可穿戴傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)準確的實時檢測

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、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)準確的實時檢測，促進了各種信號的采集。

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。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，水凝膠被認為是各種生物醫(yī)學和柔性可穿戴應(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、西北工業(yè)大學和華南理工大學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