《Sensors and Actuators A: Physical》：Sensor for exhaled air analysis based on graphene / PEDOT:PSS composite
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石墨烯/PEDOT:PSS复合薄膜传感器通过多层印刷结构实现高灵敏度呼吸监测，有效抑制水分子吸附干扰，并成功捕捉糖尿病和心脏病患者呼出气体中挥发性有机物谱变化。
作者：Ya.I. Rastyapin, A.I. Ivanov, M.B. Shavelkina, I.V. Antonova
俄罗斯科学院西伯利亚分院Rzhanov半导体物理研究所，Lavrentyev大街13号，新西伯利亚630090，俄罗斯
摘要
本文介绍了使用含有超薄石墨烯/PEDOT:PSS复合膜的传感器作为实时监测工具，用于分析呼出气体。研究表明，为了使基于石墨烯的呼吸传感器具有高灵敏度，其结构需要包含两到三层印刷层，其中单层等离子体合成的石墨烯以垂直片状排列，并通过导电聚合物PEDOT:PSS连接在一起。传感器在吸附某些分子（主要是供体分子）后导电性会增加，这些分子的脱附过程可持续100-150秒。这种传感器可以安装在面罩上，用于监测呼吸参数。通过使用特定结构的传感器（即在电流方向上印刷成条纹状的传感器），导电石墨烯区域与高电阻区域交替排列（这种结构在印刷过程中形成），可以抑制因水分子吸附而导致的导电性变化，从而更长时间地分离呼出气体中的成分。对患有慢性疾病（如糖尿病和心力衰竭）的志愿者进行的测试表明，该传感器能够实时监测呼出气体成分的变化，这些变化与志愿者的健康状况相关。
引言
可穿戴电子设备彻底改变了人体生理参数的测量、检测和监测方式。目前，非侵入性方法被认为是评估人体健康状况的最有前景的方法[1][2][3]。由于这些传感器无需侵入人体，因此可以用于实时疾病诊断和持续健康监测。当与专用应用程序结合使用时，它们不仅能够监测健康状况，还能对紧急情况做出快速响应[4][5]。微型和可穿戴传感器的广泛应用在人体健康分析中发挥着关键作用。除了依赖过去的测量数据外，记录当前的健康状态也非常重要。
长期以来，呼出气体分析一直是一种重要的诊断工具，可以评估一个人的整体健康状况。借助现有的设备[6]，可以监测呼吸频率、呼出气体体积、血氧饱和度等参数。这些设备还能监测睡眠和呼吸节奏。材料科学、纳米技术和柔性电子技术的最新进展促进了智能可穿戴传感器的发展[7][8][9]。这些技术突破极大地扩展了传感器的功能，使其超越了传统的监测范围。因此，近年来呼吸系统诊断在全面健康评估和检测疾病急性发作方面的作用日益重要。选择适当的诊断方法有助于识别特定情况下的呼吸问题。例如，可以在糖尿病或心血管疾病急性发作时检测患者状况，或在重症监护室监测患者参数，从而为疾病诊断提供新的途径[10][11]。特别是最新的呼吸传感技术使得将可穿戴呼吸传感器集成到面罩中成为可能，实现连续的实时呼吸数据采集。呼出气体中的挥发性有机化合物因个体而异，可作为多种疾病的生物标志物，这使它们成为生物识别和健康诊断的有力工具。结合物联网系统和机器学习技术，有望实现传感器数据的实时监测和分析，从而彻底改变医疗和临床应用[9][12]。
呼出气体中含有多种与各种疾病相关的生物标志物，如心血管疾病、糖尿病、哮喘、癌症、胃肠道疾病、呼吸系统疾病和慢性肺病等[13][14]。同时，可穿戴技术的快速发展催生了创新的健康监测工具，尤其是可穿戴呼吸传感器。例如，呼出气体中高浓度的氨（NH3）或二氧化氮（NO2）与肾脏疾病的风险相关[11]，而酮体水平的升高则与糖尿病和心血管疾病有关[15]。
本文展示了使用含有超薄石墨烯/PEDOT:PSS复合膜的传感器的研究成果。本研究的主要目的是展示通过在普通纸上使用2D打印技术制备的简单低成本传感器的广泛用途。研究表明，为了实现高灵敏度，基于石墨烯的呼吸传感器需要具有两到三层印刷层，其中单层等离子体合成的石墨烯以垂直片状排列，并通过导电聚合物PEDOT:PSS连接。通过使用具有导电石墨烯区域与高电阻区域交替结构的传感器（这种结构在印刷过程中通过预先设计的图案形成），可以抑制水分子吸附导致的导电性变化，并更长时间地分离呼出气体中的成分。对患有慢性疾病（糖尿病和心力衰竭）的志愿者进行的测试表明，该传感器能够实时监测呼出气体成分的变化，这些变化与志愿者的健康状况相关。
研究方法
传感结构的制备
碳纳米材料的合成使用了直流等离子体火炬的等离子体化学反应器。氦气作为等离子体生成气体，丙烷-丁烷混合物作为碳前驱体。合成过程中的压力为350 Torr。在这种条件下，获得了厚度均匀（2至5层单层）且粒径分布狭窄（100-200 nm）的单层石墨烯片[16]。
实验结果
2a显示了印刷在纸上的2L厚传感膜的SEM图像，可见石墨烯形成了垂直排列的片状结构。图2b展示了其中一个片状结构的AFM图像。
图3a和b展示了基于等离子体化学合成的石墨烯传感器的响应情况（不同活性薄膜厚度：2L、3L和6L），这些传感器对持续2秒和4秒的呼吸过程进行了响应。
讨论
通常，呼出气体中含有水蒸气（接近体温时的饱和蒸汽）、氮气（约79%）和二氧化碳（约4%）（这些数值基于干空气计算）。其他物质（包括挥发性有机化合物）在呼出气体中的比例很小[24]。呼出气体分析有助于疾病的检测、治疗效果的预测以及治疗的监测。与传统实验室方法相比，呼出气体分析具有优势...
结论
本研究测试了由等离子体合成的石墨烯与导电聚合物PEDOT:PSS复合材料制成的传感器的响应特性。结果表明，当传感器薄膜厚度约为10 nm时，其对呼吸的响应强度提高了两个到三个数量级。使用结构化的传感器可以抑制由于湿度变化引起的光谱峰值，从而改善其他呼出气体成分的可视化效果。对年轻人和老年人的光谱进行了比较...
作者声明
我们声明本手稿是原创的，此前未发表过，也没有其他机构正在考虑发表。
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作者贡献声明
Ya.I. Rastyapin：数据可视化、方法研究、数据分析。
M.B. Shavelkina：初稿撰写、验证、数据分析。
I.V. Antonova：初稿撰写、审稿与编辑、监督、概念设计。
A.I. Ivanov：初稿撰写、数据可视化、方法研究、数据分析。
资助
本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号：25–19–20035, 30–2025–000863）的支持。纳米材料的制备得到了俄罗斯科学与高等教育部的大力支持。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本论文研究的已知财务利益或个人关系。
Artem I. Ivanov于2022年在A.V. Rzhanov半导体物理研究所获得凝聚态物理学博士学位。自2018年起，他在纳米技术和纳米材料实验室担任研究员，目前专注于研究功能化石墨烯基材料的性质，包括氟化石墨烯、这些材料的层状和复合薄膜，以及其在2D打印技术和柔性电子中的应用。...
