基于全MXene打印的无线无源植物可穿戴传感器

柔性电子技术的进步促进了植物可穿戴设备这一新兴领域的发展。植物可穿戴传感器为实时监测、预测并跟踪植物的生长、发育与疾病提供了潜力巨大的平台。与传统的气相色谱-质谱仪（GC-MS）等实验室技术相比，植物可穿戴传感器易于操作，且能够在植物的生长环境中直接对挥发性有机化合物进行分析监测。此外，植物可穿戴传感器能够直接附着在植物表面，防止器件对植物的损伤，并适合于精准研究某些植物个体的异常发育情况。MXene是近年来二维过渡金属碳化物和氮化物的新兴家族，具有导电性高、亲水性良好、分散性稳定、流体性能合适，且机械强度良好等优点，被逐渐应用于印刷电子领域，在气体传感方面也有其独特优势。

近期，浙江大学刘清君教授课题组报道了一种基于全MXene打印的植物可穿戴无线无源传感器，以实现植物激素乙烯的原位连续检测。相关成果以“All‐MXene‐PrintedRF Resonators as Wireless Plant Wearable Sensors for In Situ EthyleneDetection”为题发表在Small上。论文第一作者是博士生李鑫，通讯作者为刘清君教授。

无线无源乙烯传感器，用于精准农业和全链条食品质量检测  

该研究利用全MXene印刷的柔性射频谐振器作为植物可穿戴传感器来进行无线乙烯检测。全MXene丝网印刷的柔性传感器由柔性基底上的射频天线和叉指电极组成，并利用负载钯纳米颗粒的MXene（MXene@PdNPs）作为气敏材料，共同构成被乙烯浓度调制的射频谐振器。其中无添加、粘弹性的MXene导电油墨使得基于丝网印刷的快速柔性电子器件制备成为可能，通过便携式矢量网络分析仪，该植物可穿戴传感标签可以原位无线读出乙烯浓度，这将为乙烯相关的植物代谢研究提供有力工具。

全MXene打印植物可穿戴乙烯无线检测制备与应用示意图

由于无添加MXene油墨良好的流变性能，通过丝网印刷即可得到具有良好印刷精度、良好导电性的印刷线条，以及机械性能稳定的MXene印刷的柔性射频谐振器。不同批次间的器件具有一致的谐振特性，且在变形状态下仍能维持稳定的无线耦合性能，表明该技术适用于规模化制备柔性电子器件。

丝网印刷MXene线条精度与柔性射频谐振器特性

该研究通过原位还原法在MXene表面生长制备了钯纳米颗粒（MXene@PdNPs）。MXene@PdNPs表现出了显著增强的室温乙烯响应，通过分段线性拟合得到的R²分别为0.99和0.97。该气敏材料的检测下限为0.084 ppm，且受其他干扰气体影响小，表现出了良好的选择性。MXene@PdNPs良好的乙烯传感性能被归因于PdNPs负载极大增强了MXene对乙烯的吸附能，从而调制了MXene传感通道中的载流子的移动。

MXene@PdNPs乙烯响应特性

将MXene@PdNPs与MXene印刷柔性射频谐振器结合，该研究构建了植物可穿戴的柔性传感器，用于实现无线无源的乙烯传感检测。乙烯吸附调制的等效传感电阻变化可以通过传感标签的回波损耗S₁₁振幅无线无源反馈到网络分析仪。传感标签在乙烯中孵育5 min即可得到谐振响应。该传感标签在灵敏度、重复性与稳定性上都有着良好表现。

无线无源乙烯传感检测

基于PET基底构建的轻质、柔性的全MXene丝网印刷柔性传感器标签可以被加工成不同的几何参数，并贴合在植物叶片、果实等部位以实现原位植物乙烯检测。本研究校正了不同湿度下传感标签对乙烯的响应，并在四种呼吸跃变型果实上（苹果、香蕉、芒果、猕猴桃）进行了连续8天的乙烯传感检测，所得结果与GC-MS的结果符合度较高，平均检测误差为0.42 ppm，表明该器件在实际检测应用具有良好的潜力。

植物可穿戴原位乙烯检测应用

呼吸跃变型水果成熟度变化

该研究利用无添加MXene导电油墨实现了快速、简便地印刷电子器件制备，并表现出良好的印刷精度、导电性和机械稳定性。此外，MXene还原生长钯纳米颗粒（MXene@PdNPs），将传感器在1 ppm下的室温乙烯响应提高到1.16%，并达到0.084 ppm的检测限。该研究构建的全MXene印刷传感器标签能够附着在植物器官表面，用于可穿戴的无线无源植物乙烯检测，并表现出了良好的检测准确度。该技术不仅为MXene柔性电子器件的加工提供了新的路线，也为具有无线无源信息感知能力的植物可穿戴传感器设计提供了可参考的思路，有望应用于精准农业及全链条食品质量检测等多种领域。

论文链接： https://doi.org/10.1002/smll.202207889    

审核编辑 ：李倩