压电-酶促反应耦合效应与自供电式生物味觉电子皮肤的研究

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随着便携式/柔性智能电子产品的快速发展,一些可植入、可穿戴的柔性电子设备引起了全球范围内的关注。这些智能可穿戴电子设备能够用于医学诊断,健康检测,增强人体感知能力,仿生机器人或者人造仿生假体上,真正实现“带电身体”,建立体-电界面,旨在转变传统的医疗模式或者通过先进的设备技术来模拟人类感知。感官是生物体得到外界资讯最主要的通道,就人类而言,包括眼睛的视觉,耳朵的听觉,口腔的味觉,鼻子的嗅觉和皮肤的触觉。在之前的工作中,已经报道了用于模拟嗅觉上皮组织的新型自供电嗅觉电子皮肤。味觉是人和动物的一种基本生理感觉,用来识别食物的性质、调节食欲、控制摄食量。舌头表面生长了大量的味蕾细胞,味蕾细胞通过收集和传递口腔中产生的化学刺激,传递到大脑的味觉中枢,最后通过大脑的综合神经中枢系统的分析,够识别各种味道。最基本的味觉有甜、酸、苦、咸四种,平时尝到的各种味道都是这四种味道的混合的结果。为了更好的实现电子皮肤这一概念,具有味觉传感的柔性电子皮肤的研究将会起到关键性作用。舌头表面分布着大量能够识别味道的柔软的味蕾细胞,为了能更好的模拟人的味觉传感机制,植入在人体中或贴合在人体表面的味觉电子皮肤应具备三个特点:具有柔性结构,对味道进行识别,并且能大量集成。因此在本文中,设计了一款基于压电-酶促反应耦合的自供电式生物味觉电子皮肤,能够感知酸味和苦味,并对一些常见水果进行了实际检测。具体内容如下:(1)通过简单的方法成功制备出基于压电-酶促反应耦合的自供电式生物味觉电子皮肤。首先通过水热法生长出氧化锌纳米线,通过转印、光刻、电子束蒸镀等技术,将叉指电极光刻在氧化锌纳米线两端,最后将生物酶修饰在氧化锌纳米线表面,完成自供电式味觉电子皮肤。(2)这种新型的自供电电子皮肤将压电效应和酶促反应耦合在一起,摒弃了外接电源的介入,缩小了器件尺寸,具有味觉感知能力。在不同压力和不同频率下,展现出非常稳定的传感性能,并能够将外界氛围的变化通过压电信号传递出来:当溶液中的抗坏血酸浓度从0M/L增加到2×10-2 M/L时,酸味传感单元的压电输出从18.04mV减小到6.64mV,酸味传感单元的压电响应从0增加到171.747;当溶液中的乙醇体积分数从0%增加到50%时,苦味传感单元的压电输出从20.68 mV减小到14.18 mV,苦味传感单元的压电响应从0增加到45.867。(3)实验结果表明,自供电电子皮肤在无任何外部电源情况下检测五种水果的抗坏血酸浓度时,测量结果与水果中的抗坏血酸浓度有关。在未来,这种自供电多功能电子皮肤的发展可能会在体-电接口和机器人中有潜在的应用。
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