通过水伏-电泳耦合实现累积离子暴露的自主供电可重写视觉指示器

《Biosensors and Bioelectronics》：Self-Powered Rewritable Visual Indicator for Cumulative Ionic Exposure Via Hydrovoltaic–Electrophoretic Coupling

　　

黄洪利|邢福林|李亚飞|刘贤苏|刘宇|任汉文|肖浩林|赵东东|陈振成|赵飞军

广西壮族自治区桂林电子科技大学生命与环境科学学院，生物医学传感器与智能仪器重点实验室，中国广西桂林市，541004

摘要

环境中的离子暴露通常会随时间累积，而大多数传感技术仅提供即时读数，无法直接保存暴露历史。在这里，我们报道了一种自供电的可重写视觉指示器，它通过水电压-电泳耦合将离子暴露转换为持久的空间信号。氧化石墨烯水凝胶内的蒸发驱动离子传输产生高达约1.1伏的水电压输出，该输出无需外部电源或信号处理即可直接驱动带相反电荷的粒子进行电泳迁移。随着离子浓度的增加，迁移距离持续扩展至约4.7毫米，从而实现基于距离的暴露强度的视觉编码。所得到的视觉图案在60分钟后仍保持初始位移的94.6%，并且经过1000次写入-擦除循环后仍然稳定，显示出优异的持久性和可重写性。以空气中的花粉作为代表性的环境暴露场景，我们进一步展示了在实际户外条件下对花粉相关离子暴露的可穿戴视觉指示。通过在单一被动材料平台上集成传感、能量生成、信号转换和视觉读出，这项工作建立了一种将环境离子扰动转换为累积视觉信息的策略，并为自供电环境监测和可穿戴视觉传感技术提供了新的机会。

引言

在自然和工程环境中，离子暴露通常会随时间累积，其方式取决于离子扰动的大小和持续时间1, 2, 3。然而，大多数现有的传感方法仅提供即时读数，捕捉到的只是瞬态信号，无法反映累积的暴露水平^[4]。因此，即使在现实场景中离子刺激持续存在或累积，一旦驱动条件消失，相应的信号也会消失^[5]。因此，关键挑战不仅在于检测离子扰动，还在于将累积的暴露转化为可保留且可直接解释的状态6, 7。

目前用于可视化离子信息的策略通常依赖于顺序转换过程，其中离子扰动首先被转换为电信号或化学信号，然后使用外部供电的显示或驱动系统使其可见^[8]。在这些架构中，传感和可视化仍然是根本分离的，时间信息必须通过电子集成或后处理来重建^{9, 10}。尽管在离子传感和信号放大方面取得了实质性进展，但这些方法并没有提供一种直接途径，可以在材料本身内连续编码离子暴露，从而限制了它们以简单直观的方式表示累积过程的能力^{11, 12, 13}。另一种方法是直接将离子扰动与材料响应耦合，使得离子暴露能够在没有中间信号转换的情况下被内在编码^{14, 15}。蒸发驱动的水电压现象为此类耦合提供了直接的物理途径，因为它们源于水合和纳米限制环境中的离子传输和电荷重新分布^{16, 17, 18}。在这种条件下，离子扰动直接调节内部产生的电势，将界面离子动态与电输出联系起来^{19, 20}。这种耦合使得离子暴露能够以连续的方式转换为材料响应^{21, 22}。

在这里，我们将可重写累积记录系统定义为一种系统，在该系统中，离子暴露被连续整合到一个空间上持久的状态中，可以通过外部场主动重置。基于这一概念，我们开发了一个水电压-电泳耦合系统，通过内在的物理耦合将离子暴露转换为可见的空间响应。水合的水电压凝胶通过蒸发诱导的离子传输产生内部电势，该电势直接驱动带电粒子的电泳迁移，而无需连续的外部电源输入。由此产生的空间位移提供了随离子暴露变化的基于距离的视觉读数，并在驱动电势减弱后的实验时间尺度内保持稳定。重要的是，视觉状态可以通过外部电场主动重置，从而实现可重写操作。以空气中的花粉作为代表性的环境刺激，我们进一步证明了在不同环境条件下，离子暴露的变化可以转化为可区分的视觉响应。因此，该系统为离子暴露的累积、持久和可重写的视觉指示提供了一个被动材料平台。

章节片段

材料

无水乙醇（CH₃CH₂OH，AR，≥99.7%）、尿素（CH₄N₂O，AR，≥99%）、六水合氯化镁（MgCl₂•6H₂O，AR，≥98%）、氯化钾（KCl，AR，≥99.5%）、聚乙烯醇（PVA，分子量89000-98000，醇度99%）、氯化钙（CaCl₂，AR，≥96%）、氯化钠（NaCl，AR，≥99.5%）、三氧化二铁（Fe₃O₄，AR，≥97%）和氧化石墨烯（C_xH_yO_z，AR）均购自Aladdin Inc.（中国上海）。二氧化钛（TiO₂，锐钛矿型，粒径18-25纳米）、炭黑（Vulcan XC-72）

水电压-电泳耦合的系统设计和工作原理

开发了一种水电压-电泳耦合系统，通过集成的物理转换途径将离子扰动转换为可直接观察的视觉信号。如图1所示，该系统结合了水合的水电压凝胶和电泳墨水胶囊，使得离子相互作用、电生成和视觉表现能够在同一平台上发生。对于可穿戴操作，日常活动中产生的汗液可以作为

结论

在这项工作中，我们开发了一个水电压-电泳平台，它可以在无需外部电源或电子信号处理的情况下直接将离子扰动转换为持久的视觉输出。通过将蒸发驱动的水电压生成与电泳粒子传输耦合，水合界面处的离子变化被转换为基于距离的视觉轨迹，这些轨迹可以累积、保留和重写。该系统表现出稳定的水电压输出和持久性

CRediT作者贡献声明

李亚飞：监督、软件、项目管理。肖浩林：监督、软件、资源。任汉文：监督、研究。刘宇：可视化、监督、研究。黄洪利：写作——审稿与编辑、写作——初稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、概念化。邢福林：监督、软件。刘贤苏：监督、正式分析、数据管理。陈振成：监督、资源

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究发现的数据可在合理请求下从相应作者处获得。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢来自国家自然科学基金（资助编号：82460363）、国家自然科学基金的联合基金（资助编号：U22A2092）、广西自然科学基金（资助编号：2023GXNSFBA026075）、广西自动检测技术与仪器重点实验室（资助编号：YQ24107）以及桂林大学的研究生教育创新项目的财政支持和技术协助