纸张能够很好地适应多种印刷技术，这在开发低成本传感器和电子器件方面具有显著优势。此外，丰富的表面化学性质使得纸张能够与导电材料（例如金属纳米材料、碳纳米材料）很好地结合。显然，每种类型的传感器都有其独特的制造和工作特性，因此在开发传感器时，需要根据各种纸张的不同特性来实现最佳性能。图1展示了对实际传感器应用至关重要的纸张关键参数。
图1 控制纸基传感器和电子器件参数的纸张特性
据麦姆斯咨询报道，近日，摩尔多瓦国立大学（Moldova State University）的研究团队分析了各类纸基传感器的实现及应用前景。这项研究通过分析表明纸基传感器具有光明的前景。纸张的多种特性使得开发各种纸基传感器成为可能，例如表面增强拉曼光谱（SERS）传感器、比色传感器、荧光传感器、电导传感器、电容传感器、光纤传感器、电化学传感器、微流控传感器、形变传感器、微波传感器以及各种物理传感器。使用纸张制造各种传感器，不仅为制造方法带来新思路，也为其应用领域开辟了更多可能性。这项研究成果以“Paper-Based Sensors: Fantasy or Reality?”为题发表在Nanomaterials期刊上。
纸基SERS和等离子体传感器
实验表明，纸张和纤维素基材料凭借其独特特性，成为开发SERS应用衬底的重要组成部分。纸张的柔韧性使其与真实表面有良好的保形接触，便于通过拭子或包裹方式采样，从而简化即时采样分析（point-of-sample analysis）。同时，纸张也是制造表面等离子体共振（SPR）传感器界面的理想材料。考虑到经过等离子体纳米粒子修饰的纸张具有柔韧性、生物相容性、高灵敏度等独特特性，这些价格低廉、重量轻、易于制造和使用的纸基SPR平台有望得到最广泛的应用。事实上，基于纳米纸SERS和SPR光学传感平台，研究人员已经开发出多种用于气相分析物检测的生物传感器和相关器件（如图2）。
图2 利用多肽功能化金纳米棒（Au NR）的折射率灵敏度，实现等离子体纸基器件检测生物标志物的基本方法
纸基荧光和比色传感器
荧光和比色传感器的灵敏度在很大程度上取决于分析物和荧光分子之间的相互作用。与聚合物和陶瓷相比，纤维素具有较高的孔隙率和较大的表面积，从而增强了分析物与荧光团和生色团之间的相互作用。研究人员利用这一特性来检测能够改变荧光团和生色团颜色或荧光强度的化学物质。纳米纸的这些独特物理化学性质也可用于制造传感器阵列。基于阵列的传感器系统也被称为“化学舌/化学鼻”，是指使用不同的交叉反应传感器元件，为每种分析物提供独特的“指纹式”响应或模式，如图3所示。
图3 基于纳米纸的比率荧光传感器阵列（NRFSA）识别重金属离子的示意图
纸基光纤传感器
将荧光和比色传感器与光纤结合起来，就能获得经典的光纤端面传感器（end-of-fiber sensor）。光纤端面传感器是最简单的纸基光纤传感器。迄今为止，已经开发出相当数量的此类传感器。
纸基电子气体和湿度传感器
纸基气体和湿度传感器的工作原理基于以下事实：纸张的纤维素纤维易于从环境中吸收水分或易与危害人体健康的活性气体成分相互作用。这种相互作用会导致纸的介电常数（即电容）和离子电导率发生变化，例如随着大气中气体或水蒸气浓度的变化，电阻会相应地增大或减小。根据纸在气体和湿度影响下的特性变化，纸基电子气体和湿度传感器可分为电容式传感器、电导式传感器和阻抗式传感器。
纸基电化学传感器
研究发现，纤维素纸是一种优良的催化剂和酶载体，因为它不仅能够提供所需的表面几何形状，还能提供最佳的亲水/疏水平衡。这些纤维素特性有助于成功开发高性能电化学传感器，包括各种应用的生物传感器。纸张在开发生物传感器方面具有诸多优势，因为其具备长时间保留活性生物分子的能力。图4展示了三种纸基电化学传感器示例。
图4 纸基伏安电化学传感器示例
纸基微流控分析器件
纸张的另一个重要特性是它能广泛应用于微流控器件（通常称为微流控纸基分析器件，µPAD）的开发，在许多情况下，微流控器件是人体测量和疾病诊断的基本分析工具。纤维素纸张的分层多孔结构和纤维素纤维中丰富的羟基对于微流控来说非常有利，其中液体的输送是由毛细作用驱动的。羟基与微孔共同作用产生的毛细力推动溶液（包括生物流体）的运输，这为微流控器件提供了固有能力。
