自己加熱機能搭載ウェアラブルガスセンサーで高精度な健康・環境監視を実現

既存のウェアラブルセンサーを改良し、自己加熱メカニズムを採用することで感度を向上させたウェアラブルガスセンサーが開発されました。これによりデバイスの迅速な回復と再利用が可能になります。このタイプの他のデバイスは外部ヒーターを必要とします。また、他のウェアラブルセンサーは、クリーンルーム条件下で高価かつ時間のかかるリソグラフィプロセスを必要とします。

レーザーパターニングで多孔質ナノ材料と発熱部を一体化

従来の研究では、大きな表面積対体積比を持つナノ材料をセンシングに利用してきましたが、ナノ材料自体が信号を受け取れないため、指のように互い違いになったインターディジテート電極が必要でした。

研究者たちはレーザーを用いて、ガス、生体分子、将来的には化学物質を検知するセンサー用に、グラフェンに類似した高多孔質の単一ラインナノ材料をパターニングしました。デバイスプラットフォームの非センシング部分には、銀でコーティングされたサーペンタイン（蛇行）ラインを作成。電流を銀に流すと、ガスセンシング領域が電気抵抗の大きさにより局所的に加熱され、別途ヒーターを必要としなくなりました。

サーペンタインラインはバネのように伸縮し、ウェアラブルセンサーとして身体の曲げ伸ばしに追従できます。

多様なナノ材料で幅広いガスを検知

使用されたナノ材料は、還元グラフェン酸化物と二硫化モリブデン、またはそれらの組み合わせ、あるいは酸化亜鉛コアと酸化銅シェルからなる金属酸化物複合体で、広く使用されるガスセンサー材料の2大クラス（低次元ナノ材料と金属酸化物ナノ材料）を代表しています。CO2レーザーを使用することで、プラットフォーム上に複数のセンサーを作成可能。計画では数十〜百個のセンサーを配置し、それぞれが異なる分子に選択的に反応する「電子鼻」として、複雑な混合物中の複数成分を解読します。

用途：神経・肺損傷物質の検知、バイオマーカー監視、環境汚染監視

用途には、神経や肺を損なう化学・生物学的エージェントの検知、人体からの気体バイオマーカー検知を含む患者健康監視、肺に影響を与える汚染物質の環境検知などがあります。

センサーは自動車排ガス由来の二酸化窒素、および硫酸化窒素とともに酸性雨の原因となる二酸化硫黄を検知できます。これらのガスは産業安全の観点からも問題となります。

今後の展開：高密度アレイ化と機械学習活用

研究者たちの次のステップは、高密度アレイの作成、信号の改善、センサーの選択性向上です。これには、プラットフォーム上の個々の分子の明確な信号を機械学習で識別することが含まれる可能性があります。

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