基于MXene印刷电子器件的无线柔性乙烯传感检测器件及方法

本发明涉及一种乙烯的检测技术，尤其是一种基于mxene印刷电子器件的无线柔性乙烯传感检测器件及方法。

背景技术：

1、柔性电子技术的进步激发了植物可穿戴设备这一新兴领域的灵感，它促进了与植物表面的原位和连续接口，以远程监测和控制非生物环境因素，或植物的生物反应。特别是植物可穿戴传感器，为解决刚性检测设备与多样弯曲的植物表面之间的根本不匹配问题提供了很有前途的平台，有利于智能农业的发展。与通常反映平均环境变化的广泛结果的固定检测系统不同，植物可穿戴传感器能够提供更局部的视角来描述微气候(湿度、温度、光照)、机械生长、农药、和植物疾病的微妙变化。其中，乙烯是一种被广泛认可的植物激素，在调节植物生长、发育、免疫和衰老方面发挥着关键作用。值得注意的是，追踪水果植物的乙烯排放对调节水果的成熟和收获尤为重要，这对提高产量和避免农业浪费具有重要意义。因此，用于连续和原位乙烯检测的植物可穿戴分析工具将是无价的。然而，目前基于气相色谱-质谱(gc-ms)分析的方法缺乏灵活性和效率，而乙烯传感器通常面临着较差的灵敏度和选择性，另一方面，最近报道的集成植物可穿戴平台要么制造效率低，要么需要有线外部设备进行传感器读取，这阻碍了它们的可扩展部署和实际使用。

2、近年来，二维(2d)过渡金属碳化物和氮化物的新兴家族——mxenes，因其高导电性、优良亲水性、稳定的分散性、适宜的流态性和良好的机械强度，在印刷电子领域受到了极大的关注。在基于mxenes的多功能电子器件的直接油墨印刷方面，特别是在微超级电容器、传感器、致动器和天线等方面已经做出了大量的努力。在各种印刷技术中，丝网印刷在设计平面柔性电子器件时尤其具有吸引力，因为它工作方便、快速、可扩展为了制备黏性mxene丝印油墨，采用了化学模板或增粘剂，以牺牲油墨的导电性和繁琐的后处理为代价，提高了油墨的黏性。然而，mxene基材料优良的气敏性能尚未在印刷电子领域得到充分利用。值得注意的是，将mxene与贵金属纳米颗粒、功能聚合物、或其他2d材料结合可以提供各种敏化机制来增强它们的气体响应，突出了用于室温传感的简便纳米平台。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术和产品的不足，提供一种基于mxene印刷电子器件的无线柔性乙烯传感检测器件及方法，以实现植物可穿戴的连续、原位、实时植物乙烯检测。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种基于mxene印刷电子器件的无线柔性乙烯传感检测器件，它包括mxene印刷无线柔性乙烯传感器，所述mxene印刷无线柔性乙烯传感器包括柔性基底、印刷mxene叉指电极、印刷mxene射频天线、乙烯传感修饰层；其中，所述印刷mxene叉指电极、印刷mxene射频天线串接并印刷于柔性基底上，所述乙烯传感修饰层是通过将mxene原位还原钯纳米颗粒溶液滴涂于印刷mxene叉指电极表面并干燥组装于印刷mxene叉指电极表面。射频天线和叉指电极与传感修饰层构成射频谐振网络，乙烯传感修饰层用于选择性吸附乙烯并产生相应阻抗变化，印刷mxene叉指电极将阻抗变化耦合到天线谐振回路中，与印刷mxene射频天线协同产生电磁参数变化，mxene射频天线产生无线信号。

4、进一步地，所述印刷mxene叉指电极和印刷mxene射频天线由mxene墨水印刷得到。

5、进一步地，丝网印刷通过如下方法实现：采用去离子水和异丙醇清洗柔性基底，然后用氮气吹干；采用氧等离子体设备进一步处理柔性基底，以提高柔性衬底的亲水性；随后采用300目钢网和丝网印刷机在衬底上进行模版印刷无添加mxene墨水，模版图案由制图软件预定义；印刷后的柔性基底在60℃烘箱中干燥，最终得到印刷mxene叉指电极和印刷mxene射频天线。

6、进一步地，所述mxene墨水为无添加mxene墨水，通过如下方法制备：对陶瓷相钛铝碳粉末进行刻蚀，将所得沉淀物直接通过涡旋振荡器产生的剪切力剥离，重复涡旋振荡和离心洗涤后去上清，直接收集粘稠油墨状沉淀得到无添加mxene墨水。

7、进一步地，对陶瓷相钛铝碳粉末进行刻蚀的方法如下：在聚四氟乙烯烧杯中混合2g氟化锂和40ml浓盐酸，搅拌反应后缓慢加入2g 400目陶瓷相钛铝碳粉末，在40℃搅拌24h。

8、进一步地，涡旋振荡的振荡功率9w，单次持续时间5分钟。

9、进一步地，所述mxene原位还原钯纳米颗粒溶液通过如下方法制备：将2mm ph＝4的pdcl2溶液，逐滴滴加到0.25mg/ml mxene中，其中，pdcl2溶液与0.25mg/ml mxene溶液的体积比为1:100～400，原位反应得到mxene原位还原钯纳米颗粒溶液。

