摘要

血清中鉀離子（K?）濃度的定量檢測(cè)對(duì)于臨床診斷和管理具有重要意義。盡管已開(kāi)發(fā)出多種用于定量檢測(cè)血清中鉀離子濃度的方法，但現(xiàn)有技術(shù)在利用少量血清樣本實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)方面往往存在不足。在此，作者開(kāi)發(fā)了一種新型智能水凝膠應(yīng)變傳感器，該傳感器將聚（N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并-15-冠-5-丙烯酰胺）（PNB）水凝膠與電阻應(yīng)變片相結(jié)合，通過(guò)將生化信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大為易于測(cè)量的應(yīng)變變化，來(lái)高效且定量地檢測(cè)血清中鉀離子濃度。通過(guò)合理調(diào)控與鋰皂石XLG納米片交聯(lián)的PNB水凝膠，使用PNB水凝膠應(yīng)變傳感器可在2分鐘內(nèi)快速完成對(duì)血清中鉀離子濃度的檢測(cè)。由于該應(yīng)變傳感器具有靈敏的轉(zhuǎn)換能力，能夠測(cè)量水凝膠極其微小的變形，因此僅需一滴16 μL的血清，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)血液中鉀離子濃度的高效定量檢測(cè)。PNB水凝膠應(yīng)變傳感器展現(xiàn)出出色的抗干擾性能和重復(fù)檢測(cè)性能。所提出的策略不僅為高效定量檢測(cè)血液中鉀離子濃度提供了一種新方法，還為開(kāi)發(fā)適用于各種應(yīng)用的新型檢測(cè)方法開(kāi)辟了新途徑。

引言

在這項(xiàng)工作中，作者報(bào)道了一種新型智能水凝膠應(yīng)變傳感器，它能夠用一滴血清高效且定量地檢測(cè)血液中K?的濃度。所提出的傳感器集成了智能的PNB水凝膠和電阻應(yīng)變片，能夠?qū)⑸盘?hào)轉(zhuǎn)換并放大為易于測(cè)量的應(yīng)變變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)血清中鉀離子濃度的高效定量檢測(cè)。為了提高PNB水凝膠對(duì)鉀離子的響應(yīng)速率，作者采用鋰皂石XLG（L-XLG）納米片作為物理交聯(lián)劑來(lái)制備PNB水凝膠傳感器（圖1a）。在這種傳感器中，類(lèi)似紙牌屋的結(jié)構(gòu)能夠顯著增大分子鏈之間的間距，從而大幅減少水凝膠內(nèi)部對(duì)鉀離子轉(zhuǎn)移的空間阻礙，加快傳感器對(duì)鉀離子的響應(yīng)速率。在將一滴血清滴加到PNB水凝膠傳感器上之后（圖1b），PNB水凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)中的15-冠-5單元會(huì)特異性地識(shí)別并捕獲鉀離子，形成具有極高穩(wěn)定常數(shù)的2:1主客體復(fù)合物結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致PNB水凝膠迅速收縮。PNB水凝膠因鉀離子濃度而產(chǎn)生的變形會(huì)引起電阻應(yīng)變片發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變變化，從而能夠?qū)ρ逯锈涬x子的濃度進(jìn)行定量測(cè)定（圖1b）。所提出的方法能夠用少量血清高效且定量地檢測(cè)血液中鉀離子的濃度，并且還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗干擾性能和重復(fù)檢測(cè)性能，因此為簡(jiǎn)便快速地檢測(cè)血清中鉀離子的濃度提供了一種新策略。

圖1.a）所提出的智能水凝膠應(yīng)變傳感器的制造過(guò)程和B）傳感和檢測(cè)原理的示意圖，該傳感器用于利用一滴血清來(lái)有效和定量地檢測(cè)血鉀濃度。