图5 一种简单的蜡基油墨印刷µPAD方案
纸基微波传感器
微波传感器是另一种利用纸张的亲水性具有高吸附能力的应用。微波传感器基于微波与物质之间的相互作用。微波传感器可以最大限度地利用纸基衬底，而最具前景的发展方向是射频识别（RFID）传感系统，近年来人们对该领域的关注度与日俱增。图6展示了RFID传感系统的配置。另外，纸基微波传感器也可用于有毒蒸汽的检测。
图6 RFID传感系统的配置
纸基物理传感器
具有纤维结构的导电纸也是开发能够测量机械应力、压力或位移的机电传感器的重要材料。对于这些系统，测量原理基于纳米纤维素在机械应力作用下的电容或电导率的变化。纳米纤维素凭借其固有的各向异性而特别有用。这一特性使纳米纤维素在应变传感器中得到应用，该传感器能够对平行或垂直于排列纤维素纤维的作用力做出不同的响应。图7展示了全纸基压阻式（APBP）压力传感器的工作机制。
图7 全纸基压阻式（APBP）压力传感器的工作机制
纸基传感器的局限性
然而，要想实现纸基的广泛应用，并在传感器市场上大规模推广纸基传感器，必须克服许多挑战：（1）纸张衬底在机械强度、耐腐蚀性环境和可制造性方面不如塑料衬底。（2）过度加热容易导致纸张变形，并降低纤维素结构的质量。（3）对于纸基传感器（湿度传感器除外），另一个明显缺点是纸张对水分异常敏感，因此对环境条件也非常敏感。（4）然而，纸基传感器走向市场的最大障碍在于目前的纸基传感器制造方法，这些制造方法在许多情况下与大规模生产无法兼容。
论文链接：
https://doi.org/10.3390/nano15020089
延伸阅读：《传感器技术及市场-2024版》《环境气体传感器技术及市场-2023版》《SGX Sensortech微型MEMS催化燃烧式气体传感器MP7227产品分析》《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》《盛思锐气体传感器SGP40产品分析》《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
纸张能够很好地适应多种印刷技术，这在开发低成本传感器和电子器件方面具有显著优势。此外，丰富的表面化学性质使得纸张能够与导电材料（例如金属纳米材料、碳纳米材料）很好地结合。显然，每种类型的传感器都有其独特的制造和工作特性，因此在开发传感器时，需要根据各种纸张的不同特性来实现最佳性能。图1展示了对实际传感器应用至关重要的纸张关键参数。
图1 控制纸基传感器和电子器件参数的纸张特性
据麦姆斯咨询报道，近日，摩尔多瓦国立大学（Moldova State University）的研究团队分析了各类纸基传感器的实现及应用前景。这项研究通过分析表明纸基传感器具有光明的前景。纸张的多种特性使得开发各种纸基传感器成为可能，例如表面增强拉曼光谱（SERS）传感器、比色传感器、荧光传感器、电导传感器、电容传感器、光纤传感器、电化学传感器、微流控传感器、形变传感器、微波传感器以及各种物理传感器。使用纸张制造各种传感器，不仅为制造方法带来新思路，也为其应用领域开辟了更多可能性。这项研究成果以“Paper-Based Sensors: Fantasy or Reality?”为题发表在Nanomaterials期刊上。
纸基SERS和等离子体传感器
实验表明，纸张和纤维素基材料凭借其独特特性，成为开发SERS应用衬底的重要组成部分。纸张的柔韧性使其与真实表面有良好的保形接触，便于通过拭子或包裹方式采样，从而简化即时采样分析（point-of-sample analysis）。同时，纸张也是制造表面等离子体共振（SPR）传感器界面的理想材料。考虑到经过等离子体纳米粒子修饰的纸张具有柔韧性、生物相容性、高灵敏度等独特特性，这些价格低廉、重量轻、易于制造和使用的纸基SPR平台有望得到最广泛的应用。事实上，基于纳米纸SERS和SPR光学传感平台，研究人员已经开发出多种用于气相分析物检测的生物传感器和相关器件（如图2）。
