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纳米材料前沿成果:柔性物理或化学传感器

文章作者:仪器仪表 上传时间:2020-04-28

种透明的薄膜由石墨烯材料和黄金贴片制成,不过它可不是什么流行首饰或者临时纹身,除了可以监测你的血糖水平,它还可以随时注射糖尿病药物。

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该产品的原型由首尔国立大学助理教授Dae-HyeongKim和他的研究团队设计研发,它的传感器可以探测体温,分析汗液的PH值和化学成分,然后将探测到的数据发送到手机App软件上,如果系统根据你的汗液分析预测到你需要用药,App软件就会计算出您所需要的药量,薄膜内部的微型阵列针就会按照所需的剂量将药品注射到体内。 尽管这项发明在未来可以挽救人的生命,但是目前该项技术距离实际应用还有很大差距。以目前的技术,微型阵列针在探测到40.5摄氏度的温度时就会启动,这就使得它不能够在热带或者其他温度较高的地方使用。此外,它目前还不能够提供成年人剂量的二甲双胍。因此,该团队的下一个任务是找出问题解决方案,设法在不增加产品尺寸的条件下就能提供足量的药物。

用体液来检测身体情况很常见,医院的化验大多依靠各类体液。如果无需去医院进行的检测,这意味着优先选择无创的检测。这样一来,带有身体信息的血液被排除在外,获取血液意味着会有创口,对日常的实时检测来说并不实际。

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和电解质离子),以及皮肤温度。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,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。

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3月18日消息,美国辛辛那提大学的科研团队通过微型便携式传感器,检验了唾液、泪液、汗液以及其他生物液体在检测人体健康状况方面的潜力,并得出结论:汗液在无创检测方面是最具前景的。

图1 期刊分布

血液,一直都被认为是诊断人体健康状况的首选。例如,我们可以通过检查血液中的血糖指标,判断一个人是否患上糖尿病。可是,抽血检查会不可避免地对人体造成创伤,往往还需要去医院实验室找专业技术人员才能开展。

  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

现代医院中进行血液检查的化验室

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。

除血液之外,唾液、泪液、汗液中也含有生物标志物,可作为一种不会造成创伤的检查方式,用于检查人体健康状况、诊断疾病以及监测疗效。今天,我们要着重关注的是汗液。

  1. 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

汗液由外分泌汗腺发源,由真皮管通过表皮输送到皮肤表面,每一滴汗水之中都有0.2%-1%的溶质。这些溶质包含了各种离子、氨基酸、激素、蛋白质、多肽等分泌物,人们可以从中监测电解质失衡程度、乳酸指数、汗液葡萄糖水平、脱水状况以及卡路里燃烧值。

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。

令我们吃惊的是,汗液中竟然含有这么多重要的生物标志物。分析汗液,不仅可以帮助我们了解到身体的运动状况、水分状况和肌肉疲劳度,还可以辅助诊断一些疾病。例如,汗液中的盐浓度可能会与囊包性纤维症有关;汗液中的pH值可能会与皮肤病或糖尿病有关。

  1. 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

汗液,不仅像血液一样富有大量的有用信息,而且与唾液和泪液相比,其中的化学指标更适合健康监测。相对于血液检查来说,汗液检测不仅无创,还可以随着时间推移持续获取生物标志物的数据。

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:实现电子皮肤三个方向力探测;实现不同类型力的法向和切向区分;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/氧化石墨烯@聚二甲硅氧烷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。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。

之前,笔者曾经介绍过一些与汗液相关的传感器以及可穿戴设备:

  1. Advanced Materials:可拉伸摩擦电-光智能皮肤用于触觉和手势传感

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