可生物降解的微型溫度感測器：有望實現「食聯網」！

導讀

最近，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）的科研團隊開發出一款用於測量溫度的可進行生物降解的微型生物感測器，未來將有望實現食品的物聯網：「食聯網」。

關鍵字

物聯網、感測器、食品

背景

如今，微感測器已廣泛用於各個領域，例如檢測有毒氣體。它們也被集成到小型化的發射器/接收器系統中，例如無處不在的RFID晶元。然而，因為這些感測器通常含有對環境和人體健康有害的貴金屬，所以對於直接接觸人體的醫療應用或者食品中的內含物來說，它們都不適合。無論是在研究領域還是工業領域，開發由無毒、可降解的材料製成的微感測器都引起了廣泛的高度興趣。

創新

由博士後 Giovanni Salvatore 領導的科研團隊與瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）的其他研究所的科學家們一起合作開發出一款用於測量溫度的可降解的微生物感測器。

（圖片來源：ETH Zurich）

他們在科學雜誌《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上報告了該研究發現。這種生物兼容的微感測器封裝了由鎂、二氧化硅、氮化物製成的超細的、緊密纏繞的電氣細絲。鎂是我們日常飲食的重要成分，而二氧化硅和氮化物具有生物相容性且可溶於水。這種聚合物是由玉米和馬鈴薯澱粉製成，其成分符合歐盟和美國的法規。

Tr?ster 教授小組的博士後研究員 Giovanni Salvatore 相信這些生物可降解的微感測器前景光明。作為例子，他列舉一個潛在的應用：

「為了準備運輸到歐洲，來自日本的魚類會安裝溫度感測器，從而讓它們可以持續被監測，以保證其保持足夠涼爽的溫度。」

（圖片來源：ETH Zurich）

這就需要感測器能夠適用於食品領域，且對消費者健康無害。這些感測器也需要足夠的小型化、魯棒性和柔性，以便於在裝滿魚和其他食品的容器中生存。

技術

研究人員們開發出的這種感測器只有16微米後，比人類頭髮（100微米）要薄許多，且只有幾毫米的長度，總量不超過1毫克。在目前的形式下，感測器在67天內可完全溶解於百分之一的鹽溶液。目前，感測器可完全浸入水中，並持續工作一天。這個時間足夠監測一批從日本運往歐洲的魚。Salvatore 說：「但是，通過調整聚合物的厚度來拓展工作壽命是相對簡單的。」可是更厚的感測器會更加缺少柔性。目前的感測器非常薄，即使它被完全弄皺或者摺疊的情況下，仍可以持續運行。甚至當感測器被按照原始尺寸拉伸10%後，仍然可以保持完好無損。

（圖片來源：ETH Zurich）

對於電源來說，研究人員已經使用超薄的、生物可降解的鋅線，將感測器與一個外部的微電池相連接。一個微處理器和一個用於通過藍牙向外部計算機發送溫度數據的發射器位於同樣一顆（不可生物降解的）晶元上。這使得未來將可以在10米到20米的範圍內監測產品的溫度數據。

價值

目前，製造生物可降解的微型感測器是一個非常耗時和昂貴的過程。然而，特別是隨著印刷電子電路變得越來越成熟，Salvatore 感到自信的是，不久將有可能為大眾市場製造出這種感測器。Salvatore 說，「一旦生物感測器的價格跌得足夠低，它們幾乎可以在任何地方使用。」感測器將可以連接物理世界和數字世界，將食品帶入「物聯網」。它們的用途不限於溫度測量，類似的微感測器也可用於監測壓力、氣體和紫外線泄露。

（圖片來源：ETH Zurich）

未來

根據產業所顯示出的興趣程度，Salvatore 預測這些可降解的生物感測器在5到10年之內將成為我們日常生活的一部分。Salvatore 解釋道，到那時，電池、處理器、發射器都或將集成到微型感測器中。在這些組件變得對人體健康和環境無害之前，仍然需要進行更多研究。因此，團隊目前正在搜索可降解的能量源為這些感測器供電。

參考資料

【1】https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2017/09/biodegradable-microsensors-for-food-monitoring.html

【2】Salvatore GA et al. Biodegradable and Highly Deformable Temperature
Sensors for the Internet of Things. Advanced Functional Materials 2017.
1702390. doi: 10.1002/adfm.201702390

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