英国诺森比亚大学徐斌/西工大孔杰/香港科技大学唐本忠《Nat.Commun.》：一种超高对比度柔性拓扑光传感技术

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海洋生物具有随意改变颜色和尺寸能力，受此启发，利用拉伸、压缩和扭曲等实现发光的仿生有机材料及聚集态光传感技术近年来受到越来越多的关注。最近，英国诺森比亚大学徐斌教授、西北工业大学孔杰教授、香港科技大学唐本忠院士合作在《Nat. Commun.》上发表了题为“A Flexible Topo-optical Sensing Technology with Ultra-high Contrast”的论文，利用大应变压缩（>40%）触发表面弹性非稳态形变得到大尺度聚集增强光信号图案，同时在背景上利用铱-III磷光材料的富氧猝灭效应实现消噪，从而得到超高对比度的光传感信号。这种独特的拓扑光学传感技术弥补了当前机械响应光传感机制中的空白，巧妙的将弹性表面拓扑形貌转换和聚集态光信号增强现象（AIE）结合起来，运用材料物理，微加工工程和化学方法，形成了高度学科交叉的光传感技术。此外，该技术所具有的高应变侦测、可编码、柔性自适应、可视化等特性，能够为设计下一代柔性/可穿戴设备带来新的思路。

1、拓扑光学传感的实现

图1a显示了在触发弹性拓扑表面（如折叠、褶皱形貌）的同时，通过构建一层光学指示薄膜（例如邻丙烯酸荧光素（FoA），可以实现可控形变诱导聚集光传感功能。当弹性体受到一维机械力压缩时，表面发生折叠、褶皱时，产生荧光层的物理聚集，从而从顶视图方向上实现图案化。弹性表面褶皱、折叠现象，在光滑表面上是随机分布的（图1b）。这种表面拓扑结构，可以通过预先设置的表面微孔（阵列），诱导产生位置精准可控的图案（图1c）。通过评估三维荧光图案形貌（使用激光扫描共聚焦显微镜LSCM，图1d和1e），诱导图案化的线条图案比随机线条有着更高的亮度。从用于FoA图案表面的LSCM 三维图像（绿色“打开的书本”形状，图1g）中，由于小折痕/褶皱导致的荧光素聚集不连续，背景上的光信号噪点非常明显。

图1通过可控弹性表面形变来实现柔性拓扑光学传感;（a）体系构建以及图例展示随机折叠和诱导精准折叠，光学显微镜对比（b）平滑表面和（c）用微孔阵列诱导形成的精准折叠，点线表示压缩下的闭孔位置;激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）三维观测由（d）在平整表面上的随机折叠和（e）用微孔阵列诱导形成的精准折叠下产生的光传感信号;（f）中比较了对（c）和（d）顶视光传感信号进行光强分析的结果;（g）三维重构LSCM扫描的精准折叠的空间构型；所有比例尺均为30微米。

2、高对比度荧光信号的实现 - 选择性富氧荧光猝灭

铱-III（Ir-III）配合物是一种富氧猝灭性的磷光发光材料，在缺氧条件下通过光激发，能发出橙红色光（λ_发射= 580 nm，图2a）。本研究创造性的利用精准折叠形成空间缺氧效应，Ir-III涂层的光信号强度在特定折叠区域得以最大限度的保留（图2b）。反观其它暴露在空气中的区域，大部分表面荧光信号由于富氧淬灭作用而消逝，从而得到具有超高对比度的拓扑光学信号（请参见图2c中的“刀片”三维形貌，和图2d的强度分析），与图1g形成鲜明对比。本文定义了标称线对比度（NLC），以比较所选区域的光信号对比度。在分析了图2b和1e中选定线的NLC数据（图2e）后，Ir-III涂层的NLC值大大高于FoA涂层表面的NLC值，从而显示出在对比度上的优越性。

图2 超高对比度光信号的生成和解析；（a）Ir-III配合物及其激发和发射光谱（b）Ir-III指示剂层产生的信号的俯视图和剖面图；（c）LSCM3维重构的超高对比度信号的红色叶片图像；（d）在（b）中选择的图像中的顶视图信号的分析结果；（e）比较（b）（红线）和图1e（绿线）中选定区域的标称线对比度（NLC）；（f）邻苯二甲酸荧光素（FoA，黑色符号）和铱-III（IR-III，红色符号）的对比度（SNR）与折叠深度（Hc）的关系；（g）（b）和图1e压缩应变为0.52的信号强度的时间跨度跟踪，绿色表示FoA，红色表示Ir-III，空心表示峰值信号，实心表示背景信号；所有比例尺均为30微米。

3. 可控弹性表面褶皱的力学探索

使用有限元模拟软件对诱导产生的精准弹性形变进行力学分析（图3），以增加对可控精准折叠的机理认识。考虑具有不同几何输入的单个孔阵列来模拟）的结果，本研究发现孔径和孔间距的对比，对于折叠深度的形成过程，与衬底机械应变之间的关系，都有明显的联系。折叠产生的可重复性，也得到了深入的研究。

图3 表面诱导精准折叠的力学行为分析和可重复性评估；在（a）低孔间距/孔径比和（b）高孔间距/孔径比的情况下，对具有单个微孔阵列（孔直径= 40微米）的表面进行面内和面外应变能分析；（c）对带有孔阵列的表面在不同孔间距/孔径比下的模拟（孔封闭的衬底阈值应变）与实验值的比较；（d）用单个微孔阵列（黑色表示），标定自接触深度（Hc / h）的模拟（直线）和实验（点符号）结果；（e）Hc深度的循环测试结果。

4. 潜在应用展示

对以上高对比度柔性拓扑传感技术的应用进行了探索，并且展示一系列潜在概念设计原型，比如有基于改变表面参数的双阶平面应变传感器和利用调节表面阵列布局实现应变触发条形码，以方便机器识别。还有双轴等应变压缩产生的传感栅格，可用来标记生物细胞形变和行为，在细胞凋零和生物组织工程等研究中有可观的应用价值。最后，作者们还开发了基于平面应变和局部弧度双关联触发弯曲传感器，可以侦测关节弯曲行为，这个器件可用于构建可穿戴设备的底板，在此基础上集成电子原件可大大拓展应用空间（大尺度（弧度）形变侦测），降低器件的复杂度，并提高器件灵敏度。

图4 应用展示；（a）双阶平面应变传感器（b）平面应变传感条形码；（c）双轴等应变压缩产生的传感栅格的形成；（d）基于平面应变和局部弧度触发的双关联弯曲传感器，可以侦测关节弯曲行为；所有比例尺均为100微米。

以上工作以“A Flexible Topo-optical Sensing Technology with Ultra-high Contrast”为题发表在Nat. Commun. 上。论文诺森比亚大学Cong Wang 和Ding Wang博士为并列第一作者，通讯作者为徐斌教授、孔杰教授、Yifan Li博士和唐本忠院士，合作作者包括诺森比亚大学V. Kozhevnikov教授、Xue Chen博士、G. Turnbull博士和西北工业大学戴杏怡。该工作得到了英国EPSRC（EP/N007921/1和EP/S01280X/1）、英国皇家学会Kan Tong Po International Fellowship 2019（KTP\R1\191012）及陕西省杰出青年科学基金（2018JC-008）等资助。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15288-8

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