我院青年教师宋杰发表研究性论文：基于全碳基材料构建集成可穿戴系统同时检测紫外光强度和维生素C浓度

       近期，大连工业大学食品交叉科学研究院在中科院分区1区期刊《Talanta》发表题为“Simultaneous detection of ultraviolet irradiation and vitamin C using an all-carbon-based integrated wearable system powering by a micro-supercapacitor”的研究性论文。谭明乾教授为通讯作者，我院青年教师宋杰为第一作者。

研究背景

       人体皮肤长时间暴露在高强度紫外光（UV）下会触发皮肤细胞快速生成和积累活性氧（ROS），进而发生的氧化应激反应会导致皮肤老化、产生炎症，甚至引发皮肤癌等问题。UV探测器可以对人体所处环境中的UV强度起到实时监测及预警作用，以便人们及时做好防晒措施。研究表明，维生素C（VC）作为一种抗氧化剂，可以减少皮肤细胞中ROS的生成，从而有效预防UV辐射伤害。因此，从“外部”角度出发，准确监测外界环境中UV强度，同时结合“内部”因素，准确获取人体内VC含量的信息以便及时补充，是预防UV伤害的有效措施。

       本研究基于激光直写技术，一步制备了包含微型超级电容器（MSC）、UV探测器、VC传感器和连接电路全碳基可穿戴系统，并系统研究了激光直写过程中激光深度对碳材料结构和性质的影响。最优条件下制备出的MSC具有出色的电容特性、良好的长期循环稳定性和机械柔韧性，以其作为储能部件为UV探测器和VC传感器供电，可探测到UV强度范围为11 ~ 44 μW cm-2，VC线性范围为1 ~ 200 μM，最低检测限为0.83 μM。本研究从高强度UV预警和抗氧化剂浓度监测两个角度出发，为可穿戴系统应用于预防紫外线晒伤提供了一种新的方法。

图1. 全碳基集成可穿戴传感器构建示意图

成果介绍

        利用激光直写技术在聚酰亚胺衬底上原位制备多孔碳材料，中间区域为MSC，通过循环伏安和恒流充放电测试表明MSC具有较高的比电容（5 mV s-1扫速下1.06 mF cm-2）、良好的稳定性（循环充放电5000次电容维持91.1%）、储能性质（4.17 mW cm-2，56.2 μWh cm-2），在各种形变下电容性质仍可保持稳定。

图2. 超级电容器性能测试

       器件上部分区域为UV探测器，以ZnO为光敏材料嵌入碳基电路中间，利用MSC充电后放电驱动UV探测器对UV辐射强度进行定量检测。本研究可探测的UV强度范围换算为UVI指数为4.4 ~ 17.6，对高强度紫外线可以起到有效的预警作用。 

图3. UV探测器性能测试

       器件下部分区域为VC电化学传感器，基于多孔碳材料的电催化性质，在MSC驱动下测试时间-电流曲线，传感器对1 ~ 200 μM的VC具有线性响应，最低检测限为0.83 μM。该传感器成功应用于饮品及人体汗液中VC浓度的测定，并且对食品基质及人体汗液基质中常见成分表现出良好的抗干扰性。

图4. VC传感器性能测试

原文链接：http://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.124306