基于WO3/CNTs传感器与智能集成系统的现场NO2检测技术及其生物医学应用价值

本刊推荐：本研究创新性地将高性能三氧化钨/碳纳米管（WO3/CNTs）柔性气体传感器与智能集成传感系统（IISS）相结合，实现了对有毒气体二氧化氮（NO2）的室温高灵敏度检测（425.1% @1 ppm）及移动端实时监测。该系统为环境健康监测（Environmental Health Monitoring）、个人暴露评估（Personal Exposure Assessment）及呼吸系统疾病（Respiratory Diseases）预防提供了可穿戴式解决方案，推动了智能气体检测技术在公共健康领域的应用突破。

　　

Highlight

The novelty of combining a high-performance WO₃/CNTs sensor with a miniaturized IISS, offering a practical strategy for intelligent, wearable, and portable gas detection applications.

Introduction

近年来柔性气体传感器发展迅猛，但实际应用往往需要超越高性能传感材料本身的集成方案[1]。智能集成传感系统（IISS）将敏感器件与信号采集、处理和无线通信模块相结合，为实时现场环境监测和可穿戴电子设备提供了全新思路[2]。这种系统级集成不仅实现快速可靠检测，更能进行即时数据分析和可视化，为智能便携气体监测平台奠定基础[3]。在多种目标气体中，二氧化氮（NO₂）作为燃烧和工业过程产生的高毒性污染物[4][5]，即使痕量浓度也会对人类健康和环境造成重大威胁，包括呼吸道刺激、心血管并发症和生态系统破坏[6][7]。因此开发高灵敏、高选择性且便携的NO₂传感器对公共安全、环境保护和工业过程监测具有至关重要的意义[8]。

纳米材料因其高比表面积、可调控电子特性和化学多功能性受到广泛关注，在电磁波吸收、催化和电子器件领域具有多样化应用[9][10][11][12][13][14]。其中气体传感领域尤其引人瞩目——这些本征特性可被用于实现高灵敏度与高选择性检测[15]。特别值得一提的是，三氧化钨（WO₃）对氧化性气体（如NO₂）展现出强烈响应特性[16][17][18]。研究表明WO₃的传感性能强烈依赖于其晶粒尺寸、形貌和纳米结构，通过调控颗粒形态或构建WO₃复合材料可有效增加表面积和活性位点[19]。与此同时，碳纳米管（CNTs）基传感器也因室温气体传感特性引起关注[20][21]。WO₃与碳纳米结构的结合产生协同效应：WO₃提供丰富的气体吸附活性位点，而CNTs则促进电荷传输并增强机械柔性，有望突破单一组件的性能局限[22]。

尽管取得这些进展，仍存在两大挑战：首先，多数WO₃或CNTs基传感器仍需依靠高温激活表面反应，未能从根本上解决室温高效气体检测的难题；其次，在环境条件下实现NO₂的选择性高响应检测仍然困难重重。因此实现高性能室温NO₂传感仍是该领域紧迫且待攻克的关键难题。此外，随着智能监测需求的日益增长，不仅需要提升器件级传感性能，更亟需将传感器集成至具备信号采集、处理、无线传输和实时显示功能的完整系统中。

Performance of the Sensors

为全面评估CNTs掺入效果，本研究制备并测试了基于纯WO₃和WO₃/CNTs复合材料的五个传感器。如图S1所示，所有传感器在不同工作温度下对1 ppm NO₂的响应灵敏度均呈现相同变化趋势：响应值逐渐升高并在约200°C时达到峰值。这表明200°C是WO₃基器件的最佳工作温度。然而，不同组件的性能层级存在明显差异。

Implementation of IISS

针对上述气体传感器的系统级应用开展了深入研究。图5展示了本工作开发的智能集成传感系统（IISS）设计与实施架构，集成了电流信号采集/处理/传输的硬件系统和实时数据显示的软件功能。IISS包含五大核心功能单元：信号采集、信号处理、信号传输、移动应用（APP）和电源供应。当WO₃/CNTs气体传感器接触到目标气体时...

Conclusion

总之，本研究成功开发出集成IISS的WO₃/CNTs基柔性气体传感器用于NO₂监测。优化后的器件展现出对NO₂的高响应特性，同时具备优异的选择性、长期稳定性和耐湿性。更重要的是，本工作超越了材料级和器件级传感，实现了系统级集成——将信号采集、数据处理和无线传输功能整合至便携平台中。这些进展...