耐湿、可拉伸的水凝胶氧气传感器，用于可穿戴健康和环境监测
2023-11-01 14:17:21   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

在智能化发展的大趋势下，安装在机器人或人体上的可穿戴传感器凭借在物联网、环境保护、软机器人以及个性化医疗等领域的广泛应用而备受关注，它们极大地扩展了人类的感知能力。

与通常体积庞大、价格昂贵、时效性差的传统分析仪器或医疗器械相比，这些新兴的可穿戴传感器具有灵敏度高、重量轻、成本低以及机械顺应性等优点，能够实现准确的实时检测，促进了各种信号的采集。

氧气是生物生存以及工业生产所必须的基本物质，大气或溶解氧（DO）的检测也是环境监测和健康检测中的重要指标。呼吸氧或经皮氧分压（tcPO₂）的测量，可用于呼吸监测以及判断局部组织氧供应，因此有望用于一些慢性疾病的无创诊断和康复，包括呼吸系统疾病、糖尿病足、外周动脉疾病、伤口愈合及感染等。

令人遗憾的是，目前关于个性化氧监测医疗器械的研究还比较缺乏，主流研究主要集中于运动监测，以及血压、脉搏、心电图、肌电图等生理信号检测。为了进一步扩大可穿戴设备的应用潜力，迫切需要开发高性能的柔性氧气传感器。

对于已有报道的大部分柔性传感器，常用的构建策略是在聚合物基底上集成功能材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺等。为了更好地适应可穿戴应用，在这些器件中开发了一系列低温甚至室温工作的气敏材料，如MXenes、金属修饰半导体以及聚合物电解质等，以降低安全威胁和功耗。尽管在机械柔性方面进行了一定程度的优化，但由于基底材料与皮肤或组织之间的机械特性极度不匹配，这些器件的可拉伸性较差，并且无法很好地贴合人体。

更具挑战性的是，这些现有柔性器件在透气性和防水性之间存在权衡，这限制了它们的长期佩戴以及在潮湿和水性环境（水疗或游泳等）中的应用。有鉴于此，对新型功能材料和复杂器件结构的进一步探索和设计，成为解决上述挑战的有效手段。

近些年，由分散在水中的3D聚合物网络组成的水凝胶，凭借其优异的机械顺应性和导电性而受到广泛研究。同时，特定组分或基团设计的水凝胶可以赋予其良好的粘附性、自修复能力和生物相容性，并且由于其网络结构，在减薄后也可以获得良好的气体渗透性。因此，水凝胶被认为是各种生物医学和柔性可穿戴应用的理想功能材料。

到目前为止，水凝胶作为传感器、储能装置、表皮生物粘附层、组织粘合剂以及药物释放载体的巨大潜力已经逐步得到证实。

对于室温气体传感器来说，抗湿度干扰能力，仍然是其实际应用的主要问题。水凝胶具有丰富的亲水官能团，使其对湿度自然敏感，甚至已被开发为高性能湿度传感器。为此，为了实现后续水凝胶气体传感器件的稳定运行，迫切需要开发一种通用的解决方案来减轻湿度干扰。

据麦姆斯咨询报道，中山大学、西北工业大学和华南理工大学研究人员组成的研究团队提出了一种可拉伸且环境稳定的氧气传感器，该传感器由固态聚丙烯酰胺（PAM）/卡拉胶（CARR）水凝胶电解质、电极和透氧Ecoflex弹性体封装膜组成，其中水凝胶和弹性体之间通过二苯甲酮处理实现强化学界面交联，由此确保作为可穿戴电子器件的设备能够适应各种变形而不会分层。由于液态水的表面张力以及聚合物分子对极性水分子较大的阻碍作用，弹性体薄膜封装不仅可以解决水凝胶的脱水问题，还赋予器件优异的抗湿度干扰能力以及水下工作能力。

（a）多孔Ecoflex弹性体膜的制造过程示意图，以及弹性体膜封装水凝胶传感器的组装过程示意图；（b）多孔弹性体膜照片和膜上微孔的光学显微图像；（c、d）多孔膜的气体（蒸汽）渗透性和防水性；（e~g）可拉伸、透氧和耐水性赋予传感器各种应用场景，如监测经皮氧分压、呼吸状态和水下溶解氧。

a）水凝胶氧气传感器黏附于手腕上的照片和热成像图，监测通过加热片加热前后的经皮氧分压；（b）经皮氧分压测量过程中传感器的电流变化。

（e）左图：嵌入柔性氧气传感器并将信号无线传输到手机的智能口罩示意图；右图：志愿者戴着智能口罩监测呼吸。（f~j）通过氧气检测和报警系统实时监测环境氧气浓度，并在智能手机和计算机上显示。

研究人员通过实验结果表明，这种弹性体薄膜的透氧性和耐水性主要取决于其厚度。坚实而厚的弹性体层降低了氧气的穿透效率，从而延长了器件的寿命，适用于高浓度检测。

此外，研究人员通过盐模板法设计了一种多孔弹性体薄膜，所得到的152 μm厚多孔弹性体薄膜封装的水凝胶基器件，同时展现了卓越的耐湿性和传感性能，包括高灵敏度（0.355%/ppm）、低检测限（ppm级）、大检测范围（从5 ppm到90%氧气）、优异的重复性、选择性以及长期稳定性。此外，通过调节弹性体薄膜的厚度和结构，这款器件可以监测不同的氧气浓度范围。

最后，研究人员展示了这款氧气传感器及相应自主设计的无线氧气监测系统，及其在各种应用场景中的使用，包括人体皮肤表面的无创tcPO₂检测、呼吸监测、大气含氧量和水中溶解氧的评估。总体来说，这项研究成果为制造具有广泛适应性的可穿戴电子产品提供了一种很有前景的策略。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202308280

延伸阅读：

《环境气体传感器技术及市场-2023版》

《盛思锐气体传感器SGP40产品分析》

《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》