一种用于无线健康和环境监测的耐湿、敏感和可拉伸的水凝胶氧传感器

摘要：由于在健康和环境监测领域的广泛应用，对高灵敏度和可穿戴式气体传感器提出了很高的要求。然而，传统的室温气体传感器在湿度、温度变化或放入水中时，其传感性能容易出现波动甚至失效，严重限制了其实际应用。本文设计了一种多孔弹性体封装水凝胶型氧传感器，在各种环境条件下具有令人印象深刻的室温传感性能，包括高精度(ppm级别)，宽检测范围(从5ppm到90% O2)，出色的重复性，选择性，长期稳定性，透气性和防水性。疏水弹性体膜在很大程度上防止了水分子的侵入和蒸发，使装置耐湿度干扰，适用于水下操作。得益于水凝胶和弹性体薄膜固有的可拉伸性及其强大的界面结合，最终装置可以拉伸到100%的应变。通过将传感器与无线电路模块集成，展示了一种用于健康和环境实时监测的可穿戴/便携式氧传感系统，实现了呼吸频率、组织氧、环境氧和溶解氧的及时便捷评估。

(a)多孔Ecoflex弹性体膜的制备过程和弹性体封装水凝胶传感器的组装过程。(b)多孔弹性体膜的照片和膜上微孔的光学显微镜图像。(c、d)照片显示多孔膜的气体(蒸汽)渗透性和防水性。(e-g)可拉伸性、透氧性和耐水性的原理图，使传感器具有多种应用场景，如监测经皮氧压、呼吸状态和水下DO。

(a)多孔弹性体封装水凝胶传感器的防水原理图。(b)裸水凝胶、多孔膜和固体Ecoflex膜表面水滴的接触角。(c) 69 ~ 210 μm的裸水凝胶、多孔水凝胶和含固体弹性体的水凝胶在25℃、70% RH条件下的失重变化规律。(d)这三种水凝胶传感器的电流响应(ΔI/I0)与相对湿度的关系。(e)三种传感器在98% RH下的电流响应及其在25°C和70% RH下放置44 h f后的失重直方图;(g)裸水凝胶和多孔弹性体包裹水凝胶在78%、60%和45% RH下对4%和1% O2的动态响应和直方图。(h)厚度为81 ~ 428 μm的固体弹性体膜包裹水凝胶在78%、60%和45%相对湿度下对4% O2的动态响应。(i,j)裸水凝胶和固体弹性体包封水凝胶初始状态、3周后和5个月后对21% O2的动态响应曲线。(k)固体弹性体包封水凝胶在原始状态下对21% O2的动态响应曲线，以及180°弯曲、30%、60%、90%拉伸应变的不同变形。

(a) O2通过Ecoflex膜向水凝胶扩散示意图。(b,c)有限元模拟显示了当氧气穿透固体(b)和多孔(c)弹性体薄膜时，传感器截面上的氧气浓度和气流分布。(d)固体膜(152 μm)封装传感器O2浓度随膜深变化的模拟曲线，范围为0 ~ 200 s。(e) 49 ~ 428 μm厚度的固体膜和152 μm多孔膜封装传感器Ecoflexhydrogel界面O2浓度随扩散时间的模拟曲线。(f)固体膜和多孔膜封装传感器随O2浓度的线性拟合响应曲线。(g-i)多孔膜封装水凝胶传感器在500-4000 ppm、6-15%和50-90% O2条件下的动态响应。

(a)在5 V直流电压下，在21% O2下施加30000 s，裸水凝胶和固体弹性体封装水凝胶的长期电流变化。(b)水凝胶O2传感器的传感机理示意图。裸露的水凝胶在5 V直流电压下暴露在空气中30 000 s时，(c1)新阳极，(c2)新阴极，(c3)阳极和(c4)阴极的SEM图像。(d)裸水凝胶和固体弹性体封装水凝胶的阴极被Ecoflex厚弹性体封装的示意图。(e,f)阳极或阴极包覆Ecoflex厚弹性体时，裸水凝胶和包覆固体弹性体水凝胶对1-10% O2的响应曲线。

(a)照片和热成像图像显示，传感器被贴在手腕上，通过加热贴片监测加热前后的tcPO2。(b)测量tcPO2时传感器的电流变化。(c)面罩和传感器(ecoflex -水凝胶界面)中O2浓度变化的模拟。(d)佩戴智能口罩志愿者正常呼吸、停止呼吸、深呼吸的实际应用中传感器电流变化。(e)左:嵌入柔性氧传感器并将信号无线传输到手机的智能面罩示意图。右图:志愿者戴着监测呼吸的智能口罩。(f-j)通过氧气检测和报警系统实时监测环境中的氧气浓度，并在智能手机和电脑上显示。当传感器放置在空中时，智能手机显示“正常”(f)，报警灯熄灭(h)。当传感器被N2吹灭，电流降至阈值(300na)以下时，智能手机显示“ALARM”(g)，报警灯亮(i,j)。电路板集成了电信号采集、处理和无线传输以及报警模块。

(a)裸水凝胶与固膜包覆水凝胶在水下48 h的溶胀比曲线。插图为水凝胶在水下48 h前后的形态变化。(b)传感器响应与DO浓度的线性拟合曲线。(c)传感器对8.11-9.12 mg L−1 DO的动态响应。(d)传感器测量水中DO浓度的示意图，用于监测植物光合作用和呼吸作用。昆虫说明了实验装置，传感器被放置在一个装有水和藻类的瓶子里。

(e)传感器在连续光照和黑暗环境下监测藻类光合作用和呼吸作用的响应。

总结：综上所述，本文开发了一种基于Ecoflex弹性体薄膜封装的PAM/CARR水凝胶制备室温敏感、透气性好、防水、可拉伸氧传感器的简易通用策略，并展示了其从人体健康监测到环境评估的广泛应用前景。透氧防水弹性体薄膜的引入，通过二苯甲酮处理与水凝胶紧密结合，在保护设备免受外界环境影响方面发挥了关键作用，同时解决了水凝胶类设备经常遇到的脱水问题。实验和有限元模拟结果证实，可以通过改变膜厚和多孔结构来调节传感器的透氧性，从而达到灵敏度、寿命和监测范围之间的平衡。该传感器厚度为152 μm，具有灵敏度高(0.355%/ppm)、检出限低、检测范围宽(5ppm ~ 90% O2)、重复性好、选择性好、长期稳定性好等特点，在湿度变化或机械变形情况下均能正常稳定工作。在将水凝胶中的水部分替换为甘油后，由于封装导致的抗冷冻和脱水性能增强以及扩散受限响应过程，该装置甚至可以在很宽的温度范围内稳定工作。基于这些优点，该传感器与所开发的无线氧监测系统不仅可以用于tpo2、呼吸和缺氧环境的检测，还可以用于水下DO的评估。这种简单的弹性体封装技术在将水凝胶转化为可穿戴生物电子产品方面具有巨大的潜力，可以开发复杂的环境监测系统。

转自：“科研一席话”微信公众号

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