基于全MXene打印的無線無源植物可穿戴傳感器

柔性電子技術的進步促進了植物可穿戴設備這一新興領域的發展。植物可穿戴傳感器為實時監測、預測并跟蹤植物的生長、發育與疾病提供了潛力巨大的平臺。與傳統的氣相色譜-質譜儀（GC-MS）等實驗室技術相比，植物可穿戴傳感器易于操作，且能夠在植物的生長環境中直接對揮發性有機化合物進行分析監測。此外，植物可穿戴傳感器能夠直接附著在植物表面，防止器件對植物的損傷，并適合于精準研究某些植物個體的異常發育情況。MXene是近年來二維過渡金屬碳化物和氮化物的新興家族，具有導電性高、親水性良好、分散性穩定、流體性能合適，且機械強度良好等優點，被逐漸應用于印刷電子領域，在氣體傳感方面也有其獨特優勢。

近期，浙江大學劉清君教授課題組報道了一種基于全MXene打印的植物可穿戴無線無源傳感器，以實現植物激素乙烯的原位連續檢測。相關成果以“All‐MXene‐PrintedRF Resonators as Wireless Plant Wearable Sensors for In Situ EthyleneDetection”為題發表在Small上。論文第一作者是博士生李鑫，通訊作者為劉清君教授。

無線無源乙烯傳感器，用于精準農業和全鏈條食品質量檢測

該研究利用全MXene印刷的柔性射頻諧振器作為植物可穿戴傳感器來進行無線乙烯檢測。全MXene絲網印刷的柔性傳感器由柔性基底上的射頻天線和叉指電極組成，并利用負載鈀納米顆粒的MXene（MXene@PdNPs）作為氣敏材料，共同構成被乙烯濃度調制的射頻諧振器。其中無添加、粘彈性的MXene導電油墨使得基于絲網印刷的快速柔性電子器件制備成為可能，通過便攜式矢量網絡分析儀，該植物可穿戴傳感標簽可以原位無線讀出乙烯濃度，這將為乙烯相關的植物代謝研究提供有力工具。

全MXene打印植物可穿戴乙烯無線檢測制備與應用示意圖

由于無添加MXene油墨良好的流變性能，通過絲網印刷即可得到具有良好印刷精度、良好導電性的印刷線條，以及機械性能穩定的MXene印刷的柔性射頻諧振器。不同批次間的器件具有一致的諧振特性，且在變形狀態下仍能維持穩定的無線耦合性能，表明該技術適用于規?；苽淙嵝噪娮悠骷?。

絲網印刷MXene線條精度與柔性射頻諧振器特性

該研究通過原位還原法在MXene表面生長制備了鈀納米顆粒（MXene@PdNPs）。MXene@PdNPs表現出了顯著增強的室溫乙烯響應，通過分段線性擬合得到的R2分別為0.99和0.97。該氣敏材料的檢測下限為0.084 ppm，且受其他干擾氣體影響小，表現出了良好的選擇性。MXene@PdNPs良好的乙烯傳感性能被歸因于PdNPs負載極大增強了MXene對乙烯的吸附能，從而調制了MXene傳感通道中的載流子的移動。

MXene@PdNPs乙烯響應特性

將MXene@PdNPs與MXene印刷柔性射頻諧振器結合，該研究構建了植物可穿戴的柔性傳感器，用于實現無線無源的乙烯傳感檢測。乙烯吸附調制的等效傳感電阻變化可以通過傳感標簽的回波損耗S??振幅無線無源反饋到網絡分析儀。傳感標簽在乙烯中孵育5 min即可得到諧振響應。該傳感標簽在靈敏度、重復性與穩定性上都有著良好表現。

無線無源乙烯傳感檢測

基于PET基底構建的輕質、柔性的全MXene絲網印刷柔性傳感器標簽可以被加工成不同的幾何參數，并貼合在植物葉片、果實等部位以實現原位植物乙烯檢測。本研究校正了不同濕度下傳感標簽對乙烯的響應，并在四種呼吸躍變型果實上（蘋果、香蕉、芒果、獼猴桃）進行了連續8天的乙烯傳感檢測，所得結果與GC-MS的結果符合度較高，平均檢測誤差為0.42 ppm，表明該器件在實際檢測應用具有良好的潛力。

植物可穿戴原位乙烯檢測應用

呼吸躍變型水果成熟度變化

該研究利用無添加MXene導電油墨實現了快速、簡便地印刷電子器件制備，并表現出良好的印刷精度、導電性和機械穩定性。此外，MXene還原生長鈀納米顆粒（MXene@PdNPs），將傳感器在1 ppm下的室溫乙烯響應提高到1.16%，并達到0.084 ppm的檢測限。該研究構建的全MXene印刷傳感器標簽能夠附著在植物器官表面，用于可穿戴的無線無源植物乙烯檢測，并表現出了良好的檢測準確度。該技術不僅為MXene柔性電子器件的加工提供了新的路線，也為具有無線無源信息感知能力的植物可穿戴傳感器設計提供了可參考的思路，有望應用于精準農業及全鏈條食品質量檢測等多種領域。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/smll.202207889

審核編輯 ：李倩