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电子科大薛欣宇:穿戴式ZnO自供能汗液分析器件

已有 695 次阅读 2020-7-14 11:53 |系统分类:论文交流| 无电源, 水伏效应, 汗液分析, 穿戴式, 酶促反应

Wearable Battery-Free Perspiration Analyzing Sites Based on Sweat Flowing on ZnO Nanoarray

Wanglinhan Zhang, Hongye Guan, Tianyan Zhong, Tianming Zhao, Lili Xing*, Xinyu Xue*
Nano‑Micro Lett.(2020) 12:105
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00441-1

本文亮点
1. 制造了基于汗液在ZnO纳米线上流动的穿戴式无电源汗液分析器件
2. 水伏效应酶促反应相结合。
3. 可穿戴无线生理监测系统在建造体育大数据的潜在应用。
研究背景
近期可穿戴的生物传感器受到广泛研究关注,它可以与人的皮肤无创结合,并实时监测体征状态。已有一些柔性电子皮肤或智能手环取得相应突破,但可穿戴器件的供能问题仍然限制其发展。笨重的电池会影响器件的柔性和便携性,还会导致重复使用等更多的问题。本文利用汗液流动的水伏效应,实现了柔性器件在无电池状态下工作,并对汗液中乳酸浓度实时分析。这种传感单元同时具备作为物联网大数据节点的潜力,为可穿戴设备的研究扩展了新的方向。
内容简介
电子科技大学薛欣宇课题组通过将水伏效应与酶促反应相结合,开发了一种收集汗液自身流动能量,进行汗液体征监测分析的可穿戴传感单元。该器件由收集并控制汗液流动的PDMS基板和长有ZnO纳米线的PDMS薄膜构成。PDMS基板上有引导汗液流向的微流道结构,从而使汗液定向流动到ZnO纳米线上,流过纳米线时汗液中的离子会激发双电层电容,产生水伏效应,从而在ZnO纳米线两端会产生电势差。当汗液中乳酸与附着在ZnO纳米线表面的乳酸氧化酶发生酶促反应时,双电层电容将会随之改变,从而输出电压改变,即产生了传感梯度。
这种传感单元可以将汗液流动的机械能转化为电能,从而达成自身无电池状态下的工作。同时产生的电信号,也在酶促反应的作用下,转化为生物信号,反映汗液中生理信息的变化。无外接电池系统带来的杰出便携性,已经通过实验证明,器件可以在人体运动时与皮肤良好地结合,并实时检测汗液乳酸的浓度变化。
不限于此,这种柔性传感单元也可在体育大数据构建中应用。实时的传感动态利于物联网传感网络的构成,便携性和低成本有利于其大范围推广。集成无线装置后,可成为构成运动大数据云的关键节点。这一技术给自供能生理监测提供了新的方向,在健康状态监护和运动数据收集领域有广阔的应用前景。
图文导读
传感单元的制作与表征
传感单元被设计用于运动时穿戴,在出汗后产生生理信号数据,将其上传至云端,可供运动人员查看自身生理状态。器件的制作过程是将长有ZnO纳米线的PDMS薄膜嵌入到具有微流道结构的PDMS基板中。通过SEM和XRD图像可以看到生长的ZnO纳米线具有同一的生长取向和良好的六面体晶状结构。同时能观察到通过数控雕刻制造的微流道结构和汗液收集入口。

图1. (a)可穿戴传感节点的应用概念。(b)传感单元的制作过程。(c)传感单元的光学图像。(d-f)ZnO纳米线的SEM图像。(g-i)微流道结构的SEM图像。
II 汗液分析过程的传感表现
器件对乳酸具有良好的传感表现,其响应随乳酸浓度增加而增加,基本构成线性响应,并且具有稳定性,可在长期时段工作。器件完全浸没在液体中电压十分微弱,并且颠倒正负极也能得到电压的颠倒,可以验证发电机制无其他干扰。大梯度的NaCl浓度变化可能会破坏双电层电容,器件输出电压大幅下降。同时,器件具有出色的生物选择性,对乳酸浓度变化有高度的特异性。

图2. (a)器件对乳酸传感表现。(b)器件对乳酸电压响应变化。(c)器件浸没与湿润状态发电对比。(d)器件稳定性。(e)器件对大浓度NaCl响应。(f)器件颠倒正负极发电对比。(g-i)器件的生物选择性。
III 传感的影响因素探究
通过多组对比实验,在无酶或无乳酸的情况下,器件都没有传感梯度。只有当乳酸氧化酶和乳酸同时存在的情况下,器件才会表现出电压峰值的梯度变化,所以酶促反应一定是造成电压变化的原因之一。同时探究了风速、湿度和温度等会影响液体流动的因素对输出电压的影响,不同程度上都有变化,所以液体流动的情况也会影响输出电压。

图3. (a)有酶器件对小浓度变化的乳酸传感响应。(b)有酶器件对小浓度变化的NaCl传感响应。(c)无酶器件对小浓度变化的乳酸传感响应。(d)无酶器件对小浓度变化的NaCl传感响应。(e)风速对器件输出电压影响。(f)湿度和温度对器件输出电压影响。
IV 传感工作原理
器件的工作机制是水伏效应和酶促反应的耦合结果。汗液中的NaCl能在ZnO纳米线周围激发双电层电容,随着汗液不断流动,器件两端会累积产生电势差。随着酶促反应的发生,生成的H2O2会改变双电层电容,从而影响两端电势差。测量ZnO纳米线的Zeta电势和H2O2对输出电压的影响,证明了这一过程。

图4. (a)器件的工作机制。(b)ZnO纳米线的Zeta电势。(c)H2O2对器件输出电压的影响。(d)混合H2O2的ZnO纳米线的Zeta电势。
V 传感单元的潜在应用
这种可穿戴的传感单元可以与无线装置集成,构建体育大数据,成为物联网中的关键节点。已经成功在现实运动中实现对乳酸浓度变化的探测,在志愿者骑车的30分钟内,输出电压从0.051 V上升到0.068 V,同时乳酸试纸显示,汗液中乳酸浓度从9.85 mM上升到25.02 mM。在与无线线圈结合后,器件可以通过汗液是否流动来控制无线线圈的工作,从而控制灯泡的亮与灭。

图5. (a)可穿戴传感单元构建体育大数据的潜在应用。(b)传感单元在实际运动中的传感表现。(c)传感单元与无线装置结合的简单应用。
作者简介

欣宇

本文通讯作者

电子科技大学物理学院 教授

主要研究领域
薛欣宇课题组创新性地将表面效应与小尺度压电效应相耦合开展研究,主要研究方向包括:(1)压电表面耦合传感效应及自供能多功能传感器件。(2)压电电化学耦合效应及自充电电池。(3)自供能闭环脑机接口。
主要研究成果

薛欣宇课题组在研究中积累了一些研究成果:截止到2020年5月,在SCI期刊上发表学术论文130篇,SCI他人引用超过5200次,H指数为43。薛欣宇获评教育部新世纪优秀人才、辽宁省百千万人才工程百人层次、辽宁省高等学校优秀人才第一层次、四川省“杰出青年”基金获得者。

张王霖翰

本文第一作者

薛欣宇课题组 硕士研究生

主要研究领域
柔性可穿戴设备、自供能系统
撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报》编辑部
关于我们
Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在 Springer 开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。

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