結(jié)果與討論

水凝膠與聚酰亞胺（PI）基片的結(jié)合強(qiáng)度

要成功構(gòu)建智能水凝膠應(yīng)變傳感器，提高水凝膠的拉伸強(qiáng)度以及水凝膠與電阻應(yīng)變片PI基底之間的粘附強(qiáng)度具有重要意義。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）證實(shí)了L-XLG交聯(lián)的PNB水凝膠制備成功。用不同濃度L-XLG制備的PNB水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明，所制備的PNB水凝膠的機(jī)械性能隨著交聯(lián)劑濃度的增加而提高（圖2a）。隨著L-XLG濃度從1% mol/L增加到3% mol/L和5% mol/L，所制備的PNB水凝膠的拉伸強(qiáng)度從30 kPa增加到55 kPa和95 kPa，PNB水凝膠的應(yīng)變從400%增加到550%和603%（圖2a）。隨著L-XLG濃度的增加，PNB水凝膠拉伸強(qiáng)度顯著提高，這是因?yàn)長(zhǎng)-XLG通過(guò)其表面電荷（邊緣帶正電，表面帶負(fù)電）與水凝膠聚合物鏈形成可逆的靜電相互作用或氫鍵，而不是永久性的共價(jià)鍵。這種動(dòng)態(tài)交聯(lián)使得網(wǎng)絡(luò)能夠在外力作用下局部解離和重構(gòu)，從而提高了所得水凝膠的強(qiáng)度和延展性。此外，L-XLG納米片與聚合物鏈之間的界面能有效地傳遞應(yīng)力，這可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的均勻性并延緩裂紋的擴(kuò)展。再者，動(dòng)態(tài)鍵的滑動(dòng)摩擦和斷裂可以吸收能量，提高所得水凝膠的韌性。因此，L-XLG的動(dòng)態(tài)交聯(lián)特性與納米增強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)相結(jié)合，使得在L-XLG濃度從1%到5%的一定范圍內(nèi)，所得水凝膠實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的“強(qiáng)度-延展性雙重增強(qiáng)”。

為了使PNB水凝膠牢固地粘附在電阻應(yīng)變片的PI基底上，作者的策略是在它們之間形成足夠多的共價(jià)鍵。首先，對(duì)電阻應(yīng)變片的PI基底進(jìn)行硅烷化改性，在其表面產(chǎn)生大量的活性基團(tuán)。在對(duì)PI基底進(jìn)行等離子體處理以在其表面引入活性羥基后，將3-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷（MPS）分子化學(xué)接枝到PI基底上。與未改性的PI基底的X射線光電子能譜（XPS）圖譜相比，改性后的PI基底的圖譜顯示出明顯的Si 2p峰（圖2b），證實(shí)了硅烷偶聯(lián)劑MPS分子成功接枝到了PI基底上。PI基底上接枝的MPS分子中的碳-碳雙鍵參與水凝膠的自由基聚合反應(yīng)，從而在PI基底和聚合物水凝膠之間形成牢固的共價(jià)鍵。

在PI基底上合成水凝膠后，進(jìn)行了剝離測(cè)試和搭接剪切測(cè)試，以定量表征水凝膠與改性PI基底之間的粘附強(qiáng)度。剝離測(cè)試結(jié)果表明，水凝膠與PI基底之間的粘附強(qiáng)度隨著前驅(qū)體溶液中交聯(lián)劑L-XLG濃度的增加而增加。當(dāng)L-XLG濃度從1% mol/L增加到3% mol/L和5% mol/L時(shí)，PNB水凝膠與改性PI基底之間的粘附強(qiáng)度從10 N/m增加到24 N/m和50 N/m（圖2c）。此外，搭接剪切測(cè)試結(jié)果也表明，隨著L-XLG濃度的增加，水凝膠與改性PI基底之間的剪切力也在增加。當(dāng)L-XLG濃度從1% mol/L增加到3% mol/L和5% mol/L時(shí)，水凝膠與改性PI基底之間的剪切力從8.2 kPa增加到16.5 kPa和23.8 kPa（圖2d）。這些結(jié)果證實(shí)，由于水凝膠與改性PI基底之間的化學(xué)鍵合，合成的PNB水凝膠能夠牢固地附著在電阻應(yīng)變片的PI基底上。

為了進(jìn)一步證明水凝膠與改性PI基底之間的強(qiáng)粘附性，利用PNB水凝膠的熱響應(yīng)特性來(lái)測(cè)試PNB水凝膠與改性PI基底粘結(jié)雙層結(jié)構(gòu)的溫度依賴(lài)性變形。隨著溫度從28°C升高到60°C，由于PNB水凝膠的熱致收縮，PNB水凝膠與改性PI基底的粘結(jié)雙層結(jié)構(gòu)明顯向水凝膠一側(cè)彎曲；幸運(yùn)的是，無(wú)論變形多么嚴(yán)重，PNB水凝膠和改性PI基底仍然牢固地粘結(jié)在一起（圖2e）。然而，如果用未改性的PI基底代替改性PI基底，以相同方法合成的PNB水凝膠和未改性PI基底的雙層結(jié)構(gòu)在溫度從28°C升高到60°C時(shí)無(wú)法保持粘結(jié)雙層結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果證明了水凝膠與改性PI基底之間的強(qiáng)粘附性，從而驗(yàn)證了使用響應(yīng)性水凝膠應(yīng)變傳感器定量檢測(cè)血清中K?濃度的可行性。

