用于细胞微环境检测的液态金属柔性电化学传感器研究

Liquid metal has great value in flexible electronics. In the field of flexible sensing devices, the application of liquid metal is mostly focusing on physical detection such as pressure, stress, in which only the high conductivity of liquid metal is utilized. Thus the liquid metal contributes very limitedly to the various functions of sensors. Besides the application of liquid metal is constrained in sensing field. Apart from the high conductivity, the liquid metal also owns some unique properties, which can be further developed in biological and chemical sensors. For instance, the liquid metal can have remarkable deformation in between different ionic liquids,electrical field gradient and different interface interactions. The surface oxide formation can also lead to obvious deformaiton due to surface tension reduction. Taking advantages of these properties, we intend to use liquid metal to develop combined electrodes with other conductive materials and to design and fabricate biosensor chips using microfluidic technology. The biosensor is planned to detect the pH changes and some metabolites such as H2O2 in the cellular microenvironment in order to monitor the metabolism of cancer cells. This research will improve the acedemic understanding of liquid metals in biosensor design and will broaden the functional applications of liquid metals. It will also provide a new sight in the design of new flexible biosensors, which is valuable in the research of real-time monitoring cellular microenvironment.

液态金属在柔性电子具有重要的应用价值。在柔性传感器领域，目前液态金属的应用主要集中在物理参数的检测，如压力，应力等；且仅利用自身柔性高导电的功能，在传感器中参与的功能非常有限，极大地限制了液态金属在传感器领域中的应用。而液态金属除了导电能力外，还有许多独特的特性，如液态金属能在不同离子环境，电场梯度和界面环境中发生显著形变，金属表面形成氧化膜也会降低自身表面张力引发形变。利用这些特点，本项目拟采用液态金属与其他电极材料设计复合敏感电极，并结合微流控芯片技术设计和制造传感器芯片，拟在细胞微环境中氢离子浓度变化，过氧化氢等代谢产物的检测方面开展研究，以用于监测细胞代谢和癌变。拟对液态金属在生物传感器设计中所涉及的学术内涵和实现工艺做出更完整更深入的认识。该项目有助于拓宽液态金属的功能应用，并为新型柔性生物传感器设计提供了一条全新的思路，有助于促进细胞微环境实时监测领域的研究和应用。

镓基液态金属具有独特的物理化学特性，可以对环境中的氧气、离子浓度等发变化会产生形变响应。利用这个特点，本项目采用镓基液态金属作为电极材料，对细胞微环境中的氢离子、过氧化氢等代谢产物或环境监测开展研究。本项目研究了镓基液态金属与铁、镍、铜三种金属接触时的物理化学特性，拟采用形变响应最大的金属材料作为复合电极材料。其中，液态金属对铜具有最好的浸润性，因此对液态金属具有最大的吸引力。镍由于具有较强的催氢能力，会在与液态金属接触的界面产生大量的氢气，因而和液态金属难以保持稳定接触，且产生气泡会干扰界面形貌判断。而铁居于其中，对液态金属具有一定浸润性，但浸润能力较弱。由于在研究中发现，液态金属与其他电极材料形成的复合电极后，由于其对微流道的浸润性，会严重影响液态金属形貌，对细胞微环境中的微小变化检测造成了巨大挑战。因此，本项目直接采用液态金属液滴在小管中与溶液的动态界面形貌变化作为响应，定量描述镓基液态金属界面对溶液环境中的氢离子浓度响应，并实现对细胞微环境中pH变化的可视化监测。结果显示，采用有机玻璃的小管制备的液态金属液滴传感器，其形貌对pH变化具有显著的曲率响应，且响应范围较大（2-12）。通过自动化图像识别，可实现快速pH检测和识别。