智能电子技术论文提纲

论文题目：无线无源柔性电化学传感器件及其在生物医学中的应用研究

摘要：近年来,随着材料、设计、工艺、电子等领域的长足进步,柔性电子器件取得了飞速发展,并广泛应用于穿戴式或植入式传感等新兴领域。相对于传统的穿戴式或植入式器件来说,这类器件具有超薄、柔性、可拉伸的特点,可与皮肤、脏器等表面完美贴合,提供精准检测的同时,可减低对机体的伤害,从而实现更加舒适的穿戴体验。在柔性电子发展的早期,监测目标主要是温度、压力、心电等生理参数。近年来,随着电化学传感技术的发展,诞生了一系列穿戴式或植入式柔性电化学传感器件,从而实现了唾液、泪液、汗液、组织液、血液中的各种生化目标物质的检测,大大拓宽了柔性电子的应用范围。对于柔性电化学传感系统来说,电路是不可或缺的部分。然而,大部分的柔性电化学传感系统都缺少电路部分,需要连接外部电化学工作站来实现数据采集和处理,大大制约了系统在穿戴式和植入式方面的实际应用。近年来,随着电化学传感电路的集成化发展,出现了很多同时集成电路和电极的混合系统,可以实现完整的电化学传感功能。但是,它们大都需要锂电池供电,无法实现系统的完全柔性化和集成化。近场通讯（NFC）技术作为一种短距离无线电技术,可以同时实现无线的能量和数据传输。将NFC模块、电化学传感电路、柔性电极集成到一起,就可以在保证完整的电化学传感功能同时,最大程度地实现系统的小型化、柔性化和集成化。因此,本文基于NFC技术、电化学传感技术和柔性电子技术,构建了一系列无线无源的柔性电化学传感系统,并利用这些系统实现了一系列创新性应用,例如汗液等多种生物体液的成分分析、重金属检测、气体监测以及伤口感染监测和治疗等。本文的主要内容如下:1.设计并构建了用于汗液等生物液体成分分析的无线无源柔性电子贴片汗液、尿液、泪液等生物液体成分复杂,包含着丰富的生化物质,如代谢物、电解质、神经递质等,这些物质蕴含着丰富的生理信息。在本研究中,我们基于NFC技术,电化学传感技术和印刷电子技术,设计并构建了两款无线、无源、柔性的电子贴片,可以实现汗液等多种生物液体中葡萄糖、Na+,K+,H+,Ca2+,Cl-等生化目标物的定量检测。贴片包括柔性印刷电路板和柔性可拉伸电极两部分。电极部分基于柔性可拉伸的PDMS基底,采用全印刷工艺构建而成,其上印刷有用于各种目标物检测的电化学传感电极,并进行了相应的电极修饰,以实现不同目标物的特异性检测。电极上的导线部分为银纳米线（AgNWs）和PDMS的复合物,可以在拉伸的同时保证电阻的稳定,有助于电化学信号的稳定传输。电路部分集成了 NFC模块及用于电化学传感的模拟前端,可以实现电化学信号的获取和处理,同时可以与智能手机之间进行无线的能量和数据传输。相比于已经报道的汗液传感设备,该系统实现了进一步的小型化、柔性化和集成化,未来可广泛应用于运动监测、健康监测和疾病诊断等领域。2.设计并构建了用于溶液中重金属检测的无源柔性标签在环境监测、食品安全以及生命健康等领域,重金属检测一直是重要的问题。但是,当前缺乏方便有效的检测工具,难以对食品中的重金属进行快速原位检测。在本研究中,我们基于NFC技术、阳极溶出方波脉冲伏安法（SWASV）和印刷电子技术,设计并构建了一种全集成的无线无源重金属检测标签。该标签柔性、小巧,可以贴附在各种容器的内壁,定量检测内部铅和镉的浓度。根据检测要求,我们设计了手机端的配套软件。当我们需要测试重金属浓度时,只需将智能手机靠近容器的外壁,就可以激活标签上的SWASV检测模块,实现现场快速便捷的重金属检测。该研究为重金属检测提供了一个新的思路,在食品安全和环境污染监测等领域具有广阔的应用前景。3.设计并构建了用于半定量气体传感的智能NFC标签商业化的NFC标签具有超低成本、无线无源、柔性化等特点,可以被具有NFC模块的智能手机激活和读取,但缺少生化传感能力。本文在商业化NFC标签的基础上,进行了创新性的电路改造,将具有电化学传感特性的石墨烯叉指电极集成到NFC标签中,设计并构建了可以应用于半定量气体检测的智能NFC标签。同时,根据检测需求,设计了相应的手机端软件,将带有NFC模块的智能手机靠近该贴片,就可以实现对乙醇的半定量检测。该智能标签具有低成本、无线无源、柔性等特点,它为柔性电化学传感提供了一种新的思路,未来可广泛应用于呼出气中疾病标志物的检测或环境中的有机挥发性气体检测。4.设计并构建了用于感染监测和电控给药的闭环智能伤口敷料在临床上,慢性伤口感染一直是护理中的重要难题。对伤口感染程度的判断主要依赖医生的经验,同时,对伤口的治疗主要是口服用药或局部大剂量用药,这在一定程度上也加重了肝脏等器官的负担。在本研究中,我们设计并构建了一种可同时用于伤口感染监测和治疗的智能伤口敷料。该敷料采用了多层堆叠的设计方式,包括柔性可拉伸电极层和柔性电路层。电路层集成了 NFC模块、电化学恒电位仪模块、电势测定法模块、电控释药模块以及温度传感器模块;电极层在聚酰亚胺（PI）基底上集成了尿酸电极,pH电极,以及药物控释电极,电极的导线部分采用了蛇形的设计,并使用了可拉伸的PDMS进行封装,保证生物相容性的同时,可以实现一定程度的形变。该敷料可以通过检测伤口表面的温度、pH和尿酸浓度来判断伤口的感染程度,并根据伤口感染程度来按需进行电控药物释放,达到精准治疗的目的。在实际应用中,我们无需打开伤口的绷带,将带有NFC功能的智能手机靠近智能敷料附近,就可以无线获取伤口的感染情况,从而通过手机控制药物释放,达到抗菌消炎的目的。该无线、无源、柔性的智能敷料可以在临床伤口护理中得到广泛的应用。

关键词：柔性电子;可穿戴设备;无线无源;近场通讯;电化学传感;运动健康;智能伤口敷料;重金属检测

学科专业：生物医学工程

致谢

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 柔性电子技术

1.2.1 柔性电子器件的力学特性

1.2.2 柔性电子器件的电学特性

1.2.3 柔性电子器件的封装方法

1.2.4 柔性电子器件的人体集成

1.2.5 柔性电子器件的应用

1.3 电化学传感技术

1.3.1 电化学电极

1.3.2 电化学方法

1.3.3 基于智能手机的便携式电化学传感系统

1.4 柔性可穿戴电化学传感器件

1.4.1 用于汗液成分分析的柔性可穿戴电化学传感系统

1.4.2 用于唾液成分分析的柔性可穿戴电化学传感系统

1.4.3 用于泪液成分分析的柔性可穿戴电化学传感系统

1.4.4 用于组织液成分分析的柔性可穿戴电化学传感系统

1.4.5 用于伤口监测与治疗的柔性可穿戴电化学传感系统

1.5 基于NFC技术的无线无源生化传感技术

1.5.1 NFC技术

1.5.2 基于NFC的柔性电子器件在气体传感方面的应用

1.5.3 基于NFC的柔性电子器件在穿戴传感方面的应用

1.5.4 基于NFC的柔性电子器件在植入传感方面的应用

1.6 本文主要研究内容

第二章 用于汗液成分分析的无线无源柔性电子贴片

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 无线供电测试

2.2.2 电路设计方案

2.2.3 数据传输过程及软件APP设计

2.2.4 电极全印刷流程

2.2.5 电极机械和力学性能测试

2.2.6 电极表面的生化修饰

2.2.7 传感器基本特性测试

2.2.8 柔性电子贴片的整体稳定性测试

2.2.9 在体汗液成分分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 柔性电子贴片的系统整体设计

2.3.2 柔性电路的电磁性能测试

2.3.3 可拉伸电极阵列构建及测试

2.3.4 传感电极的生化修饰

2.3.5 传感器性能测试

2.3.6 在体汗液成分分析

2.4 本章小结

第三章 用于多种生物液体成分分析的无线无源柔性电子贴片

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 柔性电子贴片的系统设计

3.2.2 可拉伸电极阵列构建

3.2.3 离子选择电极表面修饰

3.2.4 柔性电子贴片的机械和电学性能测试

3.2.5 离子选择电极的传感性能测试

3.2.6 利用柔性电子贴片进行实际样本测试

3.3 结果和讨论

3.3.1 柔性电子贴片的力学和电学性能测试

3.3.2 Ca~(2+)传感器的传感特性测试

3.3.3 Cl~-传感器的传感特性测试

3.3.4 利用柔性电子贴片进行实际样本检测

3.4 本章小结

第四章 用于溶液中重金属检测的无源柔性标签

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂和仪器

4.2.2 无源柔性标签的电路设计

4.2.3 用于重金属离子检测的电极阵列构建

4.2.4 用于重金属离子检测的电极修饰

4.2.5 用于重金属离子检测的电极表征

4.2.6 不同容器中重金属离子的原位检测

4.2.7 方波脉冲伏安法中的峰值电流计算

4.3 结果与讨论

4.3.1 全集成、无线、无源的柔性电化学标签

4.3.2 无源SWASV电路的验证

4.3.3 柔性电极阵列的修饰和表征

4.3.4 利用该标签进行铅和镉的电化学分析

4.3.5 不同容器中铅和镉的无线原位检测

4.3.6 未来应用

4.4 本章小结

第五章 用于半定量气体传感的无线无源NFC标签

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 NFC标签传感器构建

5.2.2 NFC标签传感器阵列设计

5.3 结果与讨论

5.3.1 单一浓度乙醇气体检测

5.3.2 乙醇气体半定量检测

5.3.3 讨论

5.4 本章小结

第六章 用于感染监测和电控给药的闭环智能伤口敷料

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 智能伤口敷料的柔性电路设计

6.2.2 智能伤口敷料的电极阵列构建

6.2.3 智能伤口敷料的电极修饰方法

6.2.4 温度、pH和尿酸传感器特性测试

6.2.5 药物控释电极的体外表征和测试

6.2.6 利用智能伤口敷料进行体外抗菌实验

6.2.7 利用智能伤口敷料进行动物实验

6.3 结果与讨论

6.3.1 智能伤口敷料的系统整体设计

6.3.2 可拉伸电极阵列的制作和修饰

6.3.3 尿酸、pH和温度传感器特性测试

6.3.4 电控药物释放模块的表征和测试

6.3.5 利用智能伤口敷料进行体外抗菌实验

6.3.6 利用智能伤口敷料进行动物实验

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究总结

7.2 研究展望

参考文献