研究背景
物联网 (IoT) 融入现代生活，彻底改变了我们与周围世界的互动方式。通过无缝连接医疗保健、环境监测、智能农业、家庭安全和可穿戴电子设备等众多应用领域的设备和系统，物联网实现了实时数据收集和通信，提高了效率和便利性。传感器是这一转变的核心，它是收集和传输物联网网络有效运行所需数据的关键组件。各种传感器，包括光学、压力、化学传感器、温度和运动传感器，都已开发出来用于特定应用。特别是物联网与化学传感器的结合，可以早期检测污染物和危险化学品，从而及时采取干预措施，保障公众健康。
文章概述
近日，国立台湾大学Zong-Hong Lin教授研究团队开发了一种完全自供电的自动化化学传感系统，并与机械手集成，用于“触摸和感应”检测水生环境中的有毒重金属离子（Pb2⁺、Cr⁶⁺、As3⁺）。该系统将自供电固液摩擦纳米传感器 （SL-TENS） 与热电发电机 （TEG） 相结合，后者利用环境热量为机械手供电，无需外部电源。机械手通过外侧手进行无线控制，最大限度地减少了远程监控期间的暴露风险。传感组件使用涂有离子选择性膜 （ISM） 的氧化铜纳米线 （CuO NW） 来提高摩擦电输出并实现高选择性离子检测。该系统演示了对湖水中的有效实时现场检测和无线传输给用户的数据。这种创新方法为检测难以进入区域的有害污染物提供了一种高度安全和有效的方法，为无线和实时环境监测和危害预防提供了巨大潜力，从而有助于保护人类健康。本研究提出了支持 IoT 的环境监测系统领域的新进展。该成果以“Real-Time Wireless Detection of Heavy Metal Ions Using a Self-Powered Triboelectric Nanosensor Integrated with an Autonomous Thermoelectric Generator-Powered Robotic System”为题发表在《Advanced Science》期刊上。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110451
图文导读
图1 固液 TENS 与机械手结合用于检测 Pb2+、Cr6+ 和 As3+ 重金属离子。
图 2. Pb2+、Cr6+ 和 As3+ ISM 与各自重金属离子反应前后的表征。
图 3. SL-TENS 的工作机理和传感性能。
图 4. SL-TENS 与机械手指集成用于现场检测
图5 热电发电机输出性能测量
图 6. 基于机器人手的 SL-TENS 检测真实样品重金属离子
总结
综上所述，本研究展示了一种先进的自动化环境监测平台的开发，该平台将自供电 TENS 与机械手相结合，实现对真实环境中重金属离子的自动、实时和现场监测。为了克服外部电源需求的问题，机械手由 TEG 供电，TEG 收集环境热能，使化学传感系统完全自供电。TEG 从环境温差中收集热能，并在约 9 小时内为 3.7 V、550 mAh 锂离子电池充满电，然后用于驱动机械手。此外，机械手通过无线连接到外手进行远程控制感应，以避免接触有毒化学物质。总体而言，自供电传感器和机器人的直接集成提供了自动化、经济高效的化学传感。该传感系统在现实环境中的水质检测方面表现出巨大潜力，可保护有毒和危险分析物。例如，它可以成为废水管理和饮用水系统等行业大规模环境监测的合适候选者，在这些行业中，连续、自动检测有毒离子至关重要。此外，该系统可部署在偏远和危险环境中，用于监测受污染的水体、工业场所或采矿区，以实时检测污染物。它的多功能性和适应性也使其成为智能农业和智能城市应用的有前途的工具，它可以监测水质并防止污染，从而确保环境和公共安全。该传感器可以通过病原体特异性识别元件（例如适体或抗体）进行修改，以检测有害病原体。这种修改将能够监测水中的微生物污染物，进一步扩大传感系统在环境和公共卫生保护中的应用。
编辑：四火 | 审核：listen
