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用于无线呼吸检测的可延展透明水凝胶湿度传感器
Cite as Nano-Micro Lett.（IF=23.65）
Yuning Liang1 , Qiongling Ding1 , Hao Wang1 , Zixuan Wu1 , Jianye Li1 , Zhenyi Li1 , Kai Tao2 , Xuchun Gui1 , Jin Wu1 *
重点
1.提出了一种制备具有不同聚合物网络结构用于湿度检测的厚度可控水凝胶膜的通用方法
2.可延展湿度传感器能够正常压力或更大的张力下正常工作甚至能够提高敏感性，这使得水凝胶湿度响应性能以机械角度程序化。
3.发明了基于此传感器的具有蓝牙传输功能的无线呼吸中断检测口罩，得到了用户呼吸状态的即时、无线和准确的结果。诸如呼吸间歇、呼吸频率和窒息。
摘要
呼吸检测时健康评估的核心并且为柔性湿度传感器提供了一个重要的前景应用。然而，传统的湿度传感器在变形性、敏感性和透明性之间进行权衡，并且因此高性能、可延展和低耗能的湿度传感器对于穿戴式电子学是急需的。基于具有成本效益的聚丙烯酰胺基双网络水凝胶制备了超灵敏、高度可变形和透明的湿度传感器。同时，制备厚度可控的水凝胶的一种普遍方法是去提高水凝胶基底传感器的敏感性。亲水性极性基团的木薯淀粉首次被引入作为第二种交联网络，表现出了极好的水吸收性能。我们集成了一种具有特殊设计的无线电路的传感器和制备了一种具有蓝牙传输功能的无线呼吸中断检测系统的面具，能够实时监测人体健康状态。这个工作为构筑高性能、可延展和微型化水凝胶基底传感器的提供了一种普遍策略，这类传感器作为能够实时监测物理信号的新一代可穿戴式设备。
PAM/ 卡拉胶体水凝胶的合成
科研一席话
采用一锅溶胶-凝胶法制备了PAM/卡拉胶水凝胶。首先在烧瓶中加入7.5 g AM, 1.5 g卡拉胶，0.005 g MBA, 0.09 g KCl, 0.1 g光引发剂，41 mL去离子水。加热搅拌后得到可流动的PAM/卡拉胶水凝胶前驱体溶液，倒入玻璃培养皿中，放入冰箱6°C冷藏1 h，冷藏后形成第一个卡拉胶网络。然后用紫外光照射2 h，在MBA、光引发剂和紫外光的共同作用下，诱导AM聚合形成PAM的第二网络，形成PAM/卡拉胶DN水凝胶。
PAM/卡拉胶水凝胶膜的制备
用塑料尖滴管取约5 mL PAM/卡拉胶水凝胶前驱物溶液，然后旋转涂覆在带有PDMS基底的Al片上以不同的速度喷覆30s，得到厚底不同的水凝胶层。旋涂后放入6℃冰箱1 h，在钾离子作用下形成卡拉胶第一网络。然后滴加2毫升甘油溶液覆盖样品表面。将样品置于紫外灯下光引发2小时，使AM聚合形成PAM。
PAM/木薯大体积水凝胶的合成
PAM/木薯水凝胶膜的制备方法与PAM/卡拉胶水凝胶膜相似，只是没有使用PDMS作为支撑层。在120 W功率的氧等离子清洗5 min后，滴入5 mL前驱体溶液，旋转镀膜30 s后得到水凝胶前驱体层。然后将前驱体层在紫外光照射2 h后转化为PAM/木薯淀粉水凝胶膜，进行AM交联。
环境稳定的PAM/卡拉胶水凝胶
聚丙烯酰胺水凝胶由于其优异的拉伸性能(高达1500%应变)和离子传输能力，是制造柔性可穿戴电子产品的优秀候选材料。特别是它含有丰富的极性酰胺基团，容易与水分子形成氢键，显示出很大的湿度监测潜力。用甘油作为水凝胶的保湿剂获得了环境稳定的PAM/卡拉胶有机水凝胶。当暴露在高湿环境中时，由于水凝胶中存在大量的非键亲水性基团如羟基和酰胺基团，水分子在水凝胶中的吸附作用明显强于解吸作用，水凝胶可以通过形成氢键的方式吸附周围环境中的水分子，直到达到水分子吸附和解吸的平衡。
改进湿度传感的成分优化
我们用类似的方法制备了独立的PAM/木薯淀粉DN水凝胶薄膜，其中木薯淀粉是从木薯根中提取的一种天然的绿色多糖，可以视为葡萄糖的聚凝聚物。特别是它是一种良好的吸湿性材料，含有大量的羟基，可以与水分子形成氢键结合，从而大大增加水分子在水凝胶中的吸附位点。由于存在更多的官能团，具有一定的自粘性能，这使其可以直接粘附在人体皮肤上，而不需要类似胶带的物品。与之前的PAM/卡拉胶水凝胶相比，基于PAM/木薯水凝胶膜的传感器的响应得到了前所未有的提高。对于最薄的PAM/Tapioca水凝胶薄膜，在98% RH条件下，其响应高达485,486.8%，干燥环境下的灵敏度S1和潮湿环境下的灵敏度S2分别增加到1475.1%和13462.1% RH，代表了最先进的性能标准。PAM/卡拉胶水凝胶膜、PAM/木薯水凝胶膜也显示出显著的厚度依赖性湿度响应性，证明了这种薄膜化方法在改善不同水凝胶的湿度转导性能方面的通用性。
用于呼吸检测的水凝胶传感器的概念验证
我们进一步将传感器与无线电路集成，构建具有蓝牙传输功能的睡眠呼吸暂停无线检测报警系统，实现呼吸状态的采集、处理、传输并最终显示。呼吸中断报警电路通过直接数字频率合成(DDS)芯片提供600mv, 200hz的交流信号，并应用于湿度传感器。当用户呼吸正常时，APP界面中间显示“NORMAL”标志，底部显示间隔和频率。只要传感器在10s内检测到没有呼吸，APP就会显示“ALARM”标志，并发出报警，提醒人们及时采取行动。
转自：“科研一席话”微信公众号
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