人體胃腸道（GI）體外模擬器是研究食物對腸道微生物群影響的重要技術平臺，可以對關鍵生物標志物進行連續(xù)和實時監(jiān)測。然而，對胃腸道體外模擬器中氣體生物標志物的全面和實時監(jiān)測需要一種更加經濟有效的方法，而迄今為止，這一目標的實現仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自意大利博岑-博爾扎諾自由大學（Free University of Bozen-Bolzano）和布魯諾·凱斯勒基金會（Bruno Kessler Foundation）的研究人員開發(fā)了一種基于碳納米管（CNT）的集成式在線化學氣體傳感器，該傳感器表面涂覆有一層聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，可用于連續(xù)監(jiān)測人體微生物生態(tài)系統(tǒng)模擬器（SHIME）中的氣體。研究結果表明，這種氣體傳感器能夠在惡劣的厭氧、高濕度和酸性環(huán)境下長時間（16 h）連續(xù)監(jiān)測不同階段產生的氣體，而不會出現飽和現象。因此，該研究開發(fā)的氣體傳感器平臺是實時監(jiān)測體外系統(tǒng)（如SHIME）中氣體生物標志物的有效工具。相關研究成果以“In vitro gastrointestinal gas monitoring with carbon nanotube sensors”為題發(fā)表在Scientific Reports期刊上。

該研究開發(fā)的氣體傳感器照片及剖面示意圖如圖1所示。研究人員首先采用先前工作（Sahira Vasquez et al 2023 Flex. Print. Electron. 8 035012）中概述的方法對碳納米管（CNT）進行了制備和沉積。在該研究中，研究人員通過使用空氣輔助原子噴嘴（Krautzberger GmbH）對單壁碳納米管（SWCNT）水懸浮液進行噴涂，在經過氧等離子體處理的聚酰亞胺（PI）表面沉積上一層單壁碳納米管薄膜。

圖1 基于碳納米管的化學氣體傳感器照片及其對應的剖面材料圖，以及在傳感器制備過程中每個步驟所使用的技術

接著，研究人員使用自動絲網印刷機將銀（Ag）電極印刷在12層碳納米管上，隨后將其在120℃的烤箱中燒結15 min。該研究設計的傳感器具有兩組由一系列寬度（300 μm）恒定的指狀結構構成的平行共面電極，叉指狀結構之間的間距恒定（300 μm），且每個叉指狀結構都有特定的長度。

此外，該研究制備的部分傳感器上涂覆有PDMS薄膜（涂覆PDMS薄膜的碳納米管），而另一部分傳感器上則沒有涂覆（裸碳納米管）。隨后，研究人員在制備的傳感器上表面以130 rps/3 s/20 s的方式旋涂3層PDMS薄膜（Quantum Design Srl），并在100℃烘箱中燒結30 min，隨后在室溫下冷卻。最后，通過將傳感器水平浸入溶液中的方式將另一層PDMS薄膜沉積在PI下方，隨后將該傳感器按照先前所述的方法進行干燥。除了涂覆在碳納米管上的PDMS薄膜之外，PI襯底下的這層額外的PDMS薄膜為整個傳感器提供了額外的封裝，從而形成了一道堅固的屏障，使傳感器與外部環(huán)境隔絕，這也是與研究人員先前的工作和現有技術相比的一個顯著特征。

圖2 人體微生物生態(tài)系統(tǒng)模擬器（SHIME）實驗裝置示意圖及相應照片

隨后，研究人員分別展示了未涂覆和涂覆PDMS薄膜的碳納米管氣體傳感器在持續(xù)數日的SHIME運行實驗中的動態(tài)響應。研究結果表明，這種碳納米管氣體傳感器能夠在惡劣的厭氧、高濕度和酸性環(huán)境中長時間（16 h）連續(xù)監(jiān)測不同階段產生的氣體，而不會出現飽和與明顯的漂移。這是該傳感系統(tǒng)標準化和控制方面的一大優(yōu)勢和改進，同時也證明了碳納米管是一種適合在完全厭氧條件下進行傳感的材料。

圖3 兩個涂覆PDMS薄膜的碳納米管氣體傳感器在有/無恢復被動傳感過程中的歸一化響應隨時間的變化

此外，研究結果還表明，在復雜的環(huán)境中，與裸碳納米管氣體傳感器相比，涂覆PDMS薄膜的碳納米管氣體傳感器表現出更高的響應，證明PDMS薄膜具有保護傳感層免受周圍惡劣環(huán)境條件影響的功能。

圖4 氣體傳感器在短時間測試中的響應

綜上所述，在這項初步研究工作中，研究人員證明了在線實時監(jiān)測人體胃腸道模型微生物群中產生的氣體生物標志物的可能性。這項研究的后續(xù)改進工作包括提高氣體傳感器的選擇性，以及將所有電子器件和電極集成到一個傳感單元中。此外，有必要在各種條件下對氣體傳感器的性能進行全面測試，包括但不限于涉及彎曲或其它物理應力的場景，以確保氣體傳感器的耐用性和多功能性。

審核編輯：劉清