可拉伸光传感器薄片实现非取样、无源、无标记化学监测

来源于公众号：MEMS

作者：麦姆斯咨询殷飞

据麦姆斯咨询报道，近日，一支由日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology）、大阪大学（Osaka University）、国家先进科学技术研究院（National Institute of Advanced Science and Technology）和荷兰埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology）等科研机构的研究人员组成的研究团队在Science Advances期刊上发表了基于碳纳米管（CNT）网络的光-热电（PTE）薄膜的可拉伸宽带光传感器薄片的最新论文，提出的新型PTE传感器通过可变形的包裹实现了非取样、无源、无标记化学监测。

化学监测持续收集各种环境信息，可以根据所获得信号的变化预测未来事件。现在已经能够通过对特定化学物质的定量评估或污染物识别，来进行工业设备、废水处理、食品或饮料生产中的异常检查。生物流体监测也促进了各种应用。为了发挥这些应用的潜力，人们应该开发有前景的监测方法。特别是，用于现场化学测试的非取样和无标记配置、对容器的透过性、适应动态条件甚至不透明可变形包装的可拉伸性，对于监测系统和设备都是至关重要的。

化学监测策略包括离心测量、试剂反应观察、生物标记物测试和分泌生物流体监测等。然而，这些方案要求对化学物质进行侵入性取样或标记，因此阻碍了样本友好型操作。当样本在测试设备内被检测时，上述这些方法处于静态运行，而不是自然行为，这成为实际现场使用的一个瓶颈。

为了消除这些缺点，人们已经开发了无需取样并能够无标记化学监测的光传感技术。其中一些成熟的方法包括用于有机污染物检测、油含量传感和致癌多环芳烃检测的紫外（UV）或可见光荧光和吸光度测量。然而，尽管它们具有非取样和无标记的特性，但紫外-可见光辐射在不透明容器（如塑料和硅等）中的低透过性使得无损检测变得困难。

因此，人们应有效利用来自化学物质本身的基于普朗克定律的太赫兹（THz）和红外（IR）黑体辐射（BBR）对不透明流道内样本进行非取样和无标记监测。化学物质通常以溶解状态存在于液体中，而液体样本通常会吸收太赫兹和红外辐射，因此这种信号不足阻碍了其基本的透射或反射光传感测量。另一方面，与BBR相关的无源传感（被测样本本身作为光源）可以缓解上述限制。同时，基于BBR的无源太赫兹-红外化学监测可使用紧凑的测量系统，而无需外部光源和相关光学系统。

为此，在室温宽太赫兹-红外辐射下的运行和机械可拉伸的器件配置对于光探测器至关重要。宽带运行有助于器件在宽频带上有效检测BBR。非制冷光传感系统（无需笨重的冷却设备），对于移动应用来说是最优选择。测辐射热计和其他固态半导体光探测器可使用非制冷宽带太赫兹-红外检测。然而，其刚性不可弯曲的结构限制了测量配置，例如液体流动通道和容器的形状和尺寸。通常用于液体流动通道的3D曲线圆柱结构，对于刚性传感器来说存在盲区，从而降低了测量精度。

另一方面，柔性非制冷宽带太赫兹-红外探测器可以附着于任意结构的外表面。因此，这种柔性探测器可以实现对3D物体的全方位BBR检测，比如螺旋缠绕的热管和人手。此外，可机械拉伸的光探测器适用于由内在的液体流动性动态调节的可变形柔软外表面，包括医用橡胶管和波纹管。然而，可拉伸非制冷宽带太赫兹-红外探测器的设计和实现尚未完成，相应的基于BBR的液体中化学物质现场动态监测也尚未提出。

本论文设计了一种可拉伸、可自由变形的宽带光传感器薄片（图1A和1B），并通过简单地包裹流体通道的外表面（图1C），演示了对液体中化学物质进行无损、非取样、无光源和无标记的无源现场动态监测。该新型可拉伸传感器通道由基于CNT网络的PTE薄膜组成，能够很好地进行非制冷宽带太赫兹-红外检测。

图1 本论文研究工作的概念图。（A）可拉伸宽带光传感器阵列薄片的照片。（B）多功能柔性胶带和可拉伸PTE传感器薄片对3D物体运动的机械跟随性的简单对比。（C）通过简单外表面包裹实现无损和非取样、无源和无标记、现场动态液体中化学物质光监测方案。

图2 可拉伸PTE传感器薄片抵抗机械变形的耐用性和光学稳定性

图3 通过传感器薄片包裹，基于BBR的基本液体特性的无源现场动态光监测

该传感器将CNT薄膜通道与多层层压可拉伸电极和基底集成在一起。所提出传感器的图案化刚-柔结构提供了抵抗机械变形的耐用性和光学稳定性，其可拉伸范围为70%至280%。这种方法可使用基于BBR的监测方案，包括对气球进行光致变形检测，以及对不透明柱内的隐藏3D流动液体进行360°全景成像，PTE传感器薄片紧紧包裹在这些不透明柱周围，无需庞大的旋转台，就可以实现对液体中化学物质进行无损、非取样、无光源、无标记和无源现场动态浓度监测。

图4 基于BBR、非取样和无标记的液体中化学物质浓度无源现场动态光监测

论文中提出的方法还可以通过检测化学物质溶解前后溶剂中BBR信号的变化，方便地监测任意水溶性化学物质的浓度。这种低成本器件打印方法的多功能性，以及测量的简单性（只需将传感器薄片贴附在任意容器表面），有助于开发可供任何人（而不仅仅是专家）使用、可移动、易于操作的化学质量评估平台。潜在的应用包括饮料和食品质量监控。提出的可拉伸PTE传感器薄片可以包裹在容器和涂层外，并根据样本内在的BBR进行糖分含量或温度监测，而外部的太赫兹-红外辐射可以同时用于杂质检测，如水管或饮料罐检测。

论文信息：
Kou Li, et al. Stretchable broadband photo-sensor sheets for nonsampling, source-free, and label-free chemical monitoring by simple deformable wrapping. Science Advances, 2022; 8(19)

DOI: 10.1126/sciadv.abm4349

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编辑：薛定谔的薛定谔