圖2.水凝膠和聚酰亞胺（PI）基材之間的粘合強(qiáng)度表征。a）在25°C下，用不同濃度的交聯(lián)劑制備的PNB水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。B）改性前后PI基材的XPS光譜。c，d）在25°C下，改性PI基材與用不同濃度交聯(lián)劑制備的水凝膠之間的剝離強(qiáng)度（c）和剪切強(qiáng)度（d）。e）顯示通過(guò)將具有1% L-XLG的PNB水凝膠鍵合到改性的PI基底上而制備的雙層的溫度依賴(lài)性變形的光學(xué)圖像。

一滴血清水凝膠應(yīng)變傳感器的快速檢測(cè)性能

由于PNB水凝膠具有溫度響應(yīng)特性，因此研究制備好的PNB水凝膠用于檢測(cè)K?濃度的最佳工作溫度至關(guān)重要。通過(guò)研究溫度和鉀離子濃度對(duì)PNB水凝膠體積變化的協(xié)同影響，結(jié)果表明，32°C被確定為所制備的PNB水凝膠傳感器檢測(cè)鉀離子濃度的最佳工作溫度。

此外，由于交聯(lián)劑L-XLG的濃度會(huì)影響PNB水凝膠中的交聯(lián)密度，進(jìn)而影響水凝膠對(duì)鉀離子的響應(yīng)性，因此會(huì)直接影響PNB水凝膠應(yīng)變傳感器的檢測(cè)性能。結(jié)果顯示，交聯(lián)劑L-XLG濃度的增加與識(shí)別鉀離子時(shí)較小的體積變化和較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間相關(guān)。也就是說(shuō)，交聯(lián)劑L-XLG的濃度越低，PNB水凝膠的響應(yīng)速度越快，PNB水凝膠的體積變化程度越大。值得注意的是，當(dāng)L-XLG納米片作為交聯(lián)劑摻入水凝膠網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，它們通常會(huì)與PNB聚合物網(wǎng)絡(luò)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這種相互作用限制了L-XLG納米片的移動(dòng)性，并通過(guò)靜電相互作用、氫鍵或范德華力部分中和了其表面的負(fù)電荷，從而顯著降低了它們從溶液中吸附離子的能力。因此，PNB水凝膠的溶脹或收縮行為主要由PNB網(wǎng)絡(luò)的熱敏性和對(duì)鉀離子的響應(yīng)性所主導(dǎo)，所以L-XLG納米片的電荷效應(yīng)對(duì)水凝膠應(yīng)變傳感器的檢測(cè)結(jié)果影響可忽略不計(jì)。

由于PNB水凝膠和應(yīng)變傳感器具有高靈敏度，所制備的PNB水凝膠應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出非常廣泛的檢測(cè)范圍。例如，用1% L-XLG制備的PNB水凝膠應(yīng)變傳感器展現(xiàn)出從10?? mM到10 mM的寬檢測(cè)范圍。一般來(lái)說(shuō)，血清中鉀離子濃度通常在毫摩爾每升的數(shù)量級(jí)，正常范圍為3.5到5.5 mM。因此，在32°C下，對(duì)用不同交聯(lián)劑濃度制備的水凝膠應(yīng)變傳感器在鉀離子濃度范圍為1到9 mM的溶液中進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器的微應(yīng)變值與鉀離子濃度呈線性關(guān)系（圖3a），這確保了PNB水凝膠應(yīng)變傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確性。當(dāng)鉀離子濃度從1 mM變化到9 mM時(shí)，用1% L-XLG制備的水凝膠應(yīng)變傳感器的微應(yīng)變值變化最為顯著，并且隨著L-XLG濃度從1%降低到3%和5%，變化程度會(huì)減小（圖3a）。此外，在鉀離子濃度為5 mM的溶液中，水凝膠應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)微應(yīng)變變化結(jié)果表明，用1%、3%和5% L-XLG制備的水凝膠應(yīng)變傳感器達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間分別為2.0分鐘、2.8分鐘和3.4分鐘（圖3b）。檢測(cè)性能結(jié)果中的信號(hào)變化程度和響應(yīng)速率均表明，用1% L-XLG制備的PNB水凝膠應(yīng)變傳感器優(yōu)于用3%和5% L-XLG制備的另外兩種水凝膠應(yīng)變傳感器。因此，在隨后檢測(cè)鉀離子濃度的測(cè)試中，所有PNB水凝膠應(yīng)變傳感器均用1% L-XLG制備。

