【摘 要】
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健康是人类最普遍根本的需求,党的十九大报告提出以保障食品安全和积极应对人口老龄化问题为重点的“健康中国战略”,旨在为人民群众提供全方位的健康服务。物联网技术的发展推动全方位健康监测系统的构建,并对底层传感器件提出广泛需求。柔性传感器件,以其成本低廉、性能优异、适用性广等优点,在全面个人健康监测中具有重要价值。因此,本论文主要研究了两类柔性传感器件,一类是面向个体生命
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健康是人类最普遍根本的需求,党的十九大报告提出以保障食品安全和积极应对人口老龄化问题为重点的“健康中国战略”,旨在为人民群众提供全方位的健康服务。物联网技术的发展推动全方位健康监测系统的构建,并对底层传感器件提出广泛需求。柔性传感器件,以其成本低廉、性能优异、适用性广等优点,在全面个人健康监测中具有重要价值。因此,本论文主要研究了两类柔性传感器件,一类是面向个体生命活动监测的基于电学响应的柔性应变传感器,另一类是面向分子指纹原位检测的基于光学响应的表面增强拉曼散射(SERS)柔性传感基底,以满足全面健康保障需求。柔性应变传感器,以纳米材料构建传感单元,兼具高灵敏度与佩戴舒适度,适用于可穿戴人体生命活动监测。石墨烯柔性应变传感器以其成本低廉、制备简单、性能优异等优势成为柔性应变传感器的重要发展方向。为此,本论文以石墨烯柔性应变传感器为研究重点,面向个人生命体征监测应用,制备了柔性传感装置,取得研究成果如下:1.利用浸渍提拉和化学还原方法在双包覆纱弹性纤维表面包覆还原氧化石墨烯(RGO),成功制得RGO/弹性纤维柔性应变传感器。双包覆纱线外包纱所具有的微米尺度结构,实现RGO传感单元立体化,使得传感器在0-3%小应变范围内展示出GF约等于2.7的灵敏度、小于60ms的快速响应能力,以及目前柔性应变传感器中的最佳线性度(R2约等于0.9914)。2.首次利用包覆有RGO的弹性纤维作为传感单元,制备出了脉搏波传感器及多功能生命体征传感贴片。利用脉搏波传感器测得不同志愿者清晰的脉搏波形,由此计算得到了桡动脉增强指数,符合医学研究报道;利用传感贴片实现了呼吸、脉搏、咀嚼、吞咽、肌肉收缩舒张、膝跳反射等多种微弱生命活动监测。柔性SERS传感基底,以柔性载体承载具有SERS效应的贵金属纳米结构,其中聚合物基柔性SERS传感基底以其透光性好、耐弯折、生物兼容性好等优势,展示出重要的分子原位检测应用价值。为此,本论文基于等离子体刻蚀技术,制备了两种聚合物柔性SERS传感基底,主要研究成果为:1.利用氩等离子体刻蚀聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)后继而沉积金,制备出了基于金纳米结构的聚合物基柔性SERS基底,该方法具有简单、高产出、可重复的优势。系统研究了氩等离子体刻蚀时间与金沉积厚度对金纳米结构形貌和SERS增强性能的影响,工艺优化后在PET基底上成功制备出了高密度金纳米蠕虫结构,并利用该结构成功实现了高达108量级的拉曼信号增强,处于柔性SERS领域先进水平。2.在丹麦科技大学(DTU)联合培养期间,基于反应离子束刻蚀(RIE)和纳米压印(NIL)技术,利用硅衬底首次成功制备出了基于贵金属纳米种子结构的大面积柔性SERS传感基底。(1)在4英寸硅片上无掩模刻蚀出了均匀致密的硅纳米柱阵列,沉积贵金属(金或银)后,借助NIL将硅纳米柱顶端形成的金属纳米种子阵列结构转移并半嵌入至柔性聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜中,从而成功制得了柔性SERS传感基底。制得柔性基底面积高达4英寸,且制备工艺稳定,可重复性好。(2)对金和银纳米种子柔性SERS传感基底均进行了面积为2mm×2mm的正向拉曼mapping成像,测试结果显示拉曼信号强度的相对标准差(RSD)最低约为3.4%(金纳米种子,633nm激光激发),为当前已报道该指标的最低值,表明基底的优异均匀性能。计算得到的SERS平均增强因子达106量级(银纳米种子,532nm激光激发),展示出优异的增强性能。(3)金和银纳米种子柔性SERS传感基底均可用于背向拉曼测试,且采集到的拉曼信号强度与正向拉曼测试强度近乎一致,此外还展示出对基底弯曲的高度容忍性。进而将金纳米种子柔性SERS传感基底直接贴附至葡萄表面,使用便携式拉曼测试设备首次实现了痕量戊唑醇农药表面残留原位检测,检测浓度低至20ng/mm2,低于欧盟最低施加标准250g/ha。
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