研究背景及意义

在生物医学与健康领域，人们始终渴望通过简单的呼吸分析就能准确检测潜在疾病。研究表明，人体呼出气体中存在超过800种化合物，其中许多与糖尿病、尿毒症和哮喘等疾病密切相关。这些化学生物标志物的浓度大多远低于人体嗅觉阈值，呼出气体中的浓度水平与上述疾病的病情状态存在显著关联。其中，急性哮喘病的发作如果没有及时使用药物缓解，可能在数分钟内引发窒息、呼吸衰竭甚至死亡。然而呼出气体分析检测面临高湿度、多组分气体共存及低检测限等挑战。因此，开发一种可以有效检测哮喘标志物（FeNO）的气体传感器尤为关键。

近日，长春理工大学杨颖教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Hierarchical nanostructure functionalized flexible ceramic thin films to construct environmentally stable chemical sensors”。长春理工大学为通讯单位，论文第一作者为长春理工大学化工学院在读博士生杨文远，通讯作者为杨颖教授。该项研究通过静电纺丝结合水热煅烧工艺，制备出一种自支撑全柔性的纳米纤维膜（YSZ/ZnO）。该自支撑式气体传感器具备：媲美蝴蝶翅膀的卓越疏水性、良好的透气性、超过四个月的稳定性、优异的机械柔韧性，以及对NO2的超灵敏检测能力（理论检测限达829 ppt）。该传感器能在模拟人体呼气环境下检测哮喘生物标志物。通过简易的光激发策略，该传感器展现出在高湿度下（>85% RH）对低浓度NO2（低于30 ppb）的卓越检测能力。本研究为开发新一代全无机柔性气体传感器提供了通用策略，在环境稳定型传感器、非侵入式人体呼吸检测及便携式可穿戴应用领域具有广阔前景。

创新设计及材料表征

本研究提出了一种分层级纳米结构设计的策略如图1所示：

采用静电纺丝制备的钇稳定氧化锆柔性陶瓷纤维薄膜作为敏感层的良好载体。传统陶瓷基底通常具有显著刚性与脆性，而添加稳定剂Y2O3可有效调控ZrO2纤维内部晶体结构，赋予其良好柔韧性。

敏感层ZnO作为一种宽带隙半导体（~3.2 eV），其直接带隙特性可响应紫外光。光激发技术大幅降低传感器能耗，实现室温高效检测.

作为陶瓷纤维，YSZ表面丰富的悬挂键可为MOS材料提供强键合位点。YSZ的高温耐受性完全满足MOS材料高温生长与煅烧以提高结晶度的需求，确保敏感层材料与基底间形成强力键合，从而增强传感器的柔韧性与长期稳定性。

图1.柔性YSZ/ZnO纳米纤维膜的制备过程及传感器制作工艺。

图2. YSZ及其ZnO复合材料的物相结构、化学态和光电性能。

图3. 通过水蒸发实验和接触角测试，对比分析了材料的亲疏水性能。

性能展示及模拟呼气分析

如图4所示，该YSZ/ZnO (II)柔性传感器可紧密贴合口罩，并在不同弯曲状态下对NO2的响应性能保持稳定，其低至116 MPa的杨氏模量展现了优异的柔韧性，在可穿戴健康监测领域应用潜力巨大。

图4. YSZ/ZnO (II)传感器的实物结构、不同弯曲状态下的性能测试以及力学性能分析。

YSZ/ZnO (II)传感器在室温及低功耗紫外光（5 W）辅助下，展现出卓越性能：对低至5 ppb的NO2仍具有2.16的明显响应，理论检测限达829 ppt；在十次重复测试中响应稳定，响应值与气体浓度线性相关度高（R2 = 0.995），并在四个月内表现出优异的长期稳定性。在高湿模拟呼气环境（37 °C，85 % RH）中，传感器对30 ppb NO2仍保持2.96的显著响应，并在多种干扰气体下表现出对NO2的高选择性，凸显其在呼气健康监测领域的应用潜力。

图5. 系统评估了YSZ/ZnO (II)传感器在室温及紫外光下对不同浓度NO2的动态响应、重复性、线性拟合、长期稳定性，并在模拟人体呼出气的条件下测试了其重复性及气体选择性。

综上所述，该研究通过柔性YSZ基底与ZnO敏感层的协同设计，成功研制出兼具优异柔性、疏水性、ppt级检测限和长期稳定性的室温气体传感器，为可穿戴健康监测提供了新方案

论文链接：DOI: 10.1016/j.cej.2025.170684