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蘇州納米所張珽課題組在智能柔性仿生生物化學傳感器領域取得新進展
2019-08-14| 文章来源:國際實驗室 王书琪| 【

  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,已成爲運動健康管理、疾病診斷監護、環境監測、人機智能交互等領域變革式科學技術及各個國家重要的戰略性新興産業。柔性傳感器作爲柔性電子的核心部件之一,影響並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爲成熟的應用。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,很多功能是迄今爲止任何人工制造無法匹敵的。例如,目前作爲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,將爲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,中國科學院苏州纳米所张珽研究团队在柔性仿生生物化学传感器领域取得了新进展。通过模仿自然界生物体对外部生物化学分子刺激所产生的智能动态、可调控的响应特性,研究开发了一种对环境有机挥发性气体(VOCs)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)。 

  

     1 基于AgNWs/SiOx/PDMS多層膜的VOCs動態雙響應柔性傳感器。(A)皮肤在乙醇气体氛围中长时间暴露产生褶皱示意圖;(B)傳感器系統在施加和撤去有機氣體時驮擏度變化的宏觀和顯微照片;(C)可切换双信号智能可穿戴柔性传感器示意圖;(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(鹦鹉螺),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、可延展表面上分布着大量嗅觉细胞、形貌多褶皱等特征,如圖2A)示意圖所示。嗅角主要负责软体动物在海水介质中空间尺度的分子追踪(The spatial-scale tracking system),包括覓食、求偶和禦敵。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启发,研究团队通过对嗅角生理解剖学结构和功能的模仿,开发了一种传感性能程序化可调的可拉伸柔性葡萄糖电化学传感器。如圖2B)所示,該電化學傳感器很好地模仿了嗅角折疊/去折疊褶皺形貌,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2D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,濃度由近及遠梯度分布,如圖2C)所示。嗅角在遠離食物分子源頭的地方(低濃度)感知到一定阈值濃度分子後,開啓覓食狀態,通過伸長嗅角來擴展傳感面積獲得高灵敏检测。如圖2E)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葡萄糖後,傳感器感知到葡萄糖分子並開啓檢測狀態(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。結果顯而易見說明,傳感器可通過調整伸展狀態來提高對食物源頭方向的检测。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。  

   

  2 基于嗅角仿生的柔性可延展電化學葡萄糖傳感器。(A)嗅角的结构示意圖;(B)仿生傳感器的表面SEM圖;(C)海洋软体动物的觅食示意圖;(D)仿生傳感器的程序化可調葡萄糖傳感性能;(B)仿生传感示意圖。Biosensors and Bioelectronics, 2019, 142, 111519 

  上述工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金,江苏省傑出青年基金等支持。上述兩篇文章第一作者爲王書琪博士,碩士研究生曲春燕參與了以上工作。 

 
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