中山大学/五邑大学:研发用于健康和环境监测的抗湿度干扰、可拉伸水凝胶基无线氧气传感器

氧气是生物生存或工业生产的基本物质,大气氧含量或溶解氧(DO)也是健康和环境评估中的关键指标。呼吸氧含量或经皮氧分压(tcPO2)可用于呼吸监测和局部组织供氧的判断,有望用于呼吸系统疾病、糖尿病足、外周动脉疾病、伤口愈合和感染等慢性疾病的无创诊断。传统分析仪器或医疗设备体积庞大、价格昂贵、时效性差,而新兴的可穿戴传感器可实现准确、实时检测的同时,还具有灵敏度高、轻量化、性价比高、机械顺应好等优点,极大地方便了各种信号采集。遗憾的是,目前主流的研究集中在监测运动和如血压、脉搏、心电图、肌电图等生理信号上,对具有氧监测功能的柔性传感设备的研究相对匮乏。为此,迫切需要开发高性能、柔性的氧传感器。


水凝胶已被证实具有优异的气体传感能力(中山大学吴进课题组在水凝胶基柔性室温气湿敏传感器方面的系列研究进展( Nature Communication2023, 14, 5221; Advanced Functional Materials2023, 33,2300046;Nano-Micro Letters2022, 14, 52;Nano-Micro Letters2022, 14,183;Nano-Micro Letters2023, 15, 136;Materials Horizons2022, 9, 1921;SmartMat2023,4,e1141;SmartMat2023, 4, e1147; Small2021, 17, 2104997),但是其有丰富的亲水官能团,使其对湿度自然敏感,甚至被开发为高性能湿度传感器,进而严重干扰了其作为传感器的可靠性。同时,疏水性材料掺杂虽然可降低湿度敏感度,但难以解决凝胶在溶液环境的离子泄露问题。考虑到这一点,最近,课题组提出了一种结构调控的透气疏水Ecoflex弹性体薄膜装策略,不仅可以解决水凝胶的脱水问题,而且赋予水凝胶基氧气传感器优异的抗湿扰和水下工作能力。实验结果表明,弹性体薄膜的透氧性和防水性主要取决于其有效厚度。


通过调节弹性体薄膜的厚度和结构,传感器可以适应监测不同的氧气浓度范围。采用盐模板法制备了多孔弹性体薄膜,所得的152微米厚的多孔弹性体薄膜封装水凝胶器件同时表现出优异的耐湿性和氧气传感性能,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% O2)、优异的可重复性、选择性和长期稳定性。而较厚的实心弹性体薄膜有效降低了透过的O 2浓度从而延长使用寿命,适用于高浓度检测。此外,自主设计的无线氧监测系统在各种应用场景中的使用,包括无创经皮氧分压(tcPO 2)检测,呼吸监测,水中溶解氧的评估。本工作为具有广泛适应性的柔性可穿戴电子产品的制造提出了一种有前途的策略。

来源:传感器专家网

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