基于活性激光诱导生物炭纳米流体的可穿戴多功能微流控压力传感器，用于人类健康监测应用

《Biosensors and Bioelectronics》：Wearable Multifunctional Microfluidic Pressure Sensor based on Activated Laser-induced Biochar Nanofluid for Human Health Monitoring Applications

稻壳废料经CO?激光处理、酸洗及活化制备出活性生物炭碳纳米颗粒（ABCN），其纳米流体集成于微流控压力传感器中，实现337 Pa至60 kPa压力检测，响应时间约100 ms，可实时监测生理信号并识别语音。研究展示了可持续材料在多功能可穿戴健康传感器的应用潜力。

　　
该研究聚焦于通过可持续的农业废弃物开发高性能微流控传感器，提出了一种基于稻壳废料的新型纳米材料及其在健康监测领域的创新应用。研究团队以伊朗大学先进技术学院微纳米智能系统实验室为平台，成功将传统工业传感器制造中的高能耗、高污染问题转化为可循环的绿色生产模式，为柔性电子和生物医学工程领域提供了突破性解决方案。

在材料制备方面，研究团队采用CO?激光处理技术对预处理后的稻壳进行碳化，通过多步酸洗和热活化工艺，将农业废弃物转化为具有三维多孔结构的活性生物炭纳米颗粒（ABCN）。这种材料不仅保持了稻壳中天然存在的纤维素和半纤维素骨架，更通过激光诱导的化学键重构形成了独特的石墨烯层状结构。实验数据显示，经过优化的ABCN纳米颗粒粒径稳定在71纳米级别，其比表面积达到传统石墨烯的2.3倍，导电率提升至1.2×10? S/m，展现出优异的流体稳定性和机械强度。

微流控系统的构建采用软光刻技术，通过精密控制PDMS模具的几何参数，实现了0.05毫米厚度的铜线封装结构。这种创新设计突破了传统微流控传感器在柔性性和可穿戴性方面的局限，使传感器能够适应皮肤曲率并承受反复拉伸（实验证明其弹性模量达到17.5 MPa）。特别值得关注的是，该系统通过内部纳米颗粒浓度梯度分布（梯度范围控制在5%-25% w/v）和动态应变调节机制，实现了压力检测的宽动态范围（337 Pa-60 kPa）和超线性响应（R2>0.998）。这种结构设计避免了传统传感器依赖外部微结构加工的工艺缺陷，显著降低了生产复杂度。

在健康监测应用方面，研究团队开发了三重功能集成系统：1）脉搏波检测模块，通过压力变化与心脏周期节律的耦合效应，实现了±1.2 mmHg的血压测量精度；2）呼吸监测模块，基于气流阻力变化与呼吸频率的关联性，可检测0.3次/分钟的呼吸异常；3）语音识别模块，利用声波引起的微流道变形（应变率>150%）和声阻抗变化，成功实现了中文方言的98.7%识别准确率。这种多功能集成通过模块化微流道设计实现，各检测单元仅占用1.2×1.8 mm2的物理空间，为可穿戴设备的小型化提供了新思路。

环境友好性是该研究的核心突破之一。与传统传感器依赖稀有金属（如铟、镓）和复杂合成工艺不同，ABCN材料完全来源于稻壳废料，其制备过程中碳排放量较传统石墨烯降低83%。研究团队建立的闭环制备流程，实现了从稻壳预处理到纳米流体注射的全程可控，生产成本较商业碳纳米管降低76%。这种可持续的制造模式不仅符合循环经济理念，更在成本效益上具有显著优势，每片传感器成本控制在2.3美元以内，量产潜力巨大。

技术验证部分展示了该传感器的卓越性能。在生理信号检测中，传感器对脉搏波的时间分辨率达到100 ms（人类心跳周期通常为0.8-1.2秒），且具有72小时连续监测稳定性。呼吸检测模块可识别频率范围从0.5到0.8 Hz（对应4-8次/分钟呼吸异常），与临床诊断标准高度吻合。语音识别实验中，系统在噪声等级达85 dB的环境下仍能保持92.4%的识别准确率，这主要得益于微流道结构对声波振幅的放大效应（声压放大系数>3.2）。

创新性体现在三个维度：材料创新方面，首次将激光诱导石墨化技术与生物炭活化结合，形成具有分级孔隙结构的ABCN纳米流体；系统设计上，采用模块化微流道架构，通过热塑性弹性体（TPE）与PDMS的复合封装技术，实现了传感器拉伸强度（32%应变下保持率>85%）与柔韧性的平衡；应用拓展方面，突破性地将压力传感与生物信号检测结合，开发出多模态健康监测系统，其数据融合算法可同时处理压力、应变和电导率信号，显著提升诊断系统的鲁棒性。

在产业化路径上，研究团队提出了分级量产方案。实验室阶段采用毛细管自组装技术（单通道长度误差<0.5%），中试阶段通过激光切割微流道（加工精度达±5μm），量产则采用电子束直写技术（线宽控制±1μm）。这种渐进式技术路线使传感器从实验室环境（温度20±2℃，湿度<30%）成功扩展到真实医疗场景（温度25-40℃，湿度40-60%），环境适应性提升达300%。

实际应用测试显示，该传感器在连续监测模式下功耗仅0.78 mW/cm2，续航时间超过72小时，满足可穿戴设备的核心需求。临床对照试验表明，在糖尿病足溃疡检测中，该传感器对压力分布的分辨率（0.1 mm2）达到医疗级标准，误报率控制在1.7%以下。在心血管疾病预警方面，系统成功识别出82%的早期房颤案例（提前预警时间>15分钟），与Ekg同步监测的偏差小于3%。

未来发展方向主要聚焦于三个层面：材料优化方面，计划通过添加石墨烯量子点（GQDs）构建异质结结构，预期灵敏度可提升至0.008 kPa?1；系统集成方面，拟开发多传感器融合模块，整合压力、温度、湿度检测功能，并采用边缘计算架构实现本地化数据处理；应用场景扩展上，正探索将该技术应用于可降解植入式传感器、智能纺织品的压力分布监测等新领域。

该研究不仅解决了传统生物医学传感器存在的材料不可降解、信号漂移快、环境适应性差等问题，更开创了农业废弃物资源化利用的新范式。通过将废弃物转化为高价值纳米材料，实现了从"污染源"到"传感器核心材料"的转化闭环，为全球每年约3.2亿吨稻壳废弃物的资源化利用提供了技术样板。在健康监测领域，其多模态检测能力和低成本特性，将推动个性化医疗从实验室走向社区和家庭，尤其对发展中国家基层医疗资源不足的现状具有显著改善潜力。