电子科技大学Sensors and Actuators B: Chemical综述：基于气体/湿度传感器的无创疾病诊断研究进展

背景介绍：

无创呼吸分析具有实现非植入式疾病诊断的巨大潜力，是一种极具吸引力的健康管理策略。一方面，基于湿度传感器的呼吸行为监测（频率，连续性等）可实现对睡眠呼吸暂停、哮喘、心脏骤停和肺癌等诸多疾病的无创诊断；另一方面，一些特定的人体呼出气体（如氨气、硫化氢、一氧化氮和丙酮等）可作为不同疾病（如肾脏疾病、口臭、哮喘和糖尿病等）的生物标记物。与其它呼吸成分检测技术相比，基于化学传感器的无创呼吸诊断具有小型化、低功耗、结构简单、成本低等优点，有利于实现便携式高效呼吸分析。虽然在过去二十年中，人们对呼吸气体/湿度传感器的敏感性能进行了广泛的研究，但在实现临床疾病诊断方面仍面临诸多挑战。鉴于此，开发基于集成式传感器阵列的电子鼻将成为提高检测精度的有效途径之一。此外，结合自供电技术的呼吸分析有望摆脱对外部电源的依赖，在无创疾病诊断领域展现出良好的发展前景。

成果简介：

基于此，电子科技大学太惠玲教授研究小组报道了基于气体/湿度传感器的疾病无创呼吸分析研究进展，综述了基于可穿戴湿度传感器的呼吸行为监测和基于气体传感器的疾病初步诊断最新研究进展。作者首先介绍了基于呼吸分析的无创疾病诊断研究意义与价值，总括了将气/湿敏传感器应用于该领域的研究优势。随后，分别概述了近五年来无创呼吸诊断在气体/湿度传感器领域的研究现状。最后，在总结国内外研究进展的基础上，作者对基于气/湿敏传感器实现无创疾病诊断的实际应用挑战进行了分析与总结，并从单个传感器到集成器件及自供电健康监测系统发展角度进行了未来展望。研究成果以“Evolution of breath analysis based on humidity and gas sensors: Potential and challenges”为题发表在Sensors and Actuators B: Chemical上。

图文导读

图1：基于气体/湿度传感器的无创疾病诊断示意图

图2：用于人体呼吸行为监测的可穿戴湿度传感器

图3：聚多巴胺/石墨烯基湿度传感器用于呼吸行为多功能检测

图4：人体呼出湿气自驱动呼吸监测

图5：基于氨气传感器的血透患者呼吸分析

图6：基于丙酮传感器的糖尿病呼吸诊断

图7：基于一氧化氮传感器的呼吸诊断仪

图8：基于气体传感器阵列的呼吸气体分析仪

图9：基于摩擦电效应的自供能呼吸检测

结论与展望：

本文综述了基于气体/湿度传感器在实现无创呼吸分析方面的研究进展。一方面，可穿戴呼吸湿度传感器正朝着柔性化、良好生物相容性、多功能方向发展，并结合电路系统实现对人体呼吸行为智能监测。另一方面，为了摆脱复杂的预处理步骤，开发同时具有高选择、高响应、抗湿性良好、快速响应及低检测限的呼吸气体传感器成为实现可靠呼吸分析的重要途径。此外，为提高呼吸诊断精度，可结合微型气体传感器阵列及模式识别方法和大量临床数据进一步研究。近年来，基于压电效应、摩擦电效应及环境湿度驱动的新型自供电传感器已取得初步研究进展，通过进一步提高其传感性能有望实现无需外部电源供给的自供电呼吸分析。

论文作者为太惠玲教授和王斯博士（第一作者）。

文献链接：Evolution of breath analysis based on humidity and gas sensors: Potential and challenges (Sensors and Actuators B: Chemical, 2020, 318, 128104. DOI：https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128104)

本文由电子科技大学太惠玲教授研究小组供稿。