面向口腔健康的挥发性硫化物气体传感材料研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250153

摘要/Abstract

摘要：

口腔健康不仅关系到个体生活质量，更与全身多系统疾病的发生与发展密切相关。口腔呼出气体中的挥发性硫化物（Volatile sulfur compounds，VSCs），如硫化氢、甲硫醇和二甲基硫等，作为多类口腔疾病的重要代谢标志物具有明确的临床监测价值。气体传感技术因其灵敏、便携和易集成等优势，为实现非侵入式实时口腔健康监测提供了新的研究路径。近年来，针对VSCs气体低浓度、高波动性及湿度干扰显著的特性，相关气体传感材料与器件研究持续发展。本文围绕口腔VSCs的检测需求，简要回顾了近年来多类典型气体传感材料的研究进展，并分析结构性能与响应关系，同时结合部分已实现初步应用的柔性微型传感器件，探讨其在复杂口腔环境下的响应特性与发展潜力，旨在为口腔健康相关VSCs气体传感器的材料设计与器件集成提供参考。

关键词: 挥发性硫化物, 气体传感材料, 口腔健康监测, 传感器件

Abstract:

Oral health not only significantly affects the individual life quality， but also profoundly influences the development and progression of systemic diseases. Volatile sulfur compounds （VSCs） in exhaled gas including hydrogen sulfide， methyl mercaptan， and dimethyl sulfide， serve as critical metabolic indicators for various oral diseases and possess significant clinical monitoring value. Gas sensing technology provides an innovative method for facilitating non-invasive and real-time monitoring of oral health， attributed to its sensitivity， portability， and ease of integration. Considering the low concentrations， high volatility， and substantial humidity interference of VSCs， research into corresponding gas sensing materials and devices has advanced significantly in recent years. Concentrating on the detection of VSCs in the oral cavity， this research reviews recent advancements in typical gas sensing materials and analyzes the correlation between their structural characteristics and performance responses. Additionally， this review integrates several flexible miniature sensor devices preliminary applications to assess their response characteristics and developmental potential in complex oral environments， aiming to inform the material design and device integration for oral health-related VSCs gas sensors.

Key words: Volatile sulfur compounds, Gas sensing materials, Oral health monitoring, Sensor devices

中图分类号:

O659

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图/表 6

图1 MOS：（A） n型MOS传感器对还原性气体的响应机制［45］；（B） MoSe2转化为MoO3 MPNFs的原位氧化和晶胞收缩示意图［49］；（C） MoO3 MPNFs在不同湿度下对1 mg/L H2S的响应值［49］；（D） In2O3@MoS2-2异质结构的制备过程［52］；（E）增强Au/In2O3传感性能的几种SAM机制［53］

Fig.1 MOS：（A） Mechanism of sensor response to n-type MOS with reducing gas［45］；（B） Schematic diagram of in-situ oxidation and crystal cell shrinkage［49］；（C） Response value of MoO3 MPNFs to 1 mg/L H2S gas under different humidity［49］；（D） Preparation process of In2O3@MoS2-2 heterostructure［52］；（E） SAM mechanisms for the enhanced sensing performance of Au/In2O3［53］

图2 基于MOFs的气体传感器的演变［58］

Fig.2 Evolution of MOFs-based gas sensors［58］

图3 MOFs：（A）原始ZnO和ZIF-8/ZnO纳米棒传感器的示意图［63］；（B） 2种传感器在25 ℃下对H2S的响应曲线（1~10 mg/L）［63］；（C） Co3O4/β-CoMoO4空心纳米笼的合成工艺和ZIF-67的框架结构［64］；（D）传感器对H2S的响应曲线（0.01~20 mg/L）［64］；（E）传感器对10 mg/L H2S的瞬时电阻变化［64］

Fig.3 MOFs：（A） Schematic of raw ZnO and ZIF-8/ZnO nanorod sensors［63］；（B） Response curves of both sensors to H2S at 25 ℃ （1~10 mg/L）［63］；（C） Synthetic process of Co3O4/β-CoMoO4 hollow nanocages and framework structure of ZIF-67［64］；（D） Response curve of the sensor to H2S （0.01~20 mg/L）［64］；（E） Instantaneous resistance change of the sensor upon exposure to 10 mg/L H2S ［64］

图4 碳纳米材料：（A）单层石墨烯与双层堆叠石墨烯结构［67］；（B） rGO结构［71］；（C） SWCNTs和MWCNTs结构［74］；（D）通过自下而上和自上而下的方法制备CQDs的策略［77］

Fig.4 Carbon nanomaterials：（A） Structures of graphene single layer and stacked bilayer［67］；（B） Structure of rGO［71］；（C） Structures of SWCNTs and MWCNTs［74］；（D） Preparation strategies of CQDs by bottom-up and top-down methods［77］

图5 新型功能材料：（A） Mo2Ga2C MAX和MXene的结构示意图［81］；（B）基于MoS2和MoSe2的NO2气体传感器的气体传感机制示意图［92］；（C） COFs的拓扑结构与生长示意图［98］；（D）三维网状钙钛矿结构的晶体结构图［101］

Fig.5 Novel functional materials：（A） Schematic demonstrating Mo2Ga2C MAX and MXene structures［81］；（B） Schematics of gas sensing mechanism of MoS2 and MoSe2 based NO2 gas sensor［92］；（C） The topology and growth of the COFs［98］；（D） Crystal structure diagram of 3D mesh perovskite structure［101］

图6 VSCs传感器件集成与应用：（A） Ni3（HITP）2/NUS-8传感器功能模块［60］；（B）柔性器件的光学照片［60］；（C）印刷图案光学照片［60］；（D）柔性PP/G/PANI混合传感器制备过程的示意图［70］；（E） PP/G/PANI传感器对呼气中H2S的检测［70］；（F） FMTNA制备示意图与在口罩上应用芯片作为牙周炎诊断可穿戴设备的图示［108］；（G） PVA/Bn/Pb复合水凝胶传感器集成云端设备实现呼气检测［110］

Fig. 6 Integration and application of sensor devices for the detection of VSCs：（A） Functional module of the Ni3（HITP）2/NUS-8 sensor［60］；（B） Optical photo of the flexible device［60］；（C） Optical photos of patterns printed［60］；（D） Schematic illustration of the flexible PP/G/PANI hybrid sensor preparation process［70］；（E） Detection of H2S in exhaled breath by the PP/G/PANI sensor［70］；（F） Schematic illustration of the preparation of FMTNA and illustration of chip application on a mask as a wearable device for periodontitis diagnosis［108］；（G） PVA/Bn/Pb composite hydrogel sensor integrated with a cloud-based device for breath detection［110］

参考文献 110

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