用于实时呼吸监测的超低功耗二氧化碳传感器
实时呼吸监测用超低功耗二氧化碳传感器的研究
学术背景介绍
二氧化碳（CO₂）是人体呼吸过程中产生的重要气体，其浓度的实时监测对诊断和治疗呼吸系统疾病（如哮喘、呼吸困难、睡眠呼吸暂停）以及代谢性疾病至关重要。传统的CO₂监测方法，如动脉血气分析，具有侵入性，不适合长期连续监测。虽然非分散红外吸收（NDIR）传感器被广泛使用，但其体积大、功耗高，限制了其在便携式设备中的应用。
近年来，光化学传感器因其体积小、灵敏度高而成为非侵入性CO₂检测的潜在候选者。然而，光化学传感器的短寿命和染料光漂白问题制约了其在长期呼吸监测中的应用。为了解决这些问题，Kim等人开发了一种基于荧光pH指示剂的新型光化学CO₂传感器，其具有超低功耗和增强的稳定性，为实时呼吸监测提供了可能。
论文来源
本论文由韩国科学技术院（KAIST）的Minjae Kim、Dongho Choi、Chan-Hwi Kang和Seunghyup Yoo共同完成。论文于2025年5月16日发表在*Device*期刊上，标题为《Ultralow-power carbon dioxide sensor for real-time breath monitoring》。
研究流程与结果
1. 传感器设计与材料开发
研究人员设计了一种基于柔性电路的传感器，其核心是使用荧光pH指示剂8-羟基芘-1,3,6-三磺酸盐（HPTS）作为CO₂敏感材料。HPTS在特定波长下被激发，其荧光强度随CO₂浓度变化而变化。为了增强传感器的稳定性和光利用率，研究人员采用了聚丙烯酸甲酯（PPMA）作为聚合物基质，并引入了气体可渗透的聚偏氟乙烯（PVDF）散射层。
2. 传感器制造与集成
传感器由有机光电二极管（OPD）、LED、HPTS薄膜和PVDF散射层组成。LED的发射波长为400 nm和470 nm，分别用于激发HPTS的参考信号和传感信号。研究人员通过优化LED的工作电压和占空比，将光发射组件的功耗降低至171 mW。此外，传感器采用柔性印刷电路板（FPCB）实现电气连接，使其具备良好的弯曲性能。
3. 传感器性能测试
研究人员对传感器的响应时间、稳定性和准确性进行了全面测试。在CO₂浓度变化时，传感器表现出快速的响应（上升时间为9.2秒）和恢复时间（18.6秒），优于商业NDIR传感器。传感器的长寿命测试显示，其连续工作时间超过9小时，且误差小于5%。此外，传感器在干燥环境下的CO₂浓度测量误差显著增加，但在重新暴露于潮湿空气后迅速恢复。
4. 实时呼吸监测演示
为了验证传感器的实际应用潜力，研究人员将其集成到口罩中，用于监测志愿者的呼吸模式。传感器成功捕捉到了吸气和呼气过程中的CO₂浓度变化，并生成了类似脉搏波的波形图（capnogram）。这种高时间分辨率使传感器能够用于监测呼吸频率和进行呼吸波形分析。
结论与意义
本研究开发了一种超低功耗、高稳定性的光化学CO₂传感器，为实时、连续呼吸监测提供了新的解决方案。传感器的快速响应、低功耗和长寿命特性使其在医疗和工业领域具有广泛的应用前景。此外，本研究阐明了非线性响应的起源，并提出了染料光漂白问题的优化策略，为未来光化学传感器的设计提供了重要的理论指导。
研究亮点
- 超低功耗：传感器光发射组件的功耗仅为171 mW，显著低于传统传感器。
- 高稳定性：通过优化材料和结构，传感器的连续工作时间超过9小时，误差小于5%。
- 快速响应：传感器的响应时间优于商业NDIR传感器，适合实时监测应用。
- 便携性：传感器体积小、重量轻，可轻松集成到口罩等便携设备中。
- 理论基础：本研究揭示了HPTS非线性响应的起源，并提出了染料光漂白的优化方案。
其他有价值的信息
研究团队还计划整合湿度传感器，以进一步减少干燥环境下测量误差，提升传感器的实用性。这种多功能的传感器组合有望在个人防护设备、工业安全监测等领域发挥重要作用。