纸传感器 科学家研制出纸张传感器
科学家研制出纸张传感器
吃冰箱里剩下的奶酪或者用已在柜子里放了好几年的眼影是否安全？一种智能标签或许能派上用场。这是一组研制出含有纳米结构的新型传感器的研究人员怀有的希望。当这种纳米结构同可显示被细菌破坏或污染的化合物结合时，会改变颜色。
目前可用的传感器利用在通道中迁移的液态溶液，而新开发的传感器拥有的所有试剂都被并入一片邮票大小的纸张。这意味着它可以被直接应用到接受测试的样品中。比如，它可以被添加到化妆品的包装中，或者被轻轻擦到残留的食物上。
在华盛顿召开的第254届美国化学学会全国性会议和展览上，研究人员展示了这一成果。他们已利用这种纸张传感器检测茶和酒中的抗氧化剂化合物。研究人员表示，该传感器还可被用于识别诸如亚马逊热带雨林等遥远地区具有抗氧化属性的新药用植物或自然资源。（徐徐）
为了“省钱”，做传感器竟然可以用落叶烧、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]。
Seung-min Park博士和他的智能马桶，背景《思想者》。图片来源：Science NEWS [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
“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……
“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。
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。
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]。
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。
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]。
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。
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。
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
（本文由小希 供稿）
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