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中科院蘇州納米所張珽研究員課題組在智能柔性仿生生物化學傳感器領域取得新進展

2019-08-16 來源：中國聚合物網

近年來，柔性電子可在人體皮膚表面實現穿戴式實時連續信號采集和處理，已成為運動健康管理、疾病診斷監護、環境監測、人機智能交互等領域變革式的科學技術及各個國家重要的戰略性新興產業。柔性傳感器作為柔性電子的核心部件之一，影響并決定著可穿戴式智能設備的應用和發展。當前，絕大部分柔性傳感器在對物理信號（壓力/拉伸、慣性力、生物電、溫度、光學等）的采集中實現了廣泛的研究和較為成熟的應用。然而，用于生物化學信號（分子水平的氣體、生物代謝物分子等）檢測的柔性傳感器研究依然面臨著諸多挑戰。

大自然，自古以來就是人類各種科學發現、技術思想和發明原理的源泉。生物經過漫長的進化過程，擁有對外界環境信息接收、傳遞和控制的強大系統，很多功能是迄今為止任何人工制造無法匹敵的。例如，目前作為科學技術前沿研究領域之一的柔性傳感器，相比生物的柔性感官系統（嗅覺、味覺、觸覺、視覺和聽覺），仍然存在巨大的差距。因此，“仿生”的理念和方法，將為柔性傳感器及柔性電子領域的研究發展提供豐富的思路和設計原理。

近期，中國科學院蘇州納米所張珽研究員團隊在柔性仿生生物化學傳感器領域取得了新進展。通過模仿自然界生物體對外部生物化學分子刺激所產生的智能動態、可調控的響應特性，研究開發了一種對環境有機揮發性氣體（VOC_S）動態雙響應的柔性傳感器（Bioinspired Flexible Volatile Organic Compounds Sensor Based on Dynamic Surface Wrinkling with Dual-Signal Response,Small, 2019, 1900216；內封面），和一種傳感性能程序化可調的可拉伸柔性葡萄糖電化學傳感器（Rhinophore Bio-inspired Stretchable and Programmable Electrochemical Sensor,Biosensors and Bioelectronics, 2019, 142, 111519）。

自然界中存在對有機揮發性氣體（VOC_S）刺激響應現象，例如，人體皮膚長時間暴露于乙醇氣體中，表面會形成褶皺，如下圖1（A）所示。受此啟發，張珽研究員團隊利用聚合物薄膜材料對VOC_S溶脹能力的差異，并創新性地引入導電網絡薄膜設計，研究開發了基于（AgNWs）/SiO_x/PDMS 多層膜傳感系統。該傳感系統能夠對VOC_S實現動態可逆的透明度和電阻雙信號響應特性，如圖1（B）所示。傳感響應機制源于有機高分子材料溶劑溶脹原理和褶皺形成原理：VOC_S分子進入聚合物中克服高分子間內聚能，高分子鏈與VOC_S分子混合導致高分子鏈被拉開，聚合物呈現體積脹大現象；由于SiO_x和PDMS的溶度參數δ_p與VOC_S的溶度參數δ_s三者之間的差異，根據|δ_p-δ_s|≤3.5J^1/2cm^3/2的原則，SiO_x層在VOC_S分子中溶脹成都遠大于PDMS層，由此產生的界面壓縮應力和材料模量的差異相互作用，致使薄膜表面形成褶皺機構。基于上述傳感機制，該系統實現了對乙醇氣體高選擇性、動態可切換的透明度和電阻變化。通過調控薄膜材料參數，實現了傳感器靈敏度和選擇性的可調性。研究團隊初步構建了一種對乙醇氣體具有雙信號響應的智能可穿戴柔性傳感器（圖1（C）和（D）），該柔性可穿戴智能傳感器系統兼具動態的視覺反饋和定量的電學信號，為基于化學分子響應的智能界面制備和研究提供了理論基礎和技術條件，在環境監測、可穿戴柔性電子等領域潛在的應用前景。

圖1 基于AgNWs/SiO_x/PDMS多層膜的VOC_S動態雙響應柔性傳感器。（A）皮膚在乙醇氣體氛圍中長時間暴露產生褶皺示意圖；（B）傳感器系統在施加和撤去有機氣體時透明度變化的宏觀和顯微照片；（C）可切換雙信號智能可穿戴柔性傳感器示意圖；（D）可穿戴傳感器對乙醇氣體的響應及其直接動態的視覺和電信號反饋。（Small, 2019, 1900216；內封面）

在海洋中，一些軟體動物包括Aplysia（海兔），Nautilus（鸚鵡螺），Nudibranchs（裸鰓亞目動物）等，擁有一種叫做嗅角/嗅覺突起（Rhinophore）的嗅覺器官。嗅角具有柔軟、可延展、表面上分布著大量嗅覺細胞、形貌多褶皺等特征，如圖2（A）示意圖所示。嗅角主要負責軟體動物在海水介質中空間尺度的分子追蹤（The spatial-scale tracking system），包括覓食、求偶和御敵。研究發現，嗅角是通過伸長、展開、呈一定角度，從而調控其對化學分子的敏感性。受此柔性生物化學傳感器的啟發，研究團隊通過對嗅角生理解剖學結構和功能的模仿，開發了一種傳感性能程序化可調的可拉伸柔性葡萄糖電化學傳感器。如圖2（B）所示，該電化學傳感器很好地模仿了嗅角折疊/去折疊的褶皺形貌，在拉伸150%過程中實現了電化學活性表面積（ECSA）程序化的調控，這是區別以往電化學傳感器的獨特之處。基于此特性，傳感器對葡萄糖的催化性能可隨拉伸狀態的不同而變化（圖2（D））。該程序化可調的電化學傳感性能與嗅角性能相似，因此，可用于模仿動物的生理功能。例如，在海水中，食物化學分子在水中擴散，濃度由近及遠呈梯度分布，如圖2（C）所示。嗅角在遠離食物分子源頭的地方（低濃度）感知到一定閾值濃度的分子后，開啟覓食狀態，通過伸長嗅角來擴展傳感面積獲得高靈敏檢測。如圖2（E）實驗，初始0%狀態下傳感器模擬動物靜止狀態，當溶液中加入2 mM葡萄糖后，傳感器感知到葡萄糖分子并開啟檢測狀態（150%）；當向高濃度方向伸展時（加入2 mM葡萄糖），響應電流急速增加到0%狀態的4倍。結果顯而易見的說明，傳感器可通過調整伸展狀態來提高對食物源頭方向的檢測。該基于嗅角仿生的可拉伸柔性電化學傳感器提出了一種新型的分子檢測模式，在智能化柔性機器人、仿生設備和可穿戴電子等領域具有潛在的研究意義和應用前景。

圖2 基于嗅角仿生的柔性可延展電化學葡萄糖傳感器。（A）嗅角的結構示意圖；（B）仿生傳感器的表面SEM圖；（C）海洋軟體動物的覓食示意圖；（D）仿生傳感器的程序化可調葡萄糖傳感性能；（B）仿生傳感示意圖。（Biosensors and Bioelectronics, 2019, 142, 111519）

上述工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金，江蘇省杰出青年基金等支持。上述兩篇文章第一作者為王書琪博士，碩士研究生曲春燕參與了以上工作。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201900216

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566319305986

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（責任編輯：xu）

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