为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

聊完树叶传感器,再来说说如何用纸张制作传感器。说到这,方法可就多了,毕竟,各种检测试纸都可以算作化学传感器。与塑料和玻璃等材质相比,纸张成本低、一次性使用、丰富且易于运输。不过,过去十几年,人们的关注重点从基本设计转向了图案化技术,以获得更准确和定量的结果。制备方法也是五花八门,除了刚刚提到的激光技术,还有3D打印、丝网印刷、喷墨打印,甚至直接用铅笔画。

无论是日常生活,还是工业系统,都离不开传感器。比如,陀螺仪能帮助手机感知方向和倾斜角度,自动驾驶技术依靠激光雷达、摄像头和超声波传感器作为“眼睛”和“耳朵”。更有甚者,美国斯坦福大学Seung-min Park将摄像头和电化学传感器装在马桶上,拍摄臀部照片,并检测尿液或粪便中葡萄糖、红细胞等标志物的含量,上个厕所连带诊断多种疾病。这款“智能”马桶在结肠癌等癌症的早期发现上表现卓越,赢得2023年的搞笑诺贝尔奖之一,也被戏称为“斯坦福马桶” [1]

关于传感器的论文层出不穷,但今天我们来聊聊科学家为了“省钱”,用树叶、纸这些“便宜货”做传感器的趣闻。之所以选择这个话题,源自近日巴西圣卡洛斯联邦大学Bruno Campos Janegitz课题组在ACS Sustainable Chemistry & Engineering 杂志上发表的论文,他们利用CO2激光热解技术,将落叶表面碳化,制成了一种“落叶传感器”,能够检测生物或药物样品中的多巴胺和扑热息痛的含量。

为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

“落叶传感器”的制造工艺示意图。图片来源:ACS Sustainable Chem. Eng. [2]

研究者采集了一种中南美洲牛油果树(Persea americana Mill)的落叶,这是一种来源广泛、成本低廉且环境友好的材料。“落叶传感器”对多巴胺和扑热息痛的线性检测范围分别为10~1200 μmol•L–1和5.0~100.0 μmol•L–1,检测限分别为1.1和0.76 μmol•L–1。“将落叶焚烧,或让其成为堆肥,不如把它们用作高附加值的基材,制造电化学传感器”,Janegitz教授说 [3]。不过,叶子风干后会变得特别脆,不知道对测试有没有影响,把这样一个传感器放在口袋里,用的时候会不会已经碎成渣渣了呢……

为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

“落叶传感器”及多巴胺和扑热息痛的电化学检测。图片来源:ACS Sustainable Chem. Eng[2]

事实上,在叶子上制作传感器的文章也不少,不过大多数都是用来检测植物本身的信号,比如水、活性氧、葡萄糖、植物激素和矿物质离子等。这类传感器主要用于原位实时监测农业生产过程中植物的生长状态,以及它们是否受到自然(如干旱、高温等)或生物(如害虫或微生物)的威胁。

为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

可穿戴电化学传感器用于植物健康监测。图片来源:Trends Plant Sci[4]

通常,这类研究依赖于可穿戴电化学传感器,但在提高选择性和稳定性、监测植物中的小分子、环境条件以及植物与环境的相互作用方面,以及如何减少传感器对植物的损害或对植物生理(如光合作用)的影响等方面,还有很多改进空间。

为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

检测大豆叶片失水量的可穿戴传感器。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces [5]

聊完树叶传感器,再来说说如何用纸张制作传感器。说到这,方法可就多了,毕竟,各种检测试纸都可以算作化学传感器。与塑料和玻璃等材质相比,纸张成本低、一次性使用、丰富且易于运输。不过,过去十几年,人们的关注重点从基本设计转向了图案化技术,以获得更准确和定量的结果。制备方法也是五花八门,除了刚刚提到的激光技术,还有3D打印、丝网印刷、喷墨打印,甚至直接用铅笔画 [6-9]

