柔性集成生物传感器系统：钛酸钡压电与钠掺杂氧化锌纳米花用于可穿戴多组分呼吸监测与健康诊断

（编辑推荐）本研究创新性地开发了一种基于压电钛酸钡（BTO）悬臂梁与钠掺杂氧化锌（Na-doped ZnO）纳米花的柔性集成传感器系统，实现了呼吸流速（0.82 ppm丙酮检测限）、气体（NH3 20-80 ppm）及湿度（30-80% RH）的多参数同步监测。该系统具有快速响应/恢复（30-40 s vs 商业传感器120-130 s）、低功耗和环境温度操作等优势，通过ARX模型实现呼吸流量的高精度映射，为糖尿病、肾功能障碍等疾病的非侵入式诊断提供了突破性解决方案。

　　

亮点

本研究的集成传感器系统开创性地将压电传感与化学电阻检测相结合，为呼吸健康监测树立了新标杆。

集成传感器系统架构

该呼吸监测单元采用双传感器设计：

1. 1.

   气流监测：微机械加工的钛酸钡（BTO）压电悬臂梁将呼吸气流转化为电信号，实时反映呼吸流速。

2. 2.

   气体分析：钠掺杂氧化锌（Na-doped ZnO）纳米花化学电阻传感器可精准检测目标气体（丙酮、氨气）及湿度浓度，其三维纳米结构大幅提升比表面积和反应活性。

丙酮气体传感性能

图3(a)显示Na-doped ZnO传感器（蓝色曲线）对丙酮蒸汽的动态响应显著优于商业传感器（红色曲线）。通过归一化阻抗变化（Z-Z₀）/Z₀分析，传感器在2-10 ppm临床相关范围内展现出0.00682/ppm的灵敏度，检测限达0.82 ppm——这相当于糖尿病患者呼气中丙酮浓度的阈值水平！

结论

这项研究成功开发出柔性可穿戴集成传感器系统，通过BTO压电悬臂实现气流精确测量，结合Na-doped ZnO纳米花实现气体/湿度检测。系统性能卓越：

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  丙酮检测限0.82 ppm

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  氨气响应时间提速3倍（30-40 s vs 商业传感器120-130 s）

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  湿度检测范围覆盖30-80% RH

  为实时便携诊断提供了创新解决方案。