基于生物材料的比色传感器，用于连续温度监测

《Advanced Materials Interfaces》：Biomaterial-Based Colorimetric Sensors for Continuous Temperature Monitoring

基于生物材料的温变墨水制备可重复使用、无源且轻量（<1g）的纸基温度传感界面，通过颜色变化实时监测温度，分辨率达0.1°C。采用机器学习与智能手机图像分析技术，实现高精度（R2=0.89-0.97）温度读数，适用于体温监测、烧伤预警和环境温度可视化。屏幕印刷工艺支持大范围（1cm2至5m2）柔性基底传感，解决了传统色温计分辨率低和红外/热电传感器便携性不足的问题。

　　温度监测技术在现代社会中扮演着至关重要的角色，广泛应用于医疗健康、工业控制、环境监测以及日常生活等多个领域。随着科技的进步，传统温度计如水银温度计虽然在长期使用中表现稳定，但其存在一定的局限性，例如体积较大、需要外部电源、不易携带等。而近年来，非接触式温度计如红外和热电式传感器虽然在一定程度上解决了这些问题，但在连续、实时、可穿戴的监测场景中仍面临挑战。因此，开发一种成本低、可重复使用、操作简便且适用于广泛环境的温度监测技术成为研究的重点。

本文介绍了一种基于生物材料的热致变色墨水的新型温度传感技术。该技术利用热致变色墨水在不同温度下产生可观察的色彩变化，通过屏幕印刷技术将其应用于各种基材上，如纸张、织物等。这些温度感应接口不仅重量轻（低于1克），而且无需电源，具备良好的可重复性和高灵敏度。其分辨率达到了0.1°C，这使得它在生理监测方面具有显著优势。此外，这种技术还能够实现分布式温度监测，使它在大范围的温度分布可视化方面表现出色，为环境监测、烧伤预防以及日常物品的安全警示提供了新的解决方案。

热致变色墨水的核心原理在于其对温度变化的响应特性。当墨水暴露在高于其相变温度（Tt）的环境中时，会发生明显的颜色变化。这种变化可以是颜色到透明，也可以是颜色到另一种颜色的转变。通过精确调控墨水的相变温度，可以实现不同应用场景下的温度监测需求。例如，用于医疗监测的温度感应墨水可以在人体体温范围内（35–42°C）工作，而用于烧伤预防的墨水则在70°C以上发生颜色变化，从而提供直观的热警告示。

该技术的一个显著特点是其高分辨率和可读性。通过屏幕印刷，可以实现高精度的图案和墨水分布，使得温度变化能够以肉眼可见的方式呈现。同时，为了进一步提高监测的准确性和自动化程度，研究者还引入了机器学习算法。通过智能手机捕捉的图像数据，可以进行实时分析，从而实现更精确的温度读数。这种结合不仅提升了技术的实用性，也使得温度监测更加智能化和便捷化。

此外，该技术在材料选择和制造工艺上也表现出色。使用纸张作为基材，不仅降低了制造成本，还提升了产品的灵活性和可重复使用性。而通过将墨水封装在防水和导电层之间，可以确保其在不同环境条件下的稳定性和可靠性。例如，在潮湿环境下，防水层能够防止墨水因水分而失效，而在高温或紫外线照射下，适当的保护层可以延长墨水的使用寿命。

在实际应用方面，该技术具有广泛的可能性。例如，在医疗领域，可以将这些温度感应墨水应用于可穿戴设备，如皮肤贴片或衣物，实现对人体体温的持续监测。在工业和日常生活中，热致变色墨水可以用于警示高温设备，如厨房用具或门把手，当温度超过安全阈值时，墨水会通过颜色变化提醒用户注意潜在的危险。在农业和环境监测方面，这种技术能够用于可视化温室或其他环境中的温度分布，帮助优化能源使用和环境调控。

通过实验验证，这些温度感应墨水在不同温度下表现出良好的响应性能。在RGB色彩空间中，其色彩变化能够被精确捕捉和分析，从而实现定量读数。实验数据表明，不同墨水在特定温度范围内具有较高的准确性，例如黑-透明墨水在36–37°C范围内表现出R2值为0.99和均方误差（MSE）小于0.01的优异性能。这使得该技术不仅适用于简单的温度检测，还能通过机器学习模型实现更高精度的温度分析。

该研究还通过多种实验手段验证了墨水的性能，包括吸收光谱分析、流变性能测试、热致变色响应测试以及多光谱成像。这些实验不仅证明了墨水在不同温度下的颜色变化特性，还展示了其在实际应用中的稳定性。例如，在连续六次加热和冷却循环中，墨水表现出良好的可逆性，颜色变化可重复且稳定。同时，响应时间仅需约1.65秒，这使得该技术能够满足实时监测的需求。

值得注意的是，虽然该技术在多个方面表现出色，但其在不同基材上的表现可能会有所差异。因此，为了确保读数的准确性，可能需要对机器学习模型进行重新训练以适应不同的材料特性。然而，通过合理的封装设计和材料选择，可以有效减少这种差异，提高整体系统的兼容性和可靠性。

总体而言，这项研究为温度监测技术提供了一种全新的解决方案，结合了低成本、高灵敏度、可重复使用和可大规模生产的优势。通过屏幕印刷技术和热致变色墨水的创新应用，不仅推动了可穿戴设备和环境监测的发展，也为工业安全和日常健康提供了更加实用和经济的选择。未来，随着技术的进一步优化和推广，这种温度感应接口有望在更多领域得到应用，为人们的生活和工作带来更高的便利性和安全性。