主要成果
2D材料を用いた次世代のウェアラブル化学センサーにより、呼気や汗に含まれる揮発性有機化合物（VOC）と湿度をリアルタイムで検出することが可能になった。特に、呼気中のアンモニア検出において、使い捨てポリプロピレンマスクにグラフェン/PANIハイブリッドをコーティングしたデバイスは、50 ppmのアンモニアに対して250%の応答を示し、検出限界は100 ppbに達した。また、相対湿度（RH）20%から100%の範囲で安定した応答を維持している。
技術・詳細
本技術では、グラフェン誘導体、MXenes、TMDsといった原子層レベルで薄い2D材料が使用されている。これらの材料は表面積が極めて大きく、機械的柔軟性と室温動作能力を備えているため、皮膚に密着させるデバイスに適している。検出原理の多くは「化学抵抗（chemiresistive）」方式であり、VOCや水分子が材料に吸着して電子を供与または受容することで電気抵抗が変化する仕組みを利用している。例えば、アンモニアはp型グラフェンやWS2に電子を供与して抵抗値を上昇させる。
性能向上のためのアプローチとして、以下の手法が挙げられている。
- ヘテロ構造の形成：WS2をMoS2に積層させるなど、2つの2D材料を組み合わせることで接合部に内蔵電場を形成し、抵抗変化を増幅させる。
- 表面化学の最適化：酸化グラフェンのヒドロキシル基やカルボキシル基を水素結合サイトとして利用し、極性VOCや水の感度を高める。
- 基材の選定：PDMSやPETなどのポリマー、吸着能を高めるテキスタイル、低コストで拡散性の高い紙などが用いられる。
また、疎水性のオレイルアミン鎖を用いて水吸着を抑制した有機電界効果トランジスタセンサーでは、9.19 ppbという検出限界と、最大95% RHまでの安定性を実現している。
背景・業界の文脈
呼気中のVOCは重要なバイオマーカーとなる。例えば、アンモニアは慢性腎臓病、アセトンは脂質代謝、揮発性硫黄化合物は口腔疾患の指標となる。一方で、ウェアラブルデバイスにとって「湿度」は最大の課題であり、水蒸気が化学信号をかき消したり歪ませたりすることが多い。本レビューがVOCと湿度の同時検出に焦点を当てているのは、現実環境においてこれら2つの信号を切り離すことが不可欠であるためである。
今後の展望
現在、2D材料センサーの多くはポリマーや紙を基材として実装されており、テキスタイル（布地）への統合は依然として未開拓な領域である。今後は、快適性の高い布地ベースのセンサー開発が研究の最前線になると指摘されている。また、インピーダンスベースの読み出しによる湿度アーティファクトの除去や、金属有機構造体（MOFs）との統合により、実用的な診断デバイスへの進化が期待される。
元記事: https://bioengineer.org/atom-thin-sensors-turn-breath-and-sweat-into-real-time-health-data/
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