圖3.在32°C下，由不同濃度交聯(lián)劑制備的水凝膠應(yīng)變傳感器的檢測(cè)性能。a)水凝膠應(yīng)變傳感器在識(shí)別濃度范圍為1至9 mM的K?時(shí)的微應(yīng)變值。b)水凝膠應(yīng)變傳感器在K?濃度為5 mM的溶液中的動(dòng)態(tài)微應(yīng)變變化情況。

系統(tǒng)地研究了用1% L-XLG制備的PNB水凝膠應(yīng)變傳感器在鉀離子濃度為1到9 mM的水溶液和血清樣本中的檢測(cè)性能。在鉀離子濃度為1到9 mM的范圍內(nèi)，用1% L-XLG制備的PNB水凝膠應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出快速響應(yīng)，并且水凝膠應(yīng)變傳感器達(dá)到平衡狀態(tài)的所有時(shí)間均在2.0分鐘以內(nèi)（圖4a）。為了研究PNB水凝膠應(yīng)變傳感器的連續(xù)檢測(cè)性能，將測(cè)試溶液的鉀離子濃度逐步從0 mM變化到9 mM，水凝膠應(yīng)變傳感器也始終表現(xiàn)出2.0分鐘的快速響應(yīng)，并且微應(yīng)變值隨著鉀離子濃度的逐漸升高呈現(xiàn)出漸進(jìn)變化（圖4b）。結(jié)果證實(shí)，所提出的水凝膠應(yīng)變傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉀離子濃度的快速有效檢測(cè)。

在本研究中，水凝膠應(yīng)變傳感器是通過(guò)將3AA型號(hào)的電阻應(yīng)變片（6.4 mm×3.5 mm）與一層薄水凝膠層（0.3 mm）集成而制成的，這使得使用極少量的血清樣本進(jìn)行有效檢測(cè)成為可能。10 μL的血清樣本足以覆蓋水凝膠應(yīng)變傳感器的水凝膠部分，被用作最小測(cè)試體積。研究了血清樣本體積對(duì)水凝膠應(yīng)變傳感器在識(shí)別不同鉀離子濃度時(shí)的微應(yīng)變值的影響。結(jié)果表明，在識(shí)別鉀離子濃度為3.8到5.4 mM時(shí)，當(dāng)血清樣本體積為16 μL或更大時(shí)，水凝膠應(yīng)變傳感器的所有微應(yīng)變值均達(dá)到穩(wěn)定水平（圖4c）。也就是說(shuō)，水凝膠應(yīng)變傳感器可用于定量檢測(cè)血液中的鉀離子濃度，并且僅需要一滴體積為16 μL的血清。

圖4.在32°C下，以1%的L-XLG作為交聯(lián)劑制備的水凝膠應(yīng)變傳感器的檢測(cè)性能。a)水凝膠應(yīng)變傳感器在K?濃度范圍為1至9 mM的不同溶液中的動(dòng)態(tài)微應(yīng)變變化情況。b)通過(guò)將K?濃度從0 mM逐步變化到9 mM，對(duì)水凝膠應(yīng)變傳感器進(jìn)行的連續(xù)檢測(cè)性能測(cè)試結(jié)果。c)水凝膠應(yīng)變傳感器在使用不同體積的人體血清樣本識(shí)別鉀離子濃度范圍為3.8至5.4 mM時(shí)的微應(yīng)變值。

