为了“省钱”，做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

无论是日常生活，还是工业系统，都离不开传感器。比如，陀螺仪能帮助手机感知方向和倾斜角度，自动驾驶技术依靠激光雷达、摄像头和超声波传感器作为“眼睛”和“耳朵”。更有甚者，美国斯坦福大学Seung-min Park将摄像头和电化学传感器装在马桶上，拍摄臀部照片，并检测尿液或粪便中葡萄糖、红细胞等标志物的含量，上个厕所连带诊断多种疾病。这款“智能”马桶在结肠癌等癌症的早期发现上表现卓越，赢得2023年的搞笑诺贝尔奖之一，也被戏称为“斯坦福马桶” ^[1]。

Seung-min Park博士和他的智能马桶，背景《思想者》。图片来源：Science NEWS ^[1]

关于传感器的论文层出不穷，但今天我们来聊聊科学家为了“省钱”，用树叶、纸这些“便宜货”做传感器的趣闻。之所以选择这个话题，源自近日巴西圣卡洛斯联邦大学Bruno Campos Janegitz课题组在ACS Sustainable Chemistry & Engineering 杂志上发表的论文，他们利用CO₂激光热解技术，将落叶表面碳化，制成了一种“落叶传感器”，能够检测生物或药物样品中的多巴胺和扑热息痛的含量。

“落叶传感器”的制造工艺示意图。图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng. ^[2]

研究者采集了一种中南美洲牛油果树（Persea americana Mill）的落叶，这是一种来源广泛、成本低廉且环境友好的材料。“落叶传感器”对多巴胺和扑热息痛的线性检测范围分别为10~1200 μmol•L^–1和5.0~100.0 μmol•L^–1，检测限分别为1.1和0.76 μmol•L^–1。“将落叶焚烧，或让其成为堆肥，不如把它们用作高附加值的基材，制造电化学传感器”，Janegitz教授说 ^[3]。不过，叶子风干后会变得特别脆，不知道对测试有没有影响，把这样一个传感器放在口袋里，用的时候会不会已经碎成渣渣了呢……

“落叶传感器”及多巴胺和扑热息痛的电化学检测。图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng. ^[2]

事实上，在叶子上制作传感器的文章也不少，不过大多数都是用来检测植物本身的信号，比如水、活性氧、葡萄糖、植物激素和矿物质离子等。这类传感器主要用于原位实时监测农业生产过程中植物的生长状态，以及它们是否受到自然（如干旱、高温等）或生物（如害虫或微生物）的威胁。

可穿戴电化学传感器用于植物健康监测。图片来源：Trends Plant Sci. ^[4]

通常，这类研究依赖于可穿戴电化学传感器，但在提高选择性和稳定性、监测植物中的小分子、环境条件以及植物与环境的相互作用方面，以及如何减少传感器对植物的损害或对植物生理（如光合作用）的影响等方面，还有很多改进空间。

检测大豆叶片失水量的可穿戴传感器。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces ^[5]

聊完树叶传感器，再来说说如何用纸张制作传感器。说到这，方法可就多了，毕竟，各种检测试纸都可以算作化学传感器。与塑料和玻璃等材质相比，纸张成本低、一次性使用、丰富且易于运输。不过，过去十几年，人们的关注重点从基本设计转向了图案化技术，以获得更准确和定量的结果。制备方法也是五花八门，除了刚刚提到的激光技术，还有3D打印、丝网印刷、喷墨打印，甚至直接用铅笔画 ^[6-9]。

纸基电化学测试器件。图片来源：Nat. Protoc. ^[6]

是的，你没看错，直接用铅笔画个传感器，就可以发论文，还不只一篇呢。早在2011年，就有研究者用铅笔绘制了锂-空气电池的电极 ^[10]，反正，铅笔芯的主要成分是石墨，通过在纸上摩擦留下连续的痕迹。

铅笔绘制锂-空气电池的电极。图片来源：Energy Environ. Sci. ^[10]

不少研究者也紧随其后，用铅笔画出各种图案作为电极。比如，直接在纸上画个叉指电极，再利用水分子与纸（主要成分，纤维素）的相互作用，就可以用于湿度传感器 ^[7]。

铅笔绘制电容式传感器。图片来源：Electroanalysis ^[7]

还是Bruno Campos Janegitz课题组，用铅笔在纸片上画出的三电极系统，用于检测儿茶酚（又称邻苯二酚）的浓度 ^[8]。不过，整个过程纯手工制作，每个人写字、画画时力量不同，不知道这些传感器的可重复性如何。

铅笔绘制电极示意图及实物大小。图片来源：^[8]

落叶、纸张和铅笔，这些廉价且易得的原材料，为快速、轻松地开发一次性电化学传感器提供了无限可能。而且，它们还具有柔性和可穿戴等优点，为预算有限的实验室提供了一条有趣的研究途径，也可以为欠发达地区人民的生活带来更多便利。

制造低成本电化学传感器的不同方法。图片来源：Curr. Opin. Electrochem. ^[9]

参考文献：

[1] Science NEWS: Ig Nobel Prizes honor zombie spiders, rock-licking scientists, and a clever commode

https://www.science.org/content/article/ig-nobel-prizes-honor-zombie-spiders-rock-licking-scientists-and-clever-commode?utm_medium=ownedSocial&utm_source=Twitter&utm_campaign=NewsfromScience 

[2] R. V. Blasques, et al., Green Fabrication and Analytical Application of Disposable Carbon Electrodes Made from Fallen Tree Leaves Using a CO₂ Laser. ACS Sustainable Chem. Eng. 2024, 12, 3061–3072. DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c06526

[3] Laser printing on fallen tree leaves produces sensors for medical and laboratory use

https://agencia.fapesp.br/laser-printing-on-fallen-tree-leaves-produces-sensors-for-medical-and-laboratory-use/51593 

[4] S. Zhou, et al., Wearable electrochemical sensors for plant small-molecule detection. Trends Plant Sci. 2024, 29, 219-231. DOI: 10.1016/j.tplants.2023.11.013

[5] J. A. Barbosa, et al., Biocompatible Wearable Electrodes on Leaves toward the On-Site Monitoring of Water Loss from Plants. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 20, 22989–23001. DOI: 10.1021/acsami.2c02943

[6] S. Cinti, et al., Preparation of paper-based devices for reagentless electrochemical (bio)sensor strips. Nat. Protoc. 2019, 14, 2437–2451. DOI: 10.1038/s41596-019-0186-y

[7] S. Kanaparthi, Pencil-drawn Paper-based Non-invasive and Wearable Capacitive Respiration Sensor. Electroanalysis 2017, 29, 2680-2684. DOI: 10.1002/elan.201700438

[8] L. O. Orzari, et al., Disposable electrode obtained by pencil drawing on corrugated fiberboard substrate. Sensors Actuat. B-Chem. 2018, 264, 20-26. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.162

[9] J. S. Stefano, et al., Different approaches for fabrication of low-cost electrochemical sensors. Curr. Opin. Electrochem. 2022, 32, 100893. DOI: 10.1016/j.coelec.2021.100893

[10] Y. Wang & H. Zhou, To draw an air electrode of a Li–air battery by pencil. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1704-1707. DOI: 10.1039/C0EE00759E

（本文由小希供稿）