图2 利用多肽功能化金纳米棒（Au NR）的折射率灵敏度，实现等离子体纸基器件检测生物标志物的基本方法
纸基荧光和比色传感器
荧光和比色传感器的灵敏度在很大程度上取决于分析物和荧光分子之间的相互作用。与聚合物和陶瓷相比，纤维素具有较高的孔隙率和较大的表面积，从而增强了分析物与荧光团和生色团之间的相互作用。研究人员利用这一特性来检测能够改变荧光团和生色团颜色或荧光强度的化学物质。纳米纸的这些独特物理化学性质也可用于制造传感器阵列。基于阵列的传感器系统也被称为“化学舌/化学鼻”，是指使用不同的交叉反应传感器元件，为每种分析物提供独特的“指纹式”响应或模式，如图3所示。
图3 基于纳米纸的比率荧光传感器阵列（NRFSA）识别重金属离子的示意图
纸基光纤传感器
将荧光和比色传感器与光纤结合起来，就能获得经典的光纤端面传感器（end-of-fiber sensor）。光纤端面传感器是最简单的纸基光纤传感器。迄今为止，已经开发出相当数量的此类传感器。
纸基电子气体和湿度传感器
纸基气体和湿度传感器的工作原理基于以下事实：纸张的纤维素纤维易于从环境中吸收水分或易与危害人体健康的活性气体成分相互作用。这种相互作用会导致纸的介电常数（即电容）和离子电导率发生变化，例如随着大气中气体或水蒸气浓度的变化，电阻会相应地增大或减小。根据纸在气体和湿度影响下的特性变化，纸基电子气体和湿度传感器可分为电容式传感器、电导式传感器和阻抗式传感器。
纸基电化学传感器
研究发现，纤维素纸是一种优良的催化剂和酶载体，因为它不仅能够提供所需的表面几何形状，还能提供最佳的亲水/疏水平衡。这些纤维素特性有助于成功开发高性能电化学传感器，包括各种应用的生物传感器。纸张在开发生物传感器方面具有诸多优势，因为其具备长时间保留活性生物分子的能力。图4展示了三种纸基电化学传感器示例。
图4 纸基伏安电化学传感器示例
纸基微流控分析器件
纸张的另一个重要特性是它能广泛应用于微流控器件（通常称为微流控纸基分析器件，µPAD）的开发，在许多情况下，微流控器件是人体测量和疾病诊断的基本分析工具。纤维素纸张的分层多孔结构和纤维素纤维中丰富的羟基对于微流控来说非常有利，其中液体的输送是由毛细作用驱动的。羟基与微孔共同作用产生的毛细力推动溶液（包括生物流体）的运输，这为微流控器件提供了固有能力。
图5 一种简单的蜡基油墨印刷µPAD方案
纸基微波传感器
微波传感器是另一种利用纸张的亲水性具有高吸附能力的应用。微波传感器基于微波与物质之间的相互作用。微波传感器可以最大限度地利用纸基衬底，而最具前景的发展方向是射频识别（RFID）传感系统，近年来人们对该领域的关注度与日俱增。图6展示了RFID传感系统的配置。另外，纸基微波传感器也可用于有毒蒸汽的检测。
图6 RFID传感系统的配置
纸基物理传感器
具有纤维结构的导电纸也是开发能够测量机械应力、压力或位移的机电传感器的重要材料。对于这些系统，测量原理基于纳米纤维素在机械应力作用下的电容或电导率的变化。纳米纤维素凭借其固有的各向异性而特别有用。这一特性使纳米纤维素在应变传感器中得到应用，该传感器能够对平行或垂直于排列纤维素纤维的作用力做出不同的响应。图7展示了全纸基压阻式（APBP）压力传感器的工作机制。
图7 全纸基压阻式（APBP）压力传感器的工作机制
纸基传感器的局限性
然而，要想实现纸基的广泛应用，并在传感器市场上大规模推广纸基传感器，必须克服许多挑战：（1）纸张衬底在机械强度、耐腐蚀性环境和可制造性方面不如塑料衬底。（2）过度加热容易导致纸张变形，并降低纤维素结构的质量。（3）对于纸基传感器（湿度传感器除外），另一个明显缺点是纸张对水分异常敏感，因此对环境条件也非常敏感。（4）然而，纸基传感器走向市场的最大障碍在于目前的纸基传感器制造方法，这些制造方法在许多情况下与大规模生产无法兼容。
论文链接：
https://doi.org/10.3390/nano15020089
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