为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

纸基电化学测试器件。图片来源:Nat. Protoc. [6]

是的,你没看错,直接用铅笔画个传感器,就可以发论文,还不只一篇呢。早在2011年,就有研究者用铅笔绘制了锂-空气电池的电极 [10],反正,铅笔芯的主要成分是石墨,通过在纸上摩擦留下连续的痕迹。

为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

铅笔绘制锂-空气电池的电极。图片来源:Energy Environ. Sci. [10]

不少研究者也紧随其后,用铅笔画出各种图案作为电极。比如,直接在纸上画个叉指电极,再利用水分子与纸(主要成分,纤维素)的相互作用,就可以用于湿度传感器 [7]

为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

铅笔绘制电容式传感器。图片来源:Electroanalysis [7]

还是Bruno Campos Janegitz课题组,用铅笔在纸片上画出的三电极系统,用于检测儿茶酚(又称邻苯二酚)的浓度 [8]。不过,整个过程纯手工制作,每个人写字、画画时力量不同,不知道这些传感器的可重复性如何。

为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

铅笔绘制电极示意图及实物大小。图片来源:[8]

落叶、纸张和铅笔,这些廉价且易得的原材料,为快速、轻松地开发一次性电化学传感器提供了无限可能。而且,它们还具有柔性和可穿戴等优点,为预算有限的实验室提供了一条有趣的研究途径,也可以为欠发达地区人民的生活带来更多便利。

为了“省钱”,做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

制造低成本电化学传感器的不同方法。图片来源:Curr. Opin. Electrochem. [9]

参考文献:

[1] Science NEWS: Ig Nobel Prizes honor zombie spiders, rock-licking scientists, and a clever commode
https://www.science.org/content/article/ig-nobel-prizes-honor-zombie-spiders-rock-licking-scientists-and-clever-commode?utm_medium=ownedSocial&utm_source=Twitter&utm_campaign=NewsfromScience

[2] R. V. Blasques, et al., Green Fabrication and Analytical Application of Disposable Carbon Electrodes Made from Fallen Tree Leaves Using a CO2 Laser. ACS Sustainable Chem. Eng. 2024, 12, 3061–3072. DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c06526

[3] Laser printing on fallen tree leaves produces sensors for medical and laboratory use
https://agencia.fapesp.br/laser-printing-on-fallen-tree-leaves-produces-sensors-for-medical-and-laboratory-use/51593

[4] S. Zhou, et al., Wearable electrochemical sensors for plant small-molecule detection. Trends Plant Sci. 2024, 29, 219-231. DOI: 10.1016/j.tplants.2023.11.013

[5] J. A. Barbosa, et al., Biocompatible Wearable Electrodes on Leaves toward the On-Site Monitoring of Water Loss from Plants. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 20, 22989–23001. DOI: 10.1021/acsami.2c02943

[6] S. Cinti, et al., Preparation of paper-based devices for reagentless electrochemical (bio)sensor strips. Nat. Protoc. 2019, 14, 2437–2451. DOI: 10.1038/s41596-019-0186-y

[7] S. Kanaparthi, Pencil-drawn Paper-based Non-invasive and Wearable Capacitive Respiration Sensor. Electroanalysis 2017, 29, 2680-2684. DOI: 10.1002/elan.201700438

[8] L. O. Orzari, et al., Disposable electrode obtained by pencil drawing on corrugated fiberboard substrate. Sensors Actuat. B-Chem. 2018, 264, 20-26. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.162

[9] J. S. Stefano, et al., Different approaches for fabrication of low-cost electrochemical sensors. Curr. Opin. Electrochem. 2022, 32, 100893. DOI: 10.1016/j.coelec.2021.100893

[10] Y. Wang & H. Zhou, To draw an air electrode of a Li–air battery by pencil. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1704-1707. DOI: 10.1039/C0EE00759E

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