水凝膠應(yīng)變傳感器的抗干擾性和重復(fù)檢測(cè)性能

通常，除了K?之外，Na?、Ca2?和Mg2?是在人體血清中最常見(jiàn)且濃度較高的金屬離子。Li?、Cu2?、Zn2?和Fe3?是人體必需的微量元素，而B(niǎo)a2?和Pd2?則是對(duì)人體健康有害的重金屬離子的例子。因此，這些金屬離子被用作干擾物質(zhì)，以研究制備的水凝膠應(yīng)變傳感器的抗干擾性能。結(jié)果表明，濃度范圍在1 mM到9 mM之間的干擾金屬離子對(duì)PNB水凝膠應(yīng)變傳感器檢測(cè)性能的影響都可以忽略不計(jì)（圖5a）。PNB水凝膠應(yīng)變傳感器對(duì)K?檢測(cè)具有出色的選擇性，這歸因于K?較低的水合能以及其直徑與PNB水凝膠中15-冠-5單元相匹配，因此與K?形成的絡(luò)合常數(shù)較高。PNB水凝膠中15-冠-5單元與K?的穩(wěn)定絡(luò)合，確保了即使存在高濃度的其他干擾離子，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器對(duì)K?濃度檢測(cè)仍具有高選擇性。

在真實(shí)的血清中，干擾離子的濃度各不相同。通常，血清中Na?的濃度范圍為135至145 mM，Ca2?的濃度范圍為2.25至2.75 mM，Mg2?的濃度范圍為0.8至1.0 mM。為了進(jìn)一步證明水凝膠應(yīng)變傳感器的抗干擾性能，將不同濃度的Na?、Mg2?和Ca2?分別添加到濃度為5 mM的K?溶液中。結(jié)果表明，水凝膠應(yīng)變傳感器的檢測(cè)性能幾乎不受這些干擾離子的影響（圖5b）。也就是說(shuō)，由于PNB水凝膠對(duì)識(shí)別K?具有高度選擇性和優(yōu)先絡(luò)合能力，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器在檢測(cè)K?濃度時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗干擾性能。

為了評(píng)估水凝膠應(yīng)變傳感器的可重復(fù)性，在去離子水和濃度為5 mM的K?溶液中交替對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。水凝膠應(yīng)變傳感器的微應(yīng)變信號(hào)在對(duì)溶液中5 mM的K?做出響應(yīng)時(shí)會(huì)迅速變化，并在2分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定水平；而當(dāng)將K?溶液換成去離子水時(shí)，它會(huì)在大約8分鐘內(nèi)恢復(fù)到初始狀態(tài)（圖5c）。盡管經(jīng)過(guò)了12個(gè)運(yùn)行過(guò)程，水凝膠應(yīng)變傳感器的檢測(cè)性能仍然保持可靠（圖5d）。這些結(jié)果證明了水凝膠應(yīng)變傳感器的重復(fù)檢測(cè)性能，這使得水凝膠應(yīng)變傳感器即使在K?濃度波動(dòng)的情況下也能夠檢測(cè)K?濃度。

圖5.在32°C下，由1%的L-XLG制備的水凝膠應(yīng)變傳感器的抗干擾性能和重復(fù)檢測(cè)性能。a,b）水凝膠應(yīng)變傳感器在不同濃度的不同離子作用下（a）以及在不同濃度的Na?、Mg2?和Ca2?作用下（b）的抗干擾性能測(cè)試結(jié)果。c,d）水凝膠應(yīng)變傳感器的重復(fù)檢測(cè)性能（c）以及通過(guò)反復(fù)將K?濃度在0 mM和5 mM之間切換所檢測(cè)到的微應(yīng)變值（d）。

溫度對(duì)水凝膠應(yīng)變傳感器檢測(cè)性能的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器可以在不同溫度下運(yùn)行，以檢測(cè)K?的濃度。由于PNB水凝膠具有溫度響應(yīng)特性，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器在不同溫度下檢測(cè)相同K?濃度時(shí)的微應(yīng)變值可能會(huì)有所不同。因此，研究溫度對(duì)水凝膠應(yīng)變傳感器微應(yīng)變值的精確影響至關(guān)重要，該影響是在血清樣本中K?濃度范圍為3.8至5.4 mM時(shí)產(chǎn)生的（圖6a，b）。在實(shí)驗(yàn)中，操作溫度從25°C（接近室溫）變化到40°C（略高于正常體溫）。當(dāng)溫度保持恒定時(shí)，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器的微應(yīng)變值與K?濃度呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性（圖6a，b）。在相同的K?濃度下，微應(yīng)變信號(hào)會(huì)隨著溫度的升高而增強(qiáng)（圖6a，b）?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，定量獲得了在不同溫度下用一滴血清檢測(cè)血液中K?濃度時(shí)，水凝膠應(yīng)變傳感器微應(yīng)變值的正常參考范圍（圖6c）。在特定的操作溫度下，通過(guò)分析PNB水凝膠應(yīng)變傳感器檢測(cè)到的微應(yīng)變值，可以有效地分辨出高鉀血癥、健康狀態(tài)和低鉀血癥的血清樣本。因此，所提出的PNB水凝膠應(yīng)變傳感器可以在各種溫度下高效運(yùn)行，這對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景都有益處。

通過(guò)原子吸收光譜法（AAS）驗(yàn)證了用一滴血清通過(guò)PNB水凝膠應(yīng)變傳感器檢測(cè)血液中K?濃度的檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精密度，因?yàn)樵游展庾V法在測(cè)定血清中K?濃度方面以其精確性而聞名。原子吸收光譜法和PNB水凝膠應(yīng)變傳感器所測(cè)得的血清K?濃度的對(duì)比結(jié)果顯示，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器所測(cè)得的血清K?濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）值小于3.9%，相對(duì)誤差小于3.5%。結(jié)果表明，所提出的PNB水凝膠應(yīng)變傳感器可有效地用于定量檢測(cè)血清中K?的濃度，且具有令人滿意的準(zhǔn)確性和精密度。

圖6.溫度對(duì)由1%L-XLG制備的水凝膠應(yīng)變傳感器檢測(cè)性能的影響。a)溫度對(duì)水凝膠應(yīng)變傳感器識(shí)別血清樣本中不同K?濃度時(shí)微應(yīng)變值的影響。b)由圖(a)得出的等高線圖，展示了溫度對(duì)水凝膠應(yīng)變傳感器微應(yīng)變值的影響。c)在不同溫度下，用一滴血清檢測(cè)血液中K?濃度時(shí)，水凝膠應(yīng)變傳感器微應(yīng)變值的正常參考范圍。

結(jié)論

綜上所述，作者成功開(kāi)發(fā)了一種新型智能水凝膠應(yīng)變傳感器，它巧妙地將PNB水凝膠的高選擇性和快速響應(yīng)特性與電阻應(yīng)變片的精確性和靈敏性相結(jié)合，僅用一滴血清就能高效、定量地檢測(cè)血液中K?的濃度。通過(guò)在電阻應(yīng)變片的PI基底上接枝硅烷偶聯(lián)劑形成共價(jià)鍵，實(shí)現(xiàn)了PNB水凝膠與電阻應(yīng)變片PI基底之間的強(qiáng)粘附力，這為開(kāi)發(fā)刺激響應(yīng)型電阻應(yīng)變傳感器奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。使用由L-XLG納米片交聯(lián)的PNB水凝膠，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器僅需一滴16 μL的血清樣本，就能在短短2分鐘內(nèi)快速、定量地檢測(cè)出血液中K?的濃度。同時(shí)，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器還表現(xiàn)出出色的抗干擾性能和重復(fù)檢測(cè)性能，這是因?yàn)镻NB水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的15-冠-5單元能夠在不同情況下選擇性地捕獲K?離子。此外，PNB水凝膠應(yīng)變傳感器可以在不同應(yīng)用場(chǎng)景的各種溫度下高效運(yùn)行。本研究提出的策略和研究成果，不僅為解決當(dāng)前血清中K?濃度檢測(cè)面臨的挑戰(zhàn)提供了有效的方法，也為生物標(biāo)志物檢測(cè)開(kāi)拓了新的視野。令人興奮的是，根據(jù)本研究提出的策略，預(yù)計(jì)各種刺激響應(yīng)型水凝膠材料將應(yīng)用于開(kāi)發(fā)用于檢測(cè)各種分析物的智能水凝膠應(yīng)變傳感器。例如，通過(guò)向水凝膠中引入其他不同尺寸的冠醚，所提出的基于水凝膠的傳感器可以適用于檢測(cè)其他離子。這種智能水凝膠應(yīng)變傳感器系統(tǒng)有望在眾多領(lǐng)域提供更廣泛的應(yīng)用，如疾病診斷、化學(xué)分析、污染物檢測(cè)、食品安全檢測(cè)等。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202504004

來(lái)源：馮Group