一种用于超高压输电塔攀爬下肢外骨骼辅助的运动意图识别方法

《Sensors》：A Motion Intention Recognition Method for Lower-Limb Exoskeleton Assistance in Ultra-High-Voltage Transmission Tower Climbing Haoyuan Chen, Yalun Liu, Ming Li, Zhan Yang, Hongwei Hu, Xingqi Wu, Xingchao Wang, Hanhong Shi and Zhao Guo

　　

有机磷化合物(OPs)的快速检测对于保障人类健康与食品安全至关重要。本研究提出了一种新型可穿戴电化学生物传感器，通过将微型丝网印刷电极与可穿戴设备集成，实现了对OPs的实时现场检测。该传感器以热塑性聚氨酯(TPU)为基底制备丝网印刷碳电极(SPCE)，依次修饰石墨烯(GR)、金纳米粒子(AuNPs)和有机磷水解酶(OPH)，并以Nafion封装，形成SPCE/GR/AuNPs/OPH/Nafion复合传感界面。检测原理基于OPH催化甲基对氧磷(MPOX)水解生成对硝基苯酚(PNP)，并通过方波伏安法(SWV)定量检测。该传感器表现出30–400 μM的宽线性检测范围(R2= 0.995)和低至0.321 μM的检测限，对尿素、蔗糖及多种金属离子具有良好的选择性。在实际样品（卷心菜和自来水）中回收率为101%–109%，相对标准偏差(RSD)低于8%。此外，传感器在100次弯曲循环后信号衰减小于5%，具备优异的机械稳定性与柔韧性，适用于复杂环境下的现场检测。

研究背景与意义

有机磷农药(OPs)因其高效杀虫特性被广泛应用，但其残留可通过摄入、皮肤接触或吸入途径危害人体健康，并具有急性毒性和潜在致癌性，过度使用还会导致环境污染。传统检测方法如气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)虽准确，但依赖昂贵仪器、操作复杂且难以实现现场快速检测。电化学生物传感器因分析速度快、灵敏度高、成本低且易微型化，成为快速检测领域的重要发展方向。其中，酶基传感器特异性强，有机磷水解酶(OPH)可直接催化OPs水解，无需额外底物，避免了基于抑制型传感器的不可逆失活问题，是理想的生物催化剂。纳米材料（如石墨烯GR、金纳米粒子AuNPs）可显著提升传感器的导电性与酶负载效率。丝网印刷碳电极(SPCEs)成本低、工艺简单，适合一次性使用，结合柔性电极技术可实现与手套等可穿戴设备的集成，满足复杂场景下的便携检测需求。

研究方法

研究人员以热塑性聚氨酯(TPU)为柔性基底制备SPCEs，通过循环伏安法(CV)预处理电极表面，随后依次滴涂修饰GR、AuNPs、OPH，并以Nafion封装构建复合传感界面。采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDS)、拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征材料形貌与结构。通过动态电阻测试、弯曲/拉伸循环实验评估机械稳定性。电化学性能通过CV和电化学阻抗谱(EIS)分析，以Fe(CN)₆^3?/^4?为探针评估界面电荷转移特性。检测性能优化涵盖GR、AuNPs、OPH负载量及MPOX孵育时间，最终采用方波伏安法(SWV)测定MPOX水解产物PNP的氧化电流，评估线性范围、检测限、选择性及实际样品回收率。

研究结果

3.1 传感器材料形貌与表征

SEM显示裸SPCE表面粗糙多孔，GR修饰后呈现褶皱片层结构，AuNPs均匀附着于GR表面，Nafion封装层平滑覆盖并保护功能材料。元素mapping证实C、Au、F均匀分布，N、P、S的存在验证了OPH的成功固定。拉曼光谱出现GR特征2D峰，FTIR检测到Nafion磺酸根基团，共同证实了逐层组装的成功。

3.2 传感器机械性能

TPU基底与导电墨水的协同设计赋予传感器优异的机械稳定性。300–500秒内循环压缩-拉伸测试中，电阻变化率低于1.7%；100次弯曲循环后电阻变化小于5%。CV测试表明，正常状态、100次弯曲后及180°实时弯曲下，氧化还原峰电位与电流高度一致，证明机械形变不影响电化学性能。

3.3 丝网印刷电极的电化学性能

预处理后的SPCE在Fe(CN)₆^3?/^4?溶液中表现出稳定的氧化还原峰(RSD < 3.3%)，峰电流与扫速平方根呈线性关系，证实良好的电极一致性与可逆性。EIS显示，GR与AuNPs修饰显著降低电荷转移电阻(Rct)，而OPH与Nafion层因绝缘性导致Rct上升，与CV结果一致，验证了界面修饰的有效性。

3.4 传感器条件优化

通过单因素优化确定最佳条件：10 μL GR(0.2 mg/mL)、10 μL AuNPs(120 μg/mL)、7.5 μL OPH(30 μg/mL)及8分钟MPOX孵育时间。

3.5 传感器对甲基对氧磷的分析性能

3.5.1 检测性能

SPCE/GR/AuNPs/OPH/Nafion传感器在300 μM MPOX下的响应电流显著高于无GR或无AuNPs的对照组。线性范围为30–400 μM(R²= 0.995)，检测限(LOD)为0.321 μM。

3.5.2 抗干扰性能

对50倍浓度的蔗糖、NaCl、MgCl₂、Na₂SO₄、Na₂CO₃等常见干扰物无明显响应，表现出优异的选择性。

3.5.3 实际样品检测

自来水中MPOX回收率为101%–109%(RSD ≤ 9%)，卷心菜中为107%–109%(RSD ≤ 9%)。传感器可成功检测水果皮、塑料、泡沫、木材表面的MPOX残留，疏水表面因液膜稳定而信号更强。

讨论与结论

本研究成功构建了SPCE/GR/AuNPs/OPH/Nafion柔性可穿戴生物传感器，并集成于手套指尖。GR与AuNPs的引入显著提升了电子转移效率与催化活性，传感器在100次弯曲后信号衰减<5%，极端弯曲下仍保持稳定电化学性能。其对MPOX的检测线性范围达30–400 μM(R²= 0.995)，检测限低至0.321 μM，抗干扰能力强，实际样品回收率满意，并实现了多种表面OP残留的原位快速筛查。该工作为复杂环境下的有机磷污染物现场检测提供了可靠的技术平台。