用于精神壓力監測的納米薄片型氧化錫氣體傳感器陣列
人類精神壓力管理在預防疾病和改善健康品質等醫療保健中至關重要。精神壓力可以通過測量人體釋放的不同精神壓力生物标志物的水準來量化。近年來，研究人員已經發現了與精神壓力相關的多種生物标志物。其中一種生物标志物是烯丙基硫醇，通過對烯丙基硫醇的監測，可以幫助被測者擷取初始的情緒緊張狀态，以預防慢性精神壓力。
據麥姆斯咨詢報道，近日，日本産業技術綜合研究所（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology，AIST）的研究人員開發出一種納米薄片型氧化錫（SnO2）氣體傳感器陣列，基于傳感器陣列信号響應的主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），采用監督學習算法建構出氣體分類模型，該分類模型提供的綜合資料可用于高精度地預測烯丙基硫醇。相關研究成果已發表于Scientific Reports期刊。
研究表明，與氧化錫納米顆粒相比，納米薄片型氧化錫對烯丙硫醇表現出更高的催化氧化活性，該特性歸因于納米薄片型氧化錫具有高反應活性的亞穩态表面結構。
（a）納米薄片型氧化錫和（b）商用氧化錫納米顆粒的透射電子顯微鏡（TEM）圖像，以及具有相應的快速傅裡葉變換（FFT）。
研究人員制備了納米薄片型氧化錫氣體傳感器，在氧化鋁（Al2O3）襯底上印刷了兩個梳狀電極，電極間距約為100 μm。納米薄片型氧化錫在傳感器晶片襯底上形成良好的分散狀态，并未重疊或者立在襯底上，而是具有相當的定向性。鑒于該氣體傳感器對烯丙基硫醇表現出較高的氣體選擇性，研究人員進一步制備了納米薄片型氧化錫氣體傳感器陣列，利用經過0.5小時、1小時、3小時和6小時合成的納米薄片型氧化錫組成該傳感器陣列。
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納米薄片型氧化錫氣體傳感器晶片的場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）圖像（藍色區域為電極）。（a）氧化鋁襯底上的鉑（Pt）電極；（b）鉑電極之間，在經過（c）0.5小時、（d）1小時、（e）3小時和（f）6小時合成後的納米薄片型氧化錫。
與同類商用氣體傳感器相比，該納米薄片型氧化錫氣體傳感器對烯丙基硫醇的響應速度更快。研究人員還測量了該傳感器陣列對其他生物标志物氣體的響應情況，以進行氣體鑒别，利用收集到的多種生物标志物氣體（烯丙基硫醇、丙酮、乙醛、乙醇、氫氣、異戊二烯、甲苯和對二甲苯）的傳感器陣列響應信号，對其進行主成分分析，實驗證明，在所測生物标志物氣體中，納米薄片型氧化錫對烯丙基硫醇的傳感器信号響應最高。在氣體鑒别測試中，該傳感器陣列也能很好地将空氣和烯丙基硫醇氣體進行區分。
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（a）不同空氣流量下的電阻變化。（b）54 ppm烯丙基硫醇氣體的傳感器信号響應。（c）11 ppm烯丙基硫醇在300°C時的電阻變化。
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（a）傳感器信号對各種氣體的響應。（b）各種氣體主成分分析結果。（c）空氣和烯丙基硫醇氣體在主成分分析結果的坐标圖。