10、进一步地，所述印刷mxene射频天线表面还包括天线封装层。天线封装层将环境气体和污染物隔绝。

11、进一步地，天线封装层包括pdms封装膜和pet封装膜。

12、进一步地，所述天线封装通过如下方法制备：将聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液浇筑在印刷mxene射频天线上，通过25μm制膜器制备pdms封装膜，以20μm聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜作为pet封装膜粘附在pdms封装膜，通过激光切割裁剪天线封装层与天线几何形状一致，完成封装。

13、进一步地，还包括便携式网络分析仪，用于采集印刷mxene射频天线发出的无线信号。

14、进一步地，还包括智能终端，用于接收并显示便携式网络分析仪采集的无线信号，并分析乙烯的释放量。

15、基于相同原理，本发明还提供了一种乙烯传感检测方法，包括：

16、将所述的mxene印刷无线柔性乙烯传感器粘附在待测物体表面或包装中，利用乙烯传感修饰层对乙烯产生的阻抗变化改变印刷mxene射频天线的电磁参数；

17、利用互感原理接收印刷mxene射频天线发出的无线信号，基于无线信号与乙烯浓度的关系分析获得待测物体的乙烯浓度。

18、进一步地，所述待测物体为植物。通过便携式网分仪和读出线圈，通过互感耦合的方式无线、原位、实时检测植物乙烯分泌水平。

19、本发明检测方法中，通过乙烯传感修饰层能够直接在室温下完成对乙烯的吸附和响应，无需气体浓缩、高温反应或其他预处理。

20、本发明的有益效果如下：本发明提供了一种基于mxene印刷电子器件的无线柔性乙烯传感检测方法及器件，可实现植物可穿戴的无线、实时、原位乙烯检测。制备的无添加mxene油墨易于成形，可快速、可扩展地制造印刷电子产品，显示出良好的印刷分辨率、良好的导电性和机械鲁棒性。mxene还原的钯纳米颗粒作为乙烯传感修饰层有利于更高灵敏度，低检测限的乙烯响应和良好的选择性。该传感器具有几何设计和衬底选择的灵活性，可以以植物可穿戴标签的形式实时连续地评估植物乙烯水平。这项工作提供了可扩展和适用的mxene印刷电子产品的范例，为农业研究和食品工业的植物可穿戴传感设备提供了启示。

技术特征：

1.一种基于mxene印刷电子器件的无线柔性乙烯传感检测器件，其特征在于，它包括mxene印刷无线柔性乙烯传感器，所述mxene印刷无线柔性乙烯传感器包括柔性基底(1)、印刷mxene叉指电极(2)、印刷mxene射频天线(3)、乙烯传感修饰层(4)；其中，所述印刷mxene叉指电极(2)、印刷mxene射频天线(3)串接并印刷于柔性基底(1)上，所述乙烯传感修饰层(4)是通过将mxene原位还原钯纳米颗粒溶液滴涂于印刷mxene叉指电极(2)表面并干燥组装于印刷mxene叉指电极(2)表面。

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述印刷mxene叉指电极(2)和印刷mxene射频天线(3)由mxene墨水印刷得到。

3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，所述mxene墨水为无添加mxene墨水，通过如下方法制备：对陶瓷相钛铝碳粉末进行刻蚀，将所得沉淀物直接通过涡旋振荡器产生的剪切力剥离，重复涡旋振荡和离心洗涤后去上清，直接收集粘稠油墨状沉淀得到无添加mxene墨水。

4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述mxene原位还原钯纳米颗粒溶液通过如下方法制备：将2mm ph＝4的pdcl2溶液，逐滴滴加到0.25mg/ml mxene中，其中，pdcl2溶液与0.25mg/ml mxene溶液的体积比为1:100～400，原位反应得到mxene原位还原钯纳米颗粒溶液。

5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述印刷mxene射频天线(3)表面还包括天线封装层。

6.根据权利要求5所述的器件，其特征在于，天线封装层包括pdms封装膜(51)和pet封装膜(52)。

7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括便携式网络分析仪(8)，用于采集印刷mxene射频天线(3)发出的无线信号。

8.根据权利要求7所述的器件，其特征在于，还包括智能终端(9)，用于接收并显示便携式网络分析仪(8)采集的无线信号，并分析乙烯的释放量。

9.一种乙烯传感检测方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述待测物体为植物。

技术总结
本发明公开了一种基于MXene印刷电子器件的无线柔性乙烯传感检测器件及方法。该传感器包括柔性基底，印刷MXene叉指电极，印刷MXene射频天线，乙烯传感修饰层。印刷MXene叉指电极，印刷MXene射频天线由无添加MXene墨水通过丝网网版一次印刷成型，其包含的射频天线和叉指电极与传感修饰层构成射频谐振网络。该技术能够实时响应环境中的乙烯浓度并产生相应的谐振参数变化，同时通过互感原理无线读出。该方法为无线无源植物乙烯检测提供了新的技术平台，也为植物可穿戴传感器在精准农业，食品保鲜等应用领域提供了原位、实时、简单、快速的传感检测器件。

技术研发人员：刘清君,李鑫,潘静莹,卢妍利,吴越,施政涵
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13