體的性能評估

研究人員進行了統(tǒng)計分析（ANOVA）以評估不同的測試條件是否會影響傳感器的整體性能。由于p > 0.05，平均值的差異不具有統(tǒng)計學意義（ns），這表明外部測試條件，如干擾氣體、高濕度和溫度變化，并沒有影響傳感器的性能。

為了減少偏差并驗證傳感器對氨氣的響應，研究人員進行了隨機對照試驗（盲測），如圖4所示。他們評估了PAMPSA傳感器準確預測未知介質中NH?氣體的能力。圖4A和4C顯示電阻下降，表明這些溶液中存在NH??；趥鞲衅鲗O?氣體的低敏感性，可以解釋為溶液2和4中含有CO?氣體（分別為圖4B和4D），而溶液5中不存在氣體介質（圖4E）。這些結果與實際溶液配方的對比（圖4F）表明，本研究設計的PAMPSA傳感器可用于準確測量NH?濃度。

圖4 PAMPSA傳感器對不同溶液的盲測

研究人員將PAMPSA傳感器集成到口罩中，然后安裝在人臉模型上，以驗證其在無創(chuàng)醫(yī)療診斷應用中的潛力。如圖5所示，當NH?氣體進入傳感器的直接環(huán)境時，傳感器的電阻瞬間下降，圖中以黃色突出顯示。氣體循環(huán)在N?/CO?和N?/CO?/NH?之間交替進行，這些交替氣體循環(huán)重復了6次，以演示傳感器在存在和不存在NH?氣體時的響應和恢復情況。該演示展示了傳感器通過呼吸分析實時、無創(chuàng)檢測氨氣的能力。

圖5 通過模擬呼吸測試評估傳感器的響應

綜上所述，本研究開發(fā)了一種基于聚合物的化學電阻式傳感器，該傳感器通過PAMPSA的磺酸基團與銨離子之間的相互作用來檢測NH?氣體。所開發(fā)的PAMPSA傳感器對各種NH?濃度（0.03–1000 ppm）表現(xiàn)出高靈敏度，并且在不同干擾氣體（例如N?和CO?）存在的情況下表現(xiàn)出相似的響應。該PAMPSA傳感器對NH?氣體的選擇性不受干擾氣體、高濕度和溫度變化等外部測試條件的影響。在隨機對照試驗中，盲測成功地證明了傳感器檢測NH?氣體的能力。最后，呼吸分析測試表明，該PAMPSA傳感器可集成到口罩中進行實時NH?氣體檢測，這代表了通過呼吸分析進行無創(chuàng)醫(yī)療診斷的潛力。該器件的實用性還可以通過使系統(tǒng)無線化來進一步提高，這將使患者檢測更容易，并將改善終端用戶的數(shù)據(jù)分析。

審核編輯：彭菁