可穿戴傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的實時檢測

在智能化發(fā)展的大趨勢下，安裝在機器人或人體上的可穿戴傳感器憑借在物聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境保護(hù)、軟機器人以及個性化醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注，它們極大地擴展了人類的感知能力。

與通常體積龐大、價格昂貴、時效性差的傳統(tǒng)分析儀器或醫(yī)療器械相比，這些新興的可穿戴傳感器具有靈敏度高、重量輕、成本低以及機械順應(yīng)性等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的實時檢測，促進(jìn)了各種信號的采集。

氧氣是生物生存以及工業(yè)生產(chǎn)所必須的基本物質(zhì)，大氣或溶解氧（DO）的檢測也是環(huán)境監(jiān)測和健康檢測中的重要指標(biāo)。呼吸氧或經(jīng)皮氧分壓（tcPO2）的測量，可用于呼吸監(jiān)測以及判斷局部組織氧供應(yīng)，因此有望用于一些慢性疾病的無創(chuàng)診斷和康復(fù)，包括呼吸系統(tǒng)疾病、糖尿病足、外周動脈疾病、傷口愈合及感染等。

令人遺憾的是，目前關(guān)于個性化氧監(jiān)測醫(yī)療器械的研究還比較缺乏，主流研究主要集中于運動監(jiān)測，以及血壓、脈搏、心電圖、肌電圖等生理信號檢測。為了進(jìn)一步擴大可穿戴設(shè)備的應(yīng)用潛力，迫切需要開發(fā)高性能的柔性氧氣傳感器。

對于已有報道的大部分柔性傳感器，常用的構(gòu)建策略是在聚合物基底上集成功能材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亞胺等。為了更好地適應(yīng)可穿戴應(yīng)用，在這些器件中開發(fā)了一系列低溫甚至室溫工作的氣敏材料，如MXenes、金屬修飾半導(dǎo)體以及聚合物電解質(zhì)等，以降低安全威脅和功耗。盡管在機械柔性方面進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化，但由于基底材料與皮膚或組織之間的機械特性極度不匹配，這些器件的可拉伸性較差，并且無法很好地貼合人體。

更具挑戰(zhàn)性的是，這些現(xiàn)有柔性器件在透氣性和防水性之間存在權(quán)衡，這限制了它們的長期佩戴以及在潮濕和水性環(huán)境（水療或游泳等）中的應(yīng)用。有鑒于此，對新型功能材料和復(fù)雜器件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步探索和設(shè)計，成為解決上述挑戰(zhàn)的有效手段。

近些年，由分散在水中的3D聚合物網(wǎng)絡(luò)組成的水凝膠，憑借其優(yōu)異的機械順應(yīng)性和導(dǎo)電性而受到廣泛研究。同時，特定組分或基團設(shè)計的水凝膠可以賦予其良好的粘附性、自修復(fù)能力和生物相容性，并且由于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在減薄后也可以獲得良好的氣體滲透性。因此，水凝膠被認(rèn)為是各種生物醫(yī)學(xué)和柔性可穿戴應(yīng)用的理想功能材料。

到目前為止，水凝膠作為傳感器、儲能裝置、表皮生物粘附層、組織粘合劑以及藥物釋放載體的巨大潛力已經(jīng)逐步得到證實。

對于室溫氣體傳感器來說，抗?jié)穸雀蓴_能力，仍然是其實際應(yīng)用的主要問題。水凝膠具有豐富的親水官能團，使其對濕度自然敏感，甚至已被開發(fā)為高性能濕度傳感器。為此，為了實現(xiàn)后續(xù)水凝膠氣體傳感器件的穩(wěn)定運行，迫切需要開發(fā)一種通用的解決方案來減輕濕度干擾。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中山大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和華南理工大學(xué)研究人員組成的研究團隊提出了一種可拉伸且環(huán)境穩(wěn)定的氧氣傳感器，該傳感器由固態(tài)聚丙烯酰胺（PAM）/卡拉膠（CARR）水凝膠電解質(zhì)、電極和透氧Ecoflex彈性體封裝膜組成，其中水凝膠和彈性體之間通過二苯甲酮處理實現(xiàn)強化學(xué)界面交聯(lián)，由此確保作為可穿戴電子器件的設(shè)備能夠適應(yīng)各種變形而不會分層。由于液態(tài)水的表面張力以及聚合物分子對極性水分子較大的阻礙作用，彈性體薄膜封裝不僅可以解決水凝膠的脫水問題，還賦予器件優(yōu)異的抗?jié)穸雀蓴_能力以及水下工作能力。

（a）多孔Ecoflex彈性體膜的制造過程示意圖，以及彈性體膜封裝水凝膠傳感器的組裝過程示意圖；（b）多孔彈性體膜照片和膜上微孔的光學(xué)顯微圖像；（c、d）多孔膜的氣體（蒸汽）滲透性和防水性；（e~g）可拉伸、透氧和耐水性賦予傳感器各種應(yīng)用場景，如監(jiān)測經(jīng)皮氧分壓、呼吸狀態(tài)和水下溶解氧。

a）水凝膠氧氣傳感器黏附于手腕上的照片和熱成像圖，監(jiān)測通過加熱片加熱前后的經(jīng)皮氧分壓；（b）經(jīng)皮氧分壓測量過程中傳感器的電流變化。

（e）左圖：嵌入柔性氧氣傳感器并將信號無線傳輸?shù)?a target="_blank">手機的智能口罩示意圖；右圖：志愿者戴著智能口罩監(jiān)測呼吸。（f~j）通過氧氣檢測和報警系統(tǒng)實時監(jiān)測環(huán)境氧氣濃度，并在智能手機和計算機上顯示。

研究人員通過實驗結(jié)果表明，這種彈性體薄膜的透氧性和耐水性主要取決于其厚度。堅實而厚的彈性體層降低了氧氣的穿透效率，從而延長了器件的壽命，適用于高濃度檢測。

此外，研究人員通過鹽模板法設(shè)計了一種多孔彈性體薄膜，所得到的152 μm厚多孔彈性體薄膜封裝的水凝膠基器件，同時展現(xiàn)了卓越的耐濕性和傳感性能，包括高靈敏度（0.355%/ppm）、低檢測限（ppm級）、大檢測范圍（從5 ppm到90%氧氣）、優(yōu)異的重復(fù)性、選擇性以及長期穩(wěn)定性。此外，通過調(diào)節(jié)彈性體薄膜的厚度和結(jié)構(gòu)，這款器件可以監(jiān)測不同的氧氣濃度范圍。

最后，研究人員展示了這款氧氣傳感器及相應(yīng)自主設(shè)計的無線氧氣監(jiān)測系統(tǒng)，及其在各種應(yīng)用場景中的使用，包括人體皮膚表面的無創(chuàng)tcPO2檢測、呼吸監(jiān)測、大氣含氧量和水中溶解氧的評估?？傮w來說，這項研究成果為制造具有廣泛適應(yīng)性的可穿戴電子產(chǎn)品提供了一種很有前景的策略。

審核編輯：彭菁