柔性電子技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了植物可穿戴設(shè)備這一新興領(lǐng)域的發(fā)展。植物可穿戴傳感器為實時監(jiān)測、預(yù)測并跟蹤植物的生長、發(fā)育與疾病提供了潛力巨大的平臺。與傳統(tǒng)的氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC-MS）等實驗室技術(shù)相比，植物可穿戴傳感器易于操作，且能夠在植物的生長環(huán)境中直接對揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行分析監(jiān)測。此外，植物可穿戴傳感器能夠直接附著在植物表面，防止器件對植物的損傷，并適合于精準(zhǔn)研究某些植物個體的異常發(fā)育情況。MXene是近年來二維過渡金屬碳化物和氮化物的新興家族，具有導(dǎo)電性高、親水性良好、分散性穩(wěn)定、流體性能合適，且機(jī)械強(qiáng)度良好等優(yōu)點，被逐漸應(yīng)用于印刷電子領(lǐng)域，在氣體傳感方面也有其獨特優(yōu)勢。

近期，浙江大學(xué)劉清君教授課題組報道了一種基于全MXene打印的植物可穿戴無線無源傳感器，以實現(xiàn)植物激素乙烯的原位連續(xù)檢測。相關(guān)成果以“All‐MXene‐PrintedRF Resonators as Wireless Plant Wearable Sensors for In Situ EthyleneDetection”為題發(fā)表在Small上。論文第一作者是博士生李鑫，通訊作者為劉清君教授。

無線無源乙烯傳感器，用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和全鏈條食品質(zhì)量檢測

該研究利用全MXene印刷的柔性射頻諧振器作為植物可穿戴傳感器來進(jìn)行無線乙烯檢測。全MXene絲網(wǎng)印刷的柔性傳感器由柔性基底上的射頻天線和叉指電極組成，并利用負(fù)載鈀納米顆粒的MXene（MXene@PdNPs）作為氣敏材料，共同構(gòu)成被乙烯濃度調(diào)制的射頻諧振器。其中無添加、粘彈性的MXene導(dǎo)電油墨使得基于絲網(wǎng)印刷的快速柔性電子器件制備成為可能，通過便攜式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，該植物可穿戴傳感標(biāo)簽可以原位無線讀出乙烯濃度，這將為乙烯相關(guān)的植物代謝研究提供有力工具。

全MXene打印植物可穿戴乙烯無線檢測制備與應(yīng)用示意圖

由于無添加MXene油墨良好的流變性能，通過絲網(wǎng)印刷即可得到具有良好印刷精度、良好導(dǎo)電性的印刷線條，以及機(jī)械性能穩(wěn)定的MXene印刷的柔性射頻諧振器。不同批次間的器件具有一致的諧振特性，且在變形狀態(tài)下仍能維持穩(wěn)定的無線耦合性能，表明該技術(shù)適用于規(guī)模化制備柔性電子器件。

絲網(wǎng)印刷MXene線條精度與柔性射頻諧振器特性

該研究通過原位還原法在MXene表面生長制備了鈀納米顆粒（MXene@PdNPs）。MXene@PdNPs表現(xiàn)出了顯著增強(qiáng)的室溫乙烯響應(yīng)，通過分段線性擬合得到的R2分別為0.99和0.97。該氣敏材料的檢測下限為0.084 ppm，且受其他干擾氣體影響小，表現(xiàn)出了良好的選擇性。MXene@PdNPs良好的乙烯傳感性能被歸因于PdNPs負(fù)載極大增強(qiáng)了MXene對乙烯的吸附能，從而調(diào)制了MXene傳感通道中的載流子的移動。

MXene@PdNPs乙烯響應(yīng)特性

將MXene@PdNPs與MXene印刷柔性射頻諧振器結(jié)合，該研究構(gòu)建了植物可穿戴的柔性傳感器，用于實現(xiàn)無線無源的乙烯傳感檢測。乙烯吸附調(diào)制的等效傳感電阻變化可以通過傳感標(biāo)簽的回波損耗S??振幅無線無源反饋到網(wǎng)絡(luò)分析儀。傳感標(biāo)簽在乙烯中孵育5 min即可得到諧振響應(yīng)。該傳感標(biāo)簽在靈敏度、重復(fù)性與穩(wěn)定性上都有著良好表現(xiàn)。

無線無源乙烯傳感檢測

基于PET基底構(gòu)建的輕質(zhì)、柔性的全MXene絲網(wǎng)印刷柔性傳感器標(biāo)簽可以被加工成不同的幾何參數(shù)，并貼合在植物葉片、果實等部位以實現(xiàn)原位植物乙烯檢測。本研究校正了不同濕度下傳感標(biāo)簽對乙烯的響應(yīng)，并在四種呼吸躍變型果實上（蘋果、香蕉、芒果、獼猴桃）進(jìn)行了連續(xù)8天的乙烯傳感檢測，所得結(jié)果與GC-MS的結(jié)果符合度較高，平均檢測誤差為0.42 ppm，表明該器件在實際檢測應(yīng)用具有良好的潛力。

植物可穿戴原位乙烯檢測應(yīng)用

呼吸躍變型水果成熟度變化

該研究利用無添加MXene導(dǎo)電油墨實現(xiàn)了快速、簡便地印刷電子器件制備，并表現(xiàn)出良好的印刷精度、導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性。此外，MXene還原生長鈀納米顆粒（MXene@PdNPs），將傳感器在1 ppm下的室溫乙烯響應(yīng)提高到1.16%，并達(dá)到0.084 ppm的檢測限。該研究構(gòu)建的全MXene印刷傳感器標(biāo)簽?zāi)軌蚋街谥参锲鞴俦砻妫糜诳纱┐鞯臒o線無源植物乙烯檢測，并表現(xiàn)出了良好的檢測準(zhǔn)確度。該技術(shù)不僅為MXene柔性電子器件的加工提供了新的路線，也為具有無線無源信息感知能力的植物可穿戴傳感器設(shè)計提供了可參考的思路，有望應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及全鏈條食品質(zhì)量檢測等多種領(lǐng)域。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/smll.202207889

審核編輯 ：李倩