综述：自供电化学和生物传感应用的固-液摩擦纳米发电机（SL-TENG）
2024-10-12 17:35:09 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
摩擦纳米发电机（TENG）和摩擦纳米传感器（TENS）在利用丰富的低频机械能和自供电传感应用方面展现出巨大潜力。在TENG中，固-液摩擦纳米发电机（SL-TENG）展现了诸多优势，例如由于接触液体具有润滑性，因此接触分离效率高，液体运动范围广。
水污染、空气污染和土壤污染等环境污染的不断恶化，以及多种危重疾病的出现，凸显了开发高效便携式传感设备的紧迫性。这些设备对于频繁、快速检测关键环境因素以及持续监测危重病人至关重要。近些年，研究人员在环境检测传感技术方面取得了巨大进步，例如土壤检测、空气质量监测和水污染检测等。值得注意的是，生物传感器（包括用于医疗保健监测的可穿戴生物传感器）的开发及其在即时检测（POCT）中的应用研究也取得了重大进展。然而，便携式设备的进步和大规模生产提高了对传统能源的使用，例如对可充电和非可充电电池的需求。对传统能源的高度依赖会对环境和人类健康造成负面影响，使传感器变得笨重，并带来安全问题。
摩擦纳米发电机（TENG）和摩擦纳米传感器（TENS）在利用丰富的低频机械能和自供电传感应用方面展现出巨大潜力。在TENG中，固-液摩擦纳米发电机（SL-TENG）展现了诸多优势，例如由于接触液体具有润滑性，因此接触分离效率高，液体运动范围广。此外，SL-TENG在生物传感和化学传感方面也有优势，包括细菌、药物、重金属离子传感和污染物传感等，因为很多真实样品都是液体形式，使SL-TENG成为传感应用的理想候选材料。鉴于上述优势，研究人员在开发基于SL-TENG的自供电生物传感器和化学传感器方面做出了很多努力。开发出采用多种工作模式的SL-TENG，包括波浪模式、液滴模式、流动模式和垂直接触分离模式等。为了提高SL-TENG的摩擦发电性能，研究人员采用了多种方法，例如对接触的固体和液体表面进行光学、电学、物理和化学修饰。这些改性可以改善疏水性、亲水性、表面电位、有效接触面积和接触分离亲密性等重要参数。SL-TENG的这些发展已被广泛应用于传感领域。
TENG机理、表面改性、表面现象以及TENG在化学传感和生物传感中的应用
据麦姆斯咨询介绍，国立台湾大学和国立清华大学的研究人员在npj Biosensing期刊上发表了一篇题为“Recent advances in solid-liquid triboelectric nanogenerators for self-powered chemical and biological sensing”的综述性文章。这篇综述文章讨论了基于SL-TENG的生物传感和化学传感应用的最新进展。文章首先介绍了SL-TENG的工作模式及其工作机制，包括：液滴模式、波浪运动模式、液体流动模式和传统的垂直接触分离模式。此外，还介绍了用于检测目标分析物的表面改性以及改性后表面特性的变化。随后，文章介绍了表面改性对所制造SL-TENG器件摩擦电输出的影响。最后，文章介绍了基于SL-TENG的化学和生物传感器的应用开发，如作物栽培过程中的尿素浓度监测、抗肿瘤药物负载检测、真实样品中的儿茶素检测、重金属离子传感等。
SL-TENG工作机理：（a）接触液体流动模式；（b）接触液体的波浪运动模式；（c）垂直接触分离模式；（d）传统液滴模式；以及（e）具有开关效应的液滴模式。
（a）通过深度学习检测和识别微塑料类型；（b）结合微流控技术检测不同种类液体的SL-TENG装置；（c）用于医院生物流体的自供电流量传感装置；（d）基于SL-TENG的双信号自供电多巴胺浓度检测装置；（e）基于SL-TENG检测混合溶液中的有机金属化合物及不同配比有机溶剂。
（a）基于传统垂直接触分离模式SL-TENG检测真实红茶样品中的儿茶素；（b）在作物栽培过程中逐日监测尿素溶液的浓度；（c）基于SL-TENG的抗肿瘤药物蛋白负载检测；（d）利用摩擦电测量法监测商用水容器在不同时间阶段的需氧菌总数。
本综述介绍的一些化学传感研究显示了不同化学物质作为接触液体的传感数据。然而，为了更科学地理解这些现象，研究人员需要在分子水平上对固-液界面进行适当的材料表征和机制研究。化学传感的传感表面可以针对特定物质的检测进行改性，以用于特定目的，例如在具有挑战性的环境中利用机器人技术检测危险化学品。此外，集成多个电极并针对不同分析物/目标进行相应改性，可以实现对多种分析物的高选择性检测。另一方面，本综述介绍了一项关于抗肿瘤药物筛选的研究，证明SL-TENG可用于其它严重疾病（例如COVID-19、癌症、神经系统疾病）的药物筛选。此外，通过与微流控技术相结合，SL-TENG还可以开发用于生物传感和化学传感，其中传感表面的疏水性、水下疏油性等特性是该技术的关键因素。这篇综述文章有助于研究人员了解SL-TENG在传感时代的技术现状，并为SL-TENG传感器件的进一步发展提供重要方向。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44328-024-00011-0
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