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【盘点】柔性物理或化学传感器10大最新研究成果

导读: 本文汇总了柔性物理或化学传感器10篇最新研究成果,包括Nature、 Nat. Nanotechnol.、Advanced Materials、Materials Today、 Sci. Adv.等顶级期刊。

自然界中,生物体能对外界环境的刺激做出准确而迅速的响应,这是历经亿万年自然选择的结果,也是生命的重要特征。随着材料学科的发展以及对材料性能的需求逐步提高,人们期望人造材料能够对外界刺激做出一定程度的感知或反馈,即具有比拟生物体的环境响应性。因此,环境响应型材料可以定义为对外界物理或化学刺激,诸如温度、pH值、光场、电场、磁场、以及应力等的变化,其自身性质发生可逆改变的材料。然而传统环境响应材料主要为高分子材料,如水凝胶等,尚存在机械性能差、功能单一、响应速度慢等缺点,极大限制了其应用。近年来科学家尝试通过纳米技术提高环境响应材料的性能。 穿戴式传感器技术对于通过持续监测个人健康状况来实现个性化医学至关重要。生理信息可以进行非侵入性监测。以前报道的基于汗液和其他非侵入性生物传感器一次只能监测单个分析物,或者缺乏现场信号处理电路和传感器校准机制,以准确分析生理状态。汗液分泌的复杂性,目标生物标志物的同时和多重筛选是至关重要的,需要全面的系统整合以确保测量的准确性。提供机械灵活和完全集成(即不需要外部分析)传感器阵列,用于多次原位排汗分析,同时和选择性地测量汗液代谢物(如葡萄糖和乳酸)和电解质(如钠和钾)离子),以及皮肤温度(以校准传感器的响应)。通过将与皮肤接触的基于塑料的传感器与固定在柔性电路板上的硅集成电路相结合,实现复杂的信号处理,从而弥合了可穿戴式生物传感器中信号转导,调理(扩增和滤波),处理和无线传输之间的技术差距。由于它们各自的固有限制,本应用程序无法单独使用这些技术之一实现。穿戴式系统用于测量从事长时间室内和室外体力活动的人类受试者的详细汗水分布,并对受试者的生理状态进行实时评估。该平台能够进行广泛的个性化诊断和生理监测应用。因此,在追求高性能目标的同时,通过对其组分和结构设计赋予其环境响应的功能,并且进一步地实现多功能传感器件集成以构筑类智能复合传感检测系统。本文汇总了柔性物理或化学传感器10篇最新研究成果,包括Nature、 Nat. Nanotechnol.、Advanced Materials、Materials Today、 Sci. Adv.等顶级期刊,如图1所示。

纳米材料前沿研究成果:柔性物理或化学传感器

图1 期刊分布

【文献导读】

1. Nature:基于本征可拉伸晶体管阵列可扩展制备工艺的类皮肤电子器件

纳米材料前沿研究成果:柔性物理或化学传感器

近日,斯坦福大学鲍哲南教授研究团队开发了可对不同本征可拉伸材料实现高成品率和器件性能均匀的制备工艺,并实现了晶体管密度为347/ cm2的内在可拉伸聚合物晶体管阵列,这是迄今为止在所有已报道的柔性可拉伸晶体管阵列中的最高密度。该阵列的平均载流子迁移率可与非晶硅相当,在经过1000次100%应变循环测试后也只有轻微改变,同时,还无电流-电压迟滞。基于上述制造工艺,该团队首次研发出皮肤一样属性的可拉伸集成电路元件,如有源阵列与传感器阵列集成的可拉伸触觉电路,可粘附到人体皮肤表面,使柔性电子装置佩戴或使用更加舒适。其所开发的工艺为结合其他内在可拉伸聚合物材料提供了一个通用加工平台,使制造下一代可拉伸类皮肤电子器件成为可能。

2. Nat. Nanotechnol.:基于石墨烯的具有路径选择性和特异性的无创、透皮葡萄糖监测

纳米材料前沿研究成果:柔性物理或化学传感器

在世界范围内,糖尿病的发生率在不断增高,而人体内血糖浓度的监测成为糖尿病患者护理的基本保障。目前,主要的血糖监测手段是通过手指的侵入式血液采集实现,这种方式必然会带来一定的疼痛和不适,最近开发的可植入式、微针型传感器不能适用于大多数的2型糖尿病患者。因而,截止目前,针对糖尿病患者血糖监测的无针方法还没有相关报道。近日,英国巴斯大学的Adelina Ilie教授课题组,设计并构筑了一种新型体内葡萄糖监测系统,该系统是从皮肤中毛囊的组织液中采集葡萄糖,从而实现无创葡萄糖监测,对于开发针对糖尿病患者等的非侵入式血糖监测具有重要价值。研究还发现,该系统能够连续监测人体内血糖浓度。

3. Adv. Funct. Mater.:对法向-切向力具有相反电阻响应传感器助力高灵敏人造皮肤

纳米材料前沿研究成果:柔性物理或化学传感器

为了和外界环境兼容以及可附在3D结构上,可穿戴电子皮肤要求是柔性且可拉伸。为了实现这个目的,已经发展了具有多功能的柔性电子皮肤,其中因为柔性力传感器在智能终端的巨大应用,所以发展最快。为了实际探测,实现电子皮肤对法向压力和切向摩擦力的实时探测和区分是非常重要的。相比当前柔性压力传感器或压力-应变传感器,实现法向和切向力探测电子皮肤的研究是非常有限的。对于这类电子皮肤的发展有三个挑战:(1)实现电子皮肤三个方向力探测;(2)实现不同类型力的法向和切向区分;(3)结构简单可大规模制备。这里,研究人员开创新的利用多孔碳纳米管(CNTs)/氧化石墨烯(GO)@聚二甲硅氧烷(PDMS)层构建了全柔性和多方向拉伸的力传感器。这种独特的电子皮肤具有好的稳定性和高灵敏度(传感器对切向摩擦力的最高响应因子高达2.26)。并且对压力和摩擦力的电阻响应相反,实现了对压力和摩擦力的实时探测和电信号区分。近日,电子科技大学宋远强副教授、张怀武教授和哈尔滨工业大学解维华教授(共同通讯作者)研究小组联合研发出一款可同时感应压力和摩擦力的柔性电子皮肤。研究者通过制备特殊的石墨烯包裹氯化钠(GO@NaCl)粉体作为致孔剂辅助自组装过程制备了基于CNTs/GO@PDMS复合三维导电网络的电子皮肤。该电子皮肤可同时对纵向压力和切向摩擦力产生响应,并且压力和摩擦力导致的电阻变化方向相反。该电子皮肤尤其对摩擦力具有极佳的灵敏度(在1KPa压力下,摩擦力灵敏度因子高达2.26)。在功能应用上,所制电子皮肤可以实现手腕脉搏实时检测、辨别不同表面粗糙度、探测人体呼吸、感知音乐带来的空气震动等。

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