感应试水份测(无线呼吸检测：柔性透明水凝胶薄膜基湿度传感器)

Posted 2023-05-26

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感应试水份测(无线呼吸检测：柔性透明水凝胶薄膜基湿度传感器)

一、研究背景

具有良好的形状可塑性和特定的刺激响应性的便携式或可穿戴电子设备目前正引起广泛关注，并在软体机器人、医疗保健、人工智能和人机交互方面有广泛的应用。为了更好地适应更多的应用场景，预计将通过完善的材料和结构工程策略引入各种功能。例如，透明度是设备可视化的一个重要的先决条件，下一代柔性透明电子器件在显示器、军事伪装和验光产品中发挥着重要作用。通常情况下，预计可以使用这些可穿戴传感电子设备进行方便、有效和实时的呼吸监测，因为呼出的气体包含一系列可检测的可变生理信号。其中，湿度是一个可以用于呼吸监测的明显指标，高性能的湿度传感器可以有效地区分不同的呼吸模式，在健康评估和疾病预测中发挥重要作用。例如，睡眠呼吸暂停综合症(SAS)患者容易出现呼吸暂停，而肺炎、支气管炎和哮喘的患者往往伴有呼吸急促的症状，因此实时监测呼吸频率对他们的辅助治疗很有帮助。一般来说，一个高性能的湿度传感器需要满足灵敏度高、响应和恢复速度快、监测范围广、稳定性好、制造成本低和简单性的要求，而且还可以利用它来实现非接触式的人机识别，甚至可以通过检测叶片蒸腾引起的相对湿度（RH）的细微变化来感知植物的生长，显示出广阔的应用前景。

一般来说，传统的柔性湿度传感器是通过将非可伸缩湿度传感材料，如氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）、单壁碳纳米管（SWCNT）、微/纳米结构的金属氧化物、导电聚合物等，集成到可伸缩基材上而构建的，这些材料总是具有有限的变形性，难以满足可穿戴设备的要求。

二、研究成果

呼吸监测在健康评估中起着举足轻重的作用，为柔性湿度传感器提供了重要的应用前景。然而，传统的湿度传感器在可变形性、灵敏度和透明度之间存在取舍问题，因此迫切需要开发高性能、可拉伸和低成本的湿度传感器作为可穿戴式电子产品。近日，中山大学吴进教授团队在此研究做出了重大突破，在这里，超灵敏、高变形和透明的湿度传感器是基于成本低的聚丙烯酰胺基双网水凝胶制作成的。同时，提出了一种制备厚度可控的水凝胶薄片的一般方法，以提高基于水凝胶的传感器的灵敏度。因为其比表面积大幅度增加，该方法可用于不同的聚合物网络，并促进柔性集成电子器件的发展。此外，首次引入了富含亲水极性基团的可持续木薯作为第二交联网络，表现出优异的吸水能力。通过对结构和组成的协同优化，获得的水凝胶薄膜表现出13,462.1%/%RH的超高灵敏度，这是前所未有的。此外，基于水凝胶薄膜的传感器表现出优异的可重复性，并且能够在拉伸状态下正常工作，甚至提高了其灵敏度。作为一个概念验证，研究者将可拉伸的传感器与专门设计的无线电路和面罩集成在一起，制成了一个带有蓝牙传输的无线呼吸中断检测系统，实现了对人体健康状态的实时监测。这项工作为构建高性能、可拉伸和微型水凝胶基传感器提供了一个总体战略。作为下一代可穿戴设备，用于实时监测各种生理信号。相关研究工作以“Humidity Sensing of Stretchable and Transparent Hydrogel Films for Wireless Respiration Monitoring”为题发表在国际期刊《Nano-Micro Letters》上。

三、图文速递

图1. 可拉伸水凝胶薄膜湿度传感器的制备过程、优异性能及其在无线呼吸监测中的实际可穿戴应用

图2. 水凝胶的材料表征

图3. 湿度传感器的在不同相对湿度环境下的复阻抗图谱及其湿度传感器性能

图4. 不同厚度的聚丙烯酰胺-卡拉胶水凝胶薄膜的透明度和湿敏性能

图5. 湿度传感器在0%-25%拉伸状态和15-41℃环境下的湿度传感性能

图6. 聚丙烯酰胺-木薯淀粉水凝胶薄膜湿度传感器的传感性能

图7. 水凝胶薄膜湿度传感器集成在智能口罩中用于实时、无线监测人体呼吸暂停

四、结论与展望

综上所述，以PAM基水凝胶为传导材料，构建了可拉伸的透明湿度传感器，通过结构和成分的协同调节实现了湿度传感性能的提升。一方面，提出了一种通用的水凝胶薄膜制备方法，所得到的水凝胶薄膜的厚度为几十微米，在可见光范围内具有较高的透明度，更重要的是，提高了湿度传感性能。这是由于水凝胶膜中水分子的比表面积大，扩散距离小，从而更有效地吸附和解吸水分。这种方法带来的湿度敏感度的改善远远大于普通的微图案和皱纹表面等。初始电导率的降低也有助于提高敏感度。另一方面，通过引入天然木薯代替第二交联网络，水凝胶薄膜的湿度敏感性得到进一步改善。由于更多的极性亲水基团和自支撑的双面暴露膜结构，独立的PAM/木薯水凝胶薄膜拥有出色的水分吸附能力，其灵敏度达到前所未有的13462.1%/%RH。

受益于传感材料固有的可拉伸性，这些湿度传感器能够在大的拉伸应变下正常工作，甚至提高了灵敏度，这可以满足可穿戴设备的要求。此外，该传感器还表现出优异的可重复性和广泛的检测范围。通过用多元醇或LiBr浸泡水凝胶，它们的环境耐受性得到了极大的改善，这对传感器的稳定性和可靠性是有益的。值得注意的是，通过复杂的阻抗谱可以了解离子传导水凝胶的深度湿度感应机制。研究者还将薄膜湿度传感器安装在面罩内部，用于检测人体呼吸，并通过蓝牙传输模块和专门设计的电路将检测到的呼吸间隔和频率上传到手机APP上，这显示了其在无线、实时、连续和准确的医疗监测方面的巨大潜力，如以简单的方式对呼吸暂停进行早期检测和报警。这项工作为提高水凝胶基湿度传感器的性能以适应实际的可穿戴应用提供了一种通用的策略，这对先进的可穿戴电子产品的发展具有重要意义。