Functional 2D Nanomaterials Gas Sensor for Exhaled Breath Analysis: A Review

材料科学 纳米技术 纳米材料 异质结 表面改性 气体分析呼吸 兴奋剂 吸附 贵金属 氧化物 光电子学 电子鼻 载流子 选择性 半导体 电化学气体传感器 过渡金属 光催化 表面工程 计算机科学
作者
Yu Zhang,Yue Wang,Kun Zhu,Zhiqiang Lan,Jie Wang,Jian He,Xiujian Chou,Yong Hao Zhou
出处
期刊:Chemosensors [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:14 (7): 159-159
标识
DOI:10.3390/chemosensors14070159
摘要

Exhaled breath analysis has emerged as a promising non-invasive approach for disease diagnosis, leveraging gas sensors for their high sensitivity, portability, and real-time monitoring capabilities. Two-dimensional nanomaterials, such as graphene, transition metal dichalcogenides (TMDs), MXenes, black phosphorus, and metal–organic frameworks (MOFs), exhibit exceptional gas-sensing properties due to their atomic-scale thickness, ultra-large specific surface area, and tunable electronic structures. These characteristics enable enhanced gas adsorption and room-temperature operation, making them ideal for detecting ppb-level biomarkers like acetone, ammonia, and nitric oxide in breath. However, sensors based on pristine 2D materials face challenges including slow response/recovery kinetics, poor stability, weak humidity resistance, and limited selectivity in complex breath environments. To address these limitations, functionalization strategies have been developed to engineer material properties. Key approaches include heteroatom doping to modulate electronic band structures, heterojunction construction to facilitate charge transfer and improve selectivity, and noble metal decoration for catalytic enhancement of gas adsorption. Additionally, light irradiation has been employed to regulate the carrier concentration on the surface of sensitive materials. These strategies significantly boost sensor performance, achieving ppb-level detection limits, robust humidity resistance, and rapid response. Future directions involve integrating functionalized 2D materials into wearable, multiplexed sensor arrays for simultaneous biomarker detection, coupled with machine learning for real-time diagnostic